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模拟酸雨对梣叶槭的作用和植物营养



全 文 :植 物 学 报 l燮形〕 , 41 ( l) : 80 一 87
注C如 肠翻陇众砚 S如交口
模拟酸雨对科叶械的作用和植物营养 `
` 杜英磊 Z e h ir s to p h e N N ’ s o u kP o 吞K o s s i
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(中国科技大学基础物理中心

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合肥
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摘要 应用光声光谱和调制荧光测量技术研究了模拟酸雨对料叶械扭配 r 爪咨夕汕 L . )的短期作用 。 用 声 值分别
为 5 . 6 、 4 . 5 和 3 . 0 的模拟酸雨对相应的三个样本组的料叶械树苗进行了为期三个月的跟踪观察和研究 。 结果表
明 ,用归一化氧信号 、 光化学能量贮备 、 归一化可变荧光 (凡 /凡 ) 、 光化学和非光化学叶绿素荧光碎灭等所表示 的
光合作用活性对这三个样本组的顺序为 PH 4 . 5 > 州 3 . 0 > PH 5 . 6 。 实验证实由于酸度水平增加 ,酸雨促进了生长
率增加 。 从植物营养角度对结果进行了讨论 。
关健词 科叶械 ,氧释放 ,光化学能量贮备 ,光化学和非光化学叶绿素荧光碎灭 ,光声谱 ,脉冲调制荧光技术
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,
R拍 to a c ou s t i e s ep e otr s e o py , M od u l at ed fl u o慨 e en e e
198 0 年前 ,人们发现欧洲和北美的一些发达国
家 ,其森林大面积地非人为减少 。 究其原因 ,一般认
为是由于 日趋严重的环境污染所引起 〔` , 2〕 , 其中包
括了酸雨的作用 。 许多研究者采用模拟酸雨条件来
研究酸雨对植物 , 特别是对树苗的影响 。 有人认为
酸雨对树苗的生长是有利的 ,也有人认为是有害的 ,
还有人认为对树苗的生长无影响仁3 一 6〕。 N ’ s o u k侧免 -
K o s s i应用光声谱对糖械的研究得到特别有意思的
结果以 4〕 , 当用模拟酸雨喷洒糖械的叶子后 , 光合作
用的氧释放减少 , 但生长速率却增加图 , 应用不同
PH 值的水对土壤进行浇灌 , 氧释放随 声 值的减少
而线性减少 ,而光化学能量储备和植株生长率则在
pH 4
.
0 一 4
.
5 时达到最大值 [’] 。 后者也伴随着色素
含量和叶子干重而增加 。 这些研究产生了一系列问
题 : 为什么光合作用氧释放的减少不使作物生长率
相应降低 ? 这里是否还存在着另外一种影响氧释放
的因素 , 以致于它不影响作物生长率和叶子干重及
色素含量 ? 所有这一切是否能真正说明氧释放的减
少是由于酸雨作用 ? 在光声测量中氧信号的减少可
能来 自叶绿体膜结构的扰动 , 导致氧扩散率的减少
或来自于氧的消耗过程 , 如 (光 )呼吸作用或 M e h le r
反应 v[, “〕等 。 因此 , 要真正解释氧释放的减少不仅
需要去检验氧通过细胞膜的热扩散参数 , 同样也要
测量不取决于膜结构和热扩散性质的叶子的 “ 真正 ”
的光合作用 。 借助调制荧光测量方法能帮助检验后
者 。 本文介绍脉冲调制荧光技术和光声谱对料叶械
, 本课题得到加拿大国家科学和工程研究院的资助 。 s ll pl刃 rt司 场 Nat ion al sc i en ce adn D匆 11~
g eR ~
c l l CO山 I c i l of Can ad a ·
收稿 日期 : 1卯7 . 07一 18 接受日期 : 1男8~ 03 . 2 7
1期 杜英磊等 :模拟酸雨对样叶械的作用和植物营养
( Ac e r
了峪“ n泛fo L. )在模拟酸雨作用下的跟踪测试 , 给
出了荧光参量和光声结果 ,两者的结果是一致的 ;在
p H 4
.
5 的植株样本组受到酸雨影响后的变化最大 。
本文讨论了酸雨的肥效作用 。
·
1 材料和方法
1
.
