模拟酸雨胁迫条件下释土元素对玉米植株的生物学效应

于秋良,李忠芳,唐 政,陈春岚,韦东阳,杨志贤

(1.贺州学院 设计学院,广西 贺州 542899;2.贺州学院 化学与生物工程学院,广西 贺州542899; 3.贺州学院 体育学院,广西 贺州542899)

模拟酸雨胁迫条件下释土元素对玉米植株的生物学效应

于秋良1,李忠芳2,唐 政2,陈春岚2,韦东阳2,杨志贤3

(1.贺州学院 设计学院,广西 贺州 542899;2.贺州学院 化学与生物工程学院,广西 贺州542899; 3.贺州学院 体育学院,广西 贺州542899)

酸雨对农作物的影响日益为人们所重视。本研究结合稀土元素能提高农作物的杭逆性,进而探索减少或消除酸雨对玉米影响的途径。研究所用的稀土肥是叶片喷洒肥,在酸雨处理的基础上,设置对照组(不喷洒稀土肥)、0.09%和0.12%稀土肥喷洒、0.18%稀土肥4个处理,盆栽,重复3次。分光光度法定期测定各实验组玉米植株叶片中叶绿素的含量,同时测量各株玉米植株的叶宽和生长高度。结果表明,处理酸雨pH≦5下对玉米生长有显著影响,喷洒≧0.12%稀土肥有显著的保护作用。结合实验数据分析,本实验条件下,针对酸雨侵蚀的玉米植株有保护作用的施用稀土肥推荐浓度为0.1%。

酸雨;稀土肥;杭逆性

1 前言

1.1 稀土元素对玉米生长效应及酸雨形成的原因

稀土元素具有很强的生物效应[1],对农作物地上和地下部生长、分化、养分的吸收等,特别是对农产品的质量品质有重要影响。然而,该类型元素所表现的生物效应各需对应一个临界值,其施用量在一定浓度的数值内才对作物表现出对应的生物效应,而过高或过低浓度时均无效,有时甚至起到抑制或毒害所施用植物的生长和繁殖[2]。

目前研究得知,导致酸雨的物质有:含硫化合物(如SO2、SO3、等);含氮化合物(如NO、硝基盐等,及含氮化合物,包括NO、NO2、N2O、硝基盐、HNO等。在降水前中期进入雨水中而表现酸性,致酸物质有天然排放行的,或是人类活动排放的。通常认为,大气中SO2和NO2是引起酸雨的最主要物质。我国的酸雨致因以硫酸为主,硝酸含量不足10%,这与我国能源消耗结构中燃煤为主有直接关系[3-4]。我国大多数的燃煤电站没有脱硫设施,工艺落后,煤耗高,并且随着工业的发展,我国SO2的排量呈逐年增加之势[5]。

1.2 农作物的抗逆性

植物受到不良环境影响后,部分作物受胁迫致死,部分的受到伤害使生理活动受到不同程度的影响,最终可以活下来。世代交替过程中,有利于这个不良环境的基因得以保存下来,不利性状相对被淘汰。这样,在农作物长期进化和适应环境过程中,不同环境条件下生长的植物就会形成对原来的不良影响因素产生对应的适应能力,使之有能力去适应这些胁迫因子而形成对各种胁迫(或称逆境)因子的抵御能力,称为抗逆性(stress resistance),简称抗性。而作物的对环境胁迫适应能力大小与其所处的生长及发育阶段及整体健康情况也密切相关。一般状况下,植物在生长盛期逆性比较小,进入休眠以后,则抗逆性增大;营养生长期抗逆性较强,开花期抗逆性较弱[6]。

1.3 植物叶绿素含量的因素

叶绿素在植物体内的合成主要由以下五个条件影响[7]:1、光照不足或完全黑暗时叶子会发黄发白,因缺乏光照或存在光照失效影响叶绿素的形成,使叶子发黄,称黄化现象[8]。2、叶绿素形成与整体植物生长一样有着其对应的最适、最低和最高温度,通常最适温度为20～30℃。超出最适温度均降低合成速率,甚至叶绿素遭到破坏而死亡。3、氮和镁是叶绿素的组成成分,铁、铜、锰、锌是叶绿素合成过程中酶促反应的辅因子[9]。矿质元素缺乏时不能形成叶绿素,或出现其它症状。4、水分对植物叶绿素的生物合成极其重要,且与蛋白质的合成有关。5、氧气也参与光合的过程,当光能过剩时,氧参与叶绿素的光氧化;合成叶绿素也需氧。综上可知,叶绿素的含量是作物生长的坏境好坏的综合表现,可通过分析其含量来了解当下植物生长状况。

1.4 稀土的应用

严重玲等研究结果表明,小麦叶面积随酸雨酸度的增大逐渐减小,而施用适量的稀土肥后其面积有所增加,即减弱酸雨对其面积的影响。彭安等研究认为施用稀土肥能增强植物的抗逆能力,当农作物受到酸雨等多重胁迫时,所施用的稀土肥则表现出抗氧化性质,其抗逆作用是由于其具有清除含氧自由基的所表现出来的。

