SO2对农作物影响及敏感生理生化监测指标筛选

席君兰

(中国石化中原油田分公司环保监测总站)

0 引 言

二氧化硫(SO2)是最常见的大气污染物之一，能严重影响农作物正常生长发育，造成大面积大幅度减产，对农作物带来的危害是极其严重的[1]。因此，监测SO2对农作物的伤害在农业生产上具有重要意义，是评价大气污染物对农业的影响和估价经济损失费用的基础，同时为保证SO2污染区粮食生产安全提供依据。高含硫气田开发、净化厂生产过程中排放的SO2是气田环保工作的一项主要内容，环保部门要求开展井场及周边植被和农作物的SO2污染监测。

70年代末，国外普遍采用了田间开顶式熏气罩，使大气污染对农作物的影响在研究方法上有了重大突破。中国从80年代后期陆续开始采用开顶式熏气装置研究植物对大气污染物的生理生化反应，研究低浓度SO2长期暴露对农作物的影响及高浓度SO2对农作物的急性伤害特点。国内外大量研究表明，植物的叶片含硫量、细胞膜透性、可溶性蛋白含量、过氧化氢酶(CAT)、超氧化物歧化酶(SOD)等生理生化指标变化均与大气SO2浓度有密切关系[2]。本文利用模拟自然生长环境的开顶式熏气装置，研究高含硫气田周边主要农作物油菜、水稻和红薯在不同浓度SO2胁迫下叶片含硫量、细胞膜透性、可溶性蛋白含量、CAT和SOD 5项生理生化指标的变化。

1 实 验

1.1 SO2浓度监测

某气田试气期间SO2落地浓度监测结果见表1。

表1 某气田试气期间SO2落地浓度监测结果mg/m3

1.2 实验材料及方法

选择四川省宣汉县某气田周边胡家镇农民大田种植长势一致的幼苗期油菜(川油16)、水稻(川江优527)、红薯(当地农民自留种子)作为受试植物。用自制的开顶式熏气罩罩住油菜、水稻、红薯，每个罩中3～5株，3种农作物共3个熏气系列。每个系列均由进气系统提供SO2气体，利用PGM-5020复合气体检测仪检测熏气室SO2瞬时浓度。依据气田试气期间SO2落地浓度监测结果设置熏气室SO2浓度分别为2.86，6.44，8.58，11.4，14.3，20.0 mg/m3，熏气时间为3 h。以相同条件下不熏气的气室中的植株为对照。

1.3 生理生化指标测定

熏气停止24 h后采集叶片，测定含硫量、细胞膜透性、可溶性蛋白含量、CAT和SOD 5项生理生化指标，重复测定3次，以平均值作为测定结果。

叶片含硫量测定采用 HCl+HNO3+HClO4消解，BaCl2比浊法测定[3]；细胞膜透性测定采用王宇超等的方法[4]；可溶性蛋白质含量测定参考李合生的方法[5]；CAT、SOD活性测定参考邹琦的方法[6]。

2 结果与讨论

2.1 SO2对农作物生理生化指标的影响

2.1.1 SO2对叶片含硫量的影响

图1 SO2对农作物叶片含硫量的影响

2.1.2 SO2对叶片细胞膜透性的影响

SO2对农作物叶片细胞膜透性的影响如图2所示。随着SO2熏气浓度的增加，叶片细胞相对电导率升高，表明细胞膜受损程度加大。当熏气浓度为2.86 mg/m3时，油菜、水稻、红薯的相对电导率与对照的比值分别为1.20，2.33，1.16；当熏气浓度增加到20.0 mg/m3时，油菜、水稻、红薯的相对电导率与对照的比值分别为6.60，5.57，2.20，细胞膜受损程度进一步增大。随着熏气浓度增加，油菜和水稻叶片细胞膜透性增加较明显，红薯叶片增加幅度较小。细胞膜透性升高是由于SO2引起植物细胞膜结构蛋白改变，导致细胞膜渗透性改变，引起电解质外渗，细胞膜透性变大，这会破坏酶及代谢作用原有的区域性，从而影响细胞的各种生理代谢，是植物受损的原因之一。细胞膜透性大小能够反映出细胞膜受损的程度。

图2 SO2对农作物叶片细胞膜透性的影响

2.1.3 SO2对叶片可溶性蛋白含量的影响

图3 SO2对农作物叶片可溶性蛋白含量的影响

2.1.4 SO2对叶片CAT活性的影响

SO2对农作物叶片CAT活性的影响如图4所示。经SO2处理后，油菜和红薯CAT活性与对照之间差异显著，当熏气浓度为20.0 mg/m3时，比值分别为0.17，0.52，表明SO2处理对CAT活性有较强的抑制作用。水稻CAT活性随SO2浓度变化的幅度较小，当SO2浓度为20.0 mg/m3时，与对照的比值为0.83，熏气前后变化不大。经SO2处理后，不同植物CAT活性变化幅度存在差异，说明相同浓度的SO2对不同植物CAT活性影响不同，3种受试植物CAT活性对SO2的敏感程度为油菜>红薯>水稻。