1 植株样本波酸雨处理
科叶械 ( ceA ; 溉罗逆侧劝 L
`
)植株样本生长在面积为
8 C m x 8 C m
、 高约为 巧 c m 的培养罐中 ,并置于光强
为 o2 卿 .l m 一 2 · s 一 ` 、 温度为 ( 23 士 2) ℃ 、 相对湿度为 5 % 一 60 % 、光照周期为 14 h 的温室中 。 培养基
的土壤与有机肥之 比为 2 : 1 , 骨粉肥的氮 、磷 、 钾之
比为 2 : 1 : 1。 植株样本为一年龄的 0 . 2 一 0 . 4 m 高的
树苗 。 样本植株每周一 、 三 、五上午 9 : o 一 n : o 用
模拟酸雨水对叶子喷洒和对培养基浇灌各 l o mL ,
共 10 周 。 模拟酸雨的配比 [ 9 ]为 34 . 0卿 u L e as O4 、
2 7
`
0 脚n o l / L eF C12 、 20 . 0 子u l l o F L ( N执 )2 504 、 10 . 0
矛川以八 J N a O H 、 7 . 8 2里 n l o l z / L K ( )H 、 1 . 5 1月 1 10 1/尹 L nZ C犯、
0
.
18 1
又m o l / L M nC 12

0
.
15 脚 n ol / L uC C 12 和 0 , l 脚 11 0 1/ L
bP C 12

18 个植株样本分成三组 , 每组 6 株 , 分别以
pH 5
.
6

4
.
5 和 3 . 0 的水喷洒 、浇灌 。 声 值用克分子
浓度相等的 玩 s仇 和 NH 几 混合液来调整 。 对植株样本每隔 5 次改浇营养液 l o mL , 营养液组成为 : 3 .
0 “ m O F L C a ( NO 3 ) 2
·
4 ZH o

2
.
0 仁n l o F I J NK O
3
.
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4
和 M邓仇 · 4玩 O ; 89 . 0 拜n 1 O F L eF N aE D TA 、 37 . 4 拜 In 0 F
L 3H B ( )
3 、 7
.
0 拼rn d / L M n C几· 4玫 O 、 0 , 7 2川 10 1/ L ZnC b
和 0 . 3 “ I n o l / L M o 仇 和 c u c犯。 从每植株样本的顶端
下数第三对叶子 ,且按叶脉分布相同的区域切下圆
片作光声测量和荧光测量 。 叶圆片直径分别为 18
~ 和 10 ~
。 叶子的叶腹面与光源垂直 。 光声测
量所用叶圆片在切下后用饱和白光照射至少 5 而 n ,
而荧光测量则在暗适应 Z h 后进行 。
1
.
2 光能在叶子中的转移机理
绿色植物吸收的光能汇集到叶绿体的反应中
心 ,在最优化的条件下 , 80 % 一 卯% 的能量用作光合
作用的光化学能 , 3 . 0% 一 3 . 5% 为荧光发射 , 而剩余
的变成热〔 “` 一 ’ 2〕 , 分子间的能量转移的损失可以忽
略不计 。 如果光合作用受到外因的作用而被抑制
时 ,则植物的荧光发射和热耗散将发生变化 。 因此 ,
可似通过测量这些能量耗散的任意一个通道的变化
获得植物吸收光能利用效率的重要信息 。 光能以光
化学能量储备的形式贮备在叶绿体内 , 能量储备是
指包括围绕 巧 I 的电子传递的 SP I 和 SP n 的光化
学作用 ;而氧释放则主要反映光合作用 玲 n 的作用
效率 。 可以用光声谱来检测光合作用过程产生的氧
释放和光化学能量储备 [’ 3 , ’ 4〕 , 而荧光性质则可以由
脉冲调制荧光测量来检测 〔10 , l5] 。
1
.
3 测量原理和装置
1
.
3
.
1 光声谱 当一束调制光照射到植物叶子时 ,
叶子进行光合作用产生调制的热耗散 , 激发了绝热
封闭光声池内气体变化的调制压力 ,引发了声波 ,这
声波可以用高灵敏度的麦克风来检测 。 同时 , 在调
制光作用下也诱导出调制的氧释放 , 它同样对压力
信号作 出贡献 。 在低频斩波光作用下 , 一般低于
10 H
z ,从叶子中得到的光声信号是由热产生的光
声信号 (简称热光声信号 )和氧释放产生的光声信号
(简称氧释放光声信号 )共同贡献的 。 为了分别得到
热和氧释放光声信号 , 可以在调制光作用到叶子上
的同时再加一个非调制的饱和的本底光作用到叶子
上 ,使得光合作用饱和 , 氧释放被抑制 ,仅留下热光
声信号 。 由于氧释放的光声信号相对滞后于热光声
信号 ,我们可以通过测量光声信号的正弦和余弦分
量 , 然后通过计算得到氧释放信号61[ 。 在高斩波频
率下 ,氧释放的信号一般是可 以忽略的 ,仅仅热信号
被记录下来 。 因此 ,如再加饱和本底光作用 , 原来在
调制光作用时已经储备下来的部分 (调制 )光能将作
为热被释放 ,从而增加了光声信号 。 在较高的斩波
频率和饱和光作用下的信号的增加量 , 称为光化学
能量储备 。 由于在任意斩波频率和饱和作用光作用
下得到的信号是最大的热光声信号 ( A刀 ) , 它表示了
调制光束的人射光能 , 故利用它来归一化在给定的
调制频率下氧释放和光化学能量储备 [’ 3〕。
光声谱仪 [ ’ 3 , ’ 6] 是由一个 1(xx 〕 w 的氮弧光灯和
单色仪 ( cS h oe fe l hI st ~ nt
s
oC rp
.
