酸雨对生菜和上海青的产量、品质及生理特性的影响.pdf
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1、生态环境学报 2023,32(6):1098-1107 http:/ Ecology and Environmental Sciences E-mail: 基金项目:NSFC-广东联合基金项目(U1701236);广东省科技计划项目(2019B030301007)作者简介:王敬(1997 年生),女,硕士研究生,研究方向为土壤生态学。E-mail:*通讯作者,章家恩,E-mail: 收稿日期:2022-12-27 酸雨对生菜和上海青的产量、品质及生理特性的影响 王敬1,孟珂1,陈璇1,章家恩1,2,3,4*,向慧敏1,2,3,4,钟嘉文1,石兆基1 1.华南农业大学资源环境学院,广东 广州 5
2、10642;2.广东省生态循环农业重点实验室,广东 广州 510642;3.广东省现代生态农业与循环农业工程技术研究中心,广东 广州 510642;4.农业农村部华南热带农业环境重点实验室,广东 广州 510642 摘要:蔬菜在饮食结构中至关重要,维持着人体正常的生理功能。酸雨的频发会影响蔬菜正常生长,降低产量和品质。以生菜(Lactuca sativa L.)和上海青(Brassica chinensis L.)为研究对象,采用盆栽方法,以自来水(pH 7.0,CK)为对照,设计 3 个不同酸雨强度(pH 5.0,3.5,2.5)处理,研究不同酸雨强度对这两种叶菜产量、叶片叶绿素的荧光特性及
3、其质量分数以及营养品质的影响。结果表明:pH 5.0 酸雨对生菜和上海青的产量无显著影响,pH 3.5 和 pH 2.5 酸雨分别引起生菜产量下降 31.3%和 41.6%,上海青产量下降 12.2%和 27.6%。在不同酸雨处理下,供试蔬菜的叶绿素荧光参数总体变化趋势为:pH 5.0CKpH 3.5pH 2.5,且非光化学淬灭系数分别下降 21.4%25.3%和 15.6%19.1%,说明它们的最大光能转换效率在受到弱酸性酸雨作用时会升高,强酸性酸雨胁迫时降低。在收获期,两种叶菜的光合色素质量分数变化规律为:pH 5.0CK,pH 3.5pH 2.5 和 CKpH 5.0pH 3.5pH 2
4、.5,且 pH 2.5 酸雨处理时总叶绿素质量分数显著下降 30.5%和 10.7%。此外二者的原花青素质量分数在酸雨处理时显著下降,而可溶性蛋白、可溶性糖、游离脯氨酸、维生素 C 质量分数随着酸雨强度升高呈现先升高后下降的趋势,pH 5.0 酸雨处理时这 4 个指标达到最大值,在 pH 2.5 酸雨胁迫时抑制作用最强,上海青的这四个指标与对照相比分别显著下降 11.8%、22.7%、11.9%、16.6%,生菜下降 3.68%、11.0%、17.5%、16.1%,其中可溶性蛋白质质量分数与对照相比无显著差异。综上,酸雨对蔬菜的影响与蔬菜种类和酸雨酸度有关,酸雨 pH3.5 时,会严重影响蔬菜
5、的产量和品质。研究结果可为蔬菜种植与风险防控提供相关参考。关键词:酸雨;生菜;上海青;产量;生理特性;营养品质 DOI:10.16258/ki.1674-5906.2023.06.011 中图分类号:X171.5 文献标志码:A 文章编号:1674-5906(2023)06-1098-10 引用格式:王敬,孟珂,陈璇,章家恩,向慧敏,钟嘉文,石兆基,2023.酸雨对生菜和上海青的产量、品质及生理特性的影响J.生态环境学报,32(6):1098-1107.WANG Jing,MENG Ke,CHEN Xuan,ZHANG Jiaen,XIANG Huimin,ZHONG Jiawen,SHI Z
6、haoji,2023.Effects of acid rain on yield,quality and physiological characteristics of lettuce and Brassica chinensis L.J.Ecology and Environmental Sciences,32(6):1098-1107.酸雨是由大气污染引起的 pH 值小于 5.6 的降水(冯宗炜,2000),已成为全球性的生态环境问题之一。中国酸雨频频出现,目前主要分布于中国长江以南和云南贵州以东地区(任晓巧等,2021),危害农作物的产量和营养品质及其健康生产(李建鑫等,2021)。大
