全 文 ：　 　  江南大学工业生物技术教育部重点实验室资助（No２００４０１１０）
　 　  通讯作者
收稿日期 ：２００４１１０６ 　 改回日期 ：２００５０１０８
农业环境保护中的酸雨监测技术 
　 　 　 　陶丽华 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　 　周 　青 
（江南大学工业生物技术教育部重点实验室 　无锡 　 ２１４０３６） 　 （江南大学生物工程学院 　无锡 　 ２１４０３６）
摘 　要 　酸雨伤害植物的监测技术包括对植物叶片表观伤害监测与生理伤害监测 ，后者选择的参数主要有植物光
合速率 、气孔导度 、细胞质膜透性 、叶绿素含量消长 、细胞 pH变化 、活性氧防御系统的应激反应等 。本文在介绍测
定方法同时 ，比较分析了各种方法的优点与不足 ，探讨了酸雨监测技术在农业环境监测 、环境评价 、酸沉降区域农
业区划与环境保护中的作用 ，指出今后研究应重视完善监测体系和拓展监测对象 。
关键词 　酸雨 　表观伤害 　生理伤害 　监测技术 　农业环境保护
Acid rain monitoring technology in agroenvironmental protection ． TAO LiHua（Key Lab of Industrial Biotechnology ，
Ministry of Education ， Southern Yangtze University ，Wuxi ２１４０３６ ，China） ，ZHOU Qing （School of Biotechnology ，
Southern Yangtze University ，Wuxi ２１４０３６ ，China） ， CJEA ，２００６ ，１４（４） ：３４ ～ ３７
Abstract 　 In recent years ， the area of acid deposition ／acid rain （AR）in China is expanded increasingly ． The study on
monitoring technology on injury caused by AR is needed and stringent especially for the forecast and judgement of AR and
the reduction of agricultural losses ．According to the researches ， the monitoring technology on injured plants by AR in
cludes monitoring of visual injury and physiological injury ．Monitored parameters involved in the latter are photosynthetic
rate ，stomatal resistance ，cell membrane permeability ，chlorophyll content ，cell pH value ，stress reaction of activated oxy
gen defense system ，etc ．Measuring methods of injury ， their advantages and shortages ， the effect of AR monitor technol
ogy on agroenvironmental monitoring and evaluation ， agroregional assignment environmental protection of acid deposi
tion area are discussed briefly in the paper ．Because the injury of crops caused by AR involves in physiology ，biochem
