全 文 ： 收稿日期: 20010413
基金项目: 湖南省林业厅资助项目
作者简介: 黄继山(1956 ) ,男,湖南宜章人,副教授.
文章编号: 10011498( 2002) 02021906
酸雨对树木叶细胞伤害的模拟研究
黄继山,温文保,蔺万煌,朱卫平,孔振兰
(湖南农业大学,湖南 长沙 410128)
摘要: 模拟酸雨对树木叶细胞伤害的研究表明, 酸雨对树木造成直接(可见)伤害前已对叶细胞产生
伤害。主要表现为叶肉细胞结构被破坏,叶绿素含量减少, 细胞质膜透性增大。
关键词:酸雨; 树木叶细胞;伤害; 阈值
中图分类号: X517 文献标识码: A
酸雨污染对森林植物的伤害, 已引起国内外广泛关注。早有人指出[ 1] ,酸雨对树木直接伤
害前可能已产生了叶细胞伤害。即树木叶细胞受酸雨的伤害比直接伤害更敏感。但是, 关于
酸雨对树木叶细胞伤害方面的研究报道所见不多。为此, 于 1998年 10月作了模拟酸雨对树
木叶细胞伤害的试验研究,现将结果报道如下。
1 材料与方法
11 试验材料
选用樟树( Cinnamomum camphora( L. ) Presl)、柑桔( Citrus reticulata Blanco)、泡桐( Paulownia
fortuneii ( Seem. )Hemsl. )和马尾松( Pinus massoniana Lamb. )的离体叶片作试验材料。供试叶片
为成熟叶,叶色鲜绿,无病虫伤害。试验前对采样予以保鲜处理。
12 模拟酸雨的配制
用自然降水作模拟酸雨配制的母液, 其
pH值平均为 58, 主要化学成分如表 1所示。
用适当浓度的硫酸( H2SO4)调制出 6种 pH 值
为 20、25、30、35、40、45 酸度的模拟酸
雨。用自然降水( pH58)为对照。
表 1 自然降水(母液)的主要化学成分
化学成分 SO2-4 Cl- NO-3 NH+4 K+ Ca2+
离子含量/
(mgL- 1) 701 071 124 165 020 232
13 试验方法与观察项目
131 对叶片的酸雨处理 将供试的鲜叶浸入不同 pH 值的模拟酸雨中。每一树种有 6个处
理和 1个对照。待浸泡叶片开始褪绿(记录叶片褪绿所需时间)将其取出, 然后加以固定制成
石腊切片(厚 8 m) ,用海化苏木精染色。
用OlypusBH2型显微镜观察叶肉细胞受酸雨伤害的症状,并拍摄成照片。观察不同 pH
值的模拟酸雨对叶肉细胞外型、细胞膜、液泡、细胞质、细胞核、叶绿体等的影响。
林业科学研究 2002, 15( 2) : 219~ 224
Forest Research
132 叶绿素含量的测定 用分光光度计测定不同 pH 值的模拟酸雨对叶绿素含量的
影响。
133 叶肉细胞质膜外渗能力测定 用 DDS11A(上海产)电导仪测定在不同 pH 值的模拟酸
雨影响下叶肉细胞的外渗电导率,了解细胞膜透性变化。用WFX1D(南京产)原子吸收分光
光度计测定在不同 pH 值的模拟酸雨影响下叶肉细胞外渗液中 K+ 、Na+ 、Mg2+ 含量, 了解酸雨
对叶细胞外渗能力的影响。
2 结果与分析
21 酸雨对叶肉细胞的伤害
实验结果表明, 供试的 4种树叶, 樟树叶表现为对酸雨极不敏感,在 6种处理中经 72 h以
上均未失绿褪色,完好如初,表明樟树一般不受酸雨危害。此结果与酸雨对树木直接伤害的试
验结果一致[ 2]。而其它 3种树叶在pH45的模拟酸雨中处理48 h, 甚至 72 h以上,它们也未失
绿褪色,叶肉细胞未受酸雨的影响。
在pH40的模拟酸雨处理中,柑桔叶经 6 h,泡桐叶经9 h,马尾松叶经 24 h后变黄。随着
pH值的变小,叶片转黄历时缩短, 在 pH20的模拟酸雨处理中, 柑桔叶和泡桐叶仅 2 h后,马
尾松叶10 h后转黄。
在显微镜下观测到, 受酸雨伤害后,开始是少量叶肉细胞受害,表现为细胞质凝集成团,液
泡失水而体积缩小, 产生质壁分离现象, 然后叶绿体被逐渐解体,液泡膜被破坏等。随着酸度