we
s加心以l , NJ ) ,可
变频率斩波器 ( I t h a( 三。 , l th a e a , NY ) , 和 自制的光声
池 [’ 7 ] , 超灵敏的麦克风 ( C七In r a 〔1 tL d . , M i s s i s s a u g a ,
oN )
,锁定放大器 (灿 a C o l物 l a t ar c , m od el 393 , tAP ec ,
l t ll a c a
,
NY )
,计算机和二个记录仪 。 调制单色光由
反射镜反射到光声池 ,产生的光声信号由麦克风检
测经锁定放大器放大 ,然后由计算机采集数据或由
记录仪记录 。 两台记录仪分别用来记录光热分量和
氧释放分量 ,它们分别是同相和位相差 90 “的分量 ,
在锁相放大器中分别以正弦和余弦输出 。 氧释放分
量是以波长为 65 0 lun 、 3 W · m 一 2的光强的光在斩波
频率为 25 zH 时测量的 。 而相应的能量储备是在斩
波频率 175 zH 下测量的。 选取 175 zH 是基于在此
频率下 , 氧释放信号的影响可以忽略且信燥比非常
高 。 测量时叶子向阳面放在光声池内接受光照 。 饱
8 2植 物 学 报 4 1卷
和作用光的光强为 Z 10w · m一 “ ,对每一个 p H值的样
本组至少测试 3 个样本 。
1
.
3
.
2 调制荧光 由绿色叶子发射的叶绿素荧光
是以复杂的方式反映光合作用 。 当一个绿叶放在暗
适应环境中时 , 由光合作用电子传递驱动的 SP 工和
邢 fl 的联合就变得很弱 , 光合作用机制处于状态 一 1。
当叶子经过暗适应 20 m in 之后再辐照光时 , 叶绿素
分子经历了著名的 K a l l t sk y 效应的诱导动力学过程 。
这个过程有两个特征 : 1) 快速荧光在 10 一 s o stn 时
间间隔内上升到一个最大荧光水平 ( nzF ) ; 2) 慢速荧
光减少 ( 凡 )到一个稳态水平 ( 凡 ) 。 在一些完全作
用的树叶中 ,整个诱导动力学过程是在 5 而 n 内完
成 ;然后叶子处于状态一 2 ,且光合作用氧释放达到最
大的速率〔’ 5」。 荧光上升开始达到的 oF 通常认为是
来 自天线色素〔’ s] 。 因此可 以认为与光化学反应无
关 。 相反 , 可变荧光 (凡 ) , 也 即荧光从 oF 上升到
凡 ,然后又减弱到 凡 仅仅发生在具有光合作用的
活性树叶 、 海藻和孤立的叶绿体中〔` 5〕 , 因此与光合
作用有关 。 可变荧光可以假定是来 自关闭的反应中
心的激发能的本底转移 , 其中包括 蝙〕- P ll e o 一 辐射
对的再复合〔’ 9 ,刻 ; 或来 自天线色素 , 因为非常短的
荧光寿命是发生在皮秒级的范围而慢速复合过程则
是在纳秒的数量级 l2[ 一洲 。 sP n 光化学反应位能效
率可由下式给出 :
山只〕 二 称/ ( k; + k。 + k: + k尸 )
= (中凡 一 中oF ) / 中 F m = 凡 /凡
此处 杨 、 k ; 、 杨 和 k : 分别表示光化学反应 、荧
光 、热释放和转移到非荧光色素的激发能常数 。 这
样在绿色植物叶子光合作用单元中 , 凡 / mF 就成为
一个重要的且易于测量的生理状态的指示因子 。 叶
绿素荧光碎灭到 sF 可以分解为两个主要分量 :光化
学碎灭 (具有系数 qP ) ,它能够应用饱和脉冲光作用
来扣除 ,和非光化学碎灭 (具有系数 qNP ) ,它在饱和
脉冲光作用抑制了 q , 之后被保存下来 〔` 5〕。
调制荧光装置组成如下 : 12 w 的白炽灯加一滤
波片 ( s巧 8 0 , D i itr C OtP i e as 玩c
.
uH
s ot n
, 撇 )提供波长在 47 5 一 5 80 lun 之间强度在 4 一 150 1l lw · m 一 2的光
束 ,用机械斩波器调制 。 由一个 1X() W 的卤素灯泡
通过一低通滤波片 ( SD ,闭 , iD itr c 吻 ict , nI C . , uH s -
t二 , 初决 )提供作用光 ( 二 30 W · m 一 2 ) , 饱和作用光
( 二粼x〕 w · m 一 2 )则由一 巧o w 弧光灯 ( IcL 矛fe c h l l o l o gy
城 . , S u l l n尹al e , MA )提供 ,光电检测器 ( No . 187 06 ,
0 1 87
, 饰 t ik o n , tS 一肠u , nt , Q e . ) , CP 锁 相 放 大器
( I t h敲 {o , M od e l 3 9 8 1 , I tl l a c a , 盯 ) , IB MCP 计算机 。 作
用光和饱和作用光都经过红色隔热滤波片 ( No .