istry ，zoology and so on ，screening out the key index based on ecological and physiological researches on different crops un
der AR stress becomes the most important question ．So it must be pointed out that the study ， in the future ，should em
phasize on the improvement of the monitoring system and the expansion of the monitored objects ．
Key words 　 Acid rain ，Visible injury ，Physiological injury ，Monitor technology ，Agroenvironmental protection
（Received Nov ．６ ，２００４ ； revised Jan ．８ ，２００５）
酸雨是当今世界三大环境问题之一 。由于 SO２ 和 NO x 排放增多 ，我国酸雨问题日趋严重 ，成为制约农
业生产和经济发展的重要因素之一［１］ 。 因此 ，系统而深入地探讨酸雨对农业生态环境影响 、建立酸雨伤害
监测技术和酸雨影响评价体系甚为重要 。近年来 ，国内外研究者对酸雨危害作物进行了大量研究 ，从生态 、
生理 、生化不同层面揭示了酸雨伤害作物机理与作物抗性分异原因 ，为抗酸（雨）减灾农业生产实践奠定了
理论基础 。作为酸雨伤害预警判断前提 ，酸雨伤害监测技术研究显得必要而迫切 。 目前该领域研究已有一
定数量积累 ，本文综述了农业环境保护中的酸雨监测技术 ，并对其在农业环境保护中的应用进行初步探讨 。
1 　酸雨伤害类型
酸雨对植物的伤害分表观伤害和不可见伤害两种 。 叶片表观伤害是指酸雨在叶表面引起的可识别的
形态结构变化 ，包括褪绿 、伤斑 、叶片卷曲 、萎蔫和枯落等现象 。 研究表明 ，表观伤害特征及伤害阈值因作物
种类 、叶龄 、酸雨强度与作用时间及频次等不同而有差异 。 如大豆同一叶片随酸雨强度增强出现表观伤害
的先后次序为褪绿 伤害斑点  卷曲 萎蔫 ；不同生长期大豆叶片出现伤害症状的先后次序为心叶  上部
成叶 下部成叶［２］ 。对表观伤害的研究大多集中在叶片伤斑特征与伤害阈值等分析上 。 不可见（生理）伤
第 １４卷第 ４期 中 国 生 态 农 业 学 报 Vol ．１４ 　 No ．４
２ ０ ０ ６年 １ ０月 Chinese Journal of EcoAgriculture Oct ．，　 ２００６
害指酸雨直接或间接引起植物内部生理生化过程 、亚显微结构等变化 ，包括膜脂过氧化加剧 ，质膜透性
（L ％ ）增加 ，气孔抗阻降低 ，胞液 pH和原生质等电点下降 ，叶绿素（Chl）减少 ，光合速率（Pn）下降和呼吸速率
上升 ，酶活性改变等 。 其中对保护酶研究集中在超氧化物歧化酶（SOD） 、过氧化氢酶（CAT） 、过氧化物酶
（POD） ；对抗氧化物质研究集中在脯氨酸（Pro） 、抗坏血酸（ASA） 、维生素 E（VE） 、谷光甘肽（GSH）和甘氨酸
（Gly）等 ，两者共同构成植物体内完整的活性氧防御系统 ，对酸雨胁迫起保护作用 。
2 　监测技术
21 　表观伤害监测
酸雨危害作物受诸多因素影响 ，比较而言 ，其强度（pH）影响最明显 。 多数研究者均以改变酸雨强度方
法确定其对作物伤害的阈值与影响 ，并用叶片伤斑面积或数量作为表观伤害的监测指标 。 杨志敏等［３］以叶
片伤斑数为指标 ，规定喷淋 ３次后计算 ，植株伤害率 ＝ （伤斑数超过 ２０ 植株数／供试植株数） × １００ ％ 。 其结
果为 pH３０时 ，伤害率在 １１ ％ ～ ６５ ％ ，其伤害排序是四季豆 ＜番茄 ＜大白菜 、黄瓜 ＜洋花萝卜 ；pH２５时 ，受
试蔬菜均呈严重伤害 （９５ ％ ～ １００ ％ ） 。 按上法将辣椒研究数据作对比分析［４］ ，pH３０ 时伤害率达 ４０ ％ ，
pH２５时达 １００ ％ 。由此推知辣椒抗性与大白菜 、黄瓜相近 。 张耀明等［５］提出伤害叶面积占受试叶面积百
