模擬酸雨脅迫對(duì)夏枯草種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的影響

郝國寶，常青山，張利霞，鄧超超，陳婉東，任 露，楚旭珂

(1.河南科技大學(xué)林學(xué)院，河南 洛陽 471000； 2.河南科技大學(xué)農(nóng)學(xué)院，河南 洛陽 471000；3.河南科技大學(xué)食品與生物工程學(xué)院，河南 洛陽 471000)

酸雨影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育及其品質(zhì)，是破壞生態(tài)系統(tǒng)、影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)全球性問題[1]。隨著改革開放和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國已經(jīng)成為繼歐洲、北美之后的第三大酸雨覆蓋區(qū)。酸雨在我國東北、華北大部、西南及華南等地區(qū)污染較重，其中長(zhǎng)江以南是我國酸雨污染最為嚴(yán)重的區(qū)域[2-4]。這些酸雨通過沉降到土壤中造成土壤酸化，影響農(nóng)作物的生長(zhǎng)，顯著降低種子的萌發(fā)并影響幼苗的生長(zhǎng)[5,6]。

夏枯草是一種常見中藥材，具有清火明目、散結(jié)消腫之功效，常用于治療甲狀腺腫大、急性黃疸，肝炎、淋巴結(jié)核等疾病[7]。在園林綠化中也可用作一種地被植物[8]。夏枯草多分布于河南、安徽、江浙以及西南和華南等地[7,9]，這些地方同時(shí)也是受酸雨污染較重的區(qū)域[10,11]，酸雨導(dǎo)致的土壤酸化極易影響夏枯草種子的萌發(fā)，進(jìn)一步影響其產(chǎn)量與品質(zhì)。目前，國內(nèi)外對(duì)夏枯草的研究多集中在藥理作用及化學(xué)成分上[12,13]，關(guān)于夏枯草種子萌發(fā)對(duì)酸雨脅迫的響應(yīng)研究相對(duì)較少。因此，本研究以夏枯草種子為試材，研究不同pH值的模擬酸雨對(duì)夏枯草種子萌發(fā)影響，為在酸雨地區(qū)進(jìn)行夏枯草種子播種育苗提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材 料

研究材料夏枯草種子采于河南南陽，模擬酸雨溶液采用硫酸與硝酸摩爾濃度5∶1進(jìn)行配制[14]。

1.2 方 法

篩選足量的籽粒飽滿、大小一致的夏枯草種子，先用0.1%的氯化汞消毒12 min，然后用蒸餾水沖洗4次，在濾紙上晾干備用。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)1個(gè)對(duì)照組(ck)，以不添加酸液的蒸餾水處理作為對(duì)照；6個(gè)處理組，分別為pH 4.5、4.0、3.5、3.0、2.5和2.0的模擬酸雨溶液。每組均設(shè)4個(gè)重復(fù)。每個(gè)培養(yǎng)皿中預(yù)先放入2張高溫消毒后的濾紙，然后放50粒消毒后晾干的夏枯草種子，保持間距一致，在對(duì)照組中每天添加蒸餾水，在處理組中添加前述設(shè)計(jì)的模擬酸雨溶液，記錄培養(yǎng)皿總重，然后放于光照培養(yǎng)箱(GXZ 280型光照培養(yǎng)箱，寧波江南儀器制造廠生產(chǎn))中進(jìn)行培養(yǎng)，設(shè)定溫度為21 ℃，光照強(qiáng)度為66%，晝夜交替時(shí)間各12 h。在種子萌發(fā)過程中，每天稱重并及時(shí)補(bǔ)充蒸發(fā)掉的水分，以保持各處理溶液濃度不變，其中每2 d更換1次酸脅迫處理溶液。每隔24 h，記錄種子的發(fā)芽情況。在光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)15 d后，隨機(jī)抽取15株夏枯草幼苗，先測(cè)定幼苗晾干后的鮮重，然后測(cè)量胚根長(zhǎng)與胚芽高，并計(jì)算根芽長(zhǎng)度比，未萌發(fā)種子不測(cè)量相關(guān)指標(biāo)。

圖1 不同濃度模擬酸雨脅迫處理對(duì)夏枯草種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及根芽比。