仍外认印 5 M e u es , “ ot C an ad nI e . , N印 e an ON )以
防热烤伤样品 。 饱和作用光的开闭由一个电子门
(N
。 . 以 IE岌刃 l , Mel le s irG ot C an a d a 玩。 . , O N )控制 。
在 68 0 urn 处的荧光检测是利用 68 0 ln 的带通滤波
片 ( N o . 15一20 5 5 0 5~ F M z 7 一9() , D i itr e O p it e s cnI . ,
H u ds on
,
MA )
,荧光 、 调制光 、作用光和饱和光则通过
光纤束作用到样本上 。 样本 (直径 5 ~ 左右 )取 自
从顶端下数第三片叶脉的左右侧 ,并经过 Z h 的暗
适应后进行测试 。 对每一个 声值组的测试至少有
20 个样本 。 荧光拌灭系数利用下式进行计算〔叫 :
(凡 ) 3 一 凡 (凡 ) m 一 (凡 ) ,
qp 二 (凡 ) 、 qNP = (凡 ) m
此处 q尸和 qNP 是光化学和非光化学荧光碎灭系
数 , (凡 ) : 是在饱和脉冲光作用下任一时刻的可变
荧光 , 凡 是没有饱和脉冲光作用下任何时刻的可变
荧光 , (凡 ) m 是经过暗适应后的样品在饱和脉冲作
用光作用下的最大起始可变荧光 。
2

1
实验结果
氧释放和光化学能皿贮备与模拟酸雨 声 值
之间的关系
图 1表示典型的光声信号图 ,指出氧释放信号
( A 和 B )与光化学能量储备 ( 尸E S )的信号 ( )C 。 在
低斩波频率的调制光和饱和光的作用下 , 锁相放大
器用二路直角坐标输出 ,一路输出热信号 ,调整相角
使得最大的热信号 ( A p : )处在锁相放大器的输出最
大值的位置 ,另一路垂直于该相角 ,且信号为零 。 当
饱和的本底光关掉时 ,部分调制光能储备下来用于
光合作用 , 因而热信号有一个纯的减少 。 当调制光
激发了光合作用时 ,氧信号也同时产生 ,但大多是出
现在垂直方向上 (与热信号成 90 。可 以从锁相放大器
的另一路输出中看到 ) 。 在高斩波频率下 ,仅仅热信
号可能被检测 , 调制光和饱和光同时照射引发 了最
大热信号 APT , 当饱和作用光关闭时由于能量储备
而使光声信号减少 , 这一减少量和最大热信号 寿 :
之比表示 了在该频率下的光化学能量储备 。 相应的
氧释放的信号振幅可利用下式来计算图 ,
、 。汀蔺而共开此处 k 是在高频下 ( Q、 一 Qm ) / Qm 的比值 , 另
外的参量定义如图 1所示 。
相对氧释放的量子效率 由比值 A ox / A二得到 ,
1期 杜英磊等 :模拟酸雨对样叶械的作用和植物营养
A二可以认为是吸收调制光能的量的反映 。 氧释放
的振幅和 AT P之间有一个相互关系式〔`4 〕
呷 [一 丫亏 (1 /办嘛 {一 1丫石汤 )l]
17 5 Hz
此处 Dx o和 刀那分别表示氧和热扩散系数 , l 是平均
热扩散长度 , f 为调制频率 。 作出 ln ( A ox / APT )相对
于行,的关系 ,可以得到在低频时满足直线关系 ,斜率
为 ( 二 一 z 石丽蝠 {是氧扩散系数的函数 (因为 刀刃
> > D ox )
。 典型的用模拟酸雨 声 5 . 6 、 4 . 5 和 3 . 0
处理过的 Acer l埃孙刀而 样本叶片的 ln ( A ox / APT )相
对于行,的关系表示在图 2 中 。 所有的 3 个样本组的

火一6 T一PA一
2 5 Hz
凡 r’c =A 脚
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图 1 光声信号记录图
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A二 ) a ppe o i n p hase ( C os ine ) in A ; w h e n het hac k『
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, as e of i-n p h朋 e is邵 l al ( R。 ) 15 0咏 vr de as a , sult of e l l e斗男 ostr -鳃 e in d坦 t e】l aJ 工祀 1 . nI C , 瓦hg fl概 p 』e l l e y PA is 邵司 15 s h own iind -c
iat ng het en 卿 st 。斑堪e as a de c~ in het het
n l l al is 邵l al (伽m
口、 ot 仇 ) w h e n het hac k脚 u n d il hgt 15 t t m l曰l of( 十) . M仪l t il at -
ed il hgt
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o l u l d w l五 t e~ lihgt fl t ix
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4 2 0 5 0 0 5 8 0 6 6 0
人 (mn )
图 3 由不同酸度水平的模拟酸雨处理料叶械叶片的光化学能量贮备相对于波长的关系 (每一点表示两个样品的平均
值 )
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图 2 典型 的由不同 p H 值模拟酸雨处理科叶械 叶片 的
ln 以 ox / APT )相对于试牙的关系
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4 2 0 5 0 0 5 8 0 6 6 0
入 (恤 )
图 4 由不同酸度水平的模拟酸雨处理科叶械叶片的 Aox /
APT相对于波长的关系 ( )A及一个氧消耗动力学的例子 ( )B
珑 , 4 Aox / A二 , w a v e le n hgt for AeC r n卿仍凌〕 le va es t此 a t e d at
d汪民 r e nt ac id yt le v el 。 ( A ) 阴 d e x am p l e of q 一 co sn 山 n p t i o n ik n e t ic s
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3
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.
