模擬酸雨對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

袁志忠，曾 碩，周耀渝

（吉首大學(xué)生物資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖南吉首416000）

酸雨是指由于空氣中的SO2，NOx等引起的pH值小于5.6的酸性降水（包括雨、雪、雹、霧等大氣降水），是目前世界十大環(huán)境問題之一，已引起政府以及科學(xué)界的廣泛關(guān)注。我國是世界上繼歐洲、北美之后出現(xiàn)的第三大酸雨區(qū)，目前酸雨污染面積已占國土面積的20%左右，酸雨區(qū)主要分布在長江以南各省市，并且面積呈擴(kuò)大趨勢，許多城市、地區(qū)普遍出現(xiàn)了酸雨現(xiàn)象，其頻率不斷提高、pH值不斷降低[1]。酸雨對森林、農(nóng)作物、建筑物、水生物等人類賴以生存的環(huán)境具有很大的破壞性，甚至為害人體健康，危及城市的生態(tài)平衡，已構(gòu)成全球公害。

酸雨對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)平衡以及農(nóng)作物本身影響的嚴(yán)重性越來越引起人們的普遍關(guān)注。酸雨降落到農(nóng)作物等植物上，會傷害葉片、破壞植物光合作用、加速葉片養(yǎng)分淋失，使植物生長受阻甚至死亡，從而對植物造成直接危害。酸雨還會導(dǎo)致土壤酸化，引起土壤肥力下降、鹽基流失以及某些毒性元素（鋁、錳等）的釋出和活化，傷害植物根系，造成根系營養(yǎng)代謝失調(diào)，引起植物衰亡，從而對植物造成間接危害[2-3]。酸雨對植物產(chǎn)生的直接和間接危害都會導(dǎo)致活性氧的產(chǎn)生及清除失去平衡，造成活性氧對植物細(xì)胞的毒害作用，特別是引起膜脂過氧化作用[4]。研究表明，鋁的溶解度對pH值十分敏感，pH值每減少0.1個(gè)單位，土壤中鋁的溶解度將增加2.0×10-6mol/L，從而對植物生長造成很大的危害[5]。

玉米（Zeamays）不僅是糧食作物，而且是重要的飼料和適于深加工獲得多種產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)作物，因其優(yōu)良的豐產(chǎn)性、抗逆性、高品質(zhì)、較高的飼料轉(zhuǎn)換率、類型多且用途廣而深受喜愛，玉米產(chǎn)業(yè)的發(fā)展對于我國農(nóng)業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有舉足輕重的作用[6-7]。酸雨對生態(tài)環(huán)境的影響和造成的經(jīng)濟(jì)損失日益嚴(yán)重，已成為制約我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和發(fā)展的重要因素之一。研究表明，當(dāng)酸雨的酸度達(dá)到一定閾值時(shí)將破壞植物的超微結(jié)構(gòu)，降低葉綠素含量和光合速率，造成葉面黃斑、生長不良、抗病能力下降、產(chǎn)量減少和品質(zhì)下降等[8]。據(jù)報(bào)道，僅在兩廣地區(qū)，受到酸性沉降物污染的耕地面積就達(dá)5.08×106hm2，減產(chǎn)損失估計(jì)達(dá)3億多元[9]。我國南方的大部分玉米種植在酸雨影響區(qū)，產(chǎn)量普遍不高，這是否跟酸雨脅迫有關(guān)，目前尚無定論。湖南湘西地區(qū)是酸雨的重災(zāi)區(qū)，因此，立足湘西地區(qū)，開展玉米等農(nóng)作物對酸雨的抗性生理研究具有理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

本試驗(yàn)通過研究酸雨脅迫對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，為防范和減緩酸雨災(zāi)害對玉米等農(nóng)作物的為害提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試玉米品種是由陜西黃龍萬福種業(yè)有限公司提供的萬瑞1號。

1.2 模擬酸雨的配制

根據(jù)湖南省湘西自治州酸雨污染特征及其酸沉降水平[10]，主要考慮酸雨pH值和SO42-，NO3-，NH4+，Ca2+這4種離子，用分析純硫酸和硝酸按SO42-與NO3-摩爾比4∶1配成母液，然后加入自然酸雨的離子組成，將母液加去離子水配制成pH 值分別為 5.6，4.5，3.5，2.5 的模擬酸雨溶液。pH值的測定使用pH計(jì)（pHS-3精密酸度計(jì)）。以pH值為7.2的清水為對照（CK）。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.1 種子發(fā)芽試驗(yàn) 按照國家種子質(zhì)量檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 3543.1～7—1995），選取均勻飽滿的玉米種子，用1%的次氯酸鈉溶液浸種10min消毒，用去離子水沖洗干凈后整齊擺放于鋪有2層濾紙的培養(yǎng)盒內(nèi)，每組pH值梯度對應(yīng)3個(gè)培養(yǎng)盒，每培養(yǎng)盒放50粒種子。培養(yǎng)盒和濾紙事先在（120±0.5）℃烘箱（上海躍進(jìn)醫(yī)療器械廠，型號為YHG）內(nèi)放置4 h后冷卻至室溫。每個(gè)培養(yǎng)盒中分別加入各pH值的模擬酸雨溶液40mL，以清水為對照，放置于（25±0.5）℃光照培養(yǎng)箱（GZP-250）內(nèi)進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。根據(jù)發(fā)芽的需水情況，每天更換等體積相應(yīng)的模擬酸雨溶液，以保證溶液的pH值不變。以芽長超過1/2種子長、根長達(dá)到種子長度為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)芽期間每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽的種子數(shù)，3 d后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽勢，5 d后統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)[11]。

