酸雨對菠薐影響的研究

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本文作者：侯潔王菊李麗麗周東星房春生作者單位：吉林大學環(huán)境與資源學院

酸雨是指pH小于5．6的雨雪或其他形式的降水，酸雨問題已被列為嚴重威脅世界環(huán)境的十大問題之一。目前，我國近40%的國土面積受到酸雨的危害，成為繼北歐、北美之后的第三大酸雨區(qū)［1］。酸雨對森林、農(nóng)作物、土壤、湖泊、建筑物和人體健康等都有明顯的不良影響，僅在我國酸雨污染較嚴重的11省、自治區(qū)，酸沉降引起的森林木材儲蓄量減少和農(nóng)作物減產(chǎn)所造成的直接經(jīng)濟損失每年分別高達44億和51億元，年生態(tài)效益經(jīng)濟損失約為459億元［2］。為此，很多學者進行了酸雨對農(nóng)作物(如蔬菜)的影響研究，如種子萌發(fā)［3－4］、幼苗生長［5］、葉片傷害［6］、生長代謝［7－9］、生物量［10－11］、營養(yǎng)品質(zhì)［12］等。然而，目前國內(nèi)研究多集中在南方酸雨問題嚴重的區(qū)域，在北方進行的相關(guān)研究較少。因此，筆者選取長春市為試驗地點，以對酸雨脅迫敏感的葉菜類蔬菜———菠菜為研究對象，分別用不同pH的模擬酸雨進行試驗，以期詳細了解酸雨對菠菜生長和品質(zhì)指標的影響，為北方酸雨影響研究提供案例，為量化酸雨對蔬菜的危害所造成的經(jīng)濟損失打下基礎(chǔ)，同時給酸雨污染控制提供科學依據(jù)和技術(shù)支持。

1材料與方法

1．1材料

模擬酸雨試驗田位于吉林省長春市吉林大學校園內(nèi)，占地40m2(43°49''''22″N，125°16''''48″E，h=215m)。供試菠菜種子由吉林省蔬菜與花卉科學研究所提供，為長春地區(qū)大田廣泛栽種品種。栽培土壤為長春地區(qū)大田黑土。

1．2方法

1．2．1模擬酸雨的配制。根據(jù)長春市天然降水pH與降水離子濃度分析，依據(jù)文獻［13］配制模擬酸雨。①向自來水中添加適量的鹽類，包括K2SO4(11．136mg/L)、NaCl(1．229mg/L)、CaCl2(4．440mg/L)、NH4NO3(1．600mg/L)及KCl(0．082mg/L)，獲得原溶液;②用濃硫酸和濃硝酸以(SO42－)/(NO3－)=5∶1來配制pH為1．0的母液;③用母液稀釋原溶液得到5個不同pH水平(3．0、4．0、5．0、5．6、7．0)的模擬酸雨。以自來水為空白對照(CK)。pH用pHS-3C酸度計校準。

1．2．2試驗設(shè)計。為防止天然降雨對試驗的干擾，模擬試驗田位于溫室大棚內(nèi)。試驗田共分6個小區(qū)(分別種植不同pH水平組與CK組菠菜)，各小區(qū)間設(shè)0．5m緩沖帶。從菠菜生長出第3片葉開始，用塑料壓力噴壺人工噴灑模擬酸雨，2d噴1次，共計12次，單次噴淋時間10～15min，強度為40mm/h。整個試驗過程管理與當?shù)卮筇锕芾肀３忠恢隆?/p>

1．2．3指標的測定。各項指標測試均取3個樣品，且每個樣品重復分析3次。

1．2．3．1生長代謝指標。光合色素(葉綠素a、葉綠素b及類胡蘿卜素)采用乙醇－丙酮比色法測定［14］;丙二醛用硫代巴比妥酸比色法測定［15］。

1．2．3．2生物量指標。菠菜達到成熟期后，分別從每組隨機摘取植株測量株高、根長，稱量可食部分鮮重，之后將新鮮植株置于烘箱于105℃殺青10min，隨后80℃烘干至衡重稱可食部分干重。

1．2．3．3營養(yǎng)品質(zhì)指標。維生素C含量采用2，6－二氯靛酚滴定法測定，蛋白質(zhì)含量采用考馬斯亮藍G250比色法，可溶性糖用蒽酮比色法，游離氨基酸用茚三酮比色法測定［15］。

1．2．4數(shù)據(jù)分析。使用MicrosoftExcel軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析和繪圖;對同一測定指標在不同情況下的顯著性差異，采用單因素方差進行分析;對指標值與pH進行一元線性回歸分析。酸雨對菠菜各項指標的影響評價采用“相對指標法”，即將各pH組的測定指標與對照組作比較，若增加或降低≥10%時，認為酸雨的影響明顯;若增加或降低＜10%時，則認為酸雨的影響不明顯或沒有影響。

