模擬酸雨對拉巴豆的生理生態(tài)特性的影響

喻佳媛，楊知建，徐華勤，歐陽玲

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)科學(xué)研究所，湖南 長沙 410128)

模擬酸雨對拉巴豆的生理生態(tài)特性的影響

喻佳媛，楊知建，徐華勤，歐陽玲

(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)科學(xué)研究所，湖南 長沙 410128)

采用盆栽法，研究了在pH 2.5,3.5,4.5和5.6模擬酸雨淋溶條件下，拉巴豆種子萌發(fā)、生長、光合特性和酶活性等生理生態(tài)特性的變化。結(jié)果表明：在模擬酸雨脅迫下，隨著pH的下降，拉巴豆種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、地上部鮮重、根長、根鮮重和葉片POD活性均減?。恢旮咴鲩L率、凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和蒸騰速率均先增大后減??；葉片SOD和CAT活性均增大。在pH≤2.5的模擬酸雨生存條件下，拉巴豆種子的萌發(fā)和生長受到顯著抑制(P<0.05)。

拉巴豆；模擬酸雨；種子萌發(fā)；光合特性；酶

酸雨是指pH<5.6的雨水，是我國現(xiàn)階段面臨的嚴(yán)重環(huán)境污染問題，也是影響世界生態(tài)環(huán)境最主要問題之一。近年來我國酸雨分布以城市為中心向農(nóng)村蔓延，長江以南降水以pH<4.5為主，年均降水pH 5.6的區(qū)域已占國土總面積的40%，已成為我國酸雨中心之一[1-2]。酸雨脅迫會對植物產(chǎn)生嚴(yán)重危害，表現(xiàn)為加快呼吸速率，降低蒸騰速率，降低酶活性，降低葉綠素含量等，另外，酸雨抑制種子的萌發(fā)和幼苗生長，導(dǎo)致植物葉片膜透性增加[3-11]。

拉巴豆(Dolichoslablab)是高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草，原產(chǎn)澳大利亞，具有良好的適應(yīng)性和抗逆性，具晚熟特性，能耐短期高溫和霜凍，適宜在湖南、湖北等夏季短期高溫、冬季寒冷的過渡性氣候帶栽培，有效補充了南方豆科牧草的不足，并可以補充夏季飼料作物和冬季飼料作物交替造成的飼料斷檔。中國南方地區(qū)是酸雨污染重災(zāi)區(qū)[12-14]，強大的酸雨背景和土壤酸化現(xiàn)象必然對拉巴豆的推廣栽培產(chǎn)生影響，但目前有關(guān)酸雨對拉巴豆生理生態(tài)的影響報道不多。因此，通過設(shè)置不同pH的模擬酸雨噴淋拉巴豆，測定模擬酸雨脅迫下其生理生態(tài)特性反應(yīng)，為拉巴豆在南方地區(qū)的推廣和應(yīng)用提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

試驗在湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)科學(xué)研究所試驗基地進(jìn)行，供試材料拉巴豆品種為潤高，由美國百綠集團(北京)公司提供，于2014年3月18日播種。

1.2 酸雨配置與材料培養(yǎng)

根據(jù)長沙市酸雨污染特征[15]，以硫酸根和硝酸根摩爾比3.68配置模擬酸雨母液，通過蒸餾水用pHB-4 pH計調(diào)節(jié)成2.5、3.5、4.5和5.6共4組處理，其中pH 5.6(CK)為自來水；pH 4.5表示未來酸雨改善情況；pH 3.5與目前長沙酸雨組成成分相近；pH 2.5表示未來酸雨加重的情況。

隨機抽取拉巴豆種子550粒，將種子用75%的酒精和1%HgCl2消毒19 min，無菌沖洗5～6次后，間隔整齊地排列于高溫消毒后的培養(yǎng)皿內(nèi)(墊有濾紙)。每皿放50粒種子，每個酸雨濃度重復(fù)3次，置于16～20 ℃的恒溫箱發(fā)芽。每天滴模擬酸雨2～3次，不使濾紙干涸。

種子消毒后，在育苗盒中發(fā)芽生長，育苗盒土壤為風(fēng)干菜園土壤，每天澆灌不同濃度的模擬酸雨100 mL/盒，長出4片真葉后，選擇各濃度生長均勻一致的拉巴豆幼苗，移栽至塑料盆(高20 cm×寬25 cm)；每盆裝過5 mm篩孔的菜園土壤5 kg。移植于湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)基地種植槽，搭置通風(fēng)擋雨的塑料棚。采用人工噴霧器均勻噴灑模擬酸雨至葉面和土壤，根據(jù)長沙市常年月均降水量確定模擬酸雨噴淋量，1次/d噴灑，噴淋量約120 mL/盆。培養(yǎng)持續(xù)3個月，由苗期至成熟期，常規(guī)田間管理，每盆1株，每個濃度酸雨重復(fù)5次。

