酸雨对陆生植物影响的研究进展

《酸雨对陆生植物影响的研究进展》课程设计报告系别：生物工程专业班级：生物091学生姓名：指导教师：蔡亚东（课程设计时间：2012年6月28日—2012年7月14日）兰州交通大学化学与生物工程学院目录1．课程设计目的………………………………………………页码2．课程设计题目描述和要求………………………………页码3．课程设计报告内容…………………………………………页码3.1酸雨对陆生植物影响途径3.1.1酸雨对植物的直接影响3.1.2酸雨对植物的间接影响3.1.2.1酸雨、铝—森林的“艾滋病毒”：AL离子的活化3.1.2.2锰毒对植物的影响3.2酸雨与酶活性3.3植物对酸雨的反应3.3.1酸雨对植物的生理生化影响。3.3.2酸雨对植物的可见伤害3.3.3酸雨对陆生植物的长期效应3.3.4酸雨对植物的正效应3.4.植物对酸雨的耐性与抗性4．总结…………………………………………………………页码参考文献………………………………………………………页码1．课程设计的目的：分析酸雨是当前对我国陆地生态系统带来严重影响的主要污染类型，首先介绍了酸雨物质的来源，特别是对天然源进行了分析，而且目前人工排放量占主要地位；了解酸雨对陆生植物的直接和间接影响途径。从酸雨对植物的可见伤害、不可见伤害及不可逆伤害几个方面分析了酸雨对陆生植物生理生化、形态方面的影响途径，尤其是在金属元素对植物的影响做了全面的介绍，也分析了酸雨对陆生植物的长期效应，负效应及正效应。同时，对植物的抗性，特别是对植物的抗性机制研究进行了介绍。2．课程设计题目描述和要求：酸雨对陆生植物影响的研究进展（ProgressintheStudyofImpactsofAcidRainonTerrestrialPlants）3．酸雨酸雨（acidrain）是指PH值小于5.65的雨雪或其他形式的降水。酸雨正式的名称是为酸性沉降，它可分为“湿沉降”与“干沉降”两大类，前者指的是所有气状污染物或粒状污染物，随着雨、雪、雾或雹等降水型态而落到地面者，后者则是指在不下雨的日子，从空中降下来的落尘所带的酸性物质而言。酸雨主要是人为的向大气中排放大量酸性物质造成的。酸雨分布范围广，对陆生和水生生态系统都带来了较大的影响，引起了世界各国研究者的重视，并已开展了许多研究（孟赐福，2007）。在陆生植物的方面，同样受到广泛的重视，从可见的受害症状到受害机制，从生理生化指标到个体、种群、群落、生态系统、景观的变化都有不少的研究，揭示出一些规律现象，国内也有一些综述介绍相关方面的研究进展，但是针对酸雨的引响的某一方面的研究却相对较少。同时，酸雨导致的土壤的铝离子化对植物的引响机制的研究近年来有较大的进展（应小芳，2003）。因此，本文从酸雨的形成、酸雨对植物的影响途径、植物的受害及抗性和耐性方面进行综述。我国的酸雨主要是因大量燃烧含硫量高的煤而形成的，多为硫酸雨，少为硝酸雨。所以本文主要针对，硫酸型酸雨进行综述。酸雨的成因是一种复杂的大气化学和大气物理的现象。近代工业革命，从蒸汽机开始，锅炉烧煤，产生蒸汽，推动机器；而后火力电厂星罗棋布，燃煤数量日益猛增。遗憾地是，煤含杂质硫，约百分之一，在燃烧中将排放酸性气体SO₂；燃烧产生的高温尚能促使助燃的空气发生部分化学变化，氧气与氮气化合，也排放酸性气体NOx。它们在高空中为雨雪冲刷，溶解，雨成为了酸雨(刘香兰,2008)；这些酸性气体成为雨水中杂质硫酸根、硝酸根和铵离子。1872年英国科学家史密斯分析了伦敦市雨水成份，发现它呈酸性，史密斯首先在他的著作《空气和降雨：化学气候学的开端》中提出“酸雨”这一专有名词。3.1酸雨对陆生植物影响途径酸雨对陆生植物的影响途径是多方面的，包括直接影响和间接影响，从效应来看多为不利影响，但在某些情况下，也会给植物带来正效应。酸雨可导致土壤酸化，土壤中含有大量铝的氢氧化物，土壤酸化后，可加速土壤中含铝的原生和次生矿物风化而释放大量铝离子，形成植物可吸收的形态铝化合物。