分比作为表观伤害定量指标 ，确定 ５ ％ ～ １０ ％为表观伤害较明显或明显 ，若假定该指标下 pH 为酸雨伤害阈
值上 、下限 ，类推出 １１种作物可见伤害阈值均在 ３５以下 ，其中青菜 、萝卜 、花菜阈值明显低于 pH２５ ，大麦 、
大豆 、油菜 、莴苣略低于 ２５ 。 叶片伤斑常为圆点状 、块或条状 ，多分散 ，色泽呈白 、黄白 、黄褐至褐色 ，随伤害
程度渐变 ，大小为 １ ～ ４mm不等（见表 １） 。伤斑出现及数量与面积同酸雨强度 、频度和持续时间相关 。 叶片
接触酸雨后 ，当天很少出现症状 ，多数作物 ２４h 才显露伤斑 。 随酸度增加 ，伤斑显时缩短 ，如 pH２０ 酸雨处
理水稻叶片 ，４h出现伤斑［１１］ 。伤斑出现后 ，续喷酸液 ，伤斑变化情况复杂 ，似无明显规律 。 有的 ３ ～ ４d 后症
　 　 　 　状稳定 ，并随酸雨次数增加
不断发展 ；有的旧斑消失 ，新
斑不时产生 ；有的伤斑逐渐
消失而不见新斑出现 。 因
此 ，表观伤害定量分析还应
标明时间与频度 。 另外 ，受
试材种类 、遗传特性 、叶龄 、
环境条件 ，酸雨配制 、喷洒方
式等影响 ，使研究者的结果
缺乏可比性 ，对监测预报与
指导农业生产实践造成不利
影响 。
22 　不可见伤害诊断
表 1 　几种农作物叶片的表观伤害阈值与特征［５］
Tab１ 　 The visible symptoms and injury threshold on several crops leaves
项 　 目
I tems
小麦
Wheat
大麦
Barley
杂交稻 、粳稻
Hybrid rice ，
Keng rice
油菜
Rape
大豆
Soybean
棉花
Cotton
莴苣
Let tuce
pH 阈值 ３５ ～ ２５ ＜ ２５ ３０ ～ ２５ ＜ ２５ ＜ ２５ ２５ ＜ ２５
喷洒频次  ５ ５ ２ ５ ２ ２ ２
伤斑症状 　 块或条状 ，
漂白色 ，１ ～
３mm ，叶片
中部重
点状
伤斑
点状散生 ，白色 、
黄绿色 、黄色至
红 棕 色 ， １ ～
３mm ，３ ～ ４mm ，
叶片中上部为主
伤斑小 ，
圆点状 ，
黄白色 ，
１mm 　
脉 间 点 状
或块状斑 ，
黄白色 ，叶
中 上 部 叶
缘重
脉 间 点
状 ，黄褐
色 ，１mm
圆点状 ，黄
白色 ，转为
黄褐色 ，１ ～
２mm ，上部 、
下部叶重
　  每周喷洒 ２ 次 ，喷洒强度 ０ ．３mm／min ，每次持续时间为 ３０min 。
　 　国内外学者大多采用“相对指标值”法进行不可见伤害的诊断分析 ，即以处理组指标值比对照组增 １０ ％
时的 pH作为伤害阈值 ，或进行统计学的差异显著性分析得出结论 。
酸雨使细胞膜透性（L ％ ）增大 ，且与酸雨 pH 、持续时间相关 ，可用于评价酸雨伤害 。 由于被动离子交
换 ，即叶片细胞吸收酸雨中 H ＋ ，排出叶中 Ca２ ＋ 、Mg２ ＋ 、K ＋以保持电荷平衡 ，造成叶片离子渗漏 ；或是自由基
反应导致膜结构损伤 ，致使离子大量外渗 。 酸雨对细胞膜透性的影响因作物种类 、品种 、土壤特性等而异 。
常用监测方法有 K ＋渗透率法 、电导率法等［６ ，７］ 。
酸雨使植物 Chl含量下降 ，其原因一是 Chl 受到破坏 ，即 H ＋ 取代卟啉环中镁离子 ；二是 Chl 合成酶钝
化 ；三是引发自由基反应 ，使卟啉环双键受攻击而分解 。 常用监测方法有分光光度法（或称 Anorn 法）［６ ，７］ 。
酸雨降低 Pn是由于 ：Chl含量降低 ；破坏叶绿体片层结构 ，使类囊体膜损伤 ，降低光合机构捕光效能 ，抑制光
反应 ；钝化暗反应酶系 。常用监测方法有 L１１６００ 光合作用仪 、红外 CO２ 分析仪测定 、CIRAS１测定仪等在
体测定法［６ ～ ８］ 。气孔阻抗可敏感反映酸雨伤害 ，酸雨使叶片气孔导度增加 ，此与叶片坏死组织中表皮细胞
干枯 ，造成保卫细胞收缩和气孔持久开放有关 。它间接影响植物 Pn和蒸腾速率 ，又给病原体与其他污染物
进入提供方便 。可供监测手段有 L１１６００气孔计与 CIRAS１测定仪等在体测定［５ ，９］ 。
第 ４期 陶丽华等 ：农业环境保护中的酸雨监测技术 ３５　