發(fā)芽勢=（日發(fā)芽種子最高峰種子數(shù)/種子樣品總數(shù)）×100%；

發(fā)芽率＝（發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)）×100%；發(fā)芽指數(shù)（GI）＝∑（Gt/Dt）；

活力指數(shù)（VI）＝S×∑（Gt/Dt）。

式中，Gt為t天的發(fā)芽數(shù)；Dt為發(fā)芽天數(shù)；S為一定時(shí)期內(nèi)幼苗生長勢，以每株幼苗平均根長表示。

1.3.2 幼苗盆栽試驗(yàn) 供試土壤采自吉首大學(xué)園林綠化處，pH值為6.8，將土壤裝入花盆后備用。將催芽后的玉米種子播入花盆中，每組3盆，每盆8粒。待玉米幼苗出土5 d后，不定期用小型噴霧器（按自然降水規(guī)律）對玉米幼苗地上部分別噴淋4種不同pH值的模擬酸雨溶液，以清水為對照。每次噴淋以葉片滴液為限，每周噴淋3次，處理期間防干旱澆水與噴淋模擬酸雨溶液錯(cuò)開進(jìn)行，并避免自然降雨的淋洗。處理期間進(jìn)行生長指標(biāo)的觀測，處理25 d后取倒數(shù)第2～4片葉進(jìn)行生理指標(biāo)的測定。

1.4 生長指標(biāo)和生理指標(biāo)的測定

當(dāng)玉米幼苗長到25 d時(shí)，統(tǒng)計(jì)pH值模擬酸雨處理的玉米幼苗葉片總數(shù)和出現(xiàn)明顯棕黃色斑點(diǎn)的受害葉片數(shù)，以受害葉片（指斑塊面積達(dá)葉片面積1/5以上的葉片）數(shù)占葉片總數(shù)的百分比表示幼苗葉片的損傷程度。

葉綠素含量測定采用分光光度法[12]，硝酸還原酶（NR）活性測定采用磺胺比色法；以單位時(shí)間內(nèi)單位植物材料還原生成NO2-量的多少來表示硝酸還原酶活性的高低[13]。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨對玉米種子萌發(fā)的影響

發(fā)芽勢是指種子在適宜條件下，在規(guī)定的短期內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)占供試種子總數(shù)的百分比，發(fā)芽率是反映種子品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)。試驗(yàn)表明，玉米種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均隨模擬酸雨pH值的降低而減小。由表1可知，弱酸溶液（pH值為5.6～4.5）處理對玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率幾乎沒有影響，強(qiáng)酸溶液（pH值為3.5～2.5）處理時(shí)發(fā)芽勢、發(fā)芽率顯著降低，說明低pH值模擬酸雨溶液處理對玉米的萌發(fā)有較強(qiáng)的抑制作用。經(jīng)pH值為2.5和3.5的模擬酸雨溶液處理玉米種子，其發(fā)芽勢、發(fā)芽率與對照相比，分別下降45.52%，32.12%和41.11%，28.72%，差異顯著。

發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)是反映種子活力的綜合指標(biāo)。由表1可知，酸雨脅迫下，玉米種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)的變化規(guī)律與發(fā)芽率的變化規(guī)律相似，經(jīng)pH值為2.5的模擬酸雨溶液處理玉米種子，其發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)與對照相比，分別下降56.78%，68.91%，差異顯著。

表1 模擬酸雨對玉米種子萌發(fā)的影響

2.2 模擬酸雨對玉米幼苗葉片的傷害

酸雨等酸性沉降物首先通過葉片的角質(zhì)層和氣孔進(jìn)入植物，損害葉片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。葉片接觸酸雨溶液后，當(dāng)時(shí)一般不表現(xiàn)癥狀，大多數(shù)玉米植株在第2天才表現(xiàn)出來。本試驗(yàn)表明，各種pH值的模擬酸雨處理對玉米幼苗葉片都產(chǎn)生了不同程度的傷害（表2），其中，受害最嚴(yán)重的是pH值為2.5模擬酸雨處理的玉米幼苗葉片，葉片受害率達(dá)到45.05%。經(jīng)pH值為2.5和3.5模擬酸雨處理的葉片受害率與對照相比，分別增加88.52%和83.84%，差異顯著。說明所有參與模擬酸雨處理的玉米幼苗在pH值為2.5到5.6之間都表現(xiàn)出明顯的葉片受害癥狀，造成玉米幼苗參與光合作用的有效葉面積大大降低。