7、量研究表明,酸雨会对植物的叶片造成直接或间接的伤害(Sun et al.,2016)。如酸雨可直接危害叶片表面结构,如长斑、黄化和坏死、卷曲等(Ahmad et al.,2021;Pham et al.,2022),降低叶绿素含量(陈文胜等,2019),抑制植物生长、光合能力和叶绿体结构完整性(Li et al.,2022),损伤植物叶片的微结构(Andrade et al.,2020),降低改变植物的膜透性,影响叶片的抗氧化系统,造成植物的氧化损伤,抑制植物的生长发育,从而降低农作物的产量及营养品质(Zhang et al.,2022)。有关研究表明,不同 pH 酸雨对植物产生不同程度的影响
8、,在强酸性酸雨胁迫下,生长受到抑制,脯氨酸、可溶性蛋白(水德聚等,2016)、可溶糖(王菊等,2013)和维生素 C的含量下降(王双明,2012)。同时,酸雨会直接或间接影响植物的生理功能(Debnath et al.,2021),尤其是植物的光合作用以及在此期间释放的叶绿素荧光。近年来国内外有关于酸雨对植物生长发育及生理生化影响的研究较多(Sun et al.,2016),但酸雨胁迫对蔬菜光合作用、产量及营养品质的研究较少。王敬等:酸雨对生菜和上海青的产量、品质及生理特性的影响 1099 蔬菜对人类的饮食至关重要,提供了人体所需的多种维生素、矿物质和膳食纤维等营养物质,以维持正常的生理功能(
9、Javid et al.,2018),也可预防微量营养素缺乏(即“隐性饥饿”)和非传染性疾病,降低多种癌症的发病率(张璐等,2021)。当酸雨发生时首先接触的是植物叶片,叶片作为叶菜类作物的主要食用部位,酸雨的频发会对其造成明显影响(Hu et al.,2014),威胁叶菜类作物的生长、外观及营养品质。生菜(Lactuca satival L.)和上海青(Brassica chinensis L.)这两种叶菜类作物种植范围广、生长周期短、营养物质丰富,在中国各地广泛栽培。这两种作物品种特征略有不同,生菜为莴苣属,叶厚、叶缘波状、叶面皱缩、心叶略抱合;上海青为芸苔属,叶柄肥厚、叶片光滑、青绿色、
10、株型束腰。因此本研究选择生菜和上海青这两种叶菜类作物作为研究对象,通过盆栽实验研究酸雨对生菜和上海青这两种叶菜类植物的叶绿素荧光、叶绿素含量、产量及营养品质的影响,旨在为评价酸雨对蔬菜作物生产的危害风险提供相关参考。1 材料与方法 1.1 酸雨配制 参照华南地区的酸雨类型,用分析纯 H2SO4和HNO3配制摩尔浓度比为 n(SO42):n(NO3)21的酸雨母液,pH=1。然后,添加自来水进行稀释,逐渐提高 pH,用多参数测定仪 S210-k 监测 pH 变化,分别调节 pH 至 2.5(超强酸雨)、3.5(强酸雨)、5.0(弱酸雨)的酸性溶液(模拟酸雨处理)。对照为自来水(pH 为 7.0)
11、。根据广东省生态环境厅公开发布的广东省生态环境状况公报(广东省生态环境厅,2022)确定酸雨喷施量,通过喷壶模拟酸雨。1.2 试验材料 试验于 2022 年 46 月在华南农业大学农学院内(231001N,1132155E)进行。供试蔬菜为意大利生菜和精品上海青,土壤采自华南农业大学生态学教学实验基地(231013N,1132228E)的赤红壤,其基本理化性质如下:土壤 pH 为 6.61,有机质质量分数为25.9 gkg1,全氮质量分数为1.25 gkg1,全磷质量分数为 1.58 gkg1,全钾质量分数为 18.6 gkg1,有效磷质量分数为 397 mgkg1,速效钾质量分数为 66.8
12、 mgkg1。1.3 试验处理 在四周开敞的学院实验大楼的连廊上(上有顶廊,长约 8 m,宽约 7 m)开展盆栽试验,这样可保持盆栽的气候条件与室外环境基本一致,由于放置盆栽实验的廊道上存在顶廊,故盆栽实验不会受到自然降水的影响。设置生菜和上海青各 4 个处理,分别为 CK(自来水)、pH 5.0、pH 3.5、pH 2.5。开展盆栽试验连廊上的室外环境温度为 1828。每个处理 8 个重复,两种蔬菜共 64 盆。将自然风干的土壤磨细过 2 mm 筛后装入塑料花盆内(高 18 cm,直径 22 cm),每个花盆装土 3 kg,且不施加任何肥料。4 月 1 日起开始进行育苗。选择大小一致、饱满健