的增大和历时的增加,伤害逐渐加重,严重时仅存细胞空腔,甚至有的连细胞壁也遭破坏,仅留
细胞壁碎片(见图 1)。
综上所述, 除像樟树那样对酸雨反应不敏感的树种外,一定 pH 值的酸雨对树木叶片的叶
肉细胞会造成伤害。参考他人[ 1~ 3]的研究和本试验结果认为, pH> 40的酸雨对某些树木叶
细胞可能造成伤害, 但伤害轻微,在树木生长过程中不断产生的新细胞,可以弥补受伤害的组
织; pH< 40的酸雨对树木叶细胞的伤害加重, 叶肉细胞的结构被破坏, 在树木生长过程中难
以恢复; pH20以下的酸雨使叶肉细胞结构完全被破坏,不能恢复,甚至死亡。除酸雨的 pH 值
外,酸雨对叶肉细胞结构的破坏症状,还因树种、叶面结构、接触酸雨时间长短而异。
22 酸雨对叶绿素含量的影响
酸雨对树木叶片直接(可见)伤害的典型症状是叶色褪绿变淡,叶面有黄褐色伤斑;伤害严
重的会造成叶片枯萎而提前脱落。本试验测定了不同 pH 值的模拟酸雨对马尾松针叶叶绿素
含量的影响(表 2)。可以看出, 在 pH35~ 40间的酸雨影响下,无论是叶绿素 a、叶绿素 b的
含量,还是叶绿素总量均比对照减少 10%以上;随着酸雨的 pH 值变小, 叶绿素含量降低得更
多。从叶绿素组成看,叶绿素 a、叶绿素 b 含量的变化特征与叶绿素总量的变化趋势大体一
致。除个别例外,叶绿素 a、叶绿素 b 的比值在各个处理中的变化不大。这说明, 酸雨对叶绿
素 a或叶绿素 b含量的影响没有显著差异。
220 林 业 科 学 研 究 第 15卷
1~ 4为泡桐 ( 1.对照, 330; 2. pH40, 165; 3. pH30, 165; 4. pH20, 165)
5~ 8为柑桔 ( 5.对照, 300; 6. pH40, 300; 7. pH30, 240; 8. pH20, 200)
9~ 12为马尾松 ( 9.对照, 330; 10. pH40, 330; 11. pH30, 330; 12. pH20, 330)
图 1 模拟酸雨对树木叶肉细胞的伤害
表 2 模拟酸雨对马尾松叶绿素含量的影响
pH 值 20 25 30 35 40 45 (对照)
叶绿素 a/ (mgg- 1) 1134 1241 1487 1732 1941 1982 1994
比对照少/ % 431 378 254 132 27 06 00
叶绿素 b/ (mgg- 1) 0429 0469 0545 0647 0718 0743 0753
比对照少/ % 430 377 276 141 46 13 00
叶绿素总量/ ( mgg- 1) 1840 2134 2471 2631 2967 3114 3224
比对照少/ % 429 338 234 183 80 340 00
叶绿素 a/ b 264 264 272 267 267 266 265
关于酸雨对叶绿素含量影响的机制,目前认识还不一致。Admas报道[ 4] , 酸雨损伤叶面,
通过气孔而影响叶绿体片层结构。Morrison 指出[ 5] , 酸雨淋洗叶片中 Ca2+ 、Mg2+ 、K+ 等阳离
221第 2 期 黄继山等: 酸雨对树木叶细胞伤害的模拟研究
子,而 Mg2+ 是叶绿素形成所不可缺乏的物质,这可能是酸雨使得叶绿素含量减少的主要原因。
本试验表明,用不同 pH 值的酸雨处理后, 柑桔、泡桐、马尾松叶片的叶绿体被部分解体。这应
为叶绿素含量降低的重要原因。
23 酸雨对细胞质膜透性的影响
鉴于细胞质膜透性对外界胁迫因子的敏感性,本试验测定了模拟酸雨对柑桔、泡桐叶片的
外渗率和电解质外渗液中 K+ 、Na+ 、Mg2+ 含量的影响。结果如表 3所示。
从表中看出,柑桔、泡桐叶的外渗电导率,外渗液中 K+ 、Na+ 、Mg2+ 等含量受酸雨的影响,
随着 pH 值变小都呈增大趋势。这可能是在酸雨的刺激下,细胞质膜透性增强。pH 值愈小的
酸雨对细胞质膜的刺激愈大, 其透性增强愈多。如柑桔叶在 pH40的模拟酸雨影响下,电导率
