模拟酸雨及其SO离子对油菜生长及品质的影响

２００８年６月２００８，３０（２）：１８５－１９０中国油料作物学报Ｃｈｉｎｅｓｅｊｏｕｒｎａｌｏｆｏｉｌｃｒｏｐｓｃｉｅｎｃｅｓ模拟酸雨及其ＳＯ４２－离子对油菜生长及品质的影响郑有飞，李　璐，梁　骏，李红双，麦博儒（南京信息工程大学环境科学与工程学院，江苏南京２１００４４）　　摘要：通过大田试验，以秦优７号油菜品种为供试对象，初步研究了南京地区硫酸型模拟酸雨及其ＳＯ４２－对油菜生长及品质的影响。结果表明，ｐＨ＞４．０时，主要表现为酸雨中ＳＯ４２－离子对油菜的株高和叶面积的促进作用，最大值出现在ｐＨ５．０的处理组。只有在强酸性酸雨（ｐＨ＜４．０）的胁迫下油菜的株高和叶面积才会随酸度的增强而减少。叶绿素含量受酸雨酸度的影响比较显著，尤其是叶绿素ａ，其含量与酸雨的ｐＨ值呈显著正相关。ｐＨ＞４．０时，酸雨中植物硫素的供给对油菜籽产量有促进作用；但在极酸性条件下，酸雨是胁迫因子，导致产量显著下降，但对千粒重并无显著影响。此外，模拟酸雨对油菜籽粗脂肪、蛋白质、可溶性糖和还原性糖含量表现出显著胁迫，对水溶性氨基酸有促进作用，但与酸雨酸度之间没有明显的线性相关性，总酸度与酸雨ｐＨ值呈二阶相关关系。关键词：模拟酸雨；ＳＯ４２－；影响；油菜；生长；品质中图分类号：Ｓ４３５．１１１．３＋１６，Ｓ５６５．４　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００７－９０８４（２００８）０２－０１８５－０６ＥｆｆｅｃｔｏｆＳＯ４２－ｉｎｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎｏｎｇｒｏｗｔｈａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｒａｐｅｓｅｅｄＺＨＥＮＧＹｏｕ－ｆｅｉ，ＬＩＬｕ，ＬＩＡＮＧＪｕｎ，ＬＩＨｏｎｇ－ｓｈｕａｎｇ，ＭＡＩＢｏ－ｒｕ（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００４４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＳＯ４２－ｉｎａｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎｏｎｇｒｏｗｔｈａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｒａｐｅｓｅｅｄｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄｉｎｒａｐｅｓｅｅｄｆｉｅｌｄ．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｐｌａｎｔｈｅｉｇｈｔａｎｄｌｅａｆａｒｅａｏｆｔｈｅｒａｐｅｓｅｅｄｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｈｅｎｐＨ＞４．０，ｗｉｔｈｔｈｅｐｅａｋｖａｌｕｅａｐｐｅａｒｉｎｇｉｎｐＨ５．０．ＴｈｅｐｌａｎｔｈｅｉｇｈｔａｎｄｌｅａｆａｒｅａｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｈａｒｐｌｙｗｈｅｎｔｈｅｐＨｖａｌｕｅｏｆｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎｇｅｔｔｉｎｇｌｏｗｅｒ．ＴｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌｎｏｔａｂｌｙｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｌｏｗｅｒｐＨｖａｌｕｅ，ｗｉｔｈ５９．０６％ｉｎａｖｅｒａｇｅ．Ｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ－ａｈａｄａｐｏｓｉｔｉｖｅｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｐＨｖａｌｕｅｏｆａｃｉｄｒａｉｎａｎｄｗａｓｍｏｒｅｌｉｋｅｌｙｔｏｂｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｂｙｔｈｅａｃｉｄｒａｉｎｔｈａｎｔｈｅｃｈｌｏｒｏｐｈｙｌｌ－ｂ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｗｈｅｎｐＨ＜３．０．ＹｉｅｌｄｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｈｅｎｐＨ＞４．