模拟酸雨对玉米种子萌发和幼苗生长的影响

袁志忠，曾 硕，周耀渝

（吉首大学生物资源与环境科学学院，湖南吉首416000）

酸雨是指由于空气中的SO2，NOx等引起的pH值小于5.6的酸性降水（包括雨、雪、雹、雾等大气降水），是目前世界十大环境问题之一，已引起政府以及科学界的广泛关注。我国是世界上继欧洲、北美之后出现的第三大酸雨区，目前酸雨污染面积已占国土面积的20%左右，酸雨区主要分布在长江以南各省市，并且面积呈扩大趋势，许多城市、地区普遍出现了酸雨现象，其频率不断提高、pH值不断降低[1]。酸雨对森林、农作物、建筑物、水生物等人类赖以生存的环境具有很大的破坏性，甚至为害人体健康，危及城市的生态平衡，已构成全球公害。

酸雨对农业生态系统平衡以及农作物本身影响的严重性越来越引起人们的普遍关注。酸雨降落到农作物等植物上，会伤害叶片、破坏植物光合作用、加速叶片养分淋失，使植物生长受阻甚至死亡，从而对植物造成直接危害。酸雨还会导致土壤酸化，引起土壤肥力下降、盐基流失以及某些毒性元素（铝、锰等）的释出和活化，伤害植物根系，造成根系营养代谢失调，引起植物衰亡，从而对植物造成间接危害[2-3]。酸雨对植物产生的直接和间接危害都会导致活性氧的产生及清除失去平衡，造成活性氧对植物细胞的毒害作用，特别是引起膜脂过氧化作用[4]。研究表明，铝的溶解度对pH值十分敏感，pH值每减少0.1个单位，土壤中铝的溶解度将增加2.0×10-6mol/L，从而对植物生长造成很大的危害[5]。

玉米（Zeamays）不仅是粮食作物，而且是重要的饲料和适于深加工获得多种产品的经济作物，因其优良的丰产性、抗逆性、高品质、较高的饲料转换率、类型多且用途广而深受喜爱，玉米产业的发展对于我国农业和国民经济的发展具有举足轻重的作用[6-7]。酸雨对生态环境的影响和造成的经济损失日益严重，已成为制约我国农业生产和发展的重要因素之一。研究表明，当酸雨的酸度达到一定阈值时将破坏植物的超微结构，降低叶绿素含量和光合速率，造成叶面黄斑、生长不良、抗病能力下降、产量减少和品质下降等[8]。据报道，仅在两广地区，受到酸性沉降物污染的耕地面积就达5.08×106hm2，减产损失估计达3亿多元[9]。我国南方的大部分玉米种植在酸雨影响区，产量普遍不高，这是否跟酸雨胁迫有关，目前尚无定论。湖南湘西地区是酸雨的重灾区，因此，立足湘西地区，开展玉米等农作物对酸雨的抗性生理研究具有理论价值和实践意义。

本试验通过研究酸雨胁迫对玉米种子萌发和幼苗生长的影响，为防范和减缓酸雨灾害对玉米等农作物的为害提供一定的科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试玉米品种是由陕西黄龙万福种业有限公司提供的万瑞1号。

1.2 模拟酸雨的配制

根据湖南省湘西自治州酸雨污染特征及其酸沉降水平[10]，主要考虑酸雨pH值和SO42-，NO3-，NH4+，Ca2+这4种离子，用分析纯硫酸和硝酸按SO42-与NO3-摩尔比4∶1配成母液，然后加入自然酸雨的离子组成，将母液加去离子水配制成pH 值分别为 5.6，4.5，3.5，2.5 的模拟酸雨溶液。pH值的测定使用pH计（pHS-3精密酸度计）。以pH值为7.2的清水为对照（CK）。

1.3 试验设计

1.3.1 种子发芽试验 按照国家种子质量检验标准（GB/T 3543.1～7—1995），选取均匀饱满的玉米种子，用1%的次氯酸钠溶液浸种10min消毒，用去离子水冲洗干净后整齐摆放于铺有2层滤纸的培养盒内，每组pH值梯度对应3个培养盒，每培养盒放50粒种子。培养盒和滤纸事先在（120±0.5）℃烘箱（上海跃进医疗器械厂，型号为YHG）内放置4 h后冷却至室温。每个培养盒中分别加入各pH值的模拟酸雨溶液40mL，以清水为对照，放置于（25±0.5）℃光照培养箱（GZP-250）内进行发芽试验。根据发芽的需水情况，每天更换等体积相应的模拟酸雨溶液，以保证溶液的pH值不变。以芽长超过1/2种子长、根长达到种子长度为发芽标准，发芽期间每天统计发芽的种子数，3 d后统计发芽势，5 d后统计发芽率、发芽指数和活力指数[11]。