1
.
测量点表示有相同的斜率 ,说明氧通过叶子的扩散
系数不受酸雨的影响 。 仅仅氧信号的振幅发生了改
变 。 归一化的氧释放信号 ( A ox / APT )对于不同 p H
植 物 4 1卷
HPP
值的模拟酸雨处理的值由表 1列出 。 尸石 s, A PT 和荧
光测量数据也列在同一表中。 A ox / APT 平均值有下
列次序关系 : p H 4 . 5 > p H 3 . 0 > p H 5 . 6 。 光化学能
量储备资料表明有同样的次序关系 。
更进一步 , 我们测量了 尸石S (光化学能量变储
备 )的作用谱 (图 3) 和整个波长范围内在相同调制
光流密度 ( 30 1丈mo l · m 一 2 )下 的 Aox / APT 作用谱 (图
4 )
。 从图 3可以看到 ,在 540 ln 和 680 urn 之间有比
紫外光区更高的 尸石5 值而在大于 6 80 ln 处有红降。
所有这三种用模拟酸雨处理过的曲线表明在 5团 -
仪城〕 nI 和 650 一 680 ln 处有两个峰而在 以刃 一 麟 0
nI 处有一低谷 。 对于 A ox / APT 曲线 , 与紫外光带比
较 ,可见带更为重要这一点的证据不足 。从谱图上
光声氧释放更好的表示光合活性的控制因子 。 在现
在的研究中氧信号是在稳态水平下计算出来的 。
5
.
6 q加
3
.
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图 5 由不 同酸度水平 的模拟酸雨处理样 叶械叶片的
Aox / 尸石s 相对于波长的关系 ( )A 和最大热分量 A二相对于波
长的关系 ( B)
价9 . 5 Aox / 尸石5
~
w a v e le n gt h ofr Acer
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,
APT ve ~ ~ el
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()山er d e t a l ls as i n iF g . 3 a n d iF g . 4 .
看具有更多可变性 ,这可以用氧信号测量的基底不
稳定性来说明 。 实际上 ,光声测量的氧信号不仅仅
来 自氧的释放 , 同时也有氧消耗的影响 ,氧信号是氧
释放和氧消耗二者的综合结果 v[, “」。 而这二者在现
在调制光声技术中是无法分离的 。 氧信号的振幅
(相对单位 )在时间上的改变表示在图 4插人的小图
中。 从图中可以看到信号是逐渐减弱且在几十分钟
后 (在本图中为 60 m in) 达到一个稳态 。 氧消耗过程
是不可能用高强度的 650 ln 调制光 ( 18 w · m 一 2 )或
白饱和光 (1Z 0 w · m 一 2 )再照射阻止的 。 甚至在光声
信号刚被记录的瞬间也没有充足的证据来说明不存
在氧消耗过程 。 在这种情况下 , 尸乙S 是一个比调制
图 6 不同酸度水平的模拟酸雨处理料叶械叶片的诱导过程曲线上各点的叶绿素荧光碎灭系数
R g
.
6 Chl o or p h yll fl
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.
2
.
