模拟酸雨对小白菜生长、生理和品质的策略探讨

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酸雨是指酸性的大气降水,包括酸性雨、雪、雾、露等沉降,通常是指pH低于5.6的降水[1]。酸雨已经成为一个全球性的污染问题,近年来酸雨分布范围正在以城市为中心向远郊和农村蔓延,雨水的酸性也越来越强[2,3]。我国在“七五”期间只有少数地区出现了酸雨污染,随着经济的快速发展,酸雨污染状况呈上升趋势,现在我国已经成为继欧洲和北美之后的又一大酸雨重灾区[4],约占国土面积40%以上的地区出现了酸雨,长江以南的酸雨污染尤为严重,pH甚至低于4.5[2],研究表明, 仅在我国酸雨污染比较严重的江苏、浙江、安徽等11 个省、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, 11个省的年生态效益经济损失约为459亿元[5],导致的经济损失和生态破坏已引起人们的极大关注。东北地区有相对较好的农业发展资源优势和农业生态环境,所以东北地区农业较为发达[6]。近年来,随着东北地区工业的发展,酸雨发生次数逐年增多,因此,研究酸雨对作物的影响有着重要的意义[7]。不同类型的酸雨对环境产生的影响也不相同。此次试验主要研究不同类型的模拟酸雨对小白菜的生长、生理以及营养品质等方面的影响。通过对各项指标的统计分析,对比不同类型酸雨在不同pH下对小白菜的影响,从而进一步了解不同类型的酸雨对人群健康的影响。

1 材料与方法

1.1 试验地点

试验大棚位于吉林省长春市吉林大学前卫南校区(43°49′21″N,125°16′47″E)。长春市地处中国东北松辽平原腹地,地势平坦开阔,属于温带大陆性季风气候区,四季分明,春季较短,干燥多风;夏季湿热多雨,炎热天气不多;秋季气候凉爽,日夜温差大;冬季漫长较寒冷。长春市年平均气温4.8 ℃,年最高温度39.5 ℃,年最低温度-39.8 ℃,年均日照时间2 688 h。年平均降水量522~615 mm,夏季降水量占全年降水量的60%以上。

1.2 试验材料

选择对酸雨胁迫比较敏感的小白菜作为研究对象,选取大田泛栽品种北京青杂小白菜(杂交种)作为供试作物品种,选择东北地区典型黑土作为供试土壤。

1.3 试验方法

1.3.1 试验设计 将试验田划分为3个类型区,即混合型、硫酸型和硝酸型酸雨区,每个区里分成5个地块,各区及每块地之间设有0.5 m左右的缓冲地带,可以避免喷洒模拟酸雨时各区之间交互影响。整个地块划分为15个小区,每个区内的地块随机分配不同的pH(2.5、3.5、4.5、5.6),每块大小约为0.8 m×0.6 m。试验田光照充足,通风良好,定期进行除草、施肥及防治虫害。

1.3.2 酸雨的配制和喷洒 选用去离子水来配制模拟酸雨,即根据不同类型的酸雨,向去离子水中添加适量离子,来调节去离子水中离子浓度,从而得到不同浓度的原溶液,然后再分别用浓硫酸、浓硝酸、浓硫酸和浓硝酸按照SO42-/NO3-质量比为5∶1的混合液配制pH为1.0的硫酸型、硝酸型和混合型母液,最后用母液将原溶液pH调为2.5、3.5、4.5、5.6的模拟酸雨,将去离子水作为对照组(CK)。采用pHS-3C型酸度计测定与校准模拟酸雨的pH。

小白菜发芽出苗阶段,用自来水对各地块进行正常浇灌,至幼苗长出4个叶片后停止灌溉,进行除草和间苗,之后采用喷雾器,每两天对各地块分别喷淋一次混合型酸雨(MAR)、硫酸型酸雨(SAR)和硝酸型酸雨(NAR),每次喷洒2 000 mL,喷洒强度保持一致,喷洒时间约15 min。酸雨喷淋后7、14、21、28及35 d,随机采摘不同类型酸雨及不同pH处理小白菜的叶片,对其生理、营养品质指标进行测量,达成熟期后收获样品,并随机取样分别测量各地块小白菜的生长指标。

