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［1］。酸雨對森林、農作物、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，酸沉降引起的森林木材儲蓄量減少和農作物減產所造成的直接經濟損失每年分別高達44億和51億元，年生態效益經濟損失約為459億元［2］。為此，很多學者進行了酸雨對農作物(如蔬菜)的影響研究，如種子萌發［3－4］、幼苗生長［5］、葉片傷害［6］、生長代謝［7－9］、生物量［10－11］、營養品質［12］等。然而，目前國內研究多集中在南方酸雨問題嚴重的區域，在北方進行的相關研究較少。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濟損失打下基礎，同時給酸雨污染控制提供科學依據和技術支持。

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，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，為長春地區大田廣泛栽種品種。栽培土壤為長春地區大田黑土。

1．2方法

1．2．1模擬酸雨的配制。根據長春市天然降水pH與降水離子濃度分析，依據文獻［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。試驗田共分6個小區(分別種植不同pH水平組與CK組菠菜)，各小區間設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地大田管理保持一致。

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營養品質指標。維生素C含量采用2，6－二氯靛酚滴定法測定，蛋白質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數據分析。使用MicrosoftExcel軟件進行數據統計分析和繪圖;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、總葉綠素和類胡蘿卜素含量的變化規律大體一致，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，所以總葉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，菠菜葉片中丙二醛含量與pH呈顯著負相關(相關系數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膜質過氧化反應的產物，較強酸雨脅迫下，植株體內自由基、H2O2等活性氧大量積累，加劇脂質過氧化反應，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，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%。可食部分干重的變化趨勢與鮮重基本一致，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，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品質的影響

2．3．1維生素C。如圖3所示，與CK組相比，經不同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，是植物體內的抗氧化物質，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。由圖4可知，菠菜葉片中蛋白質含量隨酸度增強呈現先下降后上升的趨勢。pH為5．6與pH為7．0時的結果相近，分別比CK組高52．26%、41．89%，說明弱酸性降水促進蛋白質合成。當pH＜5．6時，蛋白質含量迅速下降，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，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，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(相關系數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結論

(1)菠菜中葉綠素a、葉綠素b、總葉綠素、類胡蘿卜素含量的變化規律大體一致，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是造成總葉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，丙二醛的含量與pH呈顯著負相關。

(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，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。蛋白質隨酸度增強呈現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的合成，而pH＜5．6的降水則對它們的合成產生抑制作用。游離氨基酸的含量與pH呈顯著正相關。