李劍峰,師尚禮＊ ,張淑卿

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州730070;2.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅 蘭州730070)

土壤的酸化是一個(gè)持續(xù)不斷的自然過(guò)程,土壤中動(dòng)植物呼吸作用產(chǎn)生的CO2溶于水形成H2CO3,土壤中動(dòng)植物殘?bào)w經(jīng)微生物分解產(chǎn)生有機(jī)酸等都使土壤有酸化的趨勢(shì),而酸雨也是促進(jìn)土壤酸化的人為因素之一。所謂的酸性土壤是指過(guò)濾和吸收了有能力釋放H+的酸性物質(zhì),即pH值低于7的土壤。但對(duì)于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)來(lái)說(shuō),耕作層土壤pH值低于6.6即為酸性土壤。紫花苜蓿(Medicago sativa)是一種優(yōu)良的豆科牧草,具有產(chǎn)量高、持久性好、飼用價(jià)值高、用途廣等眾多優(yōu)點(diǎn),在世界各地的畜牧業(yè)中發(fā)揮著非常重要的作用[1],20世紀(jì)90年代中期以來(lái),應(yīng)農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、畜牧業(yè)發(fā)展的需要及國(guó)家退耕還草政策的要求,苜蓿產(chǎn)業(yè)逐步發(fā)展成為我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域新興產(chǎn)業(yè),在范圍上已經(jīng)分布到除南方幾個(gè)省市以外的所有地區(qū),這主要是通常認(rèn)為紫花苜蓿不適宜在酸性土壤種植所致[2]。我國(guó)廣闊的紅壤區(qū)域普遍偏酸性(pH<5.0),甚至呈強(qiáng)酸性(pH<4.5),因此限制了紫花苜蓿在我國(guó)許多省份的種植[3]。但近年的研究表明,部分半秋眠和非秋眠紫花苜蓿品種在酸性土壤中亦可正常生長(zhǎng)[4]。宮家珺等[5]用沙培的方法研究了酸性土壤含鋁量與紫花苜蓿生長(zhǎng)的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)在pH為4.5的酸性環(huán)境下,100 mg/kg以上的土壤含鋁量能使苜蓿的生長(zhǎng)受到嚴(yán)重抑制,而低于50 mg/kg的土壤含鋁量下植株生長(zhǎng)較好,這說(shuō)明酸性土壤對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)的抑制除酸性本身以外還有其他的因素存在。Mesfint和Deborahl[6]認(rèn)為鐵和鋁的溶解度在酸性環(huán)境下極大,苜蓿在大量吸收了這2種元素后限制了根的生長(zhǎng),降低了根吸收水分和所需營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力,從而使植株無(wú)法進(jìn)行正常的代謝,而在中性或堿性土壤中鐵和鋁的溶解度低,不足以毒害植物。Josh[7]的研究也認(rèn)為,限制植物生長(zhǎng)的因素不是氫離子的活動(dòng),而是鋁和錳元素的毒害作用限制了植物的生長(zhǎng),同時(shí)造成營(yíng)養(yǎng)元素的缺乏。而Stoutd[8]認(rèn)為,在土壤pH值高于5.5的酸性土壤中,苜蓿的產(chǎn)量低是由于共生細(xì)菌的固氮能力降低導(dǎo)致土壤中氮素的缺乏引起的。但關(guān)于高濃度的H+對(duì)苜蓿生長(zhǎng)的抑制和毒害,目前很少有人進(jìn)行相關(guān)的具體研究,并且與酸脅迫相關(guān)的研究也以在代表性酸性土壤下栽培[6-8],模擬實(shí)際生產(chǎn)中遇到的酸、鐵、鋁等多重脅迫為主,很少具體的探究環(huán)境酸度對(duì)植株的單獨(dú)影響。本試驗(yàn)旨在研究不同酸度環(huán)境對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)和生理的影響,為紫花苜蓿在酸性土壤中的推廣種植和紫花苜蓿耐酸脅迫的進(jìn)一步研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料和方法

