俞 飛 殷秀敏 伊力塔 劉美華

(浙江農林大學，臨安，311300) (杭州之江園林綠化藝術有限公司) (浙江農林大學)

酸雨對杉木幼苗葉綠素熒光及生長量的影響1)

俞 飛 殷秀敏 伊力塔 劉美華

(浙江農林大學，臨安，311300) (杭州之江園林綠化藝術有限公司) (浙江農林大學)

采用盆栽試驗和模擬酸雨噴淋的試驗方法，研究了重度酸雨(pH值=2.5)、中度酸雨(pH值=4.0)和對照(pH值=5.6)處理3 a后，不同季節(jié)杉木幼苗葉片的葉綠素熒光特性及其生長差異。結果表明：重度酸雨對杉木幼苗的潛在活性(Fv/Fo)和非光化學淬滅系數(qN)有顯著影響，其中8月份重度酸雨處理的株高增加量比中度酸雨和對照處理分別增加了98.98%和120.36%；而各酸雨處理對最大光化學效率(Fv/Fm)、光化學淬滅系數(qP)及地徑生長的影響不顯著。相同pH值酸雨處理下，季節(jié)變化對杉木幼苗的葉綠素熒光特性和生長量的影響較大，Fv/Fm、Fv/Fo、株高、地徑增加量由大到小變化趨勢均為8、11、5月份，其中8月份重度酸雨處理的Fv/Fm和Fv/Fo比5月份分別增加了25.7%和121.7%。二元方差分析顯示，酸雨和季節(jié)的交互作用對杉木的Fv/Fo和qN有顯著影響。

酸雨；葉綠素熒光特性；生長量；杉木

葉綠素熒光技術是20世紀80年代以來快速發(fā)展的植物脅迫生理研究技術，它能夠在不破壞植株的情況下，研究植株耐受環(huán)境脅迫的能力和各種脅迫對光系統(tǒng)損傷程度，反應靈敏、測定快速，可以從更微觀的層次了解植物光合系統(tǒng)的光能吸收、轉換和利用效率的能力，已廣泛用于強光、高溫、干旱、化學元素及營養(yǎng)元素脅迫等逆境生理研究[1-2]。

20世紀80年代，歐洲和北美相繼發(fā)生了森林大面積衰退或死亡的現象，而酸雨被認為是導致該現象的重要因素之一。一系列酸雨對樹木生理生態(tài)影響的研究也隨之展開，結果表明：酸雨可以通過破壞植物葉片結構、降低葉綠素質量分數、改變葉綠素熒光特性和酶活性等對植物產生直接影響[3-5]，也可以進入土壤后，改變土壤pH值、化學性質等，導致土壤酸化，間接影響植物根系和土壤微生物的活動[6-7]。我國是世界第三大酸雨區(qū)，而亞熱帶地區(qū)是全國酸雨最嚴重地區(qū)。20世紀80年代以來，我國開展了大量酸雨對森林生態(tài)系統(tǒng)影響的研究[8-9]。

杉木是我國亞熱帶地區(qū)人工速生豐產林的建群種。前人研究發(fā)現，pH值=2.0的模擬酸雨處理會導致杉木幼苗的有效光合組織減少、凈光合速率降低、呼吸作用增強以及生物量的減少，但是pH值=3.0以上的模擬酸雨對杉木生長沒有抑制作用，甚至有輕微的促進作用[10]63-64，[11]。前期研究大都以短期效應研究為主，而植物對環(huán)境脅迫有短期和長期反應[12-13]，因此，文中采用葉綠素熒光技術研究不同pH值酸雨處理3 a后的杉木幼苗受脅迫情況，并結合生長量情況，分析較長期的酸雨對杉木幼苗的生理生態(tài)影響，為進一步研究酸雨對杉木的影響及杉木對酸雨的反饋作用提供基礎數據。

