环境科学  2014, Vol. Issue (3): 1164-1168   PDF    
引用本文
刘翠英, 樊建凌, 徐向华. UV-B辐射增强与1,2,4-三氯苯污染复合胁迫对青菜生长的影响[J]. 环境科学, 2014, (3): 1164-1168.
LIU Cui-ying, FAN Jian-ling, XU Xiang-hua. Combined Stress of Enhanced UV-B Radiation and 1,2,4-Trichlorobenzene Contamination on the Growth of Green Vegetable[J]. Environmental Science, 2014, (3): 1164-1168.
UV-B辐射增强与1,2,4-三氯苯污染复合胁迫对青菜生长的影响
刘翠英1, 樊建凌2, 徐向华1    
1. 南京信息工程大学应用气象学院, 江苏省农业气象重点实验室, 南京 210044;
2. 中国科学院南京土壤研究所, 南京 210008
收稿日期: 2013-7-8; 修订日期: 2013-10-29.
基金项目： 国家自然科学基金项目（41201314，41001134）；土壤与农业可持续发展国家重点实验室开放课题项目（0812201227）
作者简介：刘翠英(1982~),女,博士,讲师,主要研究方向为环境化学与污染控制,E-mail:002263@nuist.edu.cn
通讯联系人,E-mail:002263@nuist.edu.cn
摘要：采用盆栽实验，分析了单一UV-B辐射增强或1，2，4-三氯苯（TCB）污染土壤与两种胁迫复合作用对青菜生长发育、气孔阻力及叶片结构的影响. 结果表明，单一1，2，4-TCB污染对青菜生长发育的抑制作用大于两种胁迫复合作用. UV-B辐射增强和1，2，4-TCB污染均显著增加青菜叶片正面和反面气孔阻力. UV-B辐射增强使青菜叶片产生白化现象. 1，2，4-TCB污染使叶片颜色变淡，并使青菜叶片表面出现黑斑症状，且UV-B辐射增强使黑斑症状加剧. 总之，单一增强UV-B辐射或1，2，4-TCB污染及其复合作用对青菜各生长发育指标的影响结果不同.
关键词： UV-B辐射     1,2,4-三氯苯     复合作用     青菜     生长    
Combined Stress of Enhanced UV-B Radiation and 1,2,4-Trichlorobenzene Contamination on the Growth of Green Vegetable
LIU Cui-ying1, FAN Jian-ling2, XU Xiang-hua1    
1. Jiangsu Key Laboratory of Agricultural Meteorology, College of Applied Meteorology, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044, China;
2. Institute of Soil Science, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
Abstract: A pot experiment was conducted to study the effects of UV-B radiation enhancement alone, 1,2,4-trichlorobenzene (TCB) contamination soil alone, and the combined stress on the growing process, stomatal resistance and leaf structure of green vegetable. The results showed that 1,2,4-TCB contamination alone had more significant inhibitory effect on the growth of green vegetable than the combined stress. Both UV-B radiation enhancement and 1,2,4-TCB contamination reduced the stomatal resistance of front and reverse leaves. Enhanced UV-B radiation resulted in the albino of leaves. 1,2,4-TCB contamination resulted in the fading of leaf color and the appearing of black spots on leaf surfaces, and the enhanced UV-B radiation strengthened the black-spot symptom. In conclusion, the effects of UV-B radiation enhancement alone, 1,2,4-trichlorobenzene (TCB) contamination soil alone and the combined stress on the growth indicators of green vegetable were different.
Key words: UV-B radiation     1,2,4-trichlorobenzene     combined effect     green vegetable     growth    

20世纪以来，人类活动导致大量的氯氟烃和氮氧化物等气体进入大气平流层，导致平流层臭氧层变薄及臭氧空洞的出现，使到达地面的太阳紫外辐射增强[1]. 目前，由于大气臭氧层的破坏，使到达地表的太阳紫外辐射比1980年前增加了6%~14%，且在今后几十年内，地表紫外辐射仍将持续增强[2]. 从生物学角度分析，对地球生物造成直接影响的紫外辐射主要是中波紫外(UV-B)辐射[3]. 因此，由平流层臭氧耗损导致的地表UV-B辐射增强，已成为全球变化研究的重要问题之一.