1.3 觀測項目與方法

發(fā)芽勢、發(fā)芽率測定：拉巴豆種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，有正常的，比種子本身長的幼根，最少有一個子葉與幼根連接的，才能列為發(fā)芽種子。記錄1～10 d種子發(fā)芽的數(shù)量，第10 d結(jié)束；于拉巴豆種子發(fā)芽率的測定實驗中，取1～5 d的發(fā)芽種子數(shù)來計算種子發(fā)芽勢。

株高測定：試驗期間，每7 d記錄一次不同濃度模擬酸雨條件下拉巴豆株高，計算株高增長率，持續(xù)3個月，由苗期至成熟期，各濃度的模擬酸雨取3株測定。

地上部鮮重、根長、根鮮重的測定：模擬酸雨結(jié)束噴灑后的第2 d，不同濃度模擬酸雨各取3株，對每株材料進(jìn)行地上部鮮重、根長、根鮮重的測定。

超氧化物歧化酶(SOD)、過氧化氫酶(CAT)和過氧化物酶(POD)活性采用南京建成生物工程研究所研制的活性測定試劑盒測定。

模擬酸雨結(jié)束噴灑后的第2 d，選擇每株材料從頂端向下的第3葉，中間葉和從底部向上的第3葉，共9小葉，使用美國Li-cor公司LI-6400XT光合儀進(jìn)行凈光合速率(Pn)、胞間CO2濃度(Ci)、氣孔導(dǎo)度(Gs)和蒸騰速率(Tr)的測定[16]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 16.0軟件對所測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，用平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差表示測定結(jié)果，分別對不同模擬酸雨淋溶條件下的拉巴豆處理進(jìn)行單因素方差分析，并用Duncan法對各測定數(shù)據(jù)進(jìn)行多重比較；Word 2007制圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨對拉巴豆發(fā)芽率、發(fā)芽勢和生長的影響

隨著pH的下降，各處理拉巴豆發(fā)芽率和發(fā)芽勢均降低(表1)。與對照相比pH 2.5和pH 3.5的發(fā)芽勢分別下降了57.14%，22.86%，發(fā)芽率下降了21.43%和9.52%，均差異顯著(P<0.05)。pH 4.5的發(fā)芽勢、發(fā)芽率差異不顯著。pH 2.5、pH 3.5、pH 4.5處理地上部鮮重比對照分別減少了15.20%、11.56%和11.23%；差異顯著(P<0.05)；pH 2.5和pH 3.5的處理根長比對照分別減少了13.35%和18.55%，根鮮重比對照分別減少了48.69%和46.16%。差異顯著(P<0.05)。模擬酸雨對株高的影響不明顯，其中pH 4.5處理的株高最高，比對照增加了0.19%，只有pH 2.5處理有差異顯著(P<0.05)；說明強酸性的酸雨對拉巴豆的種子萌發(fā)，株高、地上部鮮重、根長和根鮮重增長有一定的抑制作用。

表1 模擬酸雨處理下拉巴豆生長指標(biāo)Table1 Effects of simulation acid rain on growth characteristics of Dolichos lablab

注：數(shù)據(jù)均以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2 模擬酸雨對拉巴豆生理特性的影響

2.2.1 模擬酸雨對拉巴豆光合特性的影響 模擬酸雨對拉巴豆凈光合速率、氣孔導(dǎo)度，胞間CO2濃度和蒸騰速率的影響隨著pH的降低呈先增后減趨勢(表2)。與對照相比，pH 4.5處理下拉巴豆凈光合速率和蒸騰速率總含量是對照的103.54%和101.39%，并沒有顯著差異，氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度總含量是對照的1.16倍和1.75倍，有顯著差異(P<0.05)；pH 3.5和pH 2.5的拉巴豆的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度，胞間CO2濃度和蒸騰速率均降低，且差異顯著(P<0.05)，說明高濃度的酸雨對拉巴豆光合特性有較大的抑制。