13、壮的生菜和上海青种子,催芽浸种后播种在育苗盘中。5 月 1 日待幼苗长至 34 片真叶时,选取生长良好、长势一致的生菜和上海青幼苗各 32 棵,分别移入各塑料花盆中,缓苗期间用自来水灌溉。5 月 5 日开始模拟酸雨喷淋实验,每 3 天用喷壶从作物冠层喷洒一次酸雨,每次喷酸量为 100 mL;CK则用 100 mL 自来水进行喷淋处理。每 7 天随机打乱盆栽的位置重新放置,以保证盆栽生菜和上海青生长过程中所受到的环境条件总体一致。1.4 指标测定 1.4.1 鲜物质质量的测定 在收获生菜和上海青时,将可食部与根部分离,并用电子天平称量可食部鲜物质质量,即为生菜和上海青的产量。1.4.2 生理指标
14、的测定(1)叶绿素荧光参数 5 月 10 日开始测定叶绿素荧光,每隔 10 天测定 1 次,整个生长期共测定 4 次。采用 Mini-PAMII便携式叶绿素荧光仪(Germany,Walz)测定叶绿素荧光系统参数,在晚上 8 点开始测定生菜和上海青叶片的叶绿素荧光指标,测量时选择每棵植株同一部位生长良好且完全展开的叶片(避开中间叶脉)。(2)叶绿素质量分数 采用丙酮提取法测定叶绿素(章家恩,2007)。即在生菜和上海青收获期(40 d),每个处理组随机取新鲜生菜和上海青叶片组织 0.5 g,放入研钵中,加入少量石英砂和碳酸钙粉末及 23 mL 80%丙酮,在弱光条件下研磨成匀浆;再加入丙酮 5
15、 mL,继续研磨至组织变白,转移至 25 mL 棕色容量瓶中,用 80%丙酮定容、摇匀、离心或过滤;分别于波长 663、645、652、440 nm 下测定吸光度(D)值,计算叶绿素 a(Ca)、叶绿素 b(Cb)、总叶绿素(Ct)以及类胡萝卜素(Ck)的质量分数。1.4.3 品质指标的测定 在生菜和上海青收获期(40 d),每组随机选取 4 株,取植株叶片测定生菜和上海青的营养品质指标。采用考马斯亮蓝 G-250 法测定可溶性蛋白质(章家恩,2007);采用蒽酮-硫酸比色法测定可溶性糖(吴青君等,2007);采用酸性茚三酮提取法1100 生态环境学报 第32卷第6期(2023年6月)测定脯氨
16、酸(章家恩,2007);采用香草醛-盐酸法测定植物原花青素(董瑞霞等,2008);采用钼蓝比色法来测定维生素 C(李军,2000)。1.5 统计分析 应用 Microsoft Excel 2016 对数据进行初步整理;SPSS 26.0 进行单因素方差分析,并对数据进行正态性和方差齐性以及显著性(P0.05),而 pH 3.5 和 pH 2.5 酸雨处理后与对照相比显著下降了 31.3%和 41.6%。在 pH 5.0 酸雨处理下,上海青的鲜质量与对照相比未达到显著差异,而 pH 3.5 和 pH 2.5 酸雨处理与对照相比,显著下降了 12.2%和 27.6%。2.2 酸雨对生菜和上海青生理
17、特性的影响 2.2.1 酸雨对生菜和上海青叶片叶绿素荧光参数的影响 经酸雨处理后生菜和上海青叶片叶绿素荧光参数的方差分析见表 1,动态变化见图 2。图 2a 可知,蔬菜种类、酸雨处理和处理时长对生菜和上海青的 Fv/Fm(最大光合效率)均有显著影响(P0.01、P0.05、P0.001),而且蔬菜种类和处 理 时 长 对 Fv/Fm有 显 著 的 交 互 作 用 影 响(P0.001),蔬菜种类和酸雨处理、酸雨处理和处理时长对 Fv/Fm无显著的交互作用(P=0.762、P=0.575),三者对 Fv/Fm无显著的交互作用(P=0.071)。在酸雨处理生菜的第 10 天,pH 3.5 和pH
18、2.5 处理与对照相比分别显著下降了 7.64%和12.3%;在酸雨处理上海青的第 20 天,pH 2.5 酸雨处理与对照相比显著下降了 8.23%(P0.05),其余处理与对照相比无显著性差异。第 10 天时生菜的 Fv/Fm值显著低于上海青。图 2b 可知,蔬菜种类、酸雨处理和处理时长对生菜和上海青的 YII(实际光能转换效率)值均有显著影响(P0.001、P0.01、P0.001),蔬菜种类和 处 理 时 长 对 YII 有 显 著 的 交 互 作 用 影 响(P0.001),蔬菜种类和酸雨 pH、酸雨 pH 和处理时长对 YII 无显著影响(P=0.113、P=0.596),三者对 Y
19、II 有显著的交互作用影响(P=0.002)。不同酸雨处理下,两种叶菜类植物 YII 值变化趋势不同,生菜的 YII 随着酸雨酸度的升高而降低,不同时期的生菜在强酸性酸雨(pH 2.5)处理下显著下降,与对照相比分别下降 14.8%、10.5%、16.8%、15.9%。上海青的不同生长时期 YII 值在弱酸性酸雨(pH 5.0)处理下升高,随着酸雨酸度的升高,YII 值下降,在 pH 2.5 酸雨处理下的第 20、30、40 天,与对照相比,分别显著下降 21.3%、8.16%、12.3%。图 2c 可知,蔬菜种类和处理时长对生菜和上海 青 的 NPQ(非 光 化 学 淬 灭)有 显 著 影