０ｗｈｉｃｈｍａｙａｔｔｒｉｂｕｔｅｔｏｔｈｅＳＯ４２－ｓｕｐｐｌｙａｎｄｄｅｃｒｅａｓｅｕｎｄｅｒｉｎｔｅｎｓｉｖｅｓｔｒｅｓｓｏｆｔｈｅａｃｉｄｒａｉｎ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎｓｅｅｍｅｄｈａｖｅｌｅｓｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｔｈｏｕｓａｎｄｇｒａｉｎｗｅｉｇｈｔ．Ｕｎｄｅｒｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｔｈｅａｃｉｄｒａｉｎ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｃｒｕｄｅｌｉｐｉｄ，ｃｒｕｄｅｐｒｏｔｅｉｎ，ｓｏｌｕｂｌｅｓａｃｃｈａｒｉｄｅａｎｄｒｅｄｕｃｔｉｖｅｓａｃｃｈａｒｉｄｅｄｅｃｒｅａｓｅｄｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙｗｉｔｈｌｏｗｅｒｐＨｖａｌｕｅ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙｗｈｅｎｐＨ＜３．０．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｓｏｌｕｂｌｅａｍｉｎｏａｃｉｄｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｒｅａｔｍｅｎｔｈａｄａｎｏｔａｂｌｅｉｎｃｒｅａｓｅ，ｂｕｔｓｈｏｗｅｄｎｏｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｐＨａｎｄＳＯ４２－ｖａｒｉａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎ．Ｔｈｅｔｏｔａｌａｃｉｄｉｔｙｈａｄａ２－ｓｔａｇｅｌｉｎｅａｒｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｔｈｅｐＨｖａｌｕｅ．ＴｈｅｐＨ３．０ｏｆｔｈｅａｃｉｄｒａｉｎｃａｎｂｅｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄａｓａｔｈｒｅｓｈｏｌｄ，ａｎｄｂｅｌｏｗｗｈｉｃｈｔｈｅｇｒｏｗｔｈｗｏｕｌｄｂｅｒｅｓｔｒａｉｎｅｄａｎｄｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｓｅｅｄｓｗｏｕｌｄｂｅｕｎｄｅｒｍｉｎｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎ；ＳＯ４２－；Ｅｆｆｅｃｔ；Ｒａｐｅｓｅｅｄｓ；Ｇｒｏｗｔｈ；Ｑｕａｌｉｔｙ收稿日期：２００７１０２８基金项目：江苏省“３３３”工程资助项目（２２１９＃）作者简介：郑有飞（１９５９－），男，江苏无锡人，教授，博士生导师，主要从事农业气象学研究　　酸雨对森林生态系统和农业生态系统的污染影响［１～４］历来是人们关注的重大环境问题之一。就我国农业大国的国情而言，酸雨对农田生态系统的危害一直受到重视［５～７］。我国南方是酸雨的高发区，高频率酸雨强烈的淋溶作用和土壤酸化结果造成酸性土壤中有毒重金属元素如Ｚｎ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｄ等溶解度增大，在土壤溶液中的浓度和活性提高，形成一种对植物有害的土壤环境［８］，其次，酸雨作为一种非生物的环境胁迫因素能改变植物的理化性质，降低植物的抗性和生态系统的多样性和稳定性［９］。Ｈｏｓｏｎｏ，Ｔａｔｓｕｏ等［１０］对八种作物进行试验，结果表明酸雨对叶片均有不同程度的损害，伤害程度为生长初期大于后期。Ｖｅｌｉｋｏｖａ等［１１］在文章中指出酸雨处理可以导致豆科植物免疫功能和抗氧化功能的变化，从而引起伤害。刘连贵等［１２］的研究也发现了酸雨和ＳＯ２的复合污染对西红柿、胡萝卜、棉花等农作物生长发育的阻碍作用。但是同时，也有研究证实了大气中的硫作为土壤中硫素营养的重要性［１３］。土壤中的硫主要以无机和有机硫两种形态存在，作物对硫的吸收以硫酸根形态的无机硫为主。但土壤中的ＳＯ４２－极易淋失，南方土壤中的有机硫约占全硫的９０％～９５％［１４］，刘崇群等对我国南方１０省６７００个土壤样品的研究表明当前土壤缺硫或潜在缺硫的现象已普遍存在［１５］。油料作物是需硫量最大的作物之一，其需求量仅次于氮，钾而与磷相当［１６］。这不仅因为硫是作物生长发育必需的营养元素，硫还是油菜体内油脂合成的重要营养元素［１７］，是含硫氨基酸的组成成分，与蛋白质、辅酶、硫代葡萄糖苷、叶绿素等的合成也有密切关系［１８］。因此，对于油菜的生长发育，硫酸型酸雨的存在是否始终是一个促进因素或是一个胁迫因子，其影响是否会随酸雨酸度而变化，在油菜的不同生长期和不同生理过程中其作用如何，都有待进一步深入研究。本研究旨在通过大田试验，以油菜为供试对象，研究不同酸度的模拟酸雨及其中的ＳＯ４２－对南京地区油菜生长及营养品质的影响。