酸雨是人类目前所面临的重大环境问题之一, 其对陆地生态系统的影响已越来越被人们所认识(冯宗炜, 1993; Wright et al., 1995)。自中欧和北美东部发现了大面积的森林衰退现象以来, 酸沉降对森林健康的可能影响从80年代初开始引起公众广泛的关注和大量的研究(Tomlinson, 1983; Adrian et al., 1989)。从已有的研究结果和假设表明, 酸雨对植被的潜在影响主要有两种方式:直接影响和间接影响。直接影响是指酸雨能伤害叶片细胞, 干扰植物新陈代谢, 加速叶片养分淋失, 改变了共生关系以及寄主与寄生物的相互作用, 从而使植物生长受阻, 甚至死亡(Leith et al., 1989; Magel et al., 1990; Turner et al., 1990; Walker et al., 1991)。而间接影响是指酸雨致使土壤酸化, 盐基离子淋溶, 进而导致某些有毒金属元素如铝的活化, 伤害植物根系, 引起植物衰亡(Frink et al., 1976; Reddy et al., 1991; Schaedle et al., 1989)。然而, 由于这些影响的复杂性和其它逆境因素的共同作用, 给野外调查和研究带来诸多不确定性(Adrian et al., 1989)。因此, 许多学者试图通过控制条件下的模拟酸雨试验来获得这方面的知识, 并取得了较大进展(Wood et al., 1977; Chappelka et al., 1983; Neuvonen et al., 1990; MacDonald et al., 1997)。女贞(Ligustrum lucidum)是我国南方主要的园林绿化树种之一, 常作绿篱和行道树, 其对城市大气污染和酸雨的抗性大小将直接影响其绿化效果。本文通过温室试验, 以期了解女贞对模拟酸雨的反应情况和受害机理。

1 实验材料和方法 1.1 模拟酸雨的配制

按对当地自然降水化学成分的测定结果(樊后保等, 1996), 用分析纯硫酸和硝酸铵摩尔比8:1配成母液, 加入自然酸雨的离子组成。将母液加自来水调配成pH值为2.0、3.5、5.0和6.0的酸性水溶液, 以自来水(pH值范围6.60~6.75)作对照(CK)。

1.2 发芽试验

将女贞种子用5.0 g°L^-1的甲醛溶液消毒后, 整齐排列于垫有滤纸的培养皿(经高温消毒)中。每培养皿放100粒种子, 重复5次, 置于25 ℃~30 ℃的恒温箱内进行发芽。每天用吸管滴模拟酸雨2~3次, 保持滤纸和种子的充分湿润, 试验期间观测发芽情况和发芽天数。出苗后继续喷洒酸液, 观测幼苗的生长状况和成活率。

1.3 苗木试验

1994年冬, 将女贞种子播种于装有7.5 kg当地红壤的盆钵中, 出苗前用自来水浇灌, 翌年春待苗木长到3.5 cm高左右, 每盆均匀保留3株幼苗, 将盆钵随机分成5种处理, 重复5次, 置于玻璃温室中, 每周对幼苗喷洒两次模拟酸雨, 夏季高温期间适当增加喷水次数。试验期自5月10日至11月10日, 喷洒酸雨总量相当于1024 mm降水量。

1.4 苗木生长指标和生理指标的测定 1.4.1 叶伤害调查

试验结束前, 统计每株苗木的总叶片数及出现明显黄棕色斑块的受害叶片数, 以受害叶片(指斑块面积达叶片面积20%以上的叶片)数占总叶片数的百分比来表示苗木的受害程度。

