酸雨脅迫對水稻萌芽及幼苗生長的影響

林妙君，林敏丹，許展穎，馮婷詩，陳小梅

（1.廣州大學(xué)地理科學(xué)與遙感學(xué)院，廣東 廣州 510006；2.廣州市少年宮，廣東 廣州 510170）

【研究意義】酸雨通常指pH 值小于5.6 的大氣降水［1］。隨著工業(yè)化發(fā)展的加快，大量煤炭、石油、天然氣等化石燃料被燃放，其產(chǎn)生的SO2、NOX等酸性物質(zhì)導(dǎo)致區(qū)域降水酸化，并造成了嚴(yán)重的環(huán)境問題［2-3］。我國酸雨主要分布在長江以南—云貴高原以東地區(qū)，主要包括浙江、上海的大部分地區(qū)、福建北部、江西中部、湖南中東部、廣東中部和重慶南部，2019 年，酸雨區(qū)面積約47.4 萬km2，占國土面積的5.0%，出現(xiàn)酸雨的城市占全國的33.3%［4］。酸雨作為一種氣象災(zāi)害，對農(nóng)作物的生長發(fā)育具有很大的影響。酸雨可致農(nóng)作物大幅度減產(chǎn)和品質(zhì)下降［3］，嚴(yán)重影響糧食安全。水稻是全球約50%人口的主糧，在保障人類糧食安全方面發(fā)揮著核心作用［5］。同時水稻也是我國最重要的糧食作物之一，2021年其產(chǎn)量占全國糧食總產(chǎn)量的43.8%［6］。研究酸雨對水稻萌發(fā)與生長的影響，對指導(dǎo)水稻種植業(yè)的生產(chǎn)，減少經(jīng)濟損失具有一定的價值?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】陶忠玲等［7］研究發(fā)現(xiàn)酸雨對水稻的傷害閾值為pH 3.0～3.5，pH 2.0～2.5 時水稻種子不能萌發(fā)。王麗紅等［8-9］將酸雨脅迫對水稻傷害機理的研究擴展到水稻保護(hù)酶層面，發(fā)現(xiàn)高強度酸雨脅迫下，水稻種子的過氧化氫酶活性和過氧化物酶活性均受到明顯抑制。王艾平等［10］研究發(fā)現(xiàn)，水稻種子發(fā)芽率、種子貯藏物質(zhì)消耗率和運轉(zhuǎn)效率均隨pH 值降低而降低，顯著抑制水稻種子萌發(fā)、貯藏物質(zhì)消耗率及貯藏物質(zhì)運轉(zhuǎn)效率的pH 閾值均為5.0。朱迎迎等［11］研究發(fā)現(xiàn)，酸雨會抑制水稻分蘗期的生長，但高效葉面肥和稀土微肥可以緩解水稻因酸雨脅迫產(chǎn)生的創(chuàng)傷。Zhang 等［12］研究表明，水稻幼苗根系形態(tài)對酸雨的適應(yīng)與水稻根系對微量養(yǎng)分的吸收有關(guān)。Wang 等［13］研究表明，弱酸條件對水稻萌芽無顯著影響，而強酸脅迫下細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過氧化反應(yīng)，導(dǎo)致生理損傷并抑制水稻種子發(fā)芽。Sreesaeng 等［14］研究發(fā)現(xiàn)，pH 2.5、pH 3.5、pH 4.5 酸雨脅迫下水稻種子發(fā)芽率降低，幼苗根長、根冠比、冠根顯著下降。雖然國內(nèi)外關(guān)于酸雨脅迫對水稻生長發(fā)育的影響已有一定研究，但大多僅單獨對水稻萌芽期或者分蘗期展開研究，或?qū)γ妊科诤头痔Y期測度指標(biāo)較為單一。關(guān)于水稻在萌芽期與分蘗期兩個階段對酸雨脅迫的響應(yīng)機制仍然不清晰?！颈狙芯壳腥朦c】本研究將連續(xù)監(jiān)測不同強度酸雨脅迫處理水稻萌芽期和分蘗期的多個生理指標(biāo)，以探究酸雨脅迫下水稻種子萌發(fā)和植株生長狀況?！緮M解決的關(guān)鍵問題】選擇美香占2 號秈稻種子為研究對象，設(shè)置不同pH（pH 3.5、pH 4.0、pH 4.5、pH 5.0 和pH 6.0）的模擬酸雨脅迫強度，依托萌芽期培養(yǎng)皿和分蘗期盆栽試驗，對比不同強度酸雨脅迫下水稻萌芽期和分蘗期各項生理指標(biāo)差異，揭示酸雨脅迫對水稻種子萌芽和植株生長的影響，為水稻生產(chǎn)提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試水稻品種為華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院提供的美香占2 號。取均勻飽滿的美香占2 號秈稻種子，用0.1%氯化汞溶液浸泡消毒5 min，并用超純水洗凈，在常溫下晾干備用。

