基于剂量-效应关系分析模拟酸雨对26种植物总叶绿素含量的影响

苟姝贞,陈杨武,夏志东 ,李成刚,唐 苛,邓仕槐

(1.成都工业职业技术学院，四川 成都 610218; 2.中国科学院成都生物研究所，四川 成都 610041;3.四川农业大学环境学院，四川 成都 611130)

1 材料与方法

1.1 实验材料与方法

供试的26种植物购于雅安市和生园林绿化服务部，选择长势良好、一致且树龄相同的成年植株，种在高27 cm、直径25 cm 的陶制花盆中，置于温室大棚内培养，在此期间定期进行浇水、通风及灭虫等。

使用分光光度法[20]测定供试植物的叶绿素a和叶绿素b含量，并根据实验指导中的经验公式[20]计算总叶绿素含量。

1.2 剂量-效应关系的拟合与阈值的确定

I=a×(7-pH)+b

(1)

式中，I为总叶绿素含量抑制率，a、b为常数。再利用公式(1)求出EC10。

1.3 数据处理与分析

利用Excel2010进行数据运算。使用DPS7.05进行方差分析，若差异显著则用LSD法进行多重比较。采用Origin2018进行剂量-效应关系拟合。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨对植物总叶绿素含量的剂量-效应关系分析

模拟酸雨胁迫50 d后对26种植物总叶绿素含量的影响表现出不同的规律，大致可以分为4种类型：促进型、无影响型、低促高抑型和抑制型。

(1)促进型。模拟酸雨处理下，广玉兰、珊瑚树、爬山虎、买麻藤4种植物的总叶绿素含量较对照的抑制率均小于-10%(图1)，差异显著；模拟酸雨处理下，小叶榕、山茶、美人蕉、芭蕉4种植物的总叶绿素含量显著高于对照(抑制率为负值，图1)，或与对照没有显著差异。表明，在实验酸雨pH值范围内(pH≥2.0)，模拟酸雨对这8种植物的毒害作用小于酸雨中营养元素的促进作用，叶片总叶绿素含量不受抑制，甚至可提高其总叶绿素含量。

(2)无影响型。模拟酸雨处理下，黄杨、夹竹桃、棣棠、火棘4种植物的总叶绿素含量与对照无显著差异(图2)。表明，在本实验设计的酸雨水平内(pH≥2.0)，模拟酸雨对这4种植物叶片总叶绿素含量无显著影响。

图2 模拟酸雨对总叶绿素含量的无影响型剂量-效应关系

(3)低促高抑型。pH 4.0的模拟酸雨使小叶女贞、黄菖蒲、紫荆、棕榈4种植物叶片总叶绿素含量显著高于对照(抑制率为负，图3)，pH<3.0的模拟酸雨处理的叶片总叶绿素含量抑制率显著高于对照(抑制率为正)。说明低酸度的模拟酸雨可提高供试植物叶片的总叶绿素含量，而高酸度的模拟酸雨则降低其总叶绿素含量。

图3 模拟酸雨对总叶绿素含量的低促高抑型剂量-效应关系

(4)抑制型。模拟酸雨处理对杜鹃、银杏、构树、常春藤、茶梅、马尾松、紫藤、毛竹、石榴、三角梅10种植物总叶绿素含量的抑制率显著高于对照(抑制率为正，图4)。其中，杜鹃、银杏的剂量-效应关系呈现“S”形，符合Boltzmann方程；构树、常春藤、茶梅、马尾松在pH 4.0、pH 3.0、pH 2.0处理下的抑制率表现出显著升高或降低，对异常点进行去除后，其剂量-效应关系呈现“S”形，符合Boltzmann方程；紫藤、毛竹、石榴、三角梅的剂量-效应关系不呈现“S”形，无法进行Boltzmann模型拟合。