1.4.2 叶绿素含量的测量

以乙醇提取, 用721型分光光度计测定叶绿素a、b含量。

1.4.3 叶汁液pH值的测定

取新鲜叶洗净后用滤纸擦干, 剪碎后称取2 g, 研磨成糊状后加蒸馏水30 mL, 拌匀, 稳定0.5 h后, 用D-14型pH计测其pH值。

1.4.4 细胞透性的测定

取新鲜叶洗净后擦干, 剪碎成1 cm²左右的小块, 边缘用滤纸擦净, 称取3 g, 加蒸馏水60 mL, 浸提24 h后用日本产ES-14型电导仪测定其EC值。

1.4.5 高度和地径测定

于试验前及结束时分别测定1次每株苗木的高度和地径。其中地径用游标卡尺测定。

1.4.6 生物量的测定

于实验结束时, 每处理随机选择9株苗木, 连根挖出, 清洗后分别根、茎、叶于75 ℃恒温箱中烘干48 h后称量。

2 结果与分析 2.1 模拟酸雨对种子发芽率的影响

方差分析F检验结果表明, 酸雨处理对女贞种子发芽率没有产生显著的影响, 但pH2.0和pH3.5的模拟酸雨对种子萌发显示了一定的抑制作用(表 1)。在试验过程中还发现, 经pH2.0处理的种子, 萌发后幼苗的初生根和胚轴也明显地受到了伤害, 呈锈色, 发芽后不久即枯萎死亡, 幼苗成活率极低, 仅为24.5%, 明显低于对照处理。其它处理对种子发芽率的影响不明显, 且萌发后幼苗生长正常。

2.2 模拟酸雨对幼苗的伤害

酸性沉降物往往首先通过角质层和气孔进入植物, 损害叶片的内部构造, 表现受害症状。各种pH水平的模拟酸雨对幼苗叶片均产生了不同程度的伤害, 尤以pH2.0的处理最为明显, 受害叶片数高达82.2% (表 2)。受害症状表现为叶缘和叶脉间产生黄棕色不规则的坏死斑点和斑块, 叶片退绿, 慢慢黄化, 直至枯萎。从表 2中还可以发现, 经pH2.0处理后的幼苗, 其平均单株叶片数比对照组低, 这说明了高酸度的模拟酸雨不仅使叶片表现出明显的受害症状, 而且降低了幼苗的光合作用面积。而经pH5.0和pH6.0模拟酸雨处理的苗木, 其单株叶片数则有所增加。

2.3 模拟酸雨对叶绿素含量的影响

在植物的光合作用过程中, 叶绿素是吸收光的主要色素, 它把捕获的光能转变为化学能, 形成植物的生产。因此, 叶绿素含量的高低将直接影响幼苗的生长。从表 3可见, pH2.0的模拟酸雨明显降低了叶绿素a、b的含量, 这说明酸雨中氢离子浓度达到一定值时就阻碍叶绿素的合成或加速叶绿素的分解, 进而影响植物的光合速率和生长。但叶绿素a/b比率在各处理间无显著差异。

2.4 模拟酸雨对叶片的淋溶作用

由于酸雨中硫酸根和硝酸根离子浓度的增加, 提高了氢离子的活性, 从而加速了氢离子与细胞中阳离子的交换; 另一方面, 在酸雨的作用下, 叶片的角质层和表层细胞受到伤害, 使细胞透性增加。这两方面的共同作用导致植物养分离子的大量淋失(Smith, 1990)。从表 4的测定结果可以看出, pH2.0的处理使细胞液出现一定程度的酸化, 叶汁液pH值降至5.04。其它处理则无明显影响。

电解质溶液的导电过程是通过溶液中所有离子的迁移运动进行的, 因此, 叶片外渗液电导率的高低很大程度上能够反映叶片的细胞透性。如表 4所示, 经pH2.0处理的幼苗, 其叶片细胞外渗液的电导率比其它处理明显增加。可见高强度的酸雨对细胞膜的伤害很严重。而在未受污染的自然条件下, 一般不存在细胞内和细胞壁中阳离子的析出, 如果有, 也是极少量的(Smith, 1990)。

2.5 模拟酸雨对幼苗生长量的影响

植物对模拟酸雨的反应最终将表现在生长量的差异上。各处理间幼苗高生长量在统计上无显著差异, 但pH2.0的模拟酸雨表现出一定的抑制作用(见图 1)。pH2.0的模拟酸雨对幼苗地径生长的抑制作用也十分明显, 其它处理的作用不明显。