供試土壤采自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)實驗基地的農(nóng)田，為人工水稻土，質(zhì)地屬壤土，土壤pH 為6.10。每10 kg 實驗水稻土施尿素2.2 g、KCl 1.4 g、Ca（H2PO4）23.4 g 作為土壤肥料，混合攪拌均勻，制備待用。

參照當(dāng)前酸雨酸度和酸根離子比例，用pH 1.0的硫酸與硝酸母液，按硫酸根與硝酸根比為4.7∶1配制成模擬酸雨母液［7-9］，將母液稀釋成pH 3.5、4.0、4.5、5.0、6.0（CK）等5 個強度的模擬酸雨溶液，并用pH 計（SX-620 型筆式pH 計，上海三信儀表廠）校準(zhǔn)。

1.2 試驗方法

1.2.1 萌發(fā)期培養(yǎng)皿試驗 試驗于2017 年7 月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)樓實驗室進(jìn)行，設(shè)置pH 3.5、4.0、4.5、5.0 等4 個模擬酸雨處理和pH 6.0 對照（CK），每個處理5 次重復(fù)，每個重復(fù)1 皿。選取1 250 粒籽粒飽滿的水稻種子，每皿各50 粒平鋪于墊有兩層濾紙的培養(yǎng)皿中并逐一編號，加入對應(yīng)pH 值的模擬酸雨溶液。將所有處理置于人工氣候箱（RXZ-500D 智能人工氣候箱，寧波東南儀器有限公司）中催芽。人工氣候箱設(shè)置兩個時段，分別模擬白天和夜晚，白天工作時間12 h，溫度30（±1）℃，相對濕度70%，光照強度3 000 lx；夜晚工作時間12 h，溫度28（±1）℃，相對濕度70%，光照強度0 lx。處理后連續(xù)7 d 記錄種子發(fā)芽數(shù)，并于試驗結(jié)束后收集發(fā)芽種子進(jìn)行幼苗鮮重、幼苗苗長等相關(guān)指標(biāo)測定。整個試驗過程中每天更換酸液，保持濾紙濕潤。

1.2.2 分蘗期盆栽試驗 在水稻種子萌芽完成、發(fā)芽率趨于穩(wěn)定后，從各處理每個培養(yǎng)皿中分別選取3 株幼苗，苗長約6 cm，長勢相近。將幼苗分別轉(zhuǎn)移到盛有500 g 試驗用土的植株培養(yǎng)杯中，并逐一編號。土壤預(yù)先進(jìn)行對應(yīng)pH（3.5、4.0、4.5、5.0）處理的模擬酸雨溶液完全浸泡并攪拌均勻，液面沒過土壤面約1 cm。所有培養(yǎng)杯置于人工氣候箱中培養(yǎng)，參數(shù)設(shè)置同培養(yǎng)皿試驗一致。

分蘗后13、20、27 d 分別進(jìn)行第一、二、三次破壞性采樣，采集植株樣本并記錄植株株高、根長、鮮重、干重和葉綠素含量等相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗過程跟蹤觀察并定期加入對應(yīng)酸液，保持液面沒過土壤面約1 cm。

1.3 測定指標(biāo)及方法

水稻種子萌芽指標(biāo)測定嚴(yán)格按《種子檢驗原理和技術(shù)》［15］進(jìn)行，水稻種子萌芽標(biāo)志為幼芽達(dá)種子長度的1/2，幼根與種子等長。從酸雨脅迫后連續(xù)7 d 測算當(dāng)天每皿種子的發(fā)芽數(shù)量，7 d 后統(tǒng)計種子的萌芽指標(biāo)（發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)）。葉綠素相對含量由葉綠素測定儀（SPAD-502 Plus 型葉綠素測定儀）測定，每組葉片重復(fù)測5 次。