運(yùn)用SPSS 16.0軟件進(jìn)行多重比較(Duncan)分析并計(jì)算平均值與標(biāo)準(zhǔn)差。采用隸屬函數(shù)法[14,15]對(duì)模擬酸脅迫下夏枯草種子萌發(fā)能力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬酸雨脅迫下夏枯草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)

發(fā)芽率是反映種子品質(zhì)優(yōu)劣的重要指標(biāo)，而發(fā)芽勢(shì)是表征種子活力的指標(biāo)。從圖1(A、B)可知，從pH 4.5下降到pH 2.0，夏枯草種子的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)均呈逐漸下降的趨勢(shì)。pH 4.5～2.5處理下的發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照相比差異不顯著；其中pH 4.5～4.0處理下的發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)較高，顯著高于pH 2.5～2.0處理，高于pH 3.5～3.0及對(duì)照但相比差異不顯著。pH 2.0處理下的發(fā)芽率與發(fā)芽勢(shì)顯著低于對(duì)照及其它酸雨脅迫處理。

隨著pH值的降低，夏枯草的發(fā)芽指數(shù)呈降低的趨勢(shì)。pH 3.0～2.0處理的發(fā)芽指數(shù)顯著低于對(duì)照處理，且pH 2.0處理的下降幅度最大，其他處理與對(duì)照差異不顯著(圖1 C)。夏枯草的活力指數(shù)隨pH值的降低呈先升高后降低的趨勢(shì)。pH 3.0～2.0處理顯著低于對(duì)照處理，其中pH 2.5與pH 2.0處理下的活力指數(shù)下降幅度最大。pH 4.5～3.5處理與對(duì)照差異不顯著(圖1 D)。

2.2 模擬酸雨脅迫下夏枯草種子幼苗生長(zhǎng)的影響

從圖2(A)來看，隨著pH值的降低，各處理的鮮重呈先升高后降低的趨勢(shì)。在pH 4.5與4.0處理下的夏枯草幼苗鮮重與對(duì)照相比有所提高，但差異不顯著。在pH 3.5～2.0處理下的夏枯草鮮重均顯著低于對(duì)照和pH 4.5～4.0處理，其中pH 2.5～2.0處理下降幅最大(圖2 A)。夏枯草的胚根長(zhǎng)隨著pH的下降呈先升高后下降的趨勢(shì)，pH 4.5～3.5處理下的酸雨對(duì)夏枯草的胚根生長(zhǎng)有一定促進(jìn)作用，高于對(duì)照但與對(duì)照差異不顯著。pH 3.0～2.0處理與對(duì)照的胚根長(zhǎng)差異顯著，其中pH 2.5處理下夏枯草胚根幾乎不能生長(zhǎng)，而在pH 2.0處理下夏枯草胚根的生長(zhǎng)受到完全抑制(圖2 B)。

酸雨處理下夏枯草的胚芽長(zhǎng)表現(xiàn)出一直下降的趨勢(shì)。pH 4.5～4.0處理低于對(duì)照，但差異不顯著。pH 3.5～2.0處理與對(duì)照的胚芽長(zhǎng)差異顯著，且下降幅度明顯，在pH 2.0處理下的夏枯草種子胚芽生長(zhǎng)受到完全抑制(圖2 C)。

夏枯草的根芽比數(shù)據(jù)隨著pH的下降呈先升高后下降的趨勢(shì)，pH 3.5～3.0處理下的根芽比最高，且顯著高于對(duì)照及其它各處理，其次是pH 4.0處理下的根芽比。pH 4.5處理下的根芽比與對(duì)照相比升高但差異未達(dá)顯著水平。pH 2.5～2.0處理與對(duì)照的根芽比差異顯著，且下降幅度較大(圖2 D)。

2.3 綜合評(píng)定

為了克服單一指標(biāo)片面性的缺點(diǎn)，引入隸屬函數(shù)對(duì)不同酸雨脅迫下的夏枯草種子的萌發(fā)進(jìn)行綜合評(píng)定[16]。從表1可知，不同酸雨脅迫對(duì)夏枯草種子萌發(fā)能力影響濃度為：pH 4.0>pH 4.5>ck>pH 3.5>pH 3.0>pH 2.5>pH 2.0。綜合評(píng)定值pH 4.0處理最大，pH 2.0處理最低。說明適當(dāng)濃度的酸雨脅迫(pH 4.5～4.0)對(duì)夏枯草種子的萌發(fā)具有一定的促進(jìn)能力，而過重的酸雨脅迫(pH 2.0)則會(huì)抑制夏枯草種子的萌發(fā)。