2.2.2 模擬酸雨對拉巴豆葉片SOD，CAT和POD活性的影響 隨著pH的下降，各處理拉巴豆葉片的SOD和POD活性均增大(表3)。pH 4.5的SOD，POD和CAT活性分別高于對照60.60%，35.48%和288.52%；pH 3.5的SOD，POD和CAT活性分別高于對照87.87%，48.68%和216.30%；pH 2.5的SOD，POD和CAT活性分別高于對照127.13%，106.75%和113.62%，變化差異均顯著(P<0.05)?？梢姴煌瑵舛鹊乃嵊陮投谷~片內(nèi)酶的含量有不同影響，隨著酸脅迫的加重，拉巴豆葉片的CAT活性呈先增加后降低的趨勢。

表2 模擬酸雨處理下拉巴豆的光合特性Table3 Effects of simulation acid rain on photosynthetic characteristics of Dolichos lablab

表3 模擬酸雨處理下拉巴豆的SOD，CAT和POD活性Table3 Effects of simulated acid rain on superoxide dismutase activity，peroxidase activity and catalase activity of Dolichos lablab U/(g·min)

3 討論與結(jié)論

試驗結(jié)果表明，模擬酸雨對拉巴豆種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢及生長均有明顯抑制效應(yīng)。其中，pH 4.5處理下種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率和株高增長率、根長、根鮮重與對照相比雖有下降，但無顯著差異，這與閆榮玲等[17]的研究結(jié)果一致。柳若安等[18]同樣發(fā)現(xiàn)，馬尾松在 pH 3.5～5.5時能正常生長，認(rèn)為馬尾松有一定的耐酸性，試驗中，pH 4.5組酸雨條件下，拉巴豆凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、蒸騰速率和胞間CO2濃度與對照相比均升高，可見pH 4.5濃度的弱酸雨對拉巴豆的光合特性有一定的促進(jìn)作用，表明拉巴豆有一定的耐酸性。

植物細(xì)胞受到脅迫時，植物體內(nèi)SOD，CAT和POD 3種重要保護(hù)性酶保護(hù)細(xì)胞膜系統(tǒng)免受損傷[19]。SOD催化O2-形成H2O2，其最終被消除主要依賴于CAT完成，此外POD等保護(hù)酶也承擔(dān)部分H2O2的清除。H2O2的積累往往導(dǎo)致CAT消耗或失活[20]。試驗中，在模擬酸雨脅迫下，隨著pH的降低，拉巴豆葉片的SOD和POD活性均增加，而CAT活性先增后降，表明在一定的酸雨脅迫范圍內(nèi)，CAT活性增加。石福臣等[21]研究表明，活性氧增加往往是由于逆境脅迫，有關(guān)的保護(hù)酶類如POD、SOD等活性隨著活性氧的產(chǎn)生而升高，另一方面活性氧直接破壞生物大分子，使酶活性喪失。

關(guān)義新等[22]研究認(rèn)為，中、強度酸雨降低了植物的蒸騰速率并使氣孔阻抗增高，同樣，試驗發(fā)現(xiàn)pH 3.5、pH 2.5組拉巴豆的蒸騰速率降低，種子的萌發(fā)和植株的生長受到顯著的抑制。但有關(guān)拉巴豆在酸雨脅迫下的生理指標(biāo)動態(tài)變化與酸雨酸度變化的關(guān)系還有待進(jìn)一步深入研究。

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Effects of simulated acid rain on physiological and ecologi calcharacteristics of theDolichoslablab

YU Jia-yuan，YANG Zhi-jian，XU Hua-qin，OUYANG Ling

(PrataculturalinstituteofHunanagriculturaluniversity,Hunan,Changsha410128，China)

The paper stuided the effect of simulated acid rain with pH of 2.5,3.5,4.5 and 5.6 onDolichoslablabin pots.The seed germination,growth,photosynthetic characteristics and enzmye activity were measured under a simulated acid rain stress.The results showed that the seed germination rate,shoot fresh weight,root length,root fresh weight and leaf POD activity of Dolichos lab lab were reduced with decreasing pH value. The height growth,net photosynthetic rate,stomatal conductance,intercellular CO2concentration and transpiration rate were firstly increased and then decreased;SOD activity in leaves and CAT activity were increased.Under the conditions with pH≤2.5,the seed germination and plant growth ofDolichoslablabwas significantly inhibited.

Dolichoslablab;simulated acid rain;photosynthetic characteristics;seed germination;enzyme

2015-03-30；

2015-05-27

國家自然科學(xué)基金(31100382)資助

喻佳媛(1990-)，女，廣東深圳人，在讀碩士生。 E-mail：408230584@qq.com 徐華勤為通訊作者。

S 543.9

A

1009-5500(2015)04-0066-04