表2 模擬酸雨對玉米幼苗葉片的傷害

受害的玉米幼苗葉片先是呈現(xiàn)白色或棕黃色的斑點(diǎn)，斑點(diǎn)最初的直徑小于1mm，隨著酸雨噴淋次數(shù)的增多，斑點(diǎn)直徑增大，以致許多小斑點(diǎn)連接成斑塊，斑塊連接成半張甚至整張，葉片呈卷縮狀，出現(xiàn)黃斑，褪綠、黃化后很快枯萎。

2.3 模擬酸雨對玉米幼苗葉片硝酸還原酶活性的影響

硝酸還原酶（NR）是植物體內(nèi)硝酸鹽同化過程的限速酶，在植物氮素代謝過程中處于關(guān)鍵位置，可作為植物營養(yǎng)診斷的生化指標(biāo)[14]。因此，植物體內(nèi)硝酸還原酶活性的高低，直接影響植物的氮素代謝和體內(nèi)的含氮量。由表3可知，經(jīng)pH值為5.6～2.5的模擬酸雨處理的玉米幼苗，與對照相比，葉片中的亞硝酸根離子含量先升高后降低，表明低強(qiáng)度酸雨中的NO3-和NH4+對硝酸還原酶活性有促進(jìn)作用，反之有抑制作用。經(jīng)pH值為2.5和3.5的模擬酸雨處理的玉米幼苗葉片中亞硝酸根離子含量明顯下降，與對照相比，分別下降19.95%和15.60%，差異顯著。

表3 模擬酸雨對玉米幼苗葉片硝酸還原酶活性的影響

2.4 模擬酸雨對玉米幼苗葉片葉綠素含量影響

在植物的生長過程中，葉綠素是進(jìn)行光合作用的必需載體，它把捕獲的光能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能，形成植物的光合產(chǎn)物。因此，葉綠素的組成和含量將直接影響著植物的光合速率，進(jìn)而影響植物的生長發(fā)育。由表4可知，經(jīng)pH值為5.6～2.5的模擬酸雨處理玉米幼苗后，與對照相比，葉片中的葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量先升高后降低，說明酸雨中H+濃度達(dá)到一定閾值時(shí)就阻礙葉綠素的合成或加速葉綠素的分解，進(jìn)而影響植物的光合速率和生長發(fā)育。經(jīng)pH值為2.5的模擬酸雨處理的玉米幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量明顯下降，與對照相比，分別下降36.72%，36.45%和36.65%，差異顯著。

表4 模擬酸雨對玉米幼苗葉片葉綠素含量的影響 mg/g

3 結(jié)論與討論

（1）不同pH值的模擬酸雨對玉米種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)均產(chǎn)生不同程度的影響，當(dāng)pH值為5.6～4.5時(shí)影響不顯著，pH值為3.5～2.5時(shí)對玉米種子的萌發(fā)有顯著的抑制作用。經(jīng)pH值為2.5和3.5的模擬酸雨處理，其發(fā)芽率下降了41.11%和28.72%，甚至導(dǎo)致種子產(chǎn)生變形、萎縮、失水等現(xiàn)象，與陳穗云等[15]的研究結(jié)果一致。有研究表明，模擬酸雨會引起種子透性變化，使其離子平衡失調(diào)，破壞內(nèi)部正常的生理功能，致使種子萌發(fā)受阻[16]。

（2）模擬酸雨對玉米幼苗葉片的傷害隨著模擬酸雨強(qiáng)度的增加而加重，黃斑的直徑和數(shù)量隨著酸雨噴淋次數(shù)的增加而增大和增多。模擬酸雨對玉米幼苗葉片傷害的主要癥狀是葉脈間和葉柄呈棕黃色，有不規(guī)則的斑點(diǎn)，嚴(yán)重的葉片有黃褐色的枯斑。與老葉相比，幼葉所受傷害更為嚴(yán)重，這可能是由于幼葉表層保護(hù)組織較少，使得酸雨更容易侵入葉片內(nèi)部的原因。

（3）玉米幼苗葉片中亞硝酸根離子含量隨模擬酸雨強(qiáng)度的增加而減少，從而降低了葉片中硝酸還原酶的活性。模擬酸雨對玉米幼苗處理后，抑制葉片的生長與發(fā)育，進(jìn)而影響玉米植株對氮素營養(yǎng)的吸收與同化，使玉米植株利用氮素的能力下降，降低氮源的積累速度。本研究表明，氮源積累速度的降低，最終導(dǎo)致植物生長與發(fā)育受到抑制，與曾維露等[17]的研究結(jié)果一致。

（4）從整體上說，玉米幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素含量隨著模擬酸雨強(qiáng)度的增加而減少，這與酸性環(huán)境下植物細(xì)胞內(nèi)膜系統(tǒng)受到損傷，酶活性、構(gòu)象發(fā)生改變有關(guān)，與樊后保等[18]的研究結(jié)果相似。酸雨中的H+濃度達(dá)到一定值時(shí)，很可能會使葉綠素的合成受到抑制，且酸性過強(qiáng)時(shí)又會加速葉綠素的分解，從而使葉綠素含量減少，而葉綠素含量的減少又會直接影響植物光合生產(chǎn)能力，進(jìn)而阻礙植物的生長發(fā)育。

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