外源硅施加对酸雨胁迫下水稻生长指标的影响

梁国华 汤瑞琼 伍子茵

摘 要 研究在不同pH值的酸雨下，外源硅施加对水稻生长指标（株重、株长、叶绿体含量）的影响。结果显示，强度不同的酸雨对水稻的影响不同：轻度酸雨的处理，对促进水稻生长起着一定作用;中度酸雨则对水稻产生胁迫效应，显著抑制水稻的生长。经硅的施加后，水稻各生长指标在不同程度都有所提高，并且可减缓中度酸雨处理对水稻生长的抑制作用。同时，外源硅施加能提高水稻叶绿体含量，这意味着硅缓解酸雨对水稻伤害的机理可能与促进光合作用有关。

关键词 硅;酸雨胁迫;水稻;生长指标

中图分类号：S511 文献标志码：B DOI：10.19415/j.cnki.1673-890x.2019.14.066

硅在地壳中的含量仅次于氧，属第二大元素。硅虽然不是植物所必需的营养元素，但对植物的生长过程起着重要的作用，因此一直备受关注。硅通常以一种有益元素存在植物中，在非生物胁迫方面，能使植物的抗旱性等有所提高[1]，而在生物胁迫方面，可以提高植物对病虫害的抵抗能力。许多研究表明，硅可降低水稻、小麦、黄瓜、西红柿等作物的一些重要病害。如在黄瓜种植时，加入适量的硅可以使叶片上白粉病斑的数目、面积和分生孢子的萌发等有所减少，促进植物更好地生长。

酸雨已是世界上公认的最严重的环境问题之一。近年来，我国南方酸雨区的降水pH值在逐渐下降，降水pH值大多在4.5以下[2]。伴随持续酸雨而来的是土壤酸化的问题，即酸雨通过土壤酸化胁迫影响植物的生长发育，使土壤中的营养元素流失，有效金属元素和微量元素减少，导致土壤里的养分质量下降[3]。在酸雨的影响下，我国南方地区在过去30多年间也已发生大面积酸化[4]，如有研究指出，过去的20年里，由于酸性降水的影响，我国的主要农业生产区域的土壤pH值显著下降[5]。

在我国，水稻位列五大粮食作物之首，而约94%的种植区与酸雨区重叠。酸雨胁迫对水稻的影响主要包括：1）酸雨中的H+、SO42-、NO3-等离子直接影响水稻植株[6];2）酸雨通过影响土壤的pH值、营养离子和有毒离子的有效浓度，间接对稻田系统内的水稻产生影响[7]。总而言之，酸雨是水稻重要的环境胁迫因子，而水稻是喜硅的一种作物，硅能促进植物生长，对长期处于酸雨胁迫下的水稻生长可能具有缓解作用，但这方面缺乏研究。因此，研究外源硅施加对酸雨胁迫下水稻生长的影响具有现实的意义。

1 材料与方法

1.1 水稻育苗与移栽

以水稻作为试验材料，试验在温室内进行，以避免自然降雨影响。首先将准备好的水稻种子置于装有H2O2（10%， v/v）的培养皿中，对其进行表面消毒。等待预发芽2 d后，再把已发芽的种子转移到含有0.5倍的改良木村B溶液的大培养皿中，继续培养7 d，然后将秧苗移栽到1 L/格的6格塑料桶中，每格各3株基本一致的小苗。在种植6 d后，将营养液改为1倍的改良木村B溶液，同时进行加硅处理+Si，方法为：加入2.0 mmol·L-1 Na2SiO3·9H2O[8]，不加硅处理-Si则加入等摩尔浓度的NaCl来平衡Na+浓度。

1.2 试验处理

设置模拟酸雨梯度为对照（CK）、T1和T2，其中CK为pH值约为6.0的自来水，T1为pH=4.0（轻度酸雨处理），T2為pH=3.5（中度酸雨处理）。处理方法为水稻地上部分酸雨喷淋和地下部分调节培养液pH值，用酸雨母液调节模拟酸雨pH值为上述3个梯度，作为喷施的酸雨溶液，酸雨喷施每天1次。结合上述加硅处理，试验处理数为6个，即CK-Si、CK+Si、T1-Si、T1+Si、T2-Si和T2+Si，同时在每个处理设置6个重复。每3 d更换一次所有水稻的营养液，更换时重新调整pH值。

1.3 水稻生长指标的测定

上述处理持续30 d后测定各处理下的水稻生长指标，包括总株长、总株重、根长、根重、茎长、茎重、根茎比（长度）、根茎比（重量），方法如下：随机在每个处理中抽取6株水稻，即每个重复1株，每株水稻地上和地下部分测量长度，将地上和地下部分的长度相加，计为单株的总株长;测量长度后让水稻在60 ℃恒温烘箱中烘24 h，称重后，将地上和地下部分的干重相加，计为单株的总重量。每株水稻分根冠重量/长度比为地下部分与地上部分的重量/长度的比值。在每株水稻随机取酸处理后的成熟叶片5片，用叶绿素仪测定。测量时，选取冠层展开的第2、3片叶，并注意避开叶脉。