2 光化学能量贮备对氧释放的影响
为了更深人地理解 尸石S 对氧释放的影响 , 我们
作出在 30 2丈In o l . m 一 2 · s 一 ’ 的恒定调制光通量下
A ox / 尸Es 相 对 于波 长 的关系 ( 图 SA ) 。 很 明显
A ox / 尸石s在紫外光区开始上升 。 初看起来 , 这可 以
认为光化学能储备影响氧释放的增加 。 但是 , 如果
考虑 APT 相对于 入的曲线 (图 SB ) ,则在紫外光区它
们有相同的形状 。 注意到 尸石S 是用 APT 来归一化
的 ,实际上 APT 在紫外光区有增加 ,结果使得 尸石S 归
一化值在紫外光区减少 (图 3 ) 。 我们用 A ox 除归一
化的 尸石S , 即可发现在紫外光区有一个上升 。 因此 ,
如果认为 A ox / 子晒污 在紫外光区的增加值是完全由
于高的热耗散 APT 引起的 ,可以推断能量储备对氧释
放在整个研究的光谱区域是具有相同效力的 , 也就
是说 ,对于给定量的能量储备 ,氧释放的振幅是相同
的 。 此外 , 尸石5 对氧释放的有效性不能看作由于酸
雨处理而变化 。 实际上对于三组酸雨处理的样本
A ox / 尸石5 的平均值并无明显的差别 ,仅仅是随着 pH
值的变化 ( p H 5 . 6 > p H 4 . 5 > PH 3 . 0) 略为不同 , 且
p H 值从 5 . 6 到 3 . 0 变化时相应的 A尸: 的平均值有一
个增加 。
2
.
3 荧光参孟与模拟酸雨 PH 值之间的关系
由光声数据所得到的结论明显地得到了荧光参
量的支持 。 事实上 , 叶绿素荧光的光化学碎灭系数
( 。尸 )和非光化学碎灭系数 ( 。、 )是以 pH 4 . 5 > 声
1期 杜英磊等 :模拟酸雨对科叶械的作用和植物营养
表 1样叶械 ( A T e c了卿切山 L` )光合作用活性的光声和调制荧光参数表
T曲 I e 1 1扭 l ot o a cos ut l cn a dn l以 It l iat以 1l u o姗〕 en cep 叮 ;训 et e花 o fAr e cn l进邵切山 L .p hot朋” lt het i ca cv t i it is e
r a P阴祀 t e玛 声
5
.
6 4
.
53
.
0
凡 (减 10一 4 )3 . 3 4土 1. 4 2. 3 8土 0 .( 5 )2. 4 5士 0 . 9 1
凡 (x 10一 3 )1.7 3土 0 . 3 51.7 6土 0 .7 3 1. 3 6士 0 . 50
p (
x 10
一 3
)1
.
51士 0 3 3 1. 4 D士 D
.
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.
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.
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x 0 2
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.
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土 0 .卯 4.7 2士 1.7 9
( F
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(
x 10
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.
3 2土 0 . 30 1. 3 3土 0 .( 3 )1
.
2 5土 O
,
42
肠 〔(凡 一 凡 )/ (份凡 )] 6 . % 土 3 . 49 9 . 68 士 3 . 35 6 . 46 士 3 . 54
凡 / oF 5 . 62 士 1 . 7 3 7 .以 士 0 .男 6 . 65 上 2 . 肠
(尸 F ) 、 / 凡 0 . 7 63 0 . 7% 0 . 76 7
q P 0
.
58 0
.
7 1 0
.
5 5
q从〕 0 . 80 0
.
8 9 0
.
79
A即 ( x 10 一 4 V ) 5 . 卯 士 2 . 肠 6 . 4 8 士 2 . 70 6 . 7 1 士 2 . 4
A俄 / A刃 0 . 3 2 土 0 . 2 0 . 4 2 土 0 . 22 0 . 40 士 O , 20
尸邵 0 . 26 士 0 . 10 0 . 28 士 0 .田 0 . 2 8 士 0 . 08
A ox / 尸邵 ( 减 10 一 4 v ) 11 7 2 士 17 4 1 1 1 . 70 士 12 . 54 10 . 19 士 6 . 27
5
.
6 > 声 3 . 0 (表 1 , 图 6) 的次序变化的 ,这一点暗示
在这些植物中光化学作用不仅仅是光化学碎灭的反
映 , 同样也受到非光化学碎灭的影响 。 对于 p H 值
为 5 . 6 和 3 . 0 处理过的样本组 q , 的差别是明显的 。
q , 和 qNP 值的变化与彻 (勒 = 凡 /凡 )和 (凡 )。 / mF
(表 l) 的变化是同一数量级的 , 这里强调这样一个
事实 , oF’ (在荧光诱导过程结束时测量的值 )从 pH
5
.