1.1.1 供試材料 供試苜蓿品種為中種草業(yè)公司提供的WL525,種子用0.1%HgCl消毒10 min,并用去離子水沖洗干凈后播種。

1.1.2 Hogland營(yíng)養(yǎng)液的制備 大量元素:Ca(NO3)21 417 mg/L;KNO3607 mg/L;MgSO4493 mg/L;(NH4)3PO4115 mg/L;鐵素:FeSO4·4H2O 28 mg/L;微量元素:H3BO32.86 mg/L;MnCl2·4H2O 1.81 mg/L;ZnSO4·7H2O 0.22 mg/L;CuSO4·5H2O 0.08 mg/L;H2MoO4·H2O 0.02 mg/L。營(yíng)養(yǎng)液以去離子水稀釋至1/4濃度后用NaOH(1 mol/L)或HCl(1 mol/L)調(diào)節(jié)pH值至所需酸度。

1.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2007年進(jìn)行,采用細(xì)沙作為栽培基質(zhì),經(jīng)HCl浸泡后用去離子水清洗烘干備用。在直徑9 cm,深7 cm,容積為600 mL的塑料花盆內(nèi)鋪設(shè)與底面形狀一致的無(wú)紡布,盆內(nèi)裝入300 g干燥細(xì)沙并將沙面平整,用鑷子挑選20粒大小一致的飽滿種子均勻擺放細(xì)沙表面,覆蓋干沙50 g。分別設(shè)pH為2,3,4,5,6和7,6個(gè)環(huán)境酸度處理;所有處理設(shè)6個(gè)重復(fù)。

將各處理塑料盆置入盛有相應(yīng)pH值的1/4 Hogland營(yíng)養(yǎng)液的水槽中,使?fàn)I養(yǎng)液能緩慢由底部滲入,并在盆內(nèi)形成高于沙表面3～5 mm的液面,然后用Haha8210型便攜式pH計(jì)伸入液面以下測(cè)定pH值,直至液面pH值達(dá)到處理酸度±0.1時(shí)將盆取出。每4 d用相應(yīng)pH值的Hogland營(yíng)養(yǎng)液重復(fù)處理1次。45 d后測(cè)定生理數(shù)據(jù)及生物量、根長(zhǎng)、根瘤數(shù)量。并以5分制計(jì)分法[9]對(duì)根瘤評(píng)分,1分為最差,5分為最好。

5分值計(jì)分法評(píng)價(jià)根瘤。1分:根瘤為中空無(wú)內(nèi)容物的死亡根瘤;2分:根瘤為切面灰白色的無(wú)效根瘤;3分:根瘤切面略呈粉紅色,但直徑小于<0.5 mm;4分:根瘤切面呈粉紅色,1 mm>直徑≥0.5 mm;5分:根瘤切面呈粉紅色,直徑≥1 mm。

1.2 測(cè)定指標(biāo)和方法

1.2.1 出苗率、生物量、根瘤數(shù)的比較 播種后每天記錄各處理的出苗數(shù),計(jì)算出苗率;每處理盆栽隨機(jī)標(biāo)記3株幼苗用于測(cè)量株高、葉片數(shù)、以描形稱重法于出苗45 d時(shí)測(cè)定每標(biāo)記植株自株頂向下第6葉的單葉葉面積[10];出苗45 d時(shí),將栽培基質(zhì)和苜蓿苗從盆中整體取出用水沖洗,直至全株完全沖洗干凈,然后取出標(biāo)記植株,測(cè)定其根系長(zhǎng)度、根瘤數(shù)目、根瘤等級(jí)、單株地上生物量和地下生物量。

1.2.2 細(xì)胞膜透性的測(cè)定 參照劉慧霞和王彥榮[11]及孫鐵軍和蘇日古嘎[12]的方法以葉片相對(duì)電導(dǎo)率反映細(xì)胞膜透性的大小,稱取苜蓿葉片0.2 g,置入盛有去離子水的試管中,真空泵中抽氣30 min使葉片浸沒(méi)于水。靜置20 min后,用DDS-320型電導(dǎo)儀測(cè)定溶液電導(dǎo)率。再放入沸水浴中加熱30 min,冷卻至室溫后測(cè)定其煮沸電導(dǎo)率。重復(fù)3次取其平均值。用公式計(jì)算其相對(duì)電導(dǎo)率:相對(duì)電導(dǎo)率(%)=處理后葉片電導(dǎo)率×100/煮沸電導(dǎo)率。