1.5 本研究的切入点

玉米是作为三大粮食作物之一,播种面积、生产量和消费量仅次于水稻。近年来,玉米产品市场竞争增加。我国南方红壤居多,且呈酸性,遇酸雨冲刷时则加速了红壤的酸化[10]。同时,酸雨对土壤中生物也存在不良影响,其中的微生物对土壤酸度变化敏感,其后果会致使微生物活动下降[11],酸雨还能诱发植物病虫害,使农作物减产,造成不必要的经济损失。研究酸雨对农作物的危害并找出切实可行的方法为促进农村经济的发展,及各类农作物更好是生长的提供了一定的理论基础。 所以本研究具体分析不同酸度胁迫条件下对玉米喷洒浓度的稀土肥后玉米的生长状况,使用李得孝等[12]的测定方法定期测定叶片的叶绿素的含量,同时记录叶片的受损情况及叶片面积大小、玉米的株高,深入探究其内在联系。

2 材料与方法

2.1 材料

稀土肥:稀土高效肥(浓缩型),内蒙古包头市亿力稀土复合肥厂。

玉米种:购于贺州八步中心市场,金卡897(广西金卡农科技有限公司)。

2.2 试验设计与管理

土壤采于贺州学院东校区试验田区,取土后先把大颗粒土壤碾碎,呈均匀状,采用规格高度×口径×底径(30cm×24cm×18cm)花盆中盆栽,每盆添加2300kg土壤。试验于2013年12月23日进行,选取形状大小均匀的玉米种进行播种,每盆种植5粒,种植深度为5cm。

酸雨的配置为量取0.1mol/L的稀硫酸,分别配置成pH为6.0、5.5、5.0、4.5、4.0五个梯度的模拟酸雨;本稀土肥以叶面喷洒为主,每袋兑水75公斤(每小袋15兑水公斤,每小袋稀土肥18g)。配置3个浓度的稀土肥喷洒液,0.18%浓度:9g稀土肥原料加10斤(5000g)蒸馏水,混合均匀;0.12%浓度:9g稀土肥原料加15斤(7500g)蒸馏水,混合均匀; 0.09%浓度:9g稀土肥原料加20斤(10000g)蒸馏水,混合均匀,密封保存。

2.3 相关的测定及数据处理

玉米叶片叶绿素a和b含量的测定用分光光度法,植株标高等农艺指标用随机典型生物统计抽样法及最小差异显著法(LSD)比较分析,同时做随时间系列做动态变化监测图以便直观掌握其变化规律。实验数据用专业软件spss13.0进行方差分析及用sigmaplot10.0作动态趋势图。

3 结果与分析

3.1 酸雨胁迫下稀土肥对玉米株高的影响

图1 pH6.0酸处理

在pH6.0酸度的处理下没有施用稀土肥和施用了稀土肥的玉米植株在同一时间下生长的高度有明显的差别,边才苗[13]研究表明稀土镧元素对西葫芦幼苗模拟酸雨胁迫的缓解效应。

在pH5.5酸度的处理下,没有施用稀土肥的实验组生长状况明显弱于施用了稀土肥的实验组。

图2 pH5.5酸处理

在 pH5.0酸度下,第 69天测量时施用了0.12%和0.18%浓度的稀土肥的玉米植株生长高度相当,但在第69天后表现为施用了0.18%浓度的稀土肥植株生长较高。

图3 pH5.0酸处理

pH4.5酸度的处理下,没有施用稀土肥的对照组,在第44天后玉米植株开始萎蔫最后死去。

在pH4.0的处理下第37天后没有添加稀土肥的对照组玉米植株出现叶子萎蔫等不良现象,第44天没有施用稀土肥的玉米植株已经萎蔫死去,说明酸雨对玉米植株有致命性的侵蚀。

图4 pH4.5酸处理

图5 pH4.0酸处理

根据图1至图5分析,在单一酸雨处理,不施加稀土肥的结果表明,随着酸度的增大,玉米植株株高的生长速率逐渐降低,pH4.5酸度下玉米植株开始枯萎。施加稀土肥后玉米植株没有致死,可见稀土对受酸雨胁迫的玉米植株有一定的保护和减缓作用。结果表明,随着酸雨pH值的下降,株高逐渐下降,施用稀土肥后,植株虽然仍处在酸雨的抑制条件下生长,酸度越大株高受到的影响也越大。

3.2 酸雨胁迫下稀土肥对玉米叶片宽度的影响

图6 pH6.0酸处理

pH6.0酸度的处理下在一定范围内随着稀土肥的施加浓度越大,叶片宽度与稀土肥用量成正相关,由图6可知以0.12%浓度的稀土肥用量叶片宽度增长较快。

图7 pH5.5酸处理

pH5.5酸度的处理下,空白对照组和施用0.09%稀土肥的处理组叶片宽度差异不明显,但施用了0.12%和0.18%稀土肥的处理组叶片宽度明显较大。说明0.18%稀土肥的施用量对酸雨胁迫下玉米叶片叶宽影响较大。