6 到声 3 . 0 的减少类似于 mF (表 l) 。 这 F O和 凡
在数值上的减少与热耗散 APT 的增加相平行 。 后者
暗示了 LH C n 的部分磷酸化 ,这一点将在后面再讨
论 . (凡 )袱凡 和 凡 / F 。 的平均值分别约为 0 . 8 和
7
,这与文献中得到的结果一致〔’ ” 一洲 。
荧 光 测 量 确 定 的 光 合 作 用 参 量 , 如 像
(凡 )袱凡 、 qNP 和 q尸 全部都表明它们在实验误差
内。 但是它们都大于光声法测量得到的系数 尸乙S 。
荧光参量至少有两次全部大于 PA (光声 )数据 (表
1 )
。 这差异是由于因子不同产生的 ,首先 ,光化学碎
灭应用饱和脉冲光方法 ,它反映了在 SP n 反应中心
的电荷分离的相对比例 。 因此 , q , 所诱导的电子迁
移率不是必定相应于吸收电子流率或能量储备率 。
当电子流向不同于 C仇 ,即 仇 分子或环绕 飞 n 的电
荷复合的内部接收器时 ,某些电子可能损失掉 ,结果
导致荧光碎灭参量可能对光合作用的有效活性给出
了过高的估计 。 其次 ,荧光和光声测量是在不同光
源条件下进行的 ;第三 ,荧光测量包含了叶子上部一
薄层的叶绿体 , 而光声谱反映的是样品的整体效应 ,
是探测受到不同程度的污染较厚一层叶绿体 。 尽管
如此 ,我们还是得到了荧光测量和光声测量一致的
结论 ,在 p H 为 4 . 5 时光合作用活性最大 。 至于活性
指数 肠在 p H 为 4 . 5 时得到较大的值则可 以用在
PH 为 4 . 5 时 sF 的值较小来解释 。 尽管在产生氧释
放信号的光声测量中包含有氧消耗过程 v[, “ ,红洲 ,但
在稳态时得到的归一化的 Aox / APT 与 尸石S 和荧光参
量在 声为 4 . 5 时受酸雨影响最大的结论是一致的 。
虽然我们不能把这些差别全部归因于不同的 p H处
理引起的 , 但由于在每一类测量中 ,对大量的样本
(对荧光有 20 个以上和对光声有 3 个 )的平均值表
明在 PH 为 4 . 5 时对光合作用有明显影响。
3 讨论
模拟酸雨对光合作用和科械树 ( ceA : 了哪切山 )
生长影响的光声和荧光研究资料表明它们有非常好
的一致性 。 但是对数据的某些特殊行为需要更深人
的解释 , 例如 : oF , 和凡 同时平行地随着热去激发
( APT )的增加而减少 。 uB sc hm ~ 〔别报道了热去激
发的增加是由于在 五哪〕加 n us s al 初。 子叶中的光抑
制 。 K ar u s 。 和 B he er l ld「34j 发现增加激发能的热去激
发可能部分地阻止光抑制 。 如果这情况确实存在 ,
我们倾向于认为 ,在现在的研究中发现 oF `和凡 减
少了 ,且与此相伴随的 APT 增加了 , 则可以得出光抑
制过程存在的结论 。 已有实验发现在高 q : (叶绿素
荧光能量相关碎灭 , 是 qNP 的主要分量 )的情况下 ,
光抑制减弱了〔川 。 这一发现的必然结果是当光抑
制存在时 , q : 将增加 ,而当 q: 的能力耗尽时 , 光抑
制的碎灭将有效〔’ 。〕。 让我们检验一下我们的结果
(表 1 ) ,从表 1看到 , 对于三个样本组 qNP 的的变化
植 物 41卷
(包括 打 )不明显 ,没有看到如像说明光抑制的 oF ` 、
凡 减少 、 APT 增加的相一致的关系 。 此外 ,若光抑制
被包含 , (凡 ) 。 /凡 将随着 pH 的降低而增加 ,但实
际上没有这个情况 。 因此 ,必须考虑另外的荧光抑
制过程 , 例如这里有可能超过同化能力的激发能激
起在类囊体横截面上有一个 如H , 导致碎灭态的形
成 ,从而在 邢 1 的反应中心水平上不仅有低于叶绿
素的荧光量子效率 ,而且也有低于 邢 n 的光化学量
子效率油〕。 但是结果没有表明对 玲 n 的活性有任
何这样的作用 。 大概由于酸性增加有利于激发能转
移到非荧光分子 ,从而减少了荧光 , 增加了热去激
发 。 还有可能是 LH C l 的磷酸化导致了 “ 状态 1一状
态 2’ 的转变 。 当 oF ,和 凡 产生相同程度的减少量
时 , sP 且相对于 sP 工有较小的吸收截面 「`0] 。 我们的
结果 (表 l) 与 ATP ~相关碎灭及 LH C l 的磷酸化有关
的结论一致 。 低 PH 处理导致类囊体膜的物理状态
改变 ,从而影响了 SP I 和 SP fl 之间的能量分配 . 由
于在类囊体腔中大多数 q : 碎灭发生在 州 5 . 5 和
4
.