式中，Ni為第i天發(fā)芽數(shù)，N為種子總數(shù)，Gt為不同時間的發(fā)芽數(shù)量，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)，S為試驗結(jié)束后一株幼苗的平均鮮重。

試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析制圖采用Microsoft Office Excel 2016、SPSS 22.0 及origin2018 軟件，采用最小顯著性差異法（LSD）進(jìn)行不同處理間的差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同強度酸雨脅迫對水稻種子萌發(fā)的影響

2.1.1 對水稻種子萌芽的影響 不同酸強度處理水稻種子發(fā)芽率（處理后7 d）基本隨著pH 上升而增加（表1），但不同時間各處理的發(fā)芽率有所差異（圖1）。其中，處理后3 d，發(fā)芽率隨pH 增加而增加，CK 發(fā)芽率明顯高于其他處理；處理后4 d，CK 發(fā)芽率與其他處理差距縮小，pH 3.5 處理對發(fā)芽率抑制明顯；處理后5 d，不同酸處理之間差距縮小，pH 4.5 處理發(fā)芽率高于CK；處理后6 d，不同酸處理差距進(jìn)一步縮??；處理后7 d，不同酸處理水稻種子發(fā)芽率均達(dá)到90%以上，且CK 高于其他處理。發(fā)芽指數(shù)pH 5.0、pH 4.5 處理與CK 差異不顯著，pH 4.0、pH 3.5 處理發(fā)芽指數(shù)急劇下降，降幅分別為9.55%和14.49%，均與CK 差異顯著；活力指數(shù)pH 5.0、pH 4.5處理與CK差異顯著，但二者間差異不顯著，pH 4.0、pH 3.5 處理分別降低16.45%和31.82%?？傮w上，中低強度酸雨脅迫對水稻種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)影響較小，高強度酸雨脅迫則影響較大。

圖1 不同處理時間水稻種子發(fā)芽率Fig.1 Germination rates of rice seeds in different treatment

表1 不同強度酸雨脅迫對水稻萌芽指標(biāo)（處理后7 d）的影響Table 1 Effects of acid rain stress with different intensities on germination indexes of rice (after treatment for 7 days)

2.1.2 對水稻幼苗長度的影響 苗長抑制指數(shù)能夠直觀反映酸雨對種子萌發(fā)的抑制強度。由表2 可知，pH 3.5、pH 4.0 處理幼苗苗長顯著低于CK，苗長抑制指數(shù)分別為11.21%和6.19%；pH 4.5 處理抑制指數(shù)為3.24%，但與CK 差異不顯著；pH 5.0 處理幼苗苗長略有增加。表明高強度酸雨脅迫對幼苗苗長有一定的抑制作用，但中低強度酸雨脅迫對其影響不明顯。

表2 不同強度酸雨脅迫對幼苗苗長和抑制指數(shù)的影響Table 2 Effects of acid rain stress with different intensities on average seedling length and inhibition index of seedlings

2.2 不同強度酸雨脅迫對分蘗期水稻生長的影響

2.2.1 對水稻株高和根長的影響 酸雨脅迫下，美香占2 號在分蘗期受到一定程度的抑制作用，這種抑制作用直觀反映在各項生理指標(biāo)上。由圖2 可知，分蘗期3 次采樣結(jié)果中，不同酸強度處理水稻株高和根長均隨時間增加而有所增加，但增長速度有所差異，其中pH 3.5、4.0 處理水稻株高增速極為緩慢，在分蘗20～27 d 幾乎停止增長，而pH 4.5、5.0 處理和CK 則增長較快，且pH 5.0處理增幅高于CK。分蘗13～20 d，pH 5.0 處理水稻根長增幅明顯高于其他處理，其他各處理增幅差距較??；分蘗20～27 d，pH 3.5、4.0 處理根長受抑制明顯，增幅明顯下降。

由圖2、表3 可知，分蘗期27 d，pH 3.5、pH 4.0 處理水稻株高顯著低于CK，株高抑制指數(shù)分別為16.16%和13.83%，pH 4.5、pH 5.0 處理顯著高于CK，株高抑制指數(shù)分別為9.29%和13.46%。pH 3.5、pH 4.0 處理水稻根長與CK 差異顯著，根長抑制指數(shù)分別為15.92%和14.77%；pH 4.5、pH 5.0 處理水稻根長與CK 差異不顯著，pH 4.5 處理根長反而略有增長。