1 試驗地概況

試驗地設在杭州臨安浙江農林大學苗圃內(119°44′E,30°16′N)。該地屬中亞熱帶季風氣候，春多雨、夏濕熱、秋氣爽、冬干冷。全年日照時間1 847.3 h，年均降水量1 628.6 mm，年均氣溫16.4 ℃，1月份平均氣溫為3.8 ℃，7月份平均氣溫為28.6 ℃，極端最高氣溫為40.4 ℃，極端最低氣溫為-9.2 ℃，年無霜期在250 d左右。土壤為紅黃壤。

2 材料與方法

試驗材料和噴淋設計：取當地黃紅壤，按S法取自溫室附近無凋落物覆蓋的裸地表層(0～15 cm)土壤，取樣點為10點，去石礫，混合均勻后作盆栽栽培土，土壤基本屬性為pH值=5.18，全氮、有機碳質量分數分別為7.3、12.4 g·kg-1，速效鉀、速效氮、速效磷質量分數分別為71.0、57.3、2.9 mg·kg-1。

每次從葉片開始噴灑模擬酸雨，至其滴液并進入土壤。酸雨噴淋總量按多年平均降水量×酸水頻率計，為1 365 mm。參照臨安1959—1980年月均降水量分配月噴淋量，分成8次均勻噴淋，適當補水將總加水量調為實際月降水量。試驗處理時間為2006年7月初到2009年11月末。

葉片葉綠素熒光參數的測定：采用便攜式調制葉綠素熒光儀(PAM-2100，Walz，Germany)進行葉綠素熒光各參數測定。分別于2009年5、8、11月份各進行一次熒光參數指標的測定，每次測定均在噴淋酸雨2 d后進行。每個月選擇天氣晴朗的3 d，每天在相同的時間進行測定，所得數據為3 d數據的平均值。在晴天09:00—11:00進行連體測定，每個處理任選5株，每株選取3個葉片進行測定，共選擇15株植株。測定的主要參數包括：PSⅡ最大光化學效率(Fv/Fm)、PSⅡ的潛在活性(Fv/Fo)、光化學淬滅系數(qP)和非光化學淬滅系數(qN)[14]。其中，Fv/Fm和Fv/Fo測定前用PAM-2100暗適應葉夾DLC-8暗適應針葉20 min。初始熒光(Fo)在暗適應后，以弱調制測量光(0.05 μmol·m-2·s-1)誘導產生,最大熒光(Fm)以強飽和閃光(6 mmol·m-2·s-1)激發(fā)，閃光2 s，計算Fv/Fm和Fv/Fo：

Fv/Fm=(Fm-Fo)/Fm。

Fv/Fo=(Fm-Fo)/Fo。qP和qN用暗適應后的葉片在弱調制測量光(0.05 μmol·m-2·s-1)下誘導產生初始熒光Fo，隨后用強飽和脈沖(6 mmol·m-2·s-1)激發(fā)產生最大熒光Fm。打開光化光，在熒光下降到穩(wěn)態(tài)水平時，用飽和脈沖閃光(脈沖時間2 s，兩次閃光的間歇20 s)，激發(fā)產生Fm，然后關閉光化光。用下式計算qP和qN：

數據處理：所有數據采用SPSS 13.0軟件分析，根據Klomogorov-Smirnov test及Levene’s test檢驗數據的正態(tài)均一性，然后采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)比較不同數據組間的差異，用二元方差分析(Two-way ANOVA)酸雨和季節(jié)因素對幼苗熒光參數和生長參數的影響，顯著性水平設定為α=0.05。

3 結果與分析

3.1 酸雨處理對杉木幼苗葉綠素熒光參數的影響

3.1.1 PSⅡ最大光化學效率、潛在活性的變化

由表1可知，重度酸雨(pH值=2.5)顯著提高了杉木幼苗的最大光化學效率(Fv/Fm)和潛在活性(Fv/Fo)。5月份，各酸雨處理下Fv/Fm值無顯著差異，說明不同pH值酸雨處理對杉木的PSⅡ原初光能轉化效率等的影響一致。8月份和11月份，重度酸雨處理的Fv/Fm值顯著高于對照(pH值=5.6)，表明重度酸雨對杉木幼苗生長產生了促進作用。而且Fv/Fo值的變化趨勢與Fv/Fm的相一致。結合生長量數據(表3)可知，8月份可能是酸雨對杉木幼苗作用的一個轉折點，即經過3 a的處理，重度酸雨才對杉木產生了促進作用。