1.3.3 试验指标的测定 根据小白菜叶片和根系易受酸雨的影响而呈现出不同受害症状的特点,参考文献[8,9]选取测定指标如下:

生长指标:共选取7项生长指标进行测定,地上部分包括食部鲜重、食部干重、茎长、株高,地下部分包括根部鲜重、根部干重和根长。鲜重和干重用天平进行测量,茎长、株高和根长直接测量。

营养指标:选取可溶性糖进行测量,利用蒽酮法测定。

生理指标:选取叶绿素进行测量,利用SPAD-502PLUS型叶绿素仪对叶片中的叶绿素含量进行测量。

2 结果与分析

2.1 不同处理对生长指标的影响

各项生长指标的结果见图1。小白菜植株的食部、根部的鲜重以及干重受负影响程度较大,而酸雨对小白菜植株的株高、茎长和根长的影响程度比较小。从酸雨类型的影响程度来看,硝酸型酸雨对植株各生长指标的影响程度最大,均在pH 2.5处达到最小值,且与对照组的差异很大,随着pH的增加,对植株的破坏程度也逐渐减小。硫酸型酸雨处理中,pH 2.5时植株的食部鲜重、干重、株高和茎长受影响最大,随着pH的增加,受损害程度逐渐减小;随着模拟酸雨酸性的增强,根部鲜重和干重以及根长的指标值在逐渐减小,pH 3.5时最小,pH 2.5时有所上升,但差别较小;混合型酸雨处理组中,随着模拟酸雨酸性的增强,小白菜植株食部鲜重和干重以及植株株高、茎长、根部鲜重在逐渐减小,pH 2.5时达到最小值,植株的根部干重和根长在pH 3.5时最小,pH 2.5时比pH 3.5略微增加,但差别不大。3种类型酸雨胁迫下,各项生长指标值在pH 5.6时均达到了最大值,但pH 5.6时各项生长指标(除硫酸型酸雨处理的根部干重外)与对照组的数据差异不明显。

2.2 不同处理对营养指标的影响

2.2.1 不同处理对可溶性糖的影响 不同pH条件下不同酸雨处理对可溶性糖含量影响的结果见图2。从酸雨的不同类型来看,硝酸型酸雨对植株中可溶性糖含量的影响最大,当pH 2.5时,植株中可溶性糖的含量最低,但是随着pH的增加植株中可溶性糖含量也在相应增加。硫酸型酸雨处理组中,可溶性糖含量随着pH的升高而逐渐升高并且明显高于硝酸型、混合型酸雨处理组,也高于对照组;当pH 5.6时,植株中可溶性糖的含量最高,当pH 2.5时植株中可溶性糖的含量较低。在混合型酸雨处理组中,可溶性糖的含量介于另两组之间,并且可溶性糖的含量也是随着pH的增加而增加,当pH 5.6时含糖量较高,当pH 2.5时含糖量较低。3种类型酸雨胁迫下,可溶性糖的含量在pH 5.6处均达到了最大值,但pH 5.6时可溶性糖的含量与对照组差异不明显。

2.2.2 小白菜可溶性糖含量随时间的变化 不同pH酸雨处理小白菜可溶性糖含量随时间的变化见图3。由图3可知,随着时间的增加,小白菜的可溶性糖含量也逐渐增加,与时间呈正相关。随着pH的升高,小白菜植株中可溶性糖含量也逐渐升高,并且植株中可溶性糖含量的增长速度随着酸雨酸度的减弱逐渐增强,当pH达到5.6时此时增长速度最快,pH为2.5时,3种类型酸雨处理下的小白菜植株中可溶性糖增长速度低于对照组,当pH大于3.5时,经过酸雨处理后与对照组相比,都在一定程度上加速了植株中可溶性糖的增长。从酸雨的类型看,经过硫酸型酸雨处理的小白菜的可溶性糖含量最高,其次是混合型酸雨,最 后是硝酸型酸雨。这说明了硝酸型酸雨对植物体内的可溶性糖的抑制作用最强,硫酸型酸雨最弱,出现这种现象的原因可能是硝酸根的大量进入,改变了细胞膜的膜透性,加速了某些阳离子的淋溶,使可溶性糖合成所需的原料减少,因此较大程度地抑制了可溶性糖的合成,还可能由于硝酸有很强的氧化性,改变了细胞中的营养平衡,打破了细胞原有的结构与功能,从而抑制了可溶性糖的形成。

