四川地區(qū)常見八種玉米種子萌發(fā)過程對酸雨的響應(yīng)

張柳青,楊 艷,權(quán)秋梅,帥文娣,郭佳靈,李 鋒,陳 奇

(1.西華師范大學(xué)a.環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，b.生命科學(xué)學(xué)院，四川 南充 637009； 2.四川農(nóng)業(yè)大學(xué) 小麥研究所，成都 611130； 3.瀘縣梁才學(xué)校，四川 瀘州 646100)

作為全球污染問題之一的酸雨，對公眾健康、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、生態(tài)環(huán)境及全球氣候變化帶來的負(fù)面影響越來越嚴(yán)重。酸雨是指pH值小于5.60的大氣降水，未被污染的降水是中性的，pH值在7.0左右[1]。酸雨的形成受人為和自然因素的影響，自然因素主要是火山爆發(fā)、海浪濺起的海鹽飛沫、森林火災(zāi)等產(chǎn)生的物質(zhì)，將云內(nèi)成雨后形成的水汽吸附在SO42-、CO32-等凝結(jié)核上，經(jīng)過氧化還原反應(yīng)，形成較小的硫酸雨滴和碳酸雨滴，之后又經(jīng)過云下沖刷過程，較小的硫酸雨滴和碳酸雨滴不斷吸附周圍的含酸雨滴，最后形成含酸大雨滴，降落地面形成酸雨[2]。人為因素是促成酸雨形成的主要原因，在發(fā)展工業(yè)過程中大量燃燒化石燃料，排放的SO2、NOx等成為酸雨的主要來源[3]。目前，大量研究表明酸雨會造成植物失綠，生長速度減緩，生物量降低等[4]，而關(guān)于酸雨作用于植物的方式以及植物對酸雨的響應(yīng)情況仍處于研究階段[5]。

我國玉米年產(chǎn)量占世界第二位，是主要的糧食作物之一。種子萌發(fā)是植物生命的起點，研究玉米種子萌發(fā)對酸雨的響應(yīng)具有較大的實踐意義。嚴(yán)重玲[6]等的研究表明，模擬酸雨會破壞種子內(nèi)部結(jié)構(gòu)，抑制種子萌發(fā)。袁志忠等[7]進(jìn)一步說明玉米種子的生理指標(biāo)包括發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)等會受到酸雨的影響，如當(dāng)pH值為4.5～5.6時影響不顯著；pH值為2.5～3.5時對玉米種子的萌發(fā)有顯著的抑制作用。同時，經(jīng)pH2.5和pH3.5的模擬酸雨處理后，發(fā)芽率分別下降了41.11%和28.72%，種子出現(xiàn)了畸形、萎縮、失水等現(xiàn)象。玉米幼苗葉片葉綠素a、葉綠素b和總?cè)~綠素的含量會隨模擬酸雨強度的增加而減少，使得經(jīng)處理后的玉米幼苗的生長與發(fā)育受到抑制，阻礙玉米植株對氮素營養(yǎng)的吸收與同化功能，加快葉綠素的分解，降低光合作用能力，從而導(dǎo)致玉米植株不能正常發(fā)育[7-8]。酸雨的加劇使得我國各地區(qū)的農(nóng)業(yè)也受到不同程度的影響，玉米等糧食產(chǎn)量受酸雨的影響有減產(chǎn)的趨勢。因此，研究不同pH值酸雨對玉米種子萌發(fā)的影響能夠更好地運用于日常實踐當(dāng)中。本實驗研究模擬酸雨對四川地區(qū)常見八種玉米種子和幼苗的影響，明確了八種玉米萌發(fā)的耐酸閾值范圍，分析它們在模擬酸雨下的生長情況，能進(jìn)一步了解其抗酸雨能力，為減輕酸雨對玉米的脅迫作用，合理選育玉米品種，保證產(chǎn)量提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗選擇pH1.0～6.0的模擬酸雨溶液，pH7.0為對照組。用98%濃硫酸和65%～68%硝酸溶液配制pH1.0的酸雨母液，根據(jù)南充市降水離子統(tǒng)計結(jié)果[9]，用蒸餾水將母液配成pH1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的模擬酸雨，pH測量儀校準(zhǔn)，將配置好的溶液置于低溫下保存。

