酸雨对菠薐影响的研究
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本文作者：侯洁王菊李丽丽周东星房春生作者单位：吉林大学环境与资源学院
酸雨是指pH小于5．6的雨雪或其他形式的降水，酸雨问题已被列为严重威胁世界环境的十大问题之一。目前，我国近40%的国土面积受到酸雨的危害，成为继北欧、北美之后的第三大酸雨区［1］。酸雨对森林、农作物、土壤、湖泊、建筑物和人体健康等都有明显的不良影响，仅在我国酸雨污染较严重的11省、自治区，酸沉降引起的森林木材储蓄量减少和农作物减产所造成的直接经济损失每年分别高达44亿和51亿元，年生态效益经济损失约为459亿元［2］。为此，很多学者进行了酸雨对农作物(如蔬菜)的影响研究，如种子萌发［3－4］、幼苗生长［5］、叶片伤害［6］、生长代谢［7－9］、生物量［10－11］、营养品质［12］等。然而，目前国内研究多集中在南方酸雨问题严重的区域，在北方进行的相关研究较少。因此，笔者选取长春市为试验地点，以对酸雨胁迫敏感的叶菜类蔬菜———菠菜为研究对象，分别用不同pH的模拟酸雨进行试验，以期详细了解酸雨对菠菜生长和品质指标的影响，为北方酸雨影响研究提供案例，为量化酸雨对蔬菜的危害所造成的经济损失打下基础，同时给酸雨污染控制提供科学依据和技术支持。
1材料与方法
1．1材料
模拟酸雨试验田位于吉林省长春市吉林大学校园内，占地40m2(43°49''''22″N，125°16''''48″E，h=215m)。供试菠菜种子由吉林省蔬菜与花卉科学研究所提供，为长春地区大田广泛栽种品种。栽培土壤为长春地区大田黑土。
1．2方法
1．2．1模拟酸雨的配制。根据长春市天然降水pH与降水离子浓度分析，依据文献［13］配制模拟酸雨。①向自来水中添加适量的盐类，包括K2SO4(11．136mg/L)、NaCl(1．229mg/L)、CaCl2(4．440mg/L)、NH4NO3(1．600mg/L)及KCl(0．082mg/L)，获得原溶液;②用浓硫酸和浓硝酸以(SO42－)/(NO3－)=5∶1来配制pH为1．0的母液;③用母液稀释原溶液得到5个不同pH水平(3．0、4．0、5．0、5．6、7．0)的模拟酸雨。以自来水为空白对照(CK)。pH用pHS-3C酸度计校准。
1．2．2试验设计。为防止天然降雨对试验的干扰，模拟试验田位于温室大棚内。试验田共分6个小区(分别种植不同pH水平组与CK组菠菜)，各小区间设0．5m缓冲带。从菠菜生长出第3片叶开始，用塑料压力喷壶人工喷洒模拟酸雨，2d喷1次，共计12次，单次喷淋时间10～15min，强度为40mm/h。整个试验过程管理与当地大田管理保持一致。
1．2．3指标的测定。各项指标测试均取3个样品，且每个样品重复分析3次。
1．2．3．1生长代谢指标。光合色素(叶绿素a、叶绿素b及类胡萝卜素)采用乙醇－丙酮比色法测定［14］;丙二醛用硫代巴比妥酸比色法测定［15］。
1．2．3．2生物量指标。菠菜达到成熟期后，分别从每组随机摘取植株测量株高、根长，称量可食部分鲜重，之后将新鲜植株置于烘箱于105℃杀青10min，随后80℃烘干至衡重称可食部分干重。
1．2．3．3营养品质指标。维生素C含量采用2，6－二氯靛酚滴定法测定，蛋白质含量采用考马斯亮蓝G250比色法，可溶性糖用蒽酮比色法，游离氨基酸用茚三酮比色法测定［15］。
1．2．4数据分析。使用MicrosoftExcel软件进行数据统计分析和绘图;对同一测定指标在不同情况下的显著性差异，采用单因素方差进行分析;对指标值与pH进行一元线性回归分析。酸雨对菠菜各项指标的影响评价采用“相对指标法”，即将各pH组的测定指标与对照组作比较，若增加或降低≥10%时，认为酸雨的影响明显;若增加或降低＜10%时，则认为酸雨的影响不明显或没有影响。
2结果与分析
2．1模拟酸雨对菠菜生长代谢的影响