国内外有关UV-B辐射增强对陆生植物的影响已有大量研究成果. 其中，对农作物的研究证实，UV-B增强影响作物的形态结构、 生长发育和生理代谢[4]，使植株矮化、 叶面积减少、 发育迟缓、 光合作用和蒸腾作用下降、 生物量和产量降低[5, 6, 7]. UV-B辐射增加还导致植物器官生长不均匀、 根冠比降低，对根系生长发育也具有抑制作用[8].

由于生物对增强的UV-B辐射响应同样依赖于其它强迫因子，仅研究增强UV-B辐射对生物的影响很难正确评价自然界中UV-B辐射增强的实际生物学效应. 因此，目前关于生物对UV-B辐射增强与其他因子复合胁迫响应的研究，越来越受到国内外研究者的重视. 目前已有研究者针对增强的UV-B辐射与重金属、 极端温度、 干旱和营养限制等因子对植物生长复合作用进行研究[9]. 而关于作物对UV-B辐射与有机污染复合胁迫响应的研究仍罕有报道.

1,2,4-三氯苯(1,2,4-TCB)属于氯苯类有机化合物，其工业用途广泛[10]. 目前，1,2,4-TCB已在土壤、 地下水、 沉积物以及农作物中被大量检出[11]. 由于其持久性、 高毒性以及随食物链富集，美国环境保护局(EPA)已将其列入31种环境优先控制污染物名单. 而且1,2,4-TCB是三氯苯中用量最大的同分异构体，其苯环上的氯取代基存在邻位、 间位、 对位这3种空间结构. 因此，1,2,4-TCB作为氯苯类的模式污染物，其环境行为已引起广大学者关注.

本研究通过温室盆栽实验，分析了UV-B辐射增强和1,2,4-TCB污染的复合胁迫对青菜生长发育的影响及其主要控制因素，以期为评价生物对未来UV-B辐射增强和氯苯类有机污染共同胁迫的响应提供科学依据.

1 材料与方法
1.1 实验材料

本研究采用温室盆栽实验，供试土壤采自南京市郊的农田，供试青菜为南京矮脚黄. UV-B灯管由上海华德电光源厂生产(40 W，峰值313 nm)，大部分属UV-B光谱(280～320 nm)； 1,2,4-TCB(纯度≥99.5%，购于德国Dr. Ehrenstorfer公司).

1.2 实验设计

实验设6个处理：对照(自然光，无1,2,4-TCB污染)； 单一低水平1,2,4-TCB污染土壤(土壤中1,2,4-TCB含量为10 mg ·kg-1)； 单一高水平1,2,4-TCB污染土壤(土壤中1,2,4-TCB含量为20 mg ·kg-1)； 单一增强UV-B辐射(紫外辐射增强0.70 W ·m-2，相当于南京地区夏天日平均UV-B辐射增强8%)； UV-B辐射增强和低水平1,2,4-TCB污染土壤； UV-B辐射增强和高水平1,2,4-TCB污染土壤. 每个处理设3个重复. 紫外辐射增强采用可升降式的UV-B 灯架，将UV-B灯管(280~320 nm)置于植株群体上方1 m，用于模拟UV-B辐射增强，紫外光每天08:00~17:00照射9 h，阴雨天停止照射.

青菜播种时间为2013年3月，10 d后齐苗，每盆定苗3株，在青菜生长过程中，定期进行浇水、 追肥和消灭害虫.

1.3 测定指标及方法

分别于青菜生长的第20、 40、 60 d测定叶片气孔阻力. 于青菜生长的第60 d进行收获，小心地将青菜根从盆钵内的土壤中取出，将植株分为茎叶和根两部分，各部分植物样用自来水冲洗干净，测定主根长度. 植物样烘干后，称量各部分干重.

分别于青菜生长的第20、 40、 60 d，采用AP4动态气孔计(英国Delta公司生产)测定青菜叶片正反两面的气孔阻力，测点在叶片中上部. 测定时间为每天早上10:00.

叶片表面观察：在青菜长出10~12片真叶时，选择每个处理的第4片叶子用显微镜观察并拍照.