圖2 不同強度酸雨脅迫對分蘗期水稻株高和根長的影響Fig.2 Effects of acid rain stress with different intensities on plant height and root length of rice at tillering stage

表3 分蘗27 d 水稻株高、根長和抑制指數(shù)Table 3 Plant height,root length and inhibition index of rice at the 27th day of tillering stage

上述結(jié)果表明，高強度酸雨脅迫對分蘗期水稻生長有明顯的抑制作用，而低強度酸雨脅迫對水稻的生長有一定的刺激和促進(jìn)作用。

2.2.2 對葉片葉綠素含量的影響 葉綠素是一類與植物光合作用有關(guān)的最重要的色素，其含量的增加可以增強光合作用并產(chǎn)生更多有機物，從而促進(jìn)植物生長發(fā)育，反之則會阻礙植物生長［16］。因此測量不同強度酸雨脅迫下美香占2 號幼苗分蘗期葉片葉綠素含量的異同可用以研究逆境中植物的生理狀況。由圖3 可知，不同酸強度處理水稻葉片葉綠素含量隨著生長時間延長均有不同程度的增加，但增幅（累計）有所不同，其中pH 3.5、pH 4.0 處理增幅較小、僅為5.47% 和9.69%，CK增幅為17.32%，而pH 4.5、pH 5.0處理增幅高達(dá)27.38%和37.30%。分蘗27 d，pH 4.5、pH 5.0 處理葉綠素含量顯著高于CK（23.91 SPAD）、分別達(dá)到26.13 SPAD 和27.13 SPAD，而pH 3.5、pH 4.0 處理葉綠素含量顯著低于CK、僅為20.05 SPAD 和20.60 SPAD。表明高強度酸雨脅迫對水稻葉片葉綠素含量增加有較大的負(fù)面影響，但低強度酸雨脅迫對水稻葉片葉綠素含量增加反而有一定的促進(jìn)作用。

圖3 不同強度酸雨脅迫對分蘗期水稻葉片葉綠素含量的影響Fig.3 Effects of acid rain stress with different intensities on the chlorophyll content of rice leaves at tillering stage

3 討論

3.1 酸雨脅迫對水稻種子萌芽的影響

種子萌發(fā)是植物生長發(fā)育和接受酸雨脅迫的起點，決定了植株能否正常建植生長，因而弄清酸雨脅迫對種子萌發(fā)的影響至關(guān)重要［17］。本研究發(fā)現(xiàn)，不同強度酸雨脅迫對水稻種子萌發(fā)均有一定影響，且酸雨脅迫對水稻種子發(fā)芽率抑制作用初期大于后期，且發(fā)芽率（處理后7 d）與pH顯著正相關(guān)（r=0.989、P=0.01），但各處理間差異不顯著，其中低強度酸雨脅迫發(fā)芽指數(shù)、幼苗苗長均與CK 差異不顯著，pH 5.0 處理苗長甚至略高于CK；高強度酸雨脅迫發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和幼苗苗長均與CK 差異顯著。在不同酸雨脅迫環(huán)境下培育水稻種子，種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)越大表明酸雨脅迫對種子萌芽影響越小，種子活力越強［18］。馮宗煒等［19］研究指出，水稻對酸雨的敏感度較低，屬于抗酸雨作物，這與本研究水稻種子在不同強度酸雨脅迫下發(fā)芽率沒有顯著降低的結(jié)果相吻合，表明水稻種子萌發(fā)對酸雨具有一定的耐受性。聶必林等［17］研究發(fā)現(xiàn)，黑枸杞種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)在輕度、中度酸脅迫下與CK 沒有明顯差異，但在強酸脅迫下有明顯差異，這與本研究結(jié)果一致。其原因可能是輕、中度酸雨脅迫下，弱酸性條件促進(jìn)了種子內(nèi)部蛋白質(zhì)和淀粉的水解以供胚生長，但隨脅迫程度繼續(xù)增加，過量H+使種子的種皮透性增強，造成內(nèi)部離子平衡失調(diào)，自由基積累，線粒體結(jié)構(gòu)破壞，種子呼吸作用受到抑制，物質(zhì)代謝出現(xiàn)紊亂，儲存的營養(yǎng)物質(zhì)優(yōu)先用于種子的損傷修復(fù)，表現(xiàn)為各指標(biāo)急劇降低［17］。