2．1．1光合色素。如图1所示，菠菜叶片中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素和类胡萝卜素含量的变化规律大体一致，均随酸雨酸性的增强，呈先上升后下降的趋势。其中，在pH为7．0时，各指标值与CK相比无明显差异;在pH为5．6时，各指标值均比CK高20%左右，表明弱酸性酸雨可在一定程度上促进菠菜的光合作用，这是因为弱酸性酸雨还未对光合色素产生破坏，而弱酸性酸雨中含有的盐类离子为菠菜提供了一定的N、S等营养元素，从而促进了光合色素的合成;pH＜5．6时，光合色素含量显著下降;pH＜5．0时，下降幅度增大，pH为4．0和3．0时，光合色素分别降低了26．0%和23．5%左右，表明较强酸雨能使叶绿素解体，进而影响光合作用。从叶绿素的组成看，叶绿素a与叶绿素b的比值总体呈下降趋势，叶绿素a的相对含量减少，相比于叶绿素b，叶绿素a对酸雨的胁迫更敏感。大部分叶绿素a能够参与光能吸收传递，另外一部分是参与光反应的中心色素，而叶绿素b是集光色素。所以当酸雨胁迫增强时，叶绿素a/b值下降，导致整体的光合速率减弱。由于叶绿素a的含量及含量变化明显高于叶绿素b，所以总叶绿素含量的降低主要由叶绿素a的下降引起。
2．1．2丙二醛。如图2所示，在pH为3．0～7．0范围内，菠菜叶片中丙二醛含量与pH呈显著负相关(相关系数r=－0．9489，置信度99%)。当pH为5．0、4．0、3．0时，丙二醛含量分别比CK组高50．77%、49．01%、71．39%，差异显著。这是由于丙二醛是植株体内膜质过氧化反应的产物，较强酸雨胁迫下，植株体内自由基、H2O2等活性氧大量积累，加剧脂质过氧化反应，从而使得丙二醛含量增多。
2．2模拟酸雨对菠菜生物量的影响
菠菜的可食部分主要指生长在地面以上的部分。由表1可知，在pH为3．0～7．0范围内，可食部分鲜重随酸雨酸性的增强而呈下降趋势。其中，当pH为7．0时的结果与CK相近。而当pH为5．6、5．0、4．0、3．0时，鲜重分别比CK减少了27．80%、32．29%、34．99%、47．14%。可食部分干重的变化趋势与鲜重基本一致，间接表明菠菜可食部分含水率基本不受酸雨的影响。由表1也可以看出，在pH为3．0～7．0范围内，菠菜根长、株高也随酸雨酸度的增强呈下降趋势。
2．3模拟酸雨对菠菜营养品质的影响
2．3．1维生素C。如图3所示，与CK组相比，经不同pH的模拟酸雨处理后，菠菜中维生素C的含量均有不同程度的降低。当pH为3．0和4．0时，其含量均比CK组降低了50%以上，差异明显。维生素C具有强还原性，是植物体内的抗氧化物质，对自由基的清除起重要作用。当酸雨胁迫逐渐增强时，一方面自由基等活性氧逐渐积累，使得维生素C消耗增加;另一方面，植株的生长代谢受到抑制，使得维生素C合成减少，两者共同作用，导致植株中维生素C含量的降低。
2．3．2蛋白质。由图4可知，菠菜叶片中蛋白质含量随酸度增强呈现先下降后上升的趋势。pH为5．6与pH为7．0时的结果相近，分别比CK组高52．26%、41．89%，说明弱酸性降水促进蛋白质合成。当pH＜5．6时，蛋白质含量迅速下降，降低幅度在60%以上。
2．3．3可溶性糖。如图5所示，在pH为3．0～7．0范围内，菠菜叶片中可溶性糖含量随酸雨酸性的增强呈下降趋势。pH≥5．6的酸雨处理可增加可溶性糖的含量，这可能是因为弱酸环境促进了光合作用，导致可溶性糖的积累。而用pH为3．0的强酸性降水处理时，光合色素受到严重破坏，光合作用能力减弱，使得可溶性含量降低幅度达58．02%，差异显著。
2．3．4游离氨基酸。如图6所示，在pH为3．0～7．0的范围内，菠菜中游离氨基酸的含量随酸雨酸度的增强而呈下降趋势，并且与pH呈显著正相关(相关系数r=0．9778，置信度99%)。pH为4．0、3．0时，游离氨基酸含量分别降低了62．39%、69．22%，仅为对照组含量的1/3左右，表明pH≤4．0的酸雨胁迫会严重阻碍菠菜中游离氨基酸的合成。
3结论
(1)菠菜中叶绿素a、叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素含量的变化规律大体一致，均随酸雨酸性的增强，呈先上升后下降的趋势。弱酸性降水能促进光合色素的合成，而pH＜5．6的酸雨会使光合色素解体，阻碍光合作用的进行。其中绿素a是造成总叶绿素含量降低的主要原因，其较之叶绿素b对酸雨胁迫更为敏感。在pH为3．0～7．0范围内，丙二醛的含量与pH呈显著负相关。
(2)随着酸雨强度的增强，菠菜的根变短，可食部分鲜重和干重减少，而含水率基本不受降水酸度的影响。
(3)在pH为3．0～7．0的范围内，酸雨酸度越强，维生素C含量越低;pH≤4．0的酸雨能严重阻碍维生素C的合成。蛋白质随酸度增强呈现先下降后上升的趋势，而可溶性糖含量随酸度的增强呈下降趋势。pH为7．0和5．6的降水会促进可溶性糖和蛋白质的合成，而pH＜5．6的降水则对它们的合成产生抑制作用。游离氨基酸的含量与pH呈显著正相关。