2 结果与分析

2.1 施硅对酸雨胁迫下水稻株重和株长的影响

图1和图2显示了酸雨和硅作用下水稻生长指标（株重和株长）的变化。酸雨对水稻生长的影响呈现明显的剂量效应，随着酸雨pH降低，生长指标均呈先升高后降低的趋势，轻度酸雨（pH=4.0）处理能促进水稻幼苗的生长，中度酸雨（pH=3.5）处理显著抑制水稻幼苗生长。这说明酸雨虽然是环境胁迫的重要因子，但酸雨强度不同对植物影响作用不同，轻度酸雨对植物生长具有促进作用，当酸雨的强度超过一定阈值时，植物的生长会受抑制，其产量也会因此降低。水稻在轻度酸雨喷施下各项生长指标在不同程度都有所提高，原因可能在于轻度酸雨未对水稻产生胁迫效应，同时在酸雨中含有大量的S、N营养元素，改善了水稻的营养环境，使其养分增加，促进了水稻的生长。而在中度酸雨施喷的影响下，其却对水稻产生了胁迫效应，使水稻的生长明显受到抑制。

而无论是株长还是株重，硅处理均能显著提高水稻生长指标，促进水稻生长，尤其是在株重上，与CK处理相比，总株重在硅处理下增加了18.9%;而对比植株长度和重量上的根冠比，可看出中度酸雨处理对水稻根系生长的抑制主要体现在对根长的抑制，与对照相比，中度酸雨处理下水稻根长减小了49.9%。施硅处理可减缓中度酸雨处理对水稻生长的抑制作用，使其株重和茎长恢复到对照水平。尤其是对比植株长度和重量上的根冠比，可看出，硅处理对中度酸雨胁迫下水稻生长的促进作用主要体现在增加水稻地下部分长度上（根冠重量比不明显，根冠长度比显著增加），即酸雨胁迫下，施硅使得水稻根长得更长，以更好吸收营养。

2.2 施硅对酸雨胁迫下水稻叶绿素含量的影响

光合作用是植物生存的基础，通过光合作用可以将光能转化为化学能，为植物的生长和代谢提供能量。研究在酸雨胁迫下，外源硅的施加处理对水稻光合作用的影响，可以从能量消耗的角度，来探究施硅对水稻在酸雨胁迫下的缓解机制。由图3可看出，与CK相比，在单一硅处理下的水稻叶绿素的含量显著增加;而在单一酸雨的喷施下水稻叶绿素的含量，随着酸雨pH值的逐渐降低，水稻叶绿素的含量也会随之逐渐降低，并在中度酸雨喷施处理下达到差异的显著水平，下降幅度为19.4%。经中度酸雨与硅的复合处理的水稻，其叶绿素的含量虽然仍比对CK的叶绿素含量低，但却显著高于单一中度酸雨处理下的叶绿素含量。可见，外源硅的施加明显缓解了水稻遭酸雨喷淋造成的水稻叶绿素含量降低的趋势，促进光合作用。

3 结论与讨论

本试验通过检测与分析施硅对不同梯度模拟酸雨下水稻生长指标的变化，探讨硅对水稻在酸雨胁迫下的影响机制，为酸雨区水稻的种植与硅肥的合理有效利用提供理论与技术支持。试验数据表明，酸雨对水稻生长指标的影响存在着一定阀值，轻度的酸雨能促进水稻生长，当酸雨强度超过一定阀值时，会影响水稻的正常生理活动。适量施硅能缓解酸雨胁迫对水稻的胁迫。综上归纳得出，为提升酸雨区水稻的生长水平，可以适量地使用硅肥，该措施在未来农田综合治理中具有杰出的应用前景。

参考文献：

[1] 扈晓杰，朱祝军.硅对黄瓜白粉病抗性及叶片质外体抗氧化酶活性的影响[J].浙江农业学报，2008（1）：67-71.

[2] 吴丹，王式功，尚可政.我国酸雨研究综述[J].干旱气象，2006，24（2）：70-77.

[3] 凌大炯，章家恩，欧阳颖.酸雨对土壤生态系统影响的研究进展[J].土壤，2007，39（4）：514-521.

[4] 刘源月，江洪，李雅紅，等.模拟酸雨对杉木幼苗-土壤复合体系土壤呼吸的短期效应[J].生态学报，2010，30（8）：2010-2017.

[5] 冯宗炜.我国酸雨对陆地生态系统的影响和防治对策[J].我国工程科学，2000，2（9）：5-11，28.

[6] 张军林，申进玲，李晓玲，等.我国酸雨的危害及控制现状[J].农业资源与环境，2006，10（10）：47-49.

[7] 王雯，李曼，王丽红，等.酸雨对全生育时期水稻叶绿素荧光的影响[J].生态环境学报，2014，23（1）：80-85.

[8] 琚淑明.硅缓解水稻酸雨胁迫效应及机制研究[D].北京：我国矿业大学，2018.

（责任编辑：赵中正）