供實驗玉米種子選用市場上常見的普通玉米品種：登海605、鄭單958、蠡玉86、浚單20、福德2、雅玉2、川單428和資玉2。

1.2 試驗設(shè)計和方法

將處理好的備用種子，整齊的排列在鋪有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中，每個培養(yǎng)皿放50粒種子，包括對照共有7個處理組。向每個培養(yǎng)皿中分別加入一定量的不同酸度的模擬酸雨溶液，每天早晚定時向培養(yǎng)皿中補充相應(yīng)的溶液約3～5 mL。培養(yǎng)條件是光處理12 h，黑暗處理12 h，恒溫25 ℃，置于光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。在試驗過程中，連續(xù)培養(yǎng)玉米種子，每天觀察其生長情況，統(tǒng)計并做好記錄。按國家種子質(zhì)量檢驗標(biāo)準(zhǔn)[10-11]，第12 d隨機挑選每組處理下的3株玉米幼苗，分別測定苗、根和種子殘留物3個部分，做好相關(guān)記錄。

1.3 種子萌發(fā)和幼苗生理指標(biāo)的測定

對樣品的發(fā)芽率，根長，種子殘留物鮮、干重，葉面積，根鮮重、干重，苗鮮重、干重進(jìn)行測定。使用了電子秤、葉面積測定儀、離心機等儀器。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用單因素方差分析(One-way ANOVA)和鄧肯方差(Duncan)分析，實驗數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，同時制作柱形圖和三線表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同pH值模擬酸雨對玉米發(fā)芽率的影響

發(fā)芽率是反映種子品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，種子萌發(fā)也是植物正常生長的前提。由表1可以看出，當(dāng)酸雨pH值為1.0、2.0時，完全抑制了八種玉米種子發(fā)芽，發(fā)芽率為零。與對照組(pH=7.0)相比，pH為3.0、4.0、5.0時，種子萌發(fā)均受到不同程度的抑制。登海605的發(fā)芽率在pH為6時與對照組無顯著差異；浚單20發(fā)芽率在pH為3.0～6.0時與對照組無明顯差別；雅玉2、福德2和蠡玉86在pH=4.0的模擬酸雨下發(fā)芽率最大；資玉2和川單428在pH=5.0的模擬酸雨下發(fā)芽率最大，鄭單958在pH為4.0時的發(fā)芽率最小，其余處理條件下與對照組無明顯差別。

表1 模擬酸雨pH=1.0～7.0條件下玉米的發(fā)芽率

注：同列相同字母表示在0.05水平差異不顯著。

2.2 不同pH值模擬酸雨對玉米種子殘留物干、鮮重的影響

在不同處理條件下，雅玉2、川單428、資玉2的種子殘留物量小于其他品種。川單428在pH=6.0與對照組無顯著差異，蠡玉86在pH=5.0、6.0條件下與對照組無顯著差異，其余玉米種子殘留物鮮、干重與對照組比較均有顯著差異(P<0.01)?？?0在pH為3.0、4.0、5.0時種子殘留物鮮重?zé)o顯著差異；雅玉2在pH為2.0和3.0條件下無顯著差異，pH為5.0和6.0條件下無顯著差異。模擬酸雨pH值為1.0、2.0時，川單428和資玉2種子殘留物鮮、干重較小，福德2種子殘留物鮮重最大。pH=5.0時，川單428種子殘留物鮮重最小，pH=6.0，浚單20種子殘留物鮮重最大。種子殘留物干重是種子殘留物鮮重除去水分剩下的物質(zhì)。pH =1.0、2.0處理下，八種玉米的種子殘留物干重均大于或等于其他處理。pH=3.0、4.0、5.0條件下，浚單20種子殘留物干重物顯著差異；登海605在pH=1.0、2.0時種子殘留物干重?zé)o顯著差異；雅玉2在pH=6.0下，與CK組(pH=7.0)的種子殘留物干重?zé)o明顯差異。pH=2.0、3.0時，雅玉2、川單428和資玉2種子殘留物干重較小；pH=4.0時，福德2、雅玉2和資玉2種子殘留干重較??；pH=6.0時，鄭單958、福德2、雅玉2、川單428、資玉2的種子殘留物干重均小于0.65 mg。見圖1。