20、响(P0.001),酸 雨 处 理 对 NPQ 无 显 著 影 响(P=0.105),蔬菜种类和酸雨处理、蔬菜种类和处理时长对 NPQ 有显著的交互作用影响(P0.05),表 1 不同蔬菜种类、酸雨强度以及处理时长对生菜 和上海青叶绿素荧光参数的三因素方差分析 Table 1 Three-factor variance analysis of chlorophyll fluorescence parameters of lettuce and Brassica chinensis L.by different vegetable varieties,acid rain intensity an
21、d treatment duration 叶绿素荧光参数 Fv/Fm YII NPQ qL 蔬菜种类 11.225*654.981*122.208*252.035*酸雨 pH 3.982*4.416*2.131 2.205 处理时长 6.041*17.591*9.062*22.349*蔬菜种类酸雨 pH 0.391 2.068 5.061*1.871 蔬菜种类处理时长26.608*9.74*5.822*4.861*酸雨 pH处理时长0.848 0.824 0.866 1.011 蔬菜种类酸雨 pH处理时长 1.88 3.312*1.96 3.412*表中的值为三因素方差分析的 F 值。“*”表
22、示 P0.01;“*”表示 P0.001;Fv/Fm:最大光合效率;YII:实际光能转换效率;NPQ:非光化学淬灭;qL:光化学淬灭 aaaababcbSCSHQ020406080100鲜质量/gpH值CK 5.0 3.5 2.5CK 5.0 3.5 2.5 不同小写字母表示同一时间不同酸雨处理下同一种植物的差异性显著(P0.05),第 40 天酸雨处理组低于对照组,在 pH 3.5 和 pH 2.5 处理下显著降低,分别下降了21.4%和 25.3%;上海青 NPQ 在不同酸度酸雨处理 BaAaAaAaBaAaAaAaBbAaAaAaBbAaAaAaAaAaAaAaAaAaAaAaAaAaA
23、aAbAaBbAaAa102030400.00.20.40.60.81.0Fv/Fm最大光合效(a)率t/dt/d10203040 CK pH5.0 pH3.5 pH2.5 BaBaBaBaBaBaBaBaBbBaBaBaBbBbBabBbAaAaAaAaAaAaAaAaAaAaAabAaAaAbAbAb102030400.00.10.20.30.4YII10203040实际光能转换效率(b)t/dt/d AaAaAaAaAaAaAaAaAaAaAabAbAaAaAabAbAaBbBaBaAaBaBaBaAaAaBaAaAaAaBbAb102030400.00.51.01.52.0NPQt/d
24、t/d10203040(c)非光化学淬灭 BaBaBaAaBaAaAaAaBaAaAaAaAaBbAbAbAaAaAaAaAaAaAbAaAaAabAbAbAbAabAbAb102030400.00.10.20.30.4qL(d)光化学淬灭t/d10203040SC SHQt/d 不同大写字母表示同一时间相同酸雨处理下不同蔬菜的差异性显著;不同小写字母表示同一时间不同酸雨处理下同一种植物的差异性显著(P0.05);SC:生菜;SHQ:上海青 图 2 不同强度酸雨处理下生菜和上海青的各个生长时期叶片的叶绿素荧光参数 Figure 2 Chlorophyll fluorescence parame
25、ters of lettuce and Brassica chinensis L.leaves at different periods under different intensification of acid rain 1102 生态环境学报 第32卷第6期(2023年6月)第 10、20 天与对照之间差异不显著,在第 30、40天时,pH 2.5 酸雨处理与对照相比显著降低了19.1%和 15.6%,说明随着处理时间的推移,高酸度酸雨对 NPQ 产生了显著影响。图 2d 可知,蔬菜种类和处理时长对生菜和上海青的 qL(光化学淬灭)均有显著影响(P0.001),酸雨 pH 对 qL 无
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