探究模拟酸雨影响下油菜的生长状况和油菜籽产量的变化，分析油菜籽中粗脂肪、蛋白质、还原性糖、可溶性糖、总酸度和水溶性氨基酸等多种营养物质的含量变化，进一步明确不同强度的酸雨在油料作物生长过程中所发挥的作用，以丰富酸雨对油料作物生长发育和产量品质的影响研究。１　材料与方法１．１　材料与试验方法１．１．１　试验田情况　采用大田试验的研究方法，试验田位于南京信息工程大学学校西北（北纬３２°１４＇，东经１１８°４２＇，海拔２１．９ｍ），供试土壤为黄棕壤，土壤肥力中等偏上，基本均匀一致，基本特性为ｐＨ值５．４１，有机质含量２３．７ｇ／ｋｇ，全氮１．４ｇ／ｋｇ，全磷０．４３ｇ／ｋｇ，全钾１８．８ｇ／ｋｇ，全硫０．２４１ｇ／ｋｇ，有效硫０．０２９７ｇ／ｋｇ。供试作物为油菜（Ｂｒａｓｓｉｃａｃｈｉｎｅｎｓｉｓｖａｒ．ｏｌｅｉｆｅｒａ）秦优七号。油菜对硫酸型酸雨的作用较为敏感［１９］，也是南京地区广泛种植的重要油料作物。１．１．２　样品的采集　采用梅花法从每一小区的中央和四周随机选取５株油菜植株（每个处理共计１０株）进行各项指标测定，从４月１６日开始连续进行１０ｄ。对油菜籽的采样则从油菜成熟后（５月９日）开始，采用梅花法从每一小区中随机收取成熟的油菜全株。自然晒干并收集每株所产全部油菜籽实，过筛除杂后收藏待用。１．１．３　模拟酸雨的配制　作为硫酸型酸雨中的主要成分之一，ＳＯ４２－离子在中国东南部地区的酸雨中约占７０％［１９］。由于本试验旨在探讨硫酸型酸雨中的ＳＯ４２－离子对油菜生长发育的影响，试验中所用的模拟酸雨主要采用Ｈ２ＳＯ４溶液与去离子水混合配制成母液，再根据需要调制成不同酸度，并按照南京地区酸雨成分的配比，添加Ｆ－、、Ｃｌ－、ＮＨ４＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｎａ＋、Ｋ＋等主要离子成分［２０］（表１），以突出酸雨中ＳＯ４２－对植物的影响。表１　模拟酸雨的化学成分Ｔａｂｌｅ１　Ｃｈｅｍｉｃａｌｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎ离子组成ＩｏｎｃｏｍｐｏｎｅｎｔＦ－Ｃｌ－Ｎａ＋ＮＨ４＋Ｋ＋Ｍｇ２＋Ｃａ２＋含量Ｃｏｎｔｅｎｔ／（ｍｇ／Ｌ）１．０３．０２．０３．０２．０１．５８．５１．１．４　试验方法　采用大田试验的方式，油菜于２００５年９月中旬播种，１０月下旬移栽。种植期间采取的栽培措施为：全试验田共施基肥－－尿素４５０ｋｇ／ｈｍ２，复合肥６００ｋｇ／ｈｍ２，于１０月下旬移栽前喷施；施追肥－－尿素１５０ｋｇ／ｈｍ２，于１２月下旬喷施；喷杀虫剂：＂一片金＂０．１５ｋｇ／ｈｍ２、乐果１．５～２．２５ｋｇ／ｈｍ２，喷施时间是１２月下旬。试验设置如表２所示。ＳＯ４２－含量根据配制不同酸度酸雨时添加的硫酸量换算获得。每个试验小区面积１２ｍ２（４．０×３．０），各小区位置按区组设计原则排列。并在各小区之间设置隔离带进行保护，以避免组间影响。模拟酸雨采用人工喷洒，从２００６年３月１４日（蕾薹期前一周）开始每隔１０ｄ分块喷洒，每次１２５ｍＬ／ｍ２（按南京地区平均月降水量８０ｍＬ，酸雨频率５０％计），喷洒５ｄ后采集土样，直至油菜成熟（５月９日）前两周结束。每个处理水平分别设定３个重复。１．２　测试指标及方法１．２．１　株高、叶面积和叶绿素含量的测定　株高和叶面积的测定采用常规方法，叶绿素含量的测定参照文献［２１］。试验各处理组挑选饱满健康的油菜籽作为试验对象。油菜籽洗净晾干后置于组织捣碎６８１中国油料作物学报　２００８，３０（２）机中捣碎并混匀备用。总酸度采用酸碱滴定法测定［２２］；粗脂肪测定用索氏提取器水浴加热提取后采用７２２型分光光度计测定；粗蛋白采用考马斯亮蓝法测定；氨基酸采用茚三酮溶液显色法测定；还原性糖采用斐林试剂比色法测定；可溶性糖采用苯酚法测定［２３］。表２　试验中酸雨的设置Ｔａｂｌｅ２　Ｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｅｄａｃｉｄｒａｉｎｉｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ处理水平ＴｒｅａｔｍｅｎｔⅠⅡⅢⅣⅤⅥⅦｐＨ值ｐＨｖａｌｕｅ（ＣＫ）５．６５．０４．０３．０２．０１．０ＳＯ４２－含量ＳＯ４２－ｃｏｎｔｅｎｔ（ｇ／Ｌ）０．０１．５×１０－４４．８×１０－４４．８×１０－３４．８×１０－２４．８×１０－１４．８２　结果与分析２．１　模拟酸雨及其中ＳＯ４２－对油菜生长及生理的影响２．１．１　对油菜株高的影响　如图１所示，在模拟酸雨的影响下，油菜株高变化较大。对于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ组，由于模拟酸雨酸度未超过作物自我调节的阈值水平，对植株生长没有阻碍作用，反而由于酸雨带来的硫素供给，促进了植株生长，使株高较对照组分别提高了０．７８％、３．２３％和２．１１％。其中，Ⅲ组增长的幅度最大，说明该酸度最有利于土壤中无机态硫素营养的转化和迁移，在植物中的利用率最大，植株生长最快。当模拟酸雨处于Ⅴ、Ⅵ、Ⅶ组水平时，对株高的抑制作用随模