和K+ 、Na+ 、Mg2+ 等离子含量比对照( pH58的雨水)增加 10%以上,随着pH值变小,它们增加
更多更快。电解质大量外渗而造成细胞质的离子平衡失调,严重时导致细胞的解体或死亡。
表 3 模拟酸雨对叶细胞膜外渗率和外渗液中离子含量的影响
树种 项 目 pH 值对照 45 40 35 30 25 20
柑桔 外渗率/ % 495 496 541 560 639 635 651
比对照增加/ % 000 020 930 1310 291 283 315
K+ 含量/ (mgg- 1) 981 984 1086 1190 1265 1356 1450
比对照增加/ % 000 030 1070 2130 290 382 478
Na+ 含量/ (mgg- 1) 024 026 029 034 033 036 040
比对照增加/ % 000 830 2080 4170 375 500 667
Mg2+含量/ ( mgg- 1) 123 125 1380 142 165 184 234
比对照增加/ % 000 160 1230 1540 341 496 902
泡桐 外渗率/ % 896 901 981 1041 1160 1230 1261
比对照增加/ % 000 050 940 162 295 373 407
K+ 含量/ (mgg- 1) 762 772 942 937 101 1093 1197
比对照增加/ % 000 130 236 229 331 434 571
Na+ 含量/ (mgg- 1) 022 024 029 031 036 032 039
比对照增加/ % 000 910 227 409 636 455 773
Mg2+含量/ ( mgg- 1) 246 249 287 304 341 402 466
比对照增加/ % 000 120 167 236 386 634 894
试验表明, 酸雨对叶细胞质膜透性的影响比对叶片可见伤害要敏感。如 pH35的酸雨对
柑桔、泡桐的叶片还不会造成直接伤害,但对叶细胞外渗能力已有明显影响。从表 3 可看出,
叶片的外渗率和外渗液中 K+ 、Na+ 、Mg2+ 含量比对照要增加 13%以上。可见, 酸雨对树木叶
片造成可见伤害前, 叶细胞的营养物质因酸雨影响而析出,造成树木叶细胞的伤害, 树木的生
长发育受阻。如上所述, 酸雨淋洗出叶片中的 Mg2+ , 可能是酸雨造成叶绿素含量减小的主要
原因,这与他人[ 7]的研究结果一致。
24 对树木叶细胞伤害的酸雨阀值
诸多研究都指出[ 1~ 3] , 酸雨对树木伤害受许多因素的影响,但酸雨 pH 值(酸度)的影响是
最主要因素。
关于对树木叶细胞产生伤害的酸雨阀值讨论如下:
222 林 业 科 学 研 究 第 15卷
( 1)基于酸雨对树木叶细胞产生伤害比直接伤害要敏感的认识,可以推断叶细胞伤害的阈
值( pH 值)要比直接伤害的阈值高些。如柑桔、水杉(Metasequoia glyptostroboides Hu et Cheng)等
对酸雨反应较敏感的树种,它们受酸雨直接伤害的阈值为 pH30左右, 而叶细胞伤害的阈值,
根据试验可定为 pH40左右(见表 4)。
表 4 对树木叶细胞造成伤害的酸雨阈值
对酸雨的敏感性 代表树种 叶细胞伤害的阈值(pH ) 直接伤害的阈值 ! ( pH)
较敏感 柑桔、水杉、泡桐 40 30
中 等 马尾松、杉木( Cunninghamia
lanceolata (Lamb. )Hook. )、银
杏( Ginkgo biloba L. )
30 25
一 般 广 玉兰 ( Magnolia grandif lora
L, )、桂花树( Osmanthus f ra
grans Lour. )
30 20
不敏感 樟树、棕榈 ( Trachycarpus for
tunei (W. J. Hooker) Wendl. )
< 20 < 20
! 结果引自参考文献[ 2]。
(2)用可测定或对酸雨反应较敏感的一些指标(如叶绿素含量、叶细胞膜外渗液电导率