2.3 不同pH值模擬酸雨對玉米根干、鮮重的影響

根系是植物重要吸收器官，其形態(tài)在一定程度上影響植物養(yǎng)分吸收功能[12]。當(dāng)pH為1.0、2.0時，八種玉米種子均無法萌發(fā)。根系越發(fā)達(dá)，吸收的水分和養(yǎng)分就會增多，更能適應(yīng)惡劣環(huán)境[13]。除川單428、鄭單958外，其余品種玉米的根鮮、干重均低于CK組；川單428在pH=3.0、4.0、6.0，鄭單958在pH=5.0、6.0的根干鮮大于CK組；八種玉米在pH=1.0～6.0時的根鮮、干重與CK組均有顯著差異(P<0.05)。八種玉米的根長隨著pH值的增大，呈遞增的趨勢。川單428在pH=4時的根鮮重最大，在pH=5.0時最小，其余玉米的根鮮重在pH=7.0或6.0時最大，在pH=4.0或3.0時最小。模擬酸雨對八種玉米種子的根干重的影響趨勢基本相同。pH=3.0、4.0處理下，登海605、浚單20、蠡玉86和鄭單958的根干重與CK組相比，存在顯著差異(P<0.01)。pH=5.0、6.0時，浚單20的根干重與pH=3.0、4.0時的根干重存在顯著差異(P<0.05)；蠡玉86在pH=3.0、4.0時的根干重小于pH=5.0、6.0、7.0對應(yīng)的根干重，且與CK組有顯著差異；鄭單958在pH=3.0、4.0時的根干重與CK組無顯著差異，但是都小于pH=5.0、6.0時的根干重值。見圖2。

2.4 不同pH值模擬酸雨對玉米苗干、鮮重的影響

由圖3可知，與CK組相比，pH>3.0時，除川單428、福德2和蠡玉86外，其余品種玉米的苗鮮、干重均低于CK組；登海605、鄭單958和浚單20的苗生物量高于其余品種，其中登海605最大。八種玉米在pH=1.0～6.0時的苗鮮重與其CK組存在顯著差異(P<0.01)。此外登海605、浚單20、蠡玉86、雅玉2、鄭單958和資玉2的苗鮮重在pH=7.0或6.0時最大，在pH=4.0或3.0時最?。淮▎?28和福德2在pH=4.0時苗鮮重最大，分別在pH=3.0和6.0時最小。登海605和鄭單958的苗干重在pH為3.0、5.0時最大；浚單20的苗干重在pH為4.0時最大。川單428、福德2在pH為3.0～6.0條件下，苗干重變化范圍小，即0.27mg～0.36mg；登海605的苗干重在pH=3.0、4.0、6.0無明顯差異；浚單20、蠡玉86、鄭單958的苗干重在pH為3.0～6.0時差異顯著(P<0.01)；雅玉2的苗干重在pH=4.0、5.0時，無顯著差異，與其余pH值下的苗干重存在明顯差異；資玉2在pH=3.0、5.0時，苗干重?zé)o明顯差異，與pH=4.0、6.0時的苗干重存在明顯差異。

2.5 不同pH值模擬酸雨對玉米葉面積的影響

光合作用是植物正常生長發(fā)育的重要代謝活動，植物葉片中葉綠體內(nèi)含有主要的光合色素，液泡中含有花青素。光合色素能吸收、傳遞、轉(zhuǎn)換太陽能進(jìn)行光合作用，植物利用光合色素，將二氧化碳(或硫化氫)和水轉(zhuǎn)化為有機物，并釋放出氧氣(或氫氣)[14]。酸雨污染對植物葉片的生長會產(chǎn)生不同的影響，如葉片面積的減小，會降低葉片中光合色素、花青素等的含量，從而降低光合速率，影響植物的正常生長。模擬酸雨pH=1.0、2.0、3.0處理時，八種玉米均未長出葉片，導(dǎo)致玉米無法進(jìn)行光合作用，難以成活，見圖4。隨著模擬酸雨濃度的降低，登海605、鄭單958、蠡玉86和浚單20四種玉米長葉，其葉面積基本上都小于CK組。