2.3 不同处理对生理指标的影响

2.3.1 不同处理对叶绿素含量的影响 不同类型酸雨在不同pH下的叶绿素含量见图4。pH 2.5时,各类型酸雨处理植株叶片中叶绿素含量最低,与对照组相比差别较大;当pH 5.6时,混合型酸雨和硫酸型酸雨处理过的植株叶绿素含量达到最高,并且含量超过了对照组,而硝酸型酸雨处理过的植株中叶绿素含量小于对照组,说明硝酸型酸雨对叶片中叶绿素合成的抑制作用较强,硫酸型酸雨和混合型酸雨对叶绿素合成的抑制作用相对较弱。当在同一pH条件下,硫酸型酸雨处理过的植株叶片中叶绿素含量最高,硝酸型酸雨处理组含量最低,混合型酸雨处理组居中。

2.3.2 小白菜叶绿素含量随时间的变化 由图5可知,在同一pH条件下,随着时间的增加,小白菜叶片中叶绿素的含量也在相应增加。生长前期叶绿素增长比较缓慢,在第21天(即第3次)测量时小白菜叶片中叶绿素含量增加才比较明显,而在这之后叶绿素的增速放缓,说明在小白菜不同的生长周期中,叶片中叶绿素的增加是有规律的,即从平缓增加到快速增加,之后又减速为平缓增加。从酸雨的不同类型来看,硫酸型酸雨处理过的小白菜叶片中叶绿素相对含量较高,而硝酸型酸雨处理过的植株叶片中叶绿素含量较低,说明硝酸型酸雨对植物叶片中叶绿素合成的抑制作用最强,原因是硝酸有很强的氧化性,打破了细胞中的营养平衡,改变了细胞原有的结构与功能,从而对叶绿素的影响最大。

3 小结与讨论

强酸性酸雨对小白菜的生长具有明显的抑制性,并且还可抑制可溶性糖和叶绿素的形成,随着酸雨强度的增加抑制作用就越显着。弱酸条件下,在一定程度上可以促进小白菜食部、根部的生长,也可以促进植株叶片中可溶性糖和叶绿素的合成,可能由于弱酸条件下增加了植物可以吸收的离子。

对比不同类型的酸雨对小白菜的生长指标、营养指标以及生理指标的影响可以看出,在同一pH值条件下,混合型酸雨处理条件下植株的生长比较快,硫酸型酸雨处理组中植株的可溶性糖含量最高,叶绿素的含量也最高。而在硝酸型酸雨条件下,植株的生长是最慢的,各项生长指标最低,并且植株中可溶性糖和叶绿素的含量也最低。

不同类型的酸雨中,硝酸型酸雨对小白菜的生长抑制作用最大,对营养品质影响也最大,叶绿素含量也最低。

就不同类型酸雨对小白菜生长、生理及营养品质的影响进行了研究,得出了一些相关的结论,但是由于受到一些非人为因素的制约造成该研究还不是很完善,与实际情况还有差距,今后应从湿度、温度、光照、土壤等更多的因素方面去探讨不同类型酸雨对小白菜的影响。

参考文献:

[1] 李铁峰.环境地学概论[M].北京:中国环境科学出版社,1996. 56-57.

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[5] 陈 复,柴发合.我国酸沉降控制策略[J].环境科学研究,1997,10(1):27-31.

[6] 刘长江.浅谈东北农业可持续发展战略及有效途径[J].中国生态农业学报,2011,19(1):202-204.

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