從季節(jié)變化來看，相同pH值酸雨處理下Fv/Fm值為先增大再降低，Fv/Fo值的變化趨勢也是一致的，即由大到小順序為8、11、5月份，其中8月份重度酸雨處理的Fv/Fm值和Fv/Fo值比5月份的分別增加了25.7%和121.7%，11月份重度酸雨處理的Fv/Fm值和Fv/Fo值比5月份分別增加了15.4%和54.4%。因為夏季是杉木生長的主要季節(jié)，光合作用強，可見季節(jié)對杉木幼苗的葉綠素熒光參數也有顯著的影響。

3.1.2 葉綠素熒光光化學淬滅系數和非光化學淬滅系數的變化

由表1可知，同一季節(jié)，各酸雨處理的光化學淬滅系數差異不顯著，但是8月份重度酸雨處理的qP值要略大于其他兩個處理，可見重度酸雨處理后，杉木PSⅡ所捕獲的光量子轉化成化學能的效率比較高，光化學淬滅轉換光能的作用高于其他兩種處理。而且重度酸雨處理的qN值均小于其他兩個處理，其中11月份的顯著小于對照，表明重度酸雨處理相比較其他兩個處理，激發(fā)能被更多的分配到光合作用而不是熱耗散。

表1 不同季節(jié)酸雨處理對杉木幼苗Fv/Fm、Fv/Fo、qP和qN的影響

月份處理(pH)Fv/FmFv/FoqPqN52．5(0．631±0．023)a(1．755±0．168)a(0．898±0．016)a(0．985±0．004)a4．0(0．657±0．018)a(1．955±0．147)a(0．896±0．020)a(0．993±0．002)a5．6(0．682±0．024)a(2．224±0．273)a(0．868±0．015)a(0．986±0．005)a82．5(0．793±0．012)a(3．889±0．273)a(0．954±0．019)a(0．952±0．003)a4．0(0．778±0．007)ab(3．516±0．150)ab(0．914±0．028)a(0．956±0．005)a5．6(0．762±0．007)b(3．206±0．122)b(0．915±0．027)a(0．959±0．005)a112．5(0．728±0．014)a(2．710±0．189)a(0．977±0．017)a(0．943±0．004)c4．0(0．662±0．021)b(2．148±0．052)b(0．968±0．010)a(0．966±0．004)ab5．6(0．708±0．016)ab(2．465±0．215)ab(0．957±0．018)a(0．969±0．003)b

注：表中數據為平均值±標準差；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

不同季節(jié)之間，相同強度酸雨處理的qP值不斷升高，而qN值不斷降低，由此可知，重度酸雨提高了杉木葉片葉綠素PSⅡ的電子傳遞活性，減少了其用于熱耗散的光能比率。

3.1.3 酸雨和季節(jié)對杉木幼苗葉綠素熒光特性的交互作用

由表2表明，不同強度的酸雨對杉木的qN有顯著影響，而對Fv/Fm、Fv/Fo以及qP無顯著影響。不同季節(jié)除了對杉木的qP無顯著影響外，對Fv/Fm、Fv/Fo和qN均影響顯著，可見，季節(jié)對杉木熒光特性的影響大于酸雨的影響。此外，酸雨和季節(jié)的交互作用對杉木的Fv/Fo和qN有顯著影響，而對Fv/Fm、qP影響不顯著。因此，檢測Fv/Fo和qN變化能較好地反映兩者對杉木的影響。

表2 酸雨(A)、季節(jié)(S)及其交互作用(A×S)對杉木葉綠素熒光參數的二元方差分析

變異來源Fv/FmFPFv/FoFPqPFPqNFPA0．6450．5301．7380．1900．0790．9257．1380．002S29．280046．82902．5500．09263．5120A×S2．2830．0792．6790．0470．0340．9983．3710．019