植物保护酶以应激反应抵御酸雨胁迫 。 SOD功能是清除体内有氧代谢产生的超氧阴离子（O －２·） ，后者能
损伤多种生物大分子 ，诱发膜脂过氧化 。作为惟一以 O －２·为底物的 SOD 能歧化清除 O －２· ，其反应式为 ２O －２· ＋
２H ＋ SOD H２O２ ＋ O２ 。 H２O２ 被 ASA和 CAT 分解为 H２O和 O２ ，解除了 O －２·造成的氧化胁迫 。常用诊断方法为
NBT光化还原法［６ ，７］ 。 CAT 专一清除 H２O２ ，它与 SOD 协同清除体内 O －２·和 H２O２ ，最大限度减少·OH 形成 。
CAT 定位于线粒体 、过氧化物体中 ，叶绿体中 H２O２ 通过 HalliwellAsada 途径清除 ，酶促化反应方程式为
２H２O２  O２ ＋ ２H２O 。常用诊断方法有碘量法 、高锰酸钾滴定法［６ ，７］ 。 POD作用具双重性 ，一方面在逆境或衰老
初期 ，POD清除 H２O２ ，具有保护效应 ；另一方面在逆境或衰老后期 POD参与活性氧生成 、Chl降解并引发膜脂
过氧化 ，表现为伤害效应 ，是植物衰老阶段的产物 ，可作为衰老指标 ，常用诊断方法为愈创木酚比色法［１０］ 。
植物非酶促保护系统 ，即抗氧化物质有 ASA 、VE 、Pro 、GSH 和 Gly 等 。 GSH和 ASA 含量随酸雨 pH 下
降而降低 。 Pro在受酸雨胁迫植物中大量积累 ，常用茚三酮比色法测定［６ ，７］ 。 丙二醛（MDA）是细胞膜脂过
氧化产物 ，酸雨诱发的自由基反应使 MDA 含量增加 ，可依此监测酸雨对作物的伤害 。 常用诊断法有 TBA
法 、三氯醋酸法等［７］ 。
23 　不同方法比较
选择不同酸雨伤害监测技术所得的监测结果是不同的 ，研究者既要考虑其方法的实用性 ，也应重视研
究的理论（基础）意义 。 表观伤害监测技术具有直观性强 ，诊断方法简单 ，不受仪器或试剂影响 ，诊断结果真
实可靠等优点 ，是伤害监测中较实用的技术 。 表观伤害具有很好环境指示作用 。 因此 ，系统研究各种作物
表观伤害与酸雨污染程度之间的相关性 ，对农业环境保护实践具有重要指导价值 。 缺点是监测的灵敏性与
及时性乃至量化描述上不尽人意 ，这给该监测技术广泛应用带来了一定限制 。 从另一个角度看 ，表观伤害
反映的是形态学变化 ，对深入揭示酸雨危害的生态生理学效应缺乏说服力 。 Velikova等研究发现不可见伤
害在酸雨影响最初 ３ ～ ５h 即已发生 ，张耀明等［５］研究认为 ，pH４２ 酸雨对作物生理活动产生明显影响 ，即作
物不可见伤害对酸雨更敏感 。随着酸雨 pH 下降 ，作物响应不可见伤害指标逐渐增多 。 不可见伤害监测技
术优点是预报及时 ，反应灵敏 ，定量准确与揭示机理 。 因此 ，既有明显的实践作用 ，也具深刻的理论意义 ，缺
点是对实验设备有较高要求 。生理伤害测定方法也各有千秋 。 细胞膜透性改变是植物生理伤害的重要生
理指标 ，故此法在酸雨监测中广泛应用 。随酸雨酸度的增加 ，植物细胞膜透性同步增加 ，两者间有良好相关
性 ，监测精确度高 ，时间短 ，操作简单 ；Chl 法优点是快速简便 ，缺点是在大的抗性类别间（如敏感种与抗性
种）较为准确 ，在相邻类别间（即敏感种和中抗种）似乎不够理想 。 此与植物体内 Chl含量通常较高 ，难以成
为 Pn限制因子有关 。故而采用 Chl 作为植物生理伤害的监测指标 ，多用于区分植物对酸雨的抗性类别 。
pH法与 Chl法有类似情况 ，因细胞液对酸雨冲击有一定缓冲能力 ，精度不高（可用于大类别区分） ，且操作上
较烦琐 ，工作量大 。以上方法皆为有损伤离体测定 ；光合测定仪测定 Pn 与气孔抗阻是无损伤在体测定 ，精
度高 、速度快是其优点 ，只是实验仪器（L１１６００ ，CIRAS１）与配件尚需进口 ，价格较高 。 此外 ，生理伤害研究
显示 ，不同监测指标对酸雨伤害响应有一定时序 ，但不同作物是否有共同响应规律 ，至今还不清楚 。
3 　在农业环境保护中应用
环境监测是环境规划 、法规 、管理的重要基础 。生物监测是利用生物对污染物应答反应 ，指示环境中污
染物量质变化 ，为农业环保提供科学指导 。 近年我国酸沉降面积不断扩大 ，在深入探讨酸雨对作物生态生