1.2.3 植株根系活力的測(cè)定 將0.15 g新鮮根系浸沒(méi)于含0.2%TTC(氯化三苯基四氮唑)的66.7 mmol/L的磷酸緩沖液,避光37℃保溫1 h后加入1 mol/L的硫酸終止反應(yīng)。取出根研磨后用乙酸乙酯反復(fù)提取紅色的T TC還原產(chǎn)物三苯甲僭(TTF),485 nm波長(zhǎng)下測(cè)定提取液的OD值。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算TTC還原量[13],以單位時(shí)間內(nèi)單位鮮根還原TTC的量(μg/g FW·h)表示根系還原力,以此反映植株的根系活力。

流程3：當(dāng)封裝后的數(shù)據(jù)包被出口隧道路由器ETR所接收后，應(yīng)當(dāng)對(duì)其進(jìn)行解封裝工作，之后按照目的地址EID2將其轉(zhuǎn)發(fā)為內(nèi)層數(shù)據(jù)包，并使用ACL控制列表對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證。如驗(yàn)證結(jié)果顯示EID1是源地址，則直接進(jìn)入流暢，反之則遺棄數(shù)據(jù)包；

1.2.4 葉片色素含量的測(cè)定 采用吸光度法,稱取0.5 g新鮮葉片,加80%的丙酮研磨提取后在波長(zhǎng)665和645 nm處測(cè)定光密度,并計(jì)算葉綠素含量(mg/g)。

1.2.5 葉綠素?zé)晒馓匦缘臏y(cè)定 用FMS-2型便攜式調(diào)制熒光分析儀(Hansatech公司)進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈩?dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定[14]。測(cè)定前將葉片暗適應(yīng)30 min后測(cè)定Fo(初始熒光)、Fm(最大熒光)、Fv(可變熒光),計(jì)算Fv/Fm(葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率)和Fv/Fo(PSⅡ潛在活性)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用DPS 3.0專業(yè)統(tǒng)計(jì)分析軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿出苗率和存活率的影響

不同的酸度處理(簡(jiǎn)稱酸度,下同)對(duì)苜蓿種子出苗率和成活率的影響有較大差異(表1),處理14 d后弱酸組(pH≥5,且pH<7)的發(fā)芽率略高于對(duì)照(pH=7,下同),而中強(qiáng)酸處理組(pH≤4)發(fā)芽率顯著低于對(duì)照和弱酸處理組133.53%～29.11%(P<0.05,下同);出苗45 d后,pH≥4的酸度下植株成活率與對(duì)照差異不顯著,pH≤3的處理的成活率均顯著低于對(duì)照,其中pH=2的酸處理下所有植株在出苗19 d后全部死亡。(因此本試驗(yàn)45 d后的數(shù)據(jù)無(wú)pH=2的處理);種子發(fā)芽率與環(huán)境pH值呈顯著的單峰曲線變化,相關(guān)系數(shù)r達(dá)0.972＊＊,(＊顯著相關(guān),＊＊極顯著相關(guān)),而存活率在pH≥4的環(huán)境下差異不大。由此可見(jiàn),環(huán)境酸度對(duì)出苗率的影響顯著大于植株的存活率,說(shuō)明植株在出苗后在酸性環(huán)境下有所適應(yīng),具備了一定的耐受能力。環(huán)境弱酸處理組的出苗率和存活率均略高于對(duì)照,說(shuō)明弱酸性環(huán)境有利于苜蓿的出苗和存活。

表1 環(huán)境酸度對(duì)紫花苜蓿出苗率和存活率的影響Table 1 Effect of pH value on the survival rate and emergence rate of M.sativa

2.2 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿株高,葉片數(shù)和葉面積的影響

環(huán)境酸度對(duì)苜蓿幼苗的生長(zhǎng)速率有很大的影響(圖1),在試驗(yàn)期間pH=5的植株生長(zhǎng)最快,在15 d后顯著高于其他處理(P<0.05),但在29～40 d與pH低于5的其他處理一樣生長(zhǎng)變緩。pH為4和6兩處理間的植株在29 d內(nèi)高度差異不明顯,但在29～40 d pH=6的處理高度增長(zhǎng)量顯著高于其他處理,且生長(zhǎng)速率明顯快于對(duì)照;pH≤3的處理在15 d內(nèi)雖生長(zhǎng)較為緩慢,仍分別達(dá)到對(duì)照的70.4%和74.8%,但在出苗15～40 d則基本停止生長(zhǎng),甚至枯死。這一結(jié)果說(shuō)明植株受到酸脅迫的影響是一個(gè)持續(xù)的積累過(guò)程。