发芽势=（日发芽种子最高峰种子数/种子样品总数）×100%；

发芽率＝（发芽种子数/供试种子数）×100%；发芽指数（GI）＝∑（Gt/Dt）；

活力指数（VI）＝S×∑（Gt/Dt）。

式中，Gt为t天的发芽数；Dt为发芽天数；S为一定时期内幼苗生长势，以每株幼苗平均根长表示。

1.3.2 幼苗盆栽试验 供试土壤采自吉首大学园林绿化处，pH值为6.8，将土壤装入花盆后备用。将催芽后的玉米种子播入花盆中，每组3盆，每盆8粒。待玉米幼苗出土5 d后，不定期用小型喷雾器（按自然降水规律）对玉米幼苗地上部分别喷淋4种不同pH值的模拟酸雨溶液，以清水为对照。每次喷淋以叶片滴液为限，每周喷淋3次，处理期间防干旱浇水与喷淋模拟酸雨溶液错开进行，并避免自然降雨的淋洗。处理期间进行生长指标的观测，处理25 d后取倒数第2～4片叶进行生理指标的测定。

1.4 生长指标和生理指标的测定

当玉米幼苗长到25 d时，统计pH值模拟酸雨处理的玉米幼苗叶片总数和出现明显棕黄色斑点的受害叶片数，以受害叶片（指斑块面积达叶片面积1/5以上的叶片）数占叶片总数的百分比表示幼苗叶片的损伤程度。

叶绿素含量测定采用分光光度法[12]，硝酸还原酶（NR）活性测定采用磺胺比色法；以单位时间内单位植物材料还原生成NO2-量的多少来表示硝酸还原酶活性的高低[13]。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨对玉米种子萌发的影响

发芽势是指种子在适宜条件下，在规定的短期内发芽种子数占供试种子总数的百分比，发芽率是反映种子品质优劣的重要指标。试验表明，玉米种子发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均随模拟酸雨pH值的降低而减小。由表1可知，弱酸溶液（pH值为5.6～4.5）处理对玉米种子的发芽势、发芽率几乎没有影响，强酸溶液（pH值为3.5～2.5）处理时发芽势、发芽率显著降低，说明低pH值模拟酸雨溶液处理对玉米的萌发有较强的抑制作用。经pH值为2.5和3.5的模拟酸雨溶液处理玉米种子，其发芽势、发芽率与对照相比，分别下降45.52%，32.12%和41.11%，28.72%，差异显著。

发芽指数和活力指数是反映种子活力的综合指标。由表1可知，酸雨胁迫下，玉米种子的发芽指数、活力指数的变化规律与发芽率的变化规律相似，经pH值为2.5的模拟酸雨溶液处理玉米种子，其发芽指数、活力指数与对照相比，分别下降56.78%，68.91%，差异显著。

表1 模拟酸雨对玉米种子萌发的影响

2.2 模拟酸雨对玉米幼苗叶片的伤害

酸雨等酸性沉降物首先通过叶片的角质层和气孔进入植物，损害叶片的内部结构。叶片接触酸雨溶液后，当时一般不表现症状，大多数玉米植株在第2天才表现出来。本试验表明，各种pH值的模拟酸雨处理对玉米幼苗叶片都产生了不同程度的伤害（表2），其中，受害最严重的是pH值为2.5模拟酸雨处理的玉米幼苗叶片，叶片受害率达到45.05%。经pH值为2.5和3.5模拟酸雨处理的叶片受害率与对照相比，分别增加88.52%和83.84%，差异显著。说明所有参与模拟酸雨处理的玉米幼苗在pH值为2.5到5.6之间都表现出明显的叶片受害症状，造成玉米幼苗参与光合作用的有效叶面积大大降低。