3 討 論

3.1 pH<2.0時酸雨對玉米幼苗的影響

以經(jīng)濟產(chǎn)量為依據(jù)，玉米屬于對酸雨影響中等敏感的作物[15]。酸雨對玉米根、苗、葉等的抑制隨著其酸度的上升而增強[16]。酸雨主要是通過降低種子呼吸強度，抑制水解酶活性，進(jìn)而抑制種子萌發(fā)的[17]，而且隨著酸雨酸度增強，玉米幼苗葉片葉綠素含量和葉綠素a/b比值會逐漸降低，進(jìn)而影響葉片的光合作用阻礙玉米正常生長[18]。在本實驗中，用pH=1.0和2.0處理對八種玉米的萌發(fā)以及幼苗的生長完全抑制，種子發(fā)芽率均為零，種子受到嚴(yán)重腐蝕而無法萌發(fā)。由此可認(rèn)為pH值越大，模擬酸雨對玉米種子發(fā)芽率的抑制作用越不明顯，而在酸性增強時就會表現(xiàn)出明顯的抑制作用，這同王秀英的結(jié)論是相符合的[19]。這可能是由于高濃度酸雨中過量的H+使玉米種皮透性增加，離子平衡失調(diào)，自由基積累，膜透性和線粒體結(jié)構(gòu)被破壞，種子呼吸受抑，物質(zhì)代謝紊亂，貯藏物質(zhì)優(yōu)先用于受損胚細(xì)胞的生理修復(fù)[20-21]。

3.2 pH>3.0時酸雨對玉米幼苗的影響

袁志忠[22]等的試驗表明，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。說明在控制其他條件相同的情況下，酸性越強的酸雨對種子萌發(fā)的影響越大。pH=3.0和4.0時，八種玉米種子受到不同程度的影響，其中發(fā)芽率最低的是資玉2，發(fā)芽率分別為40%，46%，而發(fā)芽率最高的是鄭單958和蠡玉86，分別為82%，74%，隨著pH值的增大，酸雨對發(fā)芽率的抑制作用逐漸減少，這也符合崔興國的研究[23]。模擬酸雨沒有直接接觸玉米葉片，所以酸雨可能通過直接抑制根系的分化、生長以及根對營養(yǎng)物質(zhì)特別是礦質(zhì)離子的吸收，從而間接影響到整個植株其他器官生理功能[24]。酸雨對根和苗的抑制作用也隨著酸度增強而增大，且玉米的苗比根更容易受到酸雨的影響。

3.3 不同品種玉米幼苗對酸雨的耐性

鄭單958和蠡玉86種子萌發(fā)受到的抑制作用最小。種子萌發(fā)以后，用pH=5.0和6.0的模擬酸雨處理八種玉米的生長情況比較良好，pH=3.0和4.0的模擬酸雨對玉米有明顯的抑制作用。其中，登海605、鄭單958和蠡玉86在pH=4.0～6.0時模擬酸雨條件下種子發(fā)芽率較高，且根、苗生物量大于其他品種，葉片生長較好，說明這三種玉米的耐酸能力較其他品種更強。而資玉2和雅玉2受到酸雨脅迫作用影響最大，所以不適合種植在酸度較強的地區(qū)。酸雨除了影響玉米的各個器官及系統(tǒng)，還會造成玉米中的一些酶活性降低[23]。此外，酸雨對玉米種子萌發(fā)和幼苗生長的作用除了受酸度的影響外，還取決于酸雨的氮硫比以及土壤環(huán)境等[13,25]。

4 結(jié) 論

(1)酸雨對玉米種子萌發(fā)的抑制閾值為pH<4.0。在抑制范圍內(nèi)，玉米種子出現(xiàn)不能萌發(fā)或根、生物量減少的現(xiàn)象。

(2)八種玉米對酸雨都表現(xiàn)出一定的耐性，在pH5.0～6.0范圍內(nèi)，酸雨能提高部分玉米對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，在生長發(fā)育過程中起到了一定程度的促進(jìn)作用。

(3)通過對八種玉米種子的發(fā)芽率和幼苗生長指標(biāo)的對比，鄭單958、蠡玉86 和登海605比其他幾種玉米的耐酸能力更強。但是由于玉米在生長后期對酸雨的適應(yīng)能力可能會有所改變，還需要進(jìn)一步探究幼苗后期生長規(guī)律。