環(huán)境pH值為5和6的處理單株葉片數(shù)最多,并在出苗40 d時(shí)顯著高于其他處理,分別高出對(duì)照23.6%和27.2%(圖2);在出苗15 d時(shí)各處理間葉片數(shù)目差異最小,40 d時(shí)差異最大;在pH≤7的范圍內(nèi),單株葉片數(shù)與環(huán)境pH值之間呈顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.924＊;然而在出苗8 d時(shí)發(fā)現(xiàn)pH≤4的處理中,植株葉片數(shù)高于其他處理,并高出對(duì)照15.15%～48.20%;李劍峰[9]對(duì)正常條件下砂培90 d的成苗進(jìn)行酸脅迫10 d后亦增加葉片數(shù)目17.8%～22.0%,這說(shuō)明酸性環(huán)境在短時(shí)間內(nèi)有促進(jìn)植株葉片分化形成的作用,但長(zhǎng)時(shí)間的酸脅迫會(huì)抑制新生葉片的產(chǎn)生,本試驗(yàn)pH≤4的各處理在處理29 d后,葉片數(shù)目增長(zhǎng)緩慢,顯著低于對(duì)照和弱酸處理組(P<0.05)。

出苗40 d時(shí)各處理的單葉面積和同時(shí)期的葉片數(shù)變化規(guī)律基本相似(圖3),處理葉面積隨pH值的增大而呈明顯的單峰型變化趨勢(shì)。其中pH=5的處理單葉葉面積最大,達(dá)54.39 mm2,高出對(duì)照20.87%;pH=3的處理葉面積為28.52 mm2,僅為對(duì)照的63.14%,顯著低于其他處理(P<0.05)。

圖1 環(huán)境酸度對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)高度的影響Fig.1 Effects of pH value on shoot height of M.sativa

圖2 環(huán)境酸度對(duì)紫花苜蓿單株葉片數(shù)的影響Fig.2 Effects of pH value on leaf number per plant of M.sativa

2.3 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿生物量、根長(zhǎng)和根瘤的影響

環(huán)境酸度對(duì)苜蓿生物量及根瘤,尤其對(duì)根瘤等級(jí)的影響明顯(表2),出苗45 d時(shí),pH=5處理下的單株根瘤數(shù)達(dá)15個(gè),極顯著的高于其他處理,說(shuō)明該酸度能夠刺激苜蓿根系根瘤的產(chǎn)生,根瘤等級(jí)低于對(duì)照,但差異不顯著。而當(dāng)處理pH值在6～7時(shí)根瘤數(shù)目差異不大;pH低于4時(shí),植株產(chǎn)生的根瘤無(wú)效或已死亡;從根瘤等級(jí)評(píng)分?jǐn)?shù)據(jù)可見(jiàn),pH在5～7時(shí),植株的根瘤處于正常生長(zhǎng)狀態(tài),差異不顯著。在pH=6時(shí),根瘤生長(zhǎng)表現(xiàn)最好,評(píng)分可達(dá)4.3分,說(shuō)明該酸度最適宜于根瘤的生長(zhǎng),當(dāng)環(huán)境pH值低于4時(shí)植株則不存在有效根瘤,這與李力和曹鳳明[15]的研究結(jié)果一致,其測(cè)試的所有根瘤菌株在pH=4時(shí)都不生長(zhǎng);單株地下生物量與地上生物量的變化趨勢(shì)基本相同,隨著pH值的增大而呈單峰變化趨勢(shì)。2項(xiàng)指標(biāo)在pH=5處理下最高,分別高出對(duì)照35.15%和59.09%,并顯著高于其他處理(P<0.05)。以pH=5為峰值,其他處理植株根系的地上、地下生物量隨著環(huán)境pH值的上升或下降而降低;植株根長(zhǎng)與環(huán)境pH間呈顯著的正相關(guān)(圖4),在pH值為3～7時(shí)相關(guān)系數(shù)達(dá)0.819。