3.2 酸雨處理對杉木幼苗生物量生長的影響

由表3可知，經過不同強度酸雨處理后，杉木株高各季節(jié)變化趨勢一致，由大到小的順序基本為重度、中度、對照；但是除11月份重度酸雨株高顯著高于中度酸雨和對照外，5月份和8月份各酸度處理均沒有顯著差異。杉木地徑各季節(jié)變化趨勢由大到小的順序均為重度、中度、對照，但是差異均不顯著。通過二元方差分析也可知，酸雨強度的變化對杉木株高影響顯著，但是對地徑無顯著影響。

表3 酸雨脅迫下杉木幼苗株高和地徑的季節(jié)變化

注：表中株高、地徑數據為平均值±標準差；同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)；—表示初次測定，無增加量。

在相同酸雨處理下，各季節(jié)杉木的株高都有一定的差異性。重度酸雨處理后，5、11月份的杉木株高差異顯著。其中，重度酸雨處理后，8、11月份的株高分別比5月份增加了21.91%和27.59%；中度酸雨處理后8、11月份的株高分別比5月份增加了13.30%和20.06%；對照組8、11月份的株高分別比5月份增加了11.49%和18.53%。但是同一強度酸雨處理后，杉木地徑的季節(jié)變化并不顯著。由此可見，酸雨促進了杉木的株高生長，但是對地徑的生長影響不大。

經過3 a酸雨噴淋處理后，杉木的株高和地徑在重度酸雨處理下增長最多，其次是中度酸雨處理，對照處理的株高增量最??；酸雨對株高生長有顯著促進作用，其中8月份重度酸雨處理的株高增加量比中度酸雨和對照處理分別增加了98.98%和120.36%，說明杉木在重度酸雨下長勢最好。

由表4可知，不同酸雨處理，不同季節(jié)均對杉木的株高有顯著影響，對地徑沒有顯著影響，且季節(jié)的影響大于酸雨的影響；酸雨和季節(jié)的交互作用對株高和地徑的影響均不顯著。

表4 酸雨(A)、季節(jié)(S)及其交互作用(A×S)對杉木生長參數的二元方差分析

變異來源株 高FP地 徑FPA3．8760．0290．1600．853S8．2390．0011．3110．282A×S0．3580．8370．0350．997

4 結論與討論

通過二元方差分析可知，經過3 a的處理，酸雨對杉木幼苗葉綠素熒光特性和生長量的影響都已不顯著，酸雨和季節(jié)的交互作用對杉木熒光特性和生長量的影響不顯著，而季節(jié)因素對其葉綠素熒光特性和生長量具有較大的影響，可見隨著酸雨處理時間的延長，杉木對酸雨產生了適應性，酸雨對杉木的影響已經遠遠低于溫度等其他環(huán)境因子。因此，在全球氣候變化的大背景下，研究酸雨對杉木的影響還應結合溫度、濕度、光照等(這些也是隨著季節(jié)變化而變化的)因素，綜合考慮各因素的交互作用。例如，張兆斌等[15]的研究表明，高濃度CO2(700 μmol·mol-1)對柿樹光合參數變化規(guī)律的影響差異顯著：處于高水分條件下的柿樹氣孔導度減小，蒸騰速率降低，從而使光合速率提高；而在低水分條件下柿樹水分虧缺嚴重，氣孔導度減小幅度增加,因此，蒸騰速率低于其他處理，導致高濃度CO2對其光合的促進作用減弱。蔡錫安等[16]的研究表明，荷木(Schimasuperba)在高氮和高光強下植株葉片的凈光合速率比在低氮和高光強下的高，凈光合速率對氮的響應依賴于氮的水平和生長的光強狀況。