图4 SO2对农作物叶片CAT活性的影响

2.1.5 SO2对叶片SOD活性的影响

SO2对农作物叶片SOD活性的影响如图5所示。水稻和红薯SOD活性呈现相同的变化趋势，在2.86 mg/m3低浓度处理下均呈现升高的趋势，与对照的比值分别为1.24，1.26；处理浓度增加到8.56 mg/m3时，SOD活性开始下降，与对照的比值分别为0.95，0.89；处理浓度为20.0 mg/m3时，与对照的比值分别为0.91，0.84。其原因为植物自身在受到SO2胁迫后，叶片产生的SOD含量增强，以此提高O2的转化量以抵挡外界的胁迫。而当SO2胁迫强度加重时，过量的SOD歧化产生过量的H2O2，H2O2的过量累积又抑制了SOD的合成，所以SOD含量随着浓度的增加呈下降趋势。油菜SOD活性随熏气浓度的增大变化幅度较小，在3种浓度处理下和对照的比值分别为0.99，0.99，0.98，与对照相比没有明显差异。表明油菜SOD活性对SO2反应不敏感。

图5 SO2对农作物叶片SOD活性的影响

2.2 对SO2敏感监测指标筛选

对3种受试植物的5个监测指标与SO2熏气浓度之间进行一元相关性分析，相关系数见表2。SO2熏气浓度为0～8.58 mg/m3时，与油菜、水稻、红薯叶片含硫量、细胞膜透性在0.05的水平下存在显著的正相关关系，与可溶性蛋白含量之间存在显著的负相关关系。这说明随着SO2熏气浓度的增加，3种受试植物叶片含硫量、细胞膜透性呈线性增加，可溶性蛋白含量呈线性减少。SO2熏气浓度为8.58～20.0 mg/m3时，油菜叶片含硫量、细胞膜透性、可溶性蛋白含量与熏气浓度在0.05的水平下仍存在显著相关关系，随着熏气浓度增加，水稻、红薯叶片含硫量、细胞膜透性、可溶性蛋白含量与熏气浓度之间的相关性有所降低。不同受试植物的抗氧化酶CAT、SOD活性的变化与SO2熏气浓度存在一定的关系，但不存在显著线性相关关系。因此，筛选叶片含硫量、细胞膜透性和可溶性蛋白含量作为反映植物受SO2污染状况的监测指标。

表2 SO2熏气浓度和生理生化指标相关性

注：*和**分别表示在0.05和0.01水平下显著相关。

3 结 论

植物接触致害剂量的SO2可引起叶片胁迫症状和一系列细胞生理生化指标的变化，使生理机能减弱，生产力降低。植物最先受到影响的部分是细胞膜，SO2可引起膜脂过氧化反应，生成TBA-RS，细胞膜透性的破坏引起电解质外渗，植株表观出现胁迫伤害症状；SO2同时影响植物体内的代谢过程，光合作用、蒸腾作用降低，呼吸速率增加，引起酶活性的改变。本实验中，采用田间开顶式熏气装置对油菜、水稻和红薯3种农作物进行SO2急性伤害处理，考察SO2熏气对受试植物生理生化指标的影响。结果发现3种农作物的叶片含硫量、细胞膜透性、可溶性蛋白含量有相同的变化趋势，其中叶片含硫量、细胞膜透性随熏气浓度增加呈升高趋势，可溶性蛋白含量随熏气浓度增加呈降低趋势，上述结果与近年来其他研究结果类似[7]。3种作物的抗氧化酶CAT、SOD活性随SO2熏气处理也有较大的变化幅度，但不同作物的变化趋势不同。抗氧化酶活性的变化与植物的种类、抗性、熏气浓度设置都有关系，处理条件不同可呈现不同变化趋势。SO2对酶和其他具有生理生化作用的蛋白质分子的一个重要影响是切割二硫键，蛋白质分子中二硫键的破坏改变蛋白质分子结构的空间构型，使酶失去活性和催化作用。本实验将5项生理生化指标测定结果与0～8.58，8.59～20.0 mg/m3SO2熏气浓度进行线性回归分析，并对相关系数进行显著性检验。结果表明：农作物叶片含硫量、可溶性蛋白、细胞膜透性3项指标与SO2在0～8.58 mg/m3浓度范围在0.05的水平上存在显著相关，其中叶片含硫量、细胞膜透性与SO2浓度呈正相关，可溶性蛋白则呈现负相关。这3个指标对SO2较敏感，是监测SO2伤害农作物的有效指标。因此，可通过测定叶片含硫量、可溶性蛋白、细胞膜透性反映油菜、水稻、红薯受SO2伤害的程度。