根據(jù)以上形態(tài)及生物量測(cè)定的結(jié)果,參照宮家珺等[5]的方法根據(jù)紫花苜蓿對(duì)土壤酸度的耐受性分為最適、中適及低適生長(zhǎng)區(qū)間。綜合出苗率、成活率、株高、單株葉片數(shù)、單葉面積、生物量和根瘤個(gè)數(shù)在酸性環(huán)境中隨pH的變化規(guī)律:環(huán)境pH值在5～6的范圍內(nèi),紫花苜蓿植株的生長(zhǎng)狀態(tài)最好,甚至在某些方面表現(xiàn)優(yōu)于對(duì)照,故將此范圍劃為苜蓿在酸性土壤中的適宜生長(zhǎng)區(qū)間;pH值低于4的環(huán)境酸度下,苜蓿的出苗率、存活率、株高、單葉面積,生物量和根瘤個(gè)數(shù)均隨Fe2+含量的增大而呈急劇下降的趨勢(shì),并顯著的低于對(duì)照(P<0.05)。表明這一環(huán)境已不適宜苜蓿的生長(zhǎng),說(shuō)明pH值低于4的環(huán)境酸度可劃分為酸性土壤中紫花苜蓿對(duì)環(huán)境酸度的低適生長(zhǎng)區(qū)間。而pH在6～7或4～5的區(qū)間內(nèi)時(shí),以上各個(gè)指標(biāo)均與對(duì)照差異不大,故可劃分為中適長(zhǎng)區(qū)間。

圖3 環(huán)境酸度對(duì)紫花苜蓿單葉面積的影響Fig.3 Effects of pH value on leaf area of M.sativa

表2 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿單株莖葉重,根重和根瘤數(shù)的影響Table 2 Influence of acid environment on biomass of above and blow ground and root nodule number

圖4 環(huán)境酸度對(duì)紫花苜蓿根長(zhǎng)度的影響Fig.4 Effect of pH value on root length of M.sativa

圖5 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿植株根系活力的影響Fig.5 Effects of pH value on root activity of M.sativa

2.4 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿根系活力影響

根系活力是根系生理活性和養(yǎng)分吸收運(yùn)轉(zhuǎn)能力的反映[16]。本試驗(yàn)處理45 d后,pH=6的處理下植株的根系活力最大(圖5),達(dá)到525.860 μg/g FW,之后隨著環(huán)境pH值的降低,根系活力也依次降低,在pH值為3的處理下,根系活力已銳降至124.207 μg/g FW,而對(duì)照下的根系活力則高出pH=4的處理73.2%。經(jīng)回歸分析表明,pH≤6的范圍內(nèi),根系活力與環(huán)境pH值之間呈顯著的正相關(guān),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.935。

2.5 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿葉片細(xì)胞膜透性的影響

細(xì)胞是選擇透過(guò)性膜,它能夠調(diào)節(jié)細(xì)胞內(nèi)外物質(zhì)的運(yùn)輸和交換[17],酸脅迫下可導(dǎo)致細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)的破壞,使細(xì)胞膜透性增大,相對(duì)電導(dǎo)率增高。45 d時(shí)當(dāng)處理酸度在pH為2～6時(shí),葉片相對(duì)電導(dǎo)率與環(huán)境pH值間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系(圖6),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.918＊＊;其中pH=6的酸度下葉片的相對(duì)電導(dǎo)率僅為0.085(1=100%),而pH=5的處理下細(xì)胞膜透性維持在與對(duì)照相似的水平;植株葉片相對(duì)電導(dǎo)率在pH=4時(shí)出現(xiàn)明顯的躍升,證明pH=4的酸度已達(dá)到植株對(duì)環(huán)境酸度的耐受極限,pH為3和4的處理相對(duì)電導(dǎo)率分別高出對(duì)照291.3%和107.9%,此時(shí)植株已表現(xiàn)出嚴(yán)重受害。