植物长期和过量的吸收铝，会中毒，甚至死亡。酸雨还能诱发植物病虫害，使作物减产;酸雨可使土壤微生物种群变化，影响营养元素的良性循环，使作物减产。酸雨可造成叶面损伤和坏死，早落叶，林木生长不良，以致单株死亡。土壤肥力降低，产量下降，造成大面积森林衰退。在我国南方森林地区，50年前树木生长较为粗壮，近年来状况不佳。3.1.1酸雨对植物的直接影响酸沉降对植物叶片直接影响的生理效应：Tamm和Cowling把酸沉降与植物叶面相互作用而使植物受害的影响称为直接影响（严重玲，1993）。“直接”显然是指初期伤害。这种理论认为:酸沉降对叶片有潜在影响,它是通过损伤叶面保护结构、干扰保卫细胞正常功能,扰乱正常新陈代谢和生长过程来实现的（付晓萍，2006）。“间接”伤害的形式是最初与酸沉降接触产生的一些从属反应。如矿质元素加速从叶器官中淋洗出来的能力即被认为是一种间接影响,它受制于开始的直接影响。低PH酸雨对植物造成可见伤害，酸雨主要是通过表皮来影响植物的，但由于植物叶片表面往往有蜡质层，加上酸对植物有一定的缓冲能力，因此，酸雨对陆生植物的影响较小。植物叶片的上表皮和部分栅栏薄壁组织受到影响，表现出肥大、增生，且叶片表面蜡质层受到侵蚀发生了变化，气孔变形，开度增大。当陆生植物表皮受损，外植体液渗，表皮渗透性增加，离子交换能力也增强（严重玲，1993）。3.1.2酸雨对植物的间接影响大气污染控制政策的实施,已使国内外酸沉降问题有所缓解,但化肥施用、土壤有机质分解、作物吸收等导致土壤酸化的因素依然存在,人口压力仍在强化这些因素,土壤酸化过程仍在持续。土壤酸化影响土壤一系列物理、化学、生物的性质,并且通过更为复杂的机制引发土壤中碳循环的变化(王黎明,徐冬梅)。例如土壤酸化对华南红壤水土流失的加速效应：红壤是我国南方地区重要的土壤类型之一,分布范围遍及南方,共113万km2,占全国面积的11%。红壤的退化已成为我国重要的环境问题,同时红壤区又是我国环境酸化特别严重的地区,这两个环境问题发生区域的重叠,两者之间是否存在某些联系,尚待探索。酸性降水产生的环境影响已成为全球性的环境问题。雨水酸度对生态环境的影响,特别是对湖泊和土壤植被系统的酸化效应引起了国内外有关部门的关注。土壤是酸沉降物的最大接受者,土壤遭受了持续的酸沉降后,其物理化学性质发生变化,造成土质恶化,使正常生态系统失去平衡,而且,这种变化常常是不可逆的(刘广深)。酸雨会引起土壤性质一系列的变化，随着S、N化合物的不断输入，土壤PH值降低，H+置换了土壤中的阳离子，导致土壤中的金属阳离子和营养元素的流失，在短期内植物对这些阳离子和营养元素的利用率增加，但长期看来，将导致元素减少。当土壤PH持续降低时，有时金属离子活化，释放量增大，毒性增大，从而对植物根系带来负面引响(郝吉明等，2001）。酸雨对土壤的印象程度决定土壤对酸雨的缓冲能力，而土壤的缓冲能力又受许多因素引响。衡量土壤对酸的缓冲能力主要取决于4方面的因素：阳离子吸附总量、盐基饱和度、土壤管理制度（包括施肥、灌溉）和碳酸盐含量。3.1.2.1酸雨、铝—森林的“艾滋病毒”：AL离子的活化铝是含量最丰富的金属元素，在地壳和土壤中的含量仅次于氧和硅，约占地壳总量的7.1%。在自然界中，铝通常以难溶性的硅酸盐或氧化铝的形式存在于一系列含铝矿物中，诸如长石、云母、氯泥石、蒙脱石、高岭石和三水铝石等；其他的铝则以各种化学形态存在，如水溶性铝、交换性铝(A1)、活性羟基铝(A2)和有机络合态铝(A3)等。通常认为水溶性铝是植物重要的生长限制因子[3]，交换性铝的活性最大，Al3+则有较强的电荷，离子半径很小，仅为0.051nm，对邻近的原子具有强极化效应，而有机络合态铝的形成则增加了铝在土壤中的移动性，也降低了铝对生物的毒性。一般来说，土壤交换性铝、土壤水溶性铝以及土壤溶液中的Al3+被称为土壤高活性铝，对植物生长的影响最大，是导致植物铝中毒最主要的原因（贾洪坤，2001）。