生物量能够比较客观地反映植物捕获光能转变为物质生产的能力。图 2显示, pH2.0的处理明显降低了幼苗地上和地下部分的干重, pH3.5的处理对地上部分的抑制作用也十分明显。而pH5.0的处理则促进了地上部分的生长。总的来说, 女贞地上部分对酸雨的反应较地下部分更敏感。地下部分的反应相对较小可能是由于土壤的酸化和养分淋溶的表现需要较长时间的原因(Frink et al., 1976)。

3 讨论

女贞种子对模拟酸雨的反应不敏感, 即使在高酸度的条件下。在对几种美国树种所进行的模拟酸雨试验中, 也发现了类似的结果(Lee et al., 1979; Percy, 1986; Scherbatskoy et al., 1987)。对此现象, Eldhuset等(1994)解释说:种子开始萌发时的水分吸收、组织溶胀和种皮破裂是一个被动过程, 紧接着在胚中进行细胞分裂和组织伸长。但pH值极低的酸雨对种子萌发的潜在影响依然存在(Kim, 1987)。

监测酸沉降对木本植物叶片急性伤害的研究常常在控制环境条件下进行, 大部分实验数据都是在生长室(growth chamber)或温室中获得的。在这种封闭式的生长室中, 温度总是较高, 而光照强度较弱。本试验在温室中进行, 夏季高温可能加剧了pH2.0处理对叶片的伤害。开顶式生长室(open-top chamber)设计的发展可望能部分解决这一问题(Leith 1989; Qui et al., 1992)。

在pH2.0模拟酸雨条件下, 叶绿素a、b含量明显下降, 而两者的比例未受影响。Morrison (1984)指出, 酸雨造成的叶片养分元素的淋溶, 尤其是Mg的淋溶会阻碍叶绿素的形成。在对美国西部2种针叶树的试验中发现, 模拟酸雨没有对叶绿素a产生影响, 但低pH值的酸雨降低了叶绿素b的含量(Westman et al., 1989)。而对美国东部4种阔叶树的试验中, 模拟酸雨对叶绿素没有产生统计上的明显差异(Neufeld et al., 1985)。取样时间和叶片取样高度的不同, 可能是导致结果不一致的原因之一。

pH2.0的处理对幼苗生长的影响十分明显。一方面, 它通过促使叶细胞原生质的酸化, 增加细胞膜的透性, 因而加速了养分离子的淋失; 另一方面, 它破坏了叶绿素的合成, 降低了幼苗的光合作用速率。单运峰等对青冈籽苗的研究中也发现, pH2.0的模拟酸雨由于加速了呼吸作用率, 伤害了细根, 增加了阳离子的淋溶, 从而阻碍了幼苗的生长(单运峰, 1989)。在本试验中还发现, 低酸度(pH5.0)的模拟酸雨对幼苗产生了一定的促进作用。据推测, 这种现象可能是由于酸雨中NO₃^-的施肥作用所产生的结果(Lee et al., 1979), 但由于有效养分的淋溶, 这种加速作用可能是一种短期行为(Wood, 1977)。

在本研究中, 模拟酸雨H₂SO₄^2-和HNO₃^-的比例为8:1。这两种酸不同比例对植物的影响还鲜见报道。用美国红果云杉(Picea rubens Sarg.)所进行的一项试验中发现, 含有硫酸的高酸度(pH3.5)模拟酸雨降低了云杉地上部分的生长, 而含有硝酸的同样酸度的模拟酸雨则增加了生长(Jacobsen et al., 1990)。因此, 不仅仅酸度本身, 而且两种酸的比例决定了酸雨对林木的影响程度。我国的能源结构以煤炭为主, 煤燃烧过程中释放的二氧化硫是导致酸雨形成的主要原因。在我国的酸雨化学组成中, SO₄^2-/NO^3-平均比例达6.4, 这一数字高出欧洲、北美以及日本的1倍以上(Xu et al., 1998)。因此, 酸雨对我国陆地生态系统的潜在影响尤其应加以关注。