5之间 ,故 qNP 在 声 4 . 5 时具有最高值是非常有趣
的 。 因此 ,可以合理的假定声 4 . 5 的模拟酸雨的喷
洒叶子已经影响了类囊体内部的 p H值和干扰了膜
横断面的州 梯度与结构 ,结果在叶绿素荧光中发
现了非光化学碎灭的改变 。 如果这膜的高能化假定
是对的 ,那么超结构的变化将不会非常激烈 , 因为此
处不存在膜的氧扩散性质的明显变化 (图 2 ) , 能量
储备作用谱的谱形同样不受影响 (图 3 ) 。
在过去的关于模拟酸雨在 Acer ,毗而~ M二h .的研究 中 , N ’ s ouk 画一k os is 等 s[, 4〕得到用低 p H水灌
溉土地且用酸溶液喷洒叶子时 , 酸雨阻止了光合作
用的氧放出 ,促进了相对高的生长率和在植物叶子
中的光化学能量储备 , 最大的促进作用发生在 p H
4
.
0 一 4
,
5 之间川 。 这个发现可以根据施用了附加
营养成分 N 和 S 来解释 ,而氧释放的抑制明显地来
自于酸雨的影响 。 与我们的结果稍有不同 。 光声和
荧光资料明显地表明模拟酸雨对光合作用的活化有
促进作用 ,其最大促进作用发生在 pH 4 . 5 。 还发现
低 pH值 ( 3 . 0 和 4 . 5) 的两组样本组每周平均相对生
长率与高的 p H 值 ( 5 . 6) 的样本组相比同样显示出
促进作用 。
促进树苗生长的基本机制是什么 ? 根据植物营
养学 ;不同植物对三类元素 ( C 、 O 、 H ,大量元素 , 微量
元素 )的数量和 比例要求有所差别 e[] ,植物需要的养
料同样取决于植物生长的不同阶段 。 为了达到最优
化的生长 ,不同营养元素必须有一个合适的施用比
例 ,特别重要的一个量是 N S/ 的摩尔比 。 如果一个
或几个这些元素在土壤中发现减少了 ,植物将从空
气中 ( S仇 ,在叶子上的干的或湿的酸性沉积物 )吸取
它们 。 从 1950 年以后 ,这一点实际上已成为共识 ,
农场主已经开始用高氮 、 亚磷酸和碳酸钾 ,但只用少
量的硫来施肥 〔川 。 尽管人们认为由于在植物组织
中三氧化硫〔3`〕或硫酸盐的积蓄可能增加毒性〔刘 ,
但在低于毒性水平以下时 , 在酸雨中的硫是可能出
现对植物有益的作用 。 有人发现 5 0 2 的含量在 0 . 05
x lo
一 “水平时发现它能促进糖械的光合作用 ,而当
高于这个水平时则是有害的山〕。
同样 ,土壤的性质是必须考虑的。 一块具有高
吸附以 一 能力的土地 ,且 s 是微量元素 ,则由于 S
的溶解 , 酸雨对树木生长是有益 的 。 相反 , 如果
S碳一 的吸附能力低 ,则 N 是限制作物生长的主要元
素 , 在这种情况下 , 由于酸雨增加了 N 的补充对树
的成长是有益的 。 对钾和镁缺乏的土壤 , 酸雨将有
可能增强这些元素的不足 ,对树木的成长产生负的
影响 6j[ 。 因此 ,酸雨促进作物生长率的原因可 以用
简单的施肥效应来说明 。 在这些土壤中 , N 或 S 是
限制作物生长的元素 ,且这些元素的含量在我们所
采用的模拟酸雨和营养液中并不是足够多的叫 。 为
此 ,对发表的与酸雨对植物影响的有关文章中的许
多矛盾结果可 以用一般的分析来说明 。 因此 ,认为
酸雨促使森林的 “ 死亡 ” 这一通常观点不得不作进一
步考虑 。
综上所述 ,绿色植物叶子吸收的光能用于进行
光合作用 。 植物生长和新陈代谢所必需的有机养料
的过程是一个非常复杂的过程 。 结合荧光和光声测
量有可能建立这个复杂的能量转移系统的平衡关
系 。 实验结果表明酸雨可能影响到能量耗散的各个
过程 , 即光化学能量储备 , 热耗散和荧光辐射 ,而这
一切是紧密相关的 。 模拟酸雨对木岑叶械树苗的研
究发现在 p H 4 , 5 时加剧了光合作用过程且树苗的
生长率达到最大 。 部分结果可以用某些直接的酸性
作用来解释 ,但也必须考虑由于施用附加营养元素
的肥效作用 。 这说明酸雨对森林生长的影响时必须
进行非常细致地研究 , 在作出一个正确的结论前必
须对土地的营养成分和植物的营养需求进行详细分
析 ,而一般认为酸雨引起森林大面积减少的结论有
必要修正 。
致谢 M r . A l a in eT s i r 和 A dn 此 P盖甲 e tet 在建立脉冲
调制 荧光装置 中给予大力帮助 ,在此表示衷心感谢 。
1期 杜英磊等 :模拟酸雨对样叶械的作用和植物营养 8 7
参 考 文 献
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