图8 pH5.0酸处理

pH5.0酸度的处理下,空白对照组其叶片宽度明显小于施用了稀土肥的处理组,与施用0.18%稀土肥的处理组相差最大。

图9 pH4.5酸处理

pH4.5酸度处理下,空白对照组的玉米植株在第44天开始萎蔫最后死去。

图10 pH4.0酸处理

pH4.0酸度处理下,空白组在第37天后开始萎蔫,最后死去。

由图6至图10的可知,单一酸雨处理组的结果表明,随着酸度的增大,玉米叶片宽度受到一定的影响即叶面宽度减小,pH6.0～5.0随着酸雨pH值的减小,叶片宽度逐渐减小,pH4.5的酸雨下玉米植株开始出现萎蔫直至死亡。施用稀土肥后,受到酸雨处理下的玉米,其叶片宽度与稀土肥的施用量成正相关。结果表明在酸雨胁迫条件下使用稀土肥后能够保护或增加玉米植株叶片,并能在一定程度上减小酸雨对叶片的伤害。

3.3 酸雨胁迫下稀土肥对玉米叶片叶绿素含量的影响

因在pH4.0的处理下第37天后没有添加稀土肥的对照组玉米植株出现叶子萎蔫等不良现象,所以选择第37天雨幕叶片叶绿素含量的数据(表1)进行分析,pH5.0一下的对照组叶片叶绿素含量降低。施用稀土肥的实验组相对于对照组,其叶绿素a、b含量明显较多,玉米植株叶绿素的含量与稀土肥施用量成正相关。梁婵娟等[14]研究稀土镧与酸雨对大豆幼苗叶片光合光反应复合影响,认为添加稀土可促进植物的自修复能力。

表1 试验中期(37d)各组玉米叶片叶绿素的含量(mg/g)

添加了稀土肥的实验组的叶绿素含量增长明显大于对照组。酸雨和稀土肥都影响到了玉米植株叶片叶绿素含量,从而影响到玉米的生长,在pH6.0条件下且施用了稀土肥的玉米植株的生长有明显优势,测得其叶片叶绿素含量较多。说明在酸雨的胁迫下,稀土肥对玉米的生长起到一定的保护作用,能够使玉米的受害程度降低。李丹[15]的研究表明添加稀土有利于植物种子萌发和初期生长。

4 结 论

在pH5.5～4.0酸雨的侵蚀下,玉米植株的生长会受到不同程度的阻碍,酸度越大阻碍作用表现得越明显。施加了稀土肥(＞0.09%)后可以有效的保护玉米植株的生长,稀土肥的用量控制应该根据原料肥的不同而适量使用,本试验条件下推荐浓度为0.1%。总体上,稀土肥对受酸雨侵蚀玉米植株的有明显的促进和保护作用。

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[15]李丹.稀土与保水剂对堆肥基质草坪植物逆境生理生态的影响[D].天津:天津师范大学,2012.

The Biological Effect of Rare Earth Elements on Maize Plant under Condition of Simulated Acid Rain Stress

YU Qiu-liang1,LI Zhong-fang2,TANG Zheng2,CHEN Chun-lan2,WEI Dong-yang2,YANG Zhi-xian3
(1.School of design Hezhou University,Hezhou Guangxi 542899;
2. School of physical education and Sports Hezhou University,Hezhou Guangxi 542899;
3. School of chemical and biological engineering Hezhou University,Hezhou Guangxi 542899)

Effects of acid rain on crops has increasingly been the focus.Because rare earth elements can improve the resistance of crops，the paper explores the ways to reduce or eliminate the impact of acid rain on corn.Institute of rare earth fertilizer use is foliar spray fertilizer on the basis of acid rain on a control group(without spraying rare earths fat)，0.09%and 0.12%rare earth fertilizer spraying，0.18%rare earth fertilizer four processing plants，repeated three times.Spectrophotometric determination of the experimental groups regularly corn plant chlorophyll，the simultaneous measurement of various strains of corn plant leaf width and height growth. The results showed that treatment of acid rain pH 5 under significant impact on maize growth，spray 0.12%rare earth fertilizer has a significant protective effect.Analysis of experimental data，under the experimental conditions，corn plants against acid rain has a protective effect of administering rare earth fertilizer recommended Concentration is 0.1%.

acid rain;rare earth elements;resistance

S513

A

1673—8861(2015)03—0151—06

[责任编辑]张琴芳

2015-05-25

于秋良(1968-),女,广西贺州人,贺州学院高级实验师。主要研究方向:植物栽培。

李忠芳(1976-),男,广西贺州人,贺州学院副教授。主要研究方向:土壤肥力培育。

国家自然科学基金(41361068)、广西高校科学技术研究重点项目(2013ZD067)、广西自然科学基金(2011GXNSFB018056)。