2.6 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿葉片葉綠素含量和光化學(xué)效率的影響

葉綠素作為重要的光合色素,在光合作用過(guò)程中擔(dān)負(fù)著光能吸收和轉(zhuǎn)化的重要作用。出苗45 d時(shí),葉綠素含量各酸度處理間差異較大,隨著環(huán)境pH值的增加呈明顯的單峰型變化(圖7),相關(guān)系數(shù)達(dá)0.946。pH=5處理下的葉綠素含量最高,高于對(duì)照31.2%,pH=6處理下葉綠素含量亦高于對(duì)照27.9%;pH≤4的環(huán)境酸度下葉綠素含量則明顯低于對(duì)照。

圖6 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿葉片電導(dǎo)率的影響Fig.6 Effect of pH value on relative conductivity of M.sativa

圖7 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿葉綠素含量的影響Fig.7 Effect of pH value on chlorophyll content of M.sativa

Fm/Fv和Fv/Fo常用于度量植物葉片PsⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率和PsⅡ潛在活性,是表明光化學(xué)反應(yīng)狀況的2個(gè)重要參數(shù)[18]。15 d時(shí)苜蓿幼苗的熒光參數(shù)Fv/Fm和Fv/Fo隨環(huán)境pH值的增大呈極顯著的二項(xiàng)式相關(guān)(圖8,9),相關(guān)系數(shù)R2高達(dá)0.968＊＊和0.913＊＊;45 d時(shí)Fm/Fv的變化較15 d時(shí)趨于平緩,而Fv/Fo的變化在pH≥5處理間比較明顯。其中pH=6處理的Fv/Fo明顯高于所有處理,并略高于14 d時(shí)的水平,且Fv/Fm亦高于其他處理,說(shuō)明幼苗在經(jīng)歷一段時(shí)期對(duì)弱酸環(huán)境的適應(yīng)后,在pH=6的酸度下光能轉(zhuǎn)化效率和PsⅡ潛在活性都達(dá)到最大值。而pH=4和5的處理45 d時(shí)的Fm/Fv值均低于15 d時(shí)的表現(xiàn);在pH≤4的環(huán)境酸度下,Fm/Fv和Fv/Fo隨酸度的增大而下降的趨勢(shì)最為明顯,且彼此間差異顯著(P<0.05)。

3 討論

3.1 環(huán)境酸度與苜蓿生長(zhǎng)及生理間的關(guān)系

不同的環(huán)境酸度對(duì)于苜蓿植株的影響差異較大。在pH≥5的弱酸環(huán)境下,植株的葉面積、株高、生物量等生長(zhǎng)指標(biāo)及葉綠素含量等生理指標(biāo)均高于甚至部分顯著高于中性環(huán)境(pH=7),這說(shuō)明弱酸環(huán)境能夠刺激苜蓿幼苗的生長(zhǎng)。同時(shí)根據(jù)根系活力及膜透性指標(biāo)也可以發(fā)現(xiàn),弱酸環(huán)境對(duì)于植株的根系和質(zhì)膜的透性還是有微弱的負(fù)面影響。綜合這兩部分結(jié)論,參照宮家珺等[5]對(duì)鋁離子和Fe2+在酸性環(huán)境下對(duì)該苜蓿品種的脅迫研究,初步認(rèn)為弱酸環(huán)境下,苜蓿在酸性土壤下面臨的主要脅迫因素是土壤中的鋁、鐵離子,酸性本身對(duì)植株的脅迫作用較微弱,僅為H+對(duì)根系長(zhǎng)度,根系活力和膜透性的影響。但在實(shí)際栽培土壤中,較多的H+為亞鐵離子和鋁離子的活化提供了條件,放大了鐵、鋁離子對(duì)植株的傷害,這就解釋了Mahler[19]研究發(fā)現(xiàn)的相同土壤成份下,弱酸環(huán)境下苜蓿生長(zhǎng)狀況明顯低于中性條件的現(xiàn)象。

圖8 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿葉片PSⅡ原初光能轉(zhuǎn)化效率(Fv/Fm)的影響Fig.8 Effect of pH value on PSⅡprimary chemical efficiency(Fv/Fm)of M.sativa leaf

圖9 環(huán)境酸度對(duì)苜蓿葉片PSⅡ潛在活性(Fv/Fo)的影響Fig.9 Effect of pH value on PSⅡpotential activity(Fv/Fo)of M.sativa leaf