2結(jié)果與分析

2．1模擬酸雨對菠菜生長代謝的影響

2．1．1光合色素。如圖1所示，菠菜葉片中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素和類胡蘿卜素含量的變化規(guī)律大體一致，均隨酸雨酸性的增強，呈先上升后下降的趨勢。其中，在pH為7．0時，各指標值與CK相比無明顯差異;在pH為5．6時，各指標值均比CK高20%左右，表明弱酸性酸雨可在一定程度上促進菠菜的光合作用，這是因為弱酸性酸雨還未對光合色素產(chǎn)生破壞，而弱酸性酸雨中含有的鹽類離子為菠菜提供了一定的N、S等營養(yǎng)元素，從而促進了光合色素的合成;pH＜5．6時，光合色素含量顯著下降;pH＜5．0時，下降幅度增大，pH為4．0和3．0時，光合色素分別降低了26．0%和23．5%左右，表明較強酸雨能使葉綠素解體，進而影響光合作用。從葉綠素的組成看，葉綠素a與葉綠素b的比值總體呈下降趨勢，葉綠素a的相對含量減少，相比于葉綠素b，葉綠素a對酸雨的脅迫更敏感。大部分葉綠素a能夠參與光能吸收傳遞，另外一部分是參與光反應(yīng)的中心色素，而葉綠素b是集光色素。所以當酸雨脅迫增強時，葉綠素a/b值下降，導致整體的光合速率減弱。由于葉綠素a的含量及含量變化明顯高于葉綠素b，所以總?cè)~綠素含量的降低主要由葉綠素a的下降引起。

2．1．2丙二醛。如圖2所示，在pH為3．0～7．0范圍內(nèi)，菠菜葉片中丙二醛含量與pH呈顯著負相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=－0．9489，置信度99%)。當pH為5．0、4．0、3．0時，丙二醛含量分別比CK組高50．77%、49．01%、71．39%，差異顯著。這是由于丙二醛是植株體內(nèi)膜質(zhì)過氧化反應(yīng)的產(chǎn)物，較強酸雨脅迫下，植株體內(nèi)自由基、H2O2等活性氧大量積累，加劇脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，從而使得丙二醛含量增多。

2．2模擬酸雨對菠菜生物量的影響

菠菜的可食部分主要指生長在地面以上的部分。由表1可知，在pH為3．0～7．0范圍內(nèi)，可食部分鮮重隨酸雨酸性的增強而呈下降趨勢。其中，當pH為7．0時的結(jié)果與CK相近。而當pH為5．6、5．0、4．0、3．0時，鮮重分別比CK減少了27．80%、32．29%、34．99%、47．14%?？墒巢糠指芍氐淖兓厔菖c鮮重基本一致，間接表明菠菜可食部分含水率基本不受酸雨的影響。由表1也可以看出，在pH為3．0～7．0范圍內(nèi)，菠菜根長、株高也隨酸雨酸度的增強呈下降趨勢。

2．3模擬酸雨對菠菜營養(yǎng)品質(zhì)的影響

2．3．1維生素C。如圖3所示，與CK組相比，經(jīng)不同pH的模擬酸雨處理后，菠菜中維生素C的含量均有不同程度的降低。當pH為3．0和4．0時，其含量均比CK組降低了50%以上，差異明顯。維生素C具有強還原性，是植物體內(nèi)的抗氧化物質(zhì)，對自由基的清除起重要作用。當酸雨脅迫逐漸增強時，一方面自由基等活性氧逐漸積累，使得維生素C消耗增加;另一方面，植株的生長代謝受到抑制，使得維生素C合成減少，兩者共同作用，導致植株中維生素C含量的降低。

2．3．2蛋白質(zhì)。由圖4可知，菠菜葉片中蛋白質(zhì)含量隨酸度增強呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢。pH為5．6與pH為7．0時的結(jié)果相近，分別比CK組高52．26%、41．89%，說明弱酸性降水促進蛋白質(zhì)合成。當pH＜5．6時，蛋白質(zhì)含量迅速下降，降低幅度在60%以上。

2．3．3可溶性糖。如圖5所示，在pH為3．0～7．0范圍內(nèi)，菠菜葉片中可溶性糖含量隨酸雨酸性的增強呈下降趨勢。pH≥5．6的酸雨處理可增加可溶性糖的含量，這可能是因為弱酸環(huán)境促進了光合作用，導致可溶性糖的積累。而用pH為3．0的強酸性降水處理時，光合色素受到嚴重破壞，光合作用能力減弱，使得可溶性含量降低幅度達58．02%，差異顯著。

2．3．4游離氨基酸。如圖6所示，在pH為3．0～7．0的范圍內(nèi)，菠菜中游離氨基酸的含量隨酸雨酸度的增強而呈下降趨勢，并且與pH呈顯著正相關(guān)(相關(guān)系數(shù)r=0．9778，置信度99%)。pH為4．0、3．0時，游離氨基酸含量分別降低了62．39%、69．22%，僅為對照組含量的1/3左右，表明pH≤4．0的酸雨脅迫會嚴重阻礙菠菜中游離氨基酸的合成。

3結(jié)論

(1)菠菜中葉綠素a、葉綠素b、總?cè)~綠素、類胡蘿卜素含量的變化規(guī)律大體一致，均隨酸雨酸性的增強，呈先上升后下降的趨勢。弱酸性降水能促進光合色素的合成，而pH＜5．6的酸雨會使光合色素解體，阻礙光合作用的進行。其中綠素a是造成總?cè)~綠素含量降低的主要原因，其較之葉綠素b對酸雨脅迫更為敏感。在pH為3．0～7．0范圍內(nèi)，丙二醛的含量與pH呈顯著負相關(guān)。

(2)隨著酸雨強度的增強，菠菜的根變短，可食部分鮮重和干重減少，而含水率基本不受降水酸度的影響。

(3)在pH為3．0～7．0的范圍內(nèi)，酸雨酸度越強，維生素C含量越低;pH≤4．0的酸雨能嚴重阻礙維生素C的合成。蛋白質(zhì)隨酸度增強呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢，而可溶性糖含量隨酸度的增強呈下降趨勢。pH為7．0和5．6的降水會促進可溶性糖和蛋白質(zhì)的合成，而pH＜5．6的降水則對它們的合成產(chǎn)生抑制作用。游離氨基酸的含量與pH呈顯著正相關(guān)。