表2 模拟酸雨对玉米幼苗叶片的伤害

受害的玉米幼苗叶片先是呈现白色或棕黄色的斑点，斑点最初的直径小于1mm，随着酸雨喷淋次数的增多，斑点直径增大，以致许多小斑点连接成斑块，斑块连接成半张甚至整张，叶片呈卷缩状，出现黄斑，褪绿、黄化后很快枯萎。

2.3 模拟酸雨对玉米幼苗叶片硝酸还原酶活性的影响

硝酸还原酶（NR）是植物体内硝酸盐同化过程的限速酶，在植物氮素代谢过程中处于关键位置，可作为植物营养诊断的生化指标[14]。因此，植物体内硝酸还原酶活性的高低，直接影响植物的氮素代谢和体内的含氮量。由表3可知，经pH值为5.6～2.5的模拟酸雨处理的玉米幼苗，与对照相比，叶片中的亚硝酸根离子含量先升高后降低，表明低强度酸雨中的NO3-和NH4+对硝酸还原酶活性有促进作用，反之有抑制作用。经pH值为2.5和3.5的模拟酸雨处理的玉米幼苗叶片中亚硝酸根离子含量明显下降，与对照相比，分别下降19.95%和15.60%，差异显著。

表3 模拟酸雨对玉米幼苗叶片硝酸还原酶活性的影响

2.4 模拟酸雨对玉米幼苗叶片叶绿素含量影响

在植物的生长过程中，叶绿素是进行光合作用的必需载体，它把捕获的光能转变为化学能，形成植物的光合产物。因此，叶绿素的组成和含量将直接影响着植物的光合速率，进而影响植物的生长发育。由表4可知，经pH值为5.6～2.5的模拟酸雨处理玉米幼苗后，与对照相比，叶片中的叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量先升高后降低，说明酸雨中H+浓度达到一定阈值时就阻碍叶绿素的合成或加速叶绿素的分解，进而影响植物的光合速率和生长发育。经pH值为2.5的模拟酸雨处理的玉米幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量明显下降，与对照相比，分别下降36.72%，36.45%和36.65%，差异显著。

表4 模拟酸雨对玉米幼苗叶片叶绿素含量的影响 mg/g

3 结论与讨论

（1）不同pH值的模拟酸雨对玉米种子的发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数均产生不同程度的影响，当pH值为5.6～4.5时影响不显著，pH值为3.5～2.5时对玉米种子的萌发有显著的抑制作用。经pH值为2.5和3.5的模拟酸雨处理，其发芽率下降了41.11%和28.72%，甚至导致种子产生变形、萎缩、失水等现象，与陈穗云等[15]的研究结果一致。有研究表明，模拟酸雨会引起种子透性变化，使其离子平衡失调，破坏内部正常的生理功能，致使种子萌发受阻[16]。

（2）模拟酸雨对玉米幼苗叶片的伤害随着模拟酸雨强度的增加而加重，黄斑的直径和数量随着酸雨喷淋次数的增加而增大和增多。模拟酸雨对玉米幼苗叶片伤害的主要症状是叶脉间和叶柄呈棕黄色，有不规则的斑点，严重的叶片有黄褐色的枯斑。与老叶相比，幼叶所受伤害更为严重，这可能是由于幼叶表层保护组织较少，使得酸雨更容易侵入叶片内部的原因。

（3）玉米幼苗叶片中亚硝酸根离子含量随模拟酸雨强度的增加而减少，从而降低了叶片中硝酸还原酶的活性。模拟酸雨对玉米幼苗处理后，抑制叶片的生长与发育，进而影响玉米植株对氮素营养的吸收与同化，使玉米植株利用氮素的能力下降，降低氮源的积累速度。本研究表明，氮源积累速度的降低，最终导致植物生长与发育受到抑制，与曾维露等[17]的研究结果一致。

（4）从整体上说，玉米幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量随着模拟酸雨强度的增加而减少，这与酸性环境下植物细胞内膜系统受到损伤，酶活性、构象发生改变有关，与樊后保等[18]的研究结果相似。酸雨中的H+浓度达到一定值时，很可能会使叶绿素的合成受到抑制，且酸性过强时又会加速叶绿素的分解，从而使叶绿素含量减少，而叶绿素含量的减少又会直接影响植物光合生产能力，进而阻碍植物的生长发育。

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