隨著環(huán)境pH值的進(jìn)一步降低,在pH=4的酸度下,苜蓿幼苗在表觀上仍能維持生長(zhǎng),而實(shí)際上膜結(jié)構(gòu)已受到嚴(yán)重的損傷,根系活力也分別降至pH=5的處理及對(duì)照下的57.8%和61.1%,葉片的光合效能隨之減弱,植株高度和葉片數(shù)的增長(zhǎng)分別與15 d和29 d后趨于停滯。

所有pH≤4的處理下根瘤全部死亡或無(wú)效,出苗率、葉面積、地上生物量等生長(zhǎng)指標(biāo)也隨著酸度的增加而呈明顯的下降趨勢(shì),pH≤3的各處理植株均可觀察到葉片出現(xiàn)皺縮和白色壞死斑點(diǎn)[8],異狀葉大量產(chǎn)生。但本研究也發(fā)現(xiàn),盡管pH=4的酸性環(huán)境下苜蓿多項(xiàng)生理及生長(zhǎng)指標(biāo)均顯著低于對(duì)照,但其單株地下生物量并不低于對(duì)照,且25 d時(shí)將各酸度下的6個(gè)處理中的3個(gè)去除酸脅迫后繼續(xù)生長(zhǎng),發(fā)現(xiàn)pH=4的處理下植株生長(zhǎng)有所恢復(fù)[9],并在45 d時(shí)株高及葉片數(shù)、生物量等指標(biāo)與對(duì)照(pH=7)處理差異不顯著。而pH低于4的環(huán)境則無(wú)法使苜蓿幼苗長(zhǎng)期生存,去除酸脅迫后亦無(wú)法恢復(fù)生長(zhǎng)。這說(shuō)明pH=4的酸度下,植株仍能維持最低限度的生長(zhǎng),故在pH≥4的土壤中,若Fe2+和鋁離子含量不足以造成植株的脅迫就完全可以進(jìn)行苜蓿的引種和栽培。但pH值低于4的土壤環(huán)境,不論其他離子是否造成傷害,僅酸脅迫而言對(duì)苜蓿幼苗也是致命的。

3.2 紫花苜蓿在不同酸度環(huán)境下的光合生理

最大光化學(xué)量子產(chǎn)量Fv/Fm和光系統(tǒng)潛在活性Fv/Fo是度量葉片光系統(tǒng)Ⅱ(PSⅡ)原初光能轉(zhuǎn)換效率和潛力的重要參數(shù)。正常條件下,Fv/Fm值不受物種和生長(zhǎng)條件的影響,變幅非常小,但在逆境條件下這一比值明顯降低[20]。出苗15 d時(shí),在pH為4～7的處理下Fv/Fm值差異并不顯著,而在45 d時(shí),pH=4的處理下該值明顯低于對(duì)照,同時(shí)pH=5的處理下Fv/Fm值也有所下降。2個(gè)時(shí)期的數(shù)據(jù)反映出在pH為4～5時(shí),環(huán)境酸度對(duì)幼苗光能轉(zhuǎn)化效率的促進(jìn)作用僅表現(xiàn)為短時(shí)間的刺激作用,隨著處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸有所下降;光系統(tǒng)潛在活性Fv/Fo在pH≤4的處理下,15和45 d時(shí)的數(shù)值差異不大。而在弱酸處理組下,15 d時(shí)處理間的差異不顯著,45 d時(shí)表現(xiàn)為pH值高于或低于6的處理Fv/Fo值均下降。說(shuō)明光系統(tǒng)潛在活性在pH=6時(shí)達(dá)到最大,并隨著環(huán)境酸度的增大而降低;出苗45 d時(shí),pH<4的處理間Fv/Fm和Fv/Fo都顯著低于弱酸處理組,這與葉綠素含量及葉片電導(dǎo)率的變化基本吻合。這一結(jié)果與Holden等[21]的研究發(fā)現(xiàn)一致,即強(qiáng)酸環(huán)境下高濃度的H+使PEP羧化酶和RuBP羧化酶的活性降低,葉綠體趨于解體破壞,造成植物葉片的失綠,直接引起光合效率的下降。