等) , 在树木叶片接触酸雨后, 受到影响而使之增减 10%以上, 可作为对树木叶细胞造成伤害
酸雨阈值的判别标准。如马尾松针叶在接触 pH35的酸雨后(见表 2) , 其叶绿素 a、b 含量比
对照都减少10%以上,可认为 pH35是对马尾松针叶细胞产生伤害的酸雨阈值。
( 3)综合本试验和调查,可以认为 pH> 40的酸雨不会对树木叶细胞造成伤害, 即使对酸
雨反应敏感的树种可能受到伤害, 但也是轻微的, 在树木生长过程中很快得到恢复。对于多数
树种而言, 它们的叶细胞受伤害的酸雨阈值为 pH30~ 40。这个 pH 值范围内,对多数树种还
不会造成直接伤害[ 6] ,但细胞伤害(包括生理功能)则已产生。对酸雨反应不敏感的一些树种,
如樟树、棕榈等的叶片有较厚腊质层,即使 pH20的酸雨也不能损伤叶表面组织,难以产生叶
细胞伤害。它们叶细胞受伤害的酸雨阈值在 pH20以下。目前 pH< 20的酸雨(或酸雾)污染
还罕见,即实际的酸雨污染还不会对这类树木产生叶细胞伤害。
3 小结与讨论
(1)一定 pH 值的酸雨对树木叶细胞产生伤害, 主要表现为叶肉细胞的结构被破坏,叶绿
素含量受影响, 细胞质膜外渗能力增大。试验表明,酸雨对树木叶片造成直接伤害前已对叶细
胞产生伤害,即细胞伤害比直接伤害要敏感。细胞伤害为肉眼难见的隐性伤害,受长期酸雨影
响,叶细胞伤害对树木的危害更为严重。这可能是酸雨造成大片森林衰亡的重要原因。
( 2)酸雨对树木叶细胞产生伤害受诸多因素的影响。但是, 酸雨的 pH 值仍是产生细胞伤
害的最主要因素。当降水的 pH 值低于细胞伤害的酸雨阈值, 在树木叶细胞接触酸雨后就会
产生伤害。而降水的 pH值较高(高于阈值) , 叶片即使接触酸雨多次或较长时间也不会产生
细胞伤害。在自然状况下, pH 值小于 40的酸雨对较敏感的树种的叶细胞就可能产生伤害。
( 3)对叶细胞伤害的酸雨阈值确定有重要的意义,目前还缺乏系统的研究,也没有像研究
直接伤害那样, 用受害叶面积达 5%作为确定酸雨阈值的通用标准。本试验提出的叶片接触
223第 2 期 黄继山等: 酸雨对树木叶细胞伤害的模拟研究
酸雨后,选择某些可测定或反应较敏感的指标增减 10%以上作为确定阈值的标准, 但是在实
际运用中操作起来会有困难。如受仪器设备和技术的限制, 一些指标测定困难。还有指标选
择的问题,选择多项指标进行综合评估应更为合理些, 这有待深入研究。
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Damage of Simulated Acid Rain to Tree∀ s Mesophyll Cells
HUANG Jishan, WEN Wenbao, LIN Wanhuang, ZHU Weiping , KONG Zhenlan
(Hunan Agricultural University, Changsha 410128,Hunan, China)
Abstract: The damage of simulated acid rain to mesophyll cell was studied.The results showed that the
damage to mesophyll cells occurred before visible damage to tree. These damage includes mesophyll cell
being destroyed, contents of chlorophyll decreasing and permeability of plasma membrane increasing.
Key words: acid rain; tree∀ s mesophyll cell; damage; threshold value
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