图4 模拟酸雨对总叶绿素含量的抑制型剂量-效应关系

2.2 模拟酸雨对植物总叶绿素含量毒害阈值分析

本研究运用叶片总叶绿素含量抑制率高于对照10%的酸雨pH值(即EC10)作为毒害阈值，在酸雨胁迫剂量-效应关系的基础上获得EC10(表1)。由于促进型和无影响型的12种植物以及低促高抑型中的棕榈在本研究设定的pH值范围内未表现出抑制效应，因此取其EC10范围为pH<2.0；低促高抑型中的小叶女贞、黄菖蒲、紫荆以及抑制型中的紫藤、毛竹、石榴、三角梅的剂量-效应关系无法进行Boltzmann模型拟合，则运用本文1.2中的方法及公式(1)得出EC10；抑制型中的杜鹃、银杏、构树、常春藤、茶梅、马尾松的剂量-效应关系呈现“S”形，EC10通过Boltzmann方程拟合获得。

表1 模拟酸雨对26种植物总叶绿素含量的毒害阈值(EC10)

3 讨 论

酸雨会使植物叶片变黄脱落，破坏植物叶片结构，降低叶绿素含量，影响植物酶活性[22]。因此，在酸雨多发区，栽培对酸雨胁迫抗性高(耐受低pH值)的园林绿化植物可节约成本，并更好地保护城市环境及维护生态平衡。

本研究中，被归类于抑制型剂量-效应关系中的毛竹其总叶绿素含量在模拟酸雨条件下表现出低促高抑的现象，可能原因是模拟酸雨改变了土壤微生物菌群结构，pH 2.0处理抑制了土壤细菌的多样性和丰富度，而pH 4.0处理对土壤真菌多样性和丰富度具有促进作用，从而影响毛竹的生长[23]。抑制型中的马尾松其剂量-效应关系呈现“S”形，通过Boltzmann方程拟合获得EC10，得出马尾松受模拟酸雨胁迫的毒害阈值为pH 3.4，这与前人根据根系活力、根系总吸收面积、活跃吸收面积、苹果酸与柠檬酸分泌量等指标获得的pH≤3.5的酸雨引起马尾松幼苗根系明显受损的结论相似[24]。此外，对酸雨胁迫剂量-效应关系符合Boltzmann模型的杜鹃的EC10进行计算，获得其受模拟酸雨毒害的阈值为pH 3.3，此结果与通过抗氧化酶体系、丙二醛、净光合速率等指标综合评价得到的pH值≤3.0是酸雨对西洋杜鹃造成隐形伤害的阀值[25]较为接近。上述结果表明植物叶片总叶绿素含量可有效表征模拟酸雨对植物的剂量-效应关系。

与笔者前期选用净光合速率指标进行剂量-效应关系分析的研究结果进行对比，发现在相同的13种植物类型中，只有珊瑚树、芭蕉、买麻藤3种植物的毒害阈值运用两个不同指标计算结果完全一致；而茶梅、构树2种植物的毒害阈值运用净光合速率指标计算结果小于运用总叶绿素含量指标的计算结果；小叶榕、黄菖蒲、山茶、夹竹桃、银杏、棕榈、广玉兰、紫荆8种植物的毒害阈值运用净光合速率指标计算结果大于运用总叶绿素含量指标计算结果[16]。由此可知，使用植物总叶绿素含量或者净光合速率的抑制率通过拟合法确定植物的EC10来评价其毒害阈值是可行的，该研究方法打破了原有的运用实验水平的pH值作为毒害阈值或范围的思路，更具实际意义。由于不同指标对于酸雨胁迫的响应存在差异，因而基于多指标的剂量-效应关系进行拟合分析与综合评价，可为酸雨胁迫下的植物毒害阈值的精准预测提供理论依据。

此外，本研究对模拟酸雨胁迫前植物总叶绿素含量与胁迫50 d后植物总叶绿素含量间差值也进行了分析，发现其剂量-效应关系与本文中的剂量-效应关系表现基本一致，进一步说明模拟酸雨作为主要的影响因素对植物的总叶绿素含量产生了影响。

4 结 论

(1)植物叶片总叶绿素含量可有效表征模拟酸雨对植物的剂量-效应关系。

(2)模拟酸雨对植物叶片中总叶绿素含量表现促进和抑制的双重效应，酸雨的毒害作用与施肥作用并存。

(3)在受模拟酸雨胁迫的26种植物中，珊瑚树、芭蕉、买麻藤3种植物的毒害阈值EC10为pH<2.0，此三类植物可参考作为耐酸雨优势物种进行种植，使其成为中国西南地区酸雨污染区生态恢复或绿化优选物种。