酸雨对强酸性土壤(pH5)中活性铝的释放有较大的影响,对微酸性和近中性的土壤影响较小;影响土壤活性铝溶出的因素主要是酸雨的pH值,土壤pH和缓冲能力,以及环境温度等。结果还表明,酸性降雨对土壤的淋溶,在开始阶段土壤淋出液中的活性铝浓度较高。随着酸雨淋溶量的增加,活性铝的淋出浓度将迅速下降(傅柳松,1993)。在模拟酸雨作用下,研究了重金属污染和未污染的酸性红壤和黄红壤中铝和水溶性有机质的溶出以及对重金属活动性的影响。结果表明,随模拟酸雨pH值下降,土壤pH值和盐基饱和度明显降低,而交换性酸度明显增加,污染土壤中交换性氢含量比未污染土壤高,而交换性铝含量比未污染土壤低。铝溶出量与模拟酸雨pH值密切相关,当模拟酸雨pH值在5.60～3.50时,供试红壤浸出液中铝浓度几乎在同一水平;当pH≥4.50时,供试黄红壤中溶出铝亦未明显变化;当模拟酸雨pH=3.50时,未污染黄红壤中铝溶出明显增多;当pH=3.00时,供试土壤中铝溶出量急剧增加。随模拟酸雨pH值下降,污染土壤中铝溶出比未污染土壤低,而有效态重金属活动性明显增加;污染土壤中水溶性有机质比未污染土壤溶出明显增加,水溶性有机质-重金属络合体促进了重金属的溶解迁移行为(郭朝晖,2003)。AL是一种非营养元素，植物根尖大多是陆生植物积累AL3+的部位向地上部分输送的速率非常缓慢，AL3+对植物的毒性效应集中在根区，只有分生组织对AL3+敏感。铝对陆生植物的毒性的表现是根伸长受到抑制，受到AL3+胁迫时，植物的主根和侧根的伸长受到抑制变得粗短，根尖弯曲膨大根冠脱落；整个根系缺少分支，大小度降低，成珊瑚状，严重的铝毒会导致植物的根系会死。因此，受损的的根系对营养和水分的吸收能力下降。铝离子还可以影响植物根系对其他营养元素的吸收。研究表明AL对抑制植物对Ca、Mg、N的吸收，但对P的吸收没有影响，对Ca的吸收的抑制作用明显（应小芳，2003）3.1.2.2锰毒对植物的影响锰毒是酸性土壤上限制作物产量的重要因子,国内外针对锰毒及植物耐受机制进行了相关研究,但进展较为缓慢。锰对植物的毒害效应体现在不同的细胞组织及生理生化水平上,不同植物耐受锰的机理也存在差异性,但大都集中在有机酸的螯合解毒、内部积累、外部排斥及氧化等方面。某些锰胁迫所诱导的基因也被筛选出来,并且部分生物学功能得以鉴定。此外,锰与其他营养元素间的协同或拮抗作用也得以阐述,伴随锰超富积植物在中国的发现,对锰毒及植物耐性机理的深入研究和探讨,将会对植物修复技术的开展产生理论和实践意义(任立民,刘鹏)。土壤被重金属污染后,不仅影响作物的产量和品质,并且可以通过食物链影响人类健康。而且由于重金属在土壤不易于移动,污染土壤的治理变得十分困难,其中,锰作为一种分布极其广泛的重金属,也越来越引起科学家们的注意。锰是植物生长所必须的微量元素,它直接参与植物光合作用中电子传递系统的氧化还原过程及PSII系统中水的光解。同时,锰是超氧化物歧化酶(SOD)的重要组成元素,对维持叶绿体膜正常的结构有重要的作用[3～5],但过量的锰同样污染土壤,造成对植物的胁迫。在世界许多地方,锰毒成酸性土壤中限制作物产量的重要因素这些次生矿物和工业排放的锰在酸性土壤条件(pH5.5)下,会以可溶性锰的形态进入土壤溶液,导致植物遭受锰的毒害。我国酸性土壤占国耕地面积的21%,除了铝毒对作物生产影响最大外,锰毒则是酸性土壤上仅次于铝毒的限制因素。3.2酸雨与酶活性在实验室内,研究了模拟酸雨下Cd、Cu、Zn复合污染对供试土壤中微生物量碳和酶活性的影响.结果表明,污染土壤中微生物量碳和酶活性明显降低,脱氢酶活性几乎丧失,脲酶、酸性磷酸单脂酶、总磷酸酶和多酚氧化酶活性均明显降低到一较低水平.污染土壤中微生物量碳和酶活性随重金属量增加而进一步降低,有效性Cd、Cu、Zn含量与土壤微生物量碳和酶活性之间呈显著性负相关(郭朝晖等，2003）。例如：用不同pH值(2.5,3.5,4.5,5)的模拟酸雨处理白术植株及其土壤,测定模拟酸雨对土壤中微生物数量以及土壤酶活性的影响