2 结果与讨论
2.1 青菜的生长发育指标

由表1和表2可以看出，在自然光照条件下，低浓度1,2,4-TCB污染土壤中生长的青菜，其地上部干重和主根长与对照相比均显著减少(P<0.05)，根干重和叶片数也有减少趋势，但无显著差异(P>0.05). 高浓度1,2,4-TCB污染土壤中生长的青菜，地上部干重、 根干重、 叶片数和主根长与对照相比均显著减少(P<0.05). 另外，在自然光照条件下，除主根长外，本研究所测定的高浓度1,2,4-TCB污染土壤处理的青菜其它生长发育指标均显著低于低浓度1,2,4-TCB污染处理(P<0.05). 该结果表明，在自然光照条件下，土壤1,2,4-TCB污染抑制青菜生长，且浓度越高，抑制作用越强. 在UV-B辐射增强条件下，两个污染水平的1,2,4-TCB对青菜地上部分和根的生物量均无显著影响(P>0.05)，但均可减少叶片总数(P<0.05)，而且高水平的1,2,4-TCB污染显著减少青菜主根长(P<0.05).

表1 1,2,4-三氯苯(TCB)污染和UV-B辐射增强及其复合作用对青菜生长发育指标的影响 1) Table 1 Influence of 1,2,4-trichlorobenzene (TCB) contamination,UV-B radiation enhancement and their combined effect on the growth indicators of green vegetable

表2 方差分析 1) Table 2 Analysis of variance

方差分析结果显示，1,2,4-TCB污染显著降低青菜地上部生物量和主根长(P<0.05)，而对根干重和叶片总数无显著影响(P>0.05). 增强UV-B辐射显著缩短主根长(P<0.05)，而对生物量和叶片总数无显著影响(P>0.05). 1,2,4-TCB污染和UV-B辐射增强复合作用能够削弱单一1,2,4-TCB污染对降低青菜生物量的影响(P<0.05)，而两种胁迫对青菜其它生长发育指标无显著交互作用(P>0.05).

结果表明，单一1,2,4-TCB污染土壤对青菜生长发育具有抑制作用，且浓度越高，抑制效果越明显. 这可能是由于土壤中的1,2,4-TCB通过青菜根系直接吸收或从土壤中挥发被青菜吸收，1,2,4-TCB毒性较强，属于内分泌干扰物并能够使生物体的新陈代谢发生紊乱[12,13]，进而阻碍青菜的生长发育. 前人研究也表明1,2,4-TCB对作物生长具有抑制作用，如杜青平等[14]研究表明，水稻种子的萌发率和活力指数随1,2,4-TCB处理浓度的升高而逐渐降低，而且1,2,4-TCB对水稻幼苗的株高和根长有抑制作用； 也有研究表明，1,2,4-TCB可显著抑制根系的伸长生长[15,16]. 单一的UV-B辐射增强8%对青菜的各项生长发育指标的影响主要表现在缩短主根长，对生物量影响较小. 前人研究也表明，地表UV-B辐射增强能使作物根系数量、 根长和根体积低于对照植株，同时也使根系活力降低，并且根系受抑制程度比地上部分更明显[17, 18, 19]. 本研究发现，UV-B辐射增强能够削弱1,2,4-TCB污染对降低青菜生物量的影响，可能原因是UV-B辐射能够抵消一部分1,2,4-TCB对青菜生理反应的影响，具体机制有待进一步研究. 目前有许多关于UV-B辐射增强与重金属污染复合作用的研究，如土壤镉污染会加剧UV-B辐射对欧洲云杉的损伤作用，镉与UV-B复合作用增强了对大豆生长和根伸长的抑制，加剧了生物产量的减少，并使株高降低[20]，很少有关于UV-B辐射增强与有机污染复合作用的报道.

2.2 青菜生长不同阶段的气孔阻力

叶片的气孔阻力影响叶片吸收气态物质的效率，进而影响其生长发育过程. 由表3和表4可以看出，在青菜生长的第20、 40和60 d，在自然光和UV-B辐射增强条件下，两个1,2,4-TCB污染水平处理的叶片正面气孔阻力均显著高于对照(P<0.05)，而且叶片正面气孔阻力在两个1,2,4-TCB污染水平处理之间无显著差异(P>0.05). 与叶片正面气孔阻力相比，1,2,4-TCB污染对叶片反面气孔阻力的影响较小. 除了在20 d时UV-B辐射增强条件下和40 d时自然光照条件下，两个污染水平的1,2,4-TCB均对叶片反面气孔阻力无显著影响外(P>0.05)，其它时间的不同光照条件下，仅高水平1,2,4-TCB污染显著增加叶片反面气孔阻力(P<0.05)，低水平1,2,4-TCB污染对叶片反面气孔阻力无显著影响(P>0.05).