理效应与机理基础上 ，将所获关键指标用于酸雨伤害监测实践 ，对酸雨危害提前预警 ，有效减轻酸雨对农业
表 2 　几种主要作物的作物区划与酸雨区范围［８］
Tab２ 　 Crops zoning and its acid deposition area of several major crops
作物区划
Crops
zoning
全国区划总数
Total
number of crops
zones in China
酸雨区内区划
Crops zoning in
acid deposition area
作物区划
Crops
zoning
全国区划总数
Total
number of crops
zoning in China
酸雨区内区划
Crops zoning in
acid deposition area
稻作区 ６ 华南双季稻作带 、华中双季稻作带 、西
南高原稻作带
大豆区 ５ 黄淮海夏大豆区 、长江流域夏大豆 、
秋大豆区
小麦区 ８ 黄淮冬麦区 、长江中下游冬麦区 、长江
上游麦区 、华南冬麦区 、西藏高原区
烟草区 ７ 黄淮海烟区 、长江中下游区
玉米区 ７ 西南山地丘陵区 、南方丘陵玉米区 、黄
淮平原夏播玉米区
油菜区 ２ 冬油菜区（云贵高原亚区 、四川盆地亚
区 、长江中下游亚区 、华南沿海亚区）
３６　 中 国 生 态 农 业 学 报 第 １４卷
的危害 。环境评价（指示作物）历史悠久 。 １８８６ 年法国植物学家利兰德指出 ，地衣能指示空气洁度 ，是一灵
敏的卫生指示计 。指示植物为环境评价提供了一种低价高效方法 。 利用植物评价酸雨危害的优点是在大
尺度空间长期连续观察 ，反映空气污染平均水平 ；且无须贵重仪器 ，凭视觉能确定酸雨污染程度 。 指示植物
对酸雨应有高敏感性 ，症状典型性并具有分布广泛性 、耐病易植性 、生长长期性 。 以往农业区划依据的是作
物栽培属性与地理和气象条件 。面对农业生产区酸雨污染现实 ，有必要对农业区划依据进行补充 ，即以现
有作物区划为基础（表 ２） ，根据酸沉降特点 ，对各区作物及品种抗酸雨能力进行系统筛选 ，进行污染区作物
区划 ，这是农业生产的一项重大基础工作 ，是减轻酸雨危害农业的积极对策 ，目前这方面工作已有报道［２］ 。
在我国现有能源结构及尚难完全解决脱 S 情况下 ，可采取的补偿措施一是尽量选用抗酸性强的作物和树
种 ，减少其损失 ；二是加强土壤培肥（多种绿肥 ，施有机肥 ，抑或适施石灰等） ，减轻酸雨通过土壤系统间接危
害作物 ，土壤肥力可缓解土壤酸化进程 ，减少作物对 Al和重金属吸收 。
4 　存在问题
运用植物监测酸雨发生所面临的主要问题一是需完善监测体系 。 酸雨对生态环境及植物的致害效应
是广泛而深刻的 。狭义讲 ，现在常用的酸雨伤害监测指标仅触及到植物生理生化过程的若干环节 ，对其指
标的科学性 、系统性尚未形成共识 ；广义看 ，种群 、群落与生态系统等宏观尺度的监测与评价参数尚未建立 ，
评价体系不够全面 。对此 ，国内外已从多方面进行了探索 ，如 N 代谢中硝酸还原酶活性测定 ，糖代谢中还原
糖与相关酶测定等［１１ ～ １５］ ，酸沉降对森林群落生物量 、生物地球循环影响等 ，这对丰富监测技术 ，完善评价体
系 ，提高评价科学性十分重要 。二是应拓展观察对象 。 我国主要种植作物约五六十种 ，品种繁多 。 已研究
的酸雨危害作物包括粮食类 、经济类和大宗蔬菜类等 。 粮食作物中以水稻 、小麦 、大麦 、玉米 、大豆 、绿豆 、蚕
豆等为主 ，薯类作物较少 ；经济作物涉及油菜 、甘蔗 、烟草等 ，纤维类仅含棉花等少数种类 ；林果类有葡萄 、樱
桃 、猕猴桃 、枇杷 、柑 、青梅 、杏 、李 、粟 、枣 、柿 、无花果 ；绿肥及饲料作物尚未见报道 ；蔬菜类有青菜 、大白菜 、
菠菜 、黄瓜 、番茄 、萝卜 、茄子 、莴苣 、花菜 、四季豆与辣椒等 ；对地区性稀 、特作物少有报道 。 因此拓展研究对
象 ，获取各类酸雨监测资料对农业生产中的抗酸减灾实践有指导价值 。
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