葉綠素熒光參數測定結果表明，模擬酸雨處理3 a后，重度酸雨作用下顯著提高了杉木幼苗PSⅡ反應中心的實際光化學反應效率，減少光合機構損傷。生長量測定結果也表明，重度酸雨處理下的杉木株高最大?？梢?，重度酸雨對杉木幼苗的光合生理和生長具有促進作用。這與單運峰[10]43-46的研究并非完全一致，這可能是兩者的研究周期不一致，以及土壤狀況不一致導致的。模擬酸雨促進植物生長的現象已有諸多報道，例如，Reich et al.[17]發(fā)現隨著酸雨pH值的降低，美國五葉松的凈光合速率顯著升高；付曉萍等[18]發(fā)現pH值=3.0的酸雨促進了樟樹幼苗根冠比；殷秀敏等[19]發(fā)現pH值=2.5的酸雨顯著促進了杜英的高生長。這是因為雖然酸雨中的H+等離子的毒害作用會加快葉綠素分解，影響植物生長，但是硝酸根等離子的施肥作用會加快葉綠素的合成，當后者效應大于前者時，促進植物生長，反之則抑制[10]。而且，在氮貧瘠的土壤上酸雨的施肥作用更加明顯，供試土壤氮肥缺乏，所以重度酸雨對促進杉木幼苗生長的作用更加明顯。

本試驗處理時間為3 a以上，2008年10月份對相同處理杉木進行測定，顯示重度酸雨對杉木幼苗的光合能力和地徑生長有一定的抑制作用，到了2009年8月份以后轉變?yōu)榇龠M作用[20]，這是因為植物對環(huán)境脅迫具有短期調節(jié)響應，相對較長時期的適應期[21]，杉木對H+等離子產生了適應性。單運峰等[22]的研究發(fā)現pH值=2.0的酸雨會導致杉木幼苗葉片產生壞死斑，光合有效組織減少42.5%，本試驗未發(fā)現杉木葉片產生壞死斑，推測酸雨對杉木幼苗產生傷害的臨界值低于pH值=2.5。

有研究者認為，酸雨對植物的促進作用是短暫的，因為酸雨使土壤有效磷和植物體內無機磷減少，當m(P)∶m(N)<1∶10時，氮施肥效應就會下降。同時酸雨會加速土壤陽離子的淋失，降低土壤鹽基飽和度[23-24]。所以，酸雨對植物的影響除自身狀況外，還受土壤等環(huán)境因子的綜合影響，本試驗表明，在本供試土壤條件下，杉木幼苗需要經過3 a的處理才能適應重度酸雨。

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Effects of Acid Rain on Chlorophyll Fluorescence in Leaf and Growth of Chinese Fir Seedlings/

Yu Fei(Zhejiang A & F University, Lin’an 311300, P. R. China); Yin Xiumin(Hangzhou Zhijiang Landscape Art Co. Ltd.); Yi Lita, Liu Meihua(Zhejiang A & F University)//Journal of Northeast Forestry University.-2014,42(1).-6～9

Acid rain; Chlorophyll fluorescence characteristic; Growth;Cunninghamialanceolata

1) 國家自然科學基金青年科學基金(31100325)、浙江省自然科學基金資助(Y3110200,Y5110226)。

俞飛，女，1981年7月生，浙江農林大學林業(yè)與生物技術學院，實驗師。

伊力塔，浙江農林大學林業(yè)與生物技術學院，副教授。E-mail:yilita@126.com。

2013年4月10日。

S791.27; Q945.78

責任編輯：任 俐。

A pot experiment was conducted to study the chlorophyll fluorescence characteristics in leaf and growth ofCunninghamialanceolataseedlings in different seasons under simulated acid rain stress (heavy, pH=2.5; moderate, pH=4.0; control, pH=5.6) for three years. The PSⅡ potential activity (Fv/Fo) and non-photochemistry quenching (qN) are significantly influenced by the heavy acid rain, compared with moderate and control acid rain. Plant height is significantly promoted by heavy acid rain, and is increased by 98.98% and 120.36% compared with moderate and control acid rain in August. But the maximum PSⅡ photochemical efficiency (Fv/Fm), photochemistry quenching (qP) and stem diameter are not influenced by the acid rain. In the same treatments, the chlorophyll fluorescence characteristics and growth are significantly influenced by seasons.Fv/Fm,Fv/Fo, height and diameter are in the order of August>November>May, and theFv/Fm、Fv/Foin August are 25.7% and 121.7% more than those in May under heavy acid rain.Fv/FoandqNare significantly influenced by the interactions between acid rain stress and seasons change.