表3 1,2,4-三氯苯(TCB)污染和UV-B辐射增强及其复合作用对青菜生长不同阶段的叶片正反面气孔阻力的影响 1)/s ·cm-1 Table 3 Influence of 1,2,4-trichlorobenzene (TCB) contamination,UV-B radiation enhancement and their combined effect on the front and reverse stomatal resistance of green vegetable leaves during different growth stages/s ·cm-1


表4 方差分析 1) Table 4 Analysis of variance

方差分析结果表明，单一1,2,4-TCB污染或单一UV-B辐射增强均显著增加青菜叶片正面和反面气孔阻力(P<0.05)，表明青菜叶片可通过增加气孔阻力来抵御UV-B辐射增强和1,2,4-TCB污染的胁迫作用. 而两种胁迫对青菜叶片正面和反面气孔阻力均无显著交互作用(P>0.05). 结果表明，1,2,4-TCB污染物显著增加青菜叶片正面气孔阻力，不利于叶片吸收气态物质如CO2、 H2 O等进行光合作用，进而降低青菜地上部生物量，与前人研究结果一致[21]. 已有研究表明，UV-B辐射增强能够增加作物叶片的气孔阻力，并降低光合速率[22, 23, 24]，本研究发现青菜UV-B辐射增强对青菜生物量无显著影响，可能原因是UV-B辐射能够削弱1,2,4-TCB对青菜生长代谢的负面影响，其机制仍需进一步研究.

2.3 叶片表面显微结构

由图 1叶片表面显微结构观察结果可以看出，在自然光照条件下，1,2,4-TCB污染水平越高，叶片绿色越淡，而且高水平1,2,4-TCB污染处理的叶片出现黑色斑点，在增强UV-B辐射条件下，也具有同样的规律，但影响程度比自然光照条件更显著. 在相同1,2,4-TCB污染处理条件下，增强UV-B辐射处理的叶片绿色变淡，而且表面均出现白化现象.

图 1 不同处理叶片表面显微结构 Fig.1 Microstructure of leaf surface for different treatments (a)对照； (b) 1,2,4-TCB(低)； (c) 1,2,4-TCB(高)； (d) UV-B； (e) UV-B+1,2,4-TCB(低)； (f) UV-B+1,2,4-TCB(高)

土壤中的1,2,4-TCB通过青菜根系运输或从土壤中挥发被青菜叶片吸收，在叶片积累，使其表现出明显的黑斑症状. 而且1,2,4-TCB污染使叶片绿色变淡，主要原因可能是1,2,4-TCB使叶绿素含量降低，如1,2,4-TCB能够使水稻叶片叶绿素含量减少[14, 21].

UV-B辐射增强主要使叶片绿色变淡而且产生白化现象，可能是UV-B辐射能够被植物叶片吸收，对叶片中叶绿素的合成和分解产生影响. 前人研究也表明，UV-B辐射增强能破坏叶绿体系统，使其中的叶绿素a、 叶绿素b及叶绿素总量下降. 而且UV-B辐射能破坏类囊体光系统尤其是捕光色素系统,从而导致叶绿体吸收光能减少,叶片光系统Ⅱ原初光能转换效率和光系统II潜在活性下降. 所以UV-B辐射增强会破坏叶绿体等光合器官结构,引起光合色素降解[25,26].

观察结果显示，UV-B辐射增强加剧1,2,4-TCB污染所导致的青菜叶片表面黑斑症状，表明UV-B辐射增强和1,2,4-TCB污染复合胁迫对青菜叶表黑斑症状具有协同作用.

3 结论

(1)土壤1,2,4-TCB污染抑制青菜生长，且浓度越高抑制效果越显著. 在UV-B辐射增强条件下，土壤1,2,4-TCB污染对降低青菜生物量的影响小于自然光照条件.

(2)1,2,4-TCB污染和UV-B辐射增强均显著增加叶片正面和反面气孔阻力.

(3)土壤1,2,4-TCB污染水平越高，青菜叶片绿色越淡，而且1,2,4-TCB污染导致叶片出现黑色斑点症状，该症状在UV-B辐射增强条件下更显著. 增强UV-B辐射使叶片表面出现白化现象.

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