圖2 不同濃度模擬酸雨脅迫處理對(duì)夏枯草種子鮮重、胚根長(zhǎng)、胚芽長(zhǎng)與根芽比的影響

表1 不同濃度模擬酸雨對(duì)夏枯草種子萌發(fā)影響的隸屬函數(shù)值

3 討 論

pH 4.0與pH 5.6的酸雨可以提高三葉鬼針草的萌發(fā)率，而pH 4.0的酸雨還可以增加幼苗苗高和生物量[17]。pH 4.5以上的酸雨可以促進(jìn)油菜幼苗生物量的增加，其中pH 5.0的總干重顯著高于對(duì)照處理[18]。大豆在pH 4.5的酸雨處理下，其株高和生物量等指標(biāo)得以提高[19]。pH 4.0的酸雨可以促進(jìn)北美喬松干重生物量以及松針長(zhǎng)度[20]。在本研究中，pH 4.5～4.0處理下，夏枯草種子除胚芽長(zhǎng)與根芽比外的各指標(biāo)均高于對(duì)照處理，表明適當(dāng)pH的酸雨不但沒有對(duì)夏枯草種子萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用，相反還有一定的促進(jìn)作用。原因可能在于模擬酸雨的主要成分是硫氧化物與氮氧化物，適量氮氧化物可以為植物生長(zhǎng)提供氮源，具有一定的施肥作用[21,22]，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。

在pH 3.0處理下，夏枯草種子的發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、鮮重、胚根長(zhǎng)及胚芽長(zhǎng)均顯著低于對(duì)照，但是該處理下夏枯草種子的萌發(fā)受到影響較小，可以正常萌發(fā)成苗，說明夏枯草種子的萌發(fā)可以耐受pH 3.0的模擬酸雨。

與對(duì)照相比，pH 2.5的酸雨脅迫下的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)雖然有所降低，但降幅較小，而其活力指數(shù)、鮮重與胚根長(zhǎng)等指標(biāo)下降幅度較大，說明此條件嚴(yán)重影響夏枯草幼苗的生長(zhǎng)，盡管其可以發(fā)芽，但幼苗不能成活。本研究發(fā)現(xiàn)，該處理下的夏枯草的根由于受到嚴(yán)重抑制，在最后多數(shù)變黑甚至腐爛，其幼苗最后全部死亡。

pH 2.0的酸雨脅迫下，夏枯草所有的萌發(fā)指標(biāo)與生長(zhǎng)指標(biāo)均為0，夏枯草種子在該條件下不能萌發(fā)。這與4種草坪草在pH 2.0處理下[15,23]，莖瘤芥種子在pH 2.0處理下[24]，花生種子在pH 2.0處理下[25]，小麥種子在pH 1.0[26]和紫莖澤蘭種子在pH 2.5[27]處理下的表現(xiàn)類似，表現(xiàn)出種子的萌發(fā)被完全抑制。盡管每種植物種子萌發(fā)完全受抑制的最低pH值各有不同，但結(jié)果均表現(xiàn)為種子萌發(fā)被完全抑制，原因可能在于極低的酸雨脅迫會(huì)引起胚細(xì)胞死亡[28,29]，其萌發(fā)受到完全抑制。

綜合分析認(rèn)為，pH 4.5～4.0的酸雨處理對(duì)夏枯草種子的萌發(fā)與幼苗的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。夏枯草種子在pH≥3.0的環(huán)境下可以正常萌發(fā)并成苗，pH 2.5酸雨脅迫下其種子雖能萌發(fā)，但不能正常生長(zhǎng)成為幼苗，在pH 2.0處理下完全不能萌發(fā)。而隸屬函數(shù)分析表明：模擬酸雨脅迫對(duì)夏枯草種子發(fā)芽能力影響效果由大到小依次為：pH 4.5>pH 4.0>ck>pH 3.5>pH 3.0>pH 2.5>pH 2.0。本研究中，在pH 4.5～3.0處理下夏枯草種子可以正常萌發(fā)成苗，更低的pH則抑制夏枯草種子的萌發(fā)，說明夏枯草種子的萌發(fā)對(duì)模擬酸雨具有一定耐性。