4 結(jié)論

在不同程度的酸性環(huán)境中,pH=4的環(huán)境酸度為苜蓿幼苗的耐受極限,表現(xiàn)在此酸度下苜蓿幼苗的形態(tài)指標(biāo)和生理指標(biāo)值與對(duì)照均有顯著差異,如該處理下的出苗率為66.4%,僅為對(duì)照的77.4%,幼苗葉片上開(kāi)始產(chǎn)生明顯的白色枯斑,無(wú)存活根瘤,地上生物量和根系活力分別僅有對(duì)照處理的55.6%和61.1%,但此時(shí)植株的成活率和葉片的葉綠素含量與對(duì)照無(wú)顯著差異。表明這一酸度水平上雖已產(chǎn)生明顯的脅迫癥狀,但植株仍可以耐受,并在去除脅迫后能夠恢復(fù)正常生長(zhǎng),但一旦pH值低于4,植株則無(wú)法耐受,很快停止生長(zhǎng)甚至死亡;不計(jì)鋁、鐵等離子的作用,僅就酸度而言,5～6之間的土壤pH值,是苜蓿在酸性土壤中的最適生長(zhǎng)區(qū)間,植株的生長(zhǎng)表現(xiàn)均優(yōu)于或不低于對(duì)照,各項(xiàng)生理指標(biāo)也表明未受到脅迫傷害,反而表現(xiàn)出一定的促進(jìn)作用。

[1]孫洪仁,張英俊,歷衛(wèi)宏.北京地區(qū)紫花苜蓿建植當(dāng)年的耗水系數(shù)和水分利用效率[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2007,16(1):41-66.

[2]王新海,畢玉芬,奎家祥.耐酸性紫花苜蓿的研究進(jìn)展[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2005,20(5):705-709.

[3]戚志強(qiáng),玉永雄,胡躍高.當(dāng)前我國(guó)苜蓿產(chǎn)業(yè)發(fā)展的形勢(shì)與任務(wù)[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(1):107-113.

[4]郭彥軍,黃建國(guó).紫花苜蓿在酸性土壤中的生長(zhǎng)表現(xiàn)[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2006,15(1):84-89.

[5]宮家珺,李劍峰,安淵.酸性土壤中鋁離子對(duì)紫花苜蓿生長(zhǎng)和生理的影響[J].中國(guó)草地學(xué)報(bào),2008,30(3):52-58.

[6]Mesfint S,Deborahl A.Over pression of malate dehydrogenase in transgenic alfalfa enhances organic acid synthesis and confers tolerance to Aluminum[J].Plant Physiology,2001,127:1836-1844.

[7]Josh B.Possible solutions to remedy the detrimental effects of soil acidity on tropical agriculture[J].Geology of Soils,1996,11:36-38.

[8]Stoutd G.Growth of Alfalfa on Acid Soils When Established with Pre-inoculated Coated Seed[M].Canada Agriculture and Agri-Food,1994:87-110.

[9]李劍峰.紫花苜蓿在酸鐵脅迫下的適應(yīng)性研究[D].蘭州:甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué),2007:34-36.

[10]譚一波.葉面積指數(shù)的主要測(cè)定方法[J].林業(yè)調(diào)查規(guī)劃,2008,33(3):47-49.

[11]劉慧霞,王彥榮.水引發(fā)對(duì)紫花苜蓿種子萌發(fā)及其生理活動(dòng)的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(4):78-84.

[12]孫鐵軍,蘇日古嘎.10種禾草苗期抗旱性的比較研究[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2008,17(4):42-49.

[13]王芳,劉鵬,朱靖文.鎂對(duì)大豆根系活力葉綠素含量和膜透性的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào),2004,23(2):235-259.

[14]郭士偉,張?jiān)迫A,金永慶.小白菜(Brassica chinensis L.)黃苗突變體的葉綠素?zé)晒馓匦訹J].作物學(xué)報(bào),2003,29(6):958-960.

[15]李力,曹鳳明.花生根瘤菌的抗逆性初步研究[J].微生物學(xué)通報(bào),2000,1:42-47.

[16]劉建新,胡浩斌,趙國(guó)林.多裂駱駝蓬中生物堿類物質(zhì)對(duì)玉米幼苗生長(zhǎng)及某些生理特性的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2007,16(1):75-80.

[17]王友保,張莉.銅對(duì)狗牙根生長(zhǎng)及活性氧清除系統(tǒng)的影響[J].草業(yè