3.2 酸雨脅迫對分蘗期水稻生長的影響

不同強度酸雨脅迫對分蘗期水稻生長的影響有所差異。水稻各生理指標(biāo)不同酸處理整體呈現(xiàn)先增后減的趨勢。強酸（pH 3.5、pH 4.0）脅迫下，水稻株高、根長增長極為緩慢，后期基本停滯，且株高、根長指標(biāo)（分蘗27 d）均顯著低于CK，表明高強酸雨脅迫對水稻生長有明顯抑制作用。而弱酸條件處理，pH 4.5、pH 5.0 處理部分生理指標(biāo)優(yōu)于CK，其中pH 5.0 處理植株生長增速高于CK，表明弱酸條件對水稻生長有一定的促進(jìn)作用。周思婕等［20］研究指出，重強度酸脅迫使馬尾松的生物量的積累減少，影響其生長發(fā)育。這可能源自兩個方面的原因，一方面，酸脅迫帶來的大量H+通過根系吸收進(jìn)入植物細(xì)胞，誘導(dǎo)胞內(nèi)自由基效應(yīng)和質(zhì)子效應(yīng)，造成細(xì)胞內(nèi)營養(yǎng)元素流失，使得幼苗生理功能失調(diào)，生長受到抑制；另一方面，酸雨侵蝕會造成土壤酸化，酸化土壤中鹽基陽離子的淋溶使得土壤供給營養(yǎng)物質(zhì)的能力下降，從而影響?zhàn)B分的吸收和利用，并導(dǎo)致幼苗生長減緩，幼苗生物量積累減少。王光濤［21］研究發(fā)現(xiàn)，酸脅迫下小麥幼苗根長、根表面積、根尖系數(shù)等都顯著低于對照組，根系伸長和分枝結(jié)構(gòu)受到強烈抑制，這與本研究不同酸處理下大部分幼苗根長受到抑制的結(jié)果一致，這可能是由于根系膜脂過氧化程度較高造成的。Zhou 等［22］指出，根系可能改變了根系形態(tài)以應(yīng)對酸脅迫。

弱酸處理葉綠素含量與增幅均大于CK，強酸處理均低于CK。唐慶等［23］指出，桂葉山牽牛成熟苗在干旱脅迫下會過降低光合作用、關(guān)閉氣孔及提高水分利用效率以應(yīng)對惡劣環(huán)境。吳杏春等［24］研究發(fā)現(xiàn)，模擬酸雨使草坪草葉片葉綠素含量下降，其原因是酸脅迫使膜質(zhì)過氧化加劇，并導(dǎo)致細(xì)胞質(zhì)膜斷裂，葉綠體受破壞，葉綠素含量下降。但弱酸條件下葉綠素反而增加，這是由于H+進(jìn)入葉片細(xì)胞雖然破壞了葉綠體，影響了光合作用，但酸雨的氮肥效應(yīng)有利于葉綠素的合成，增加光合速率。酸雨中氮元素的增加在一定程度上可能有利于減緩酸雨所帶來的負(fù)效應(yīng)［25］，葉綠素的含量應(yīng)取決于酸雨帶來的負(fù)面影響與正面影響之和。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，不同強度模擬酸雨脅迫處理（pH 3.5～6.0）對水稻種子的發(fā)芽率影響不明顯；種子發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和幼苗苗長均隨pH 的降低而降低，低強度酸雨脅迫處理與CK 差異不明顯，高強度酸雨脅迫處理顯著低于CK。分蘗期水稻在株高、根長和葉片葉綠素含量等生理指標(biāo)強酸處理增長速度極為緩慢，但pH 4.5 和pH 5.0 弱酸處理部分指標(biāo)反而高于CK，表明酸雨對分蘗期水稻生長具有明顯的“低促高抑”作用。在水稻種植過程中，可利用“低促高抑”這一特性，適當(dāng)創(chuàng)造弱酸環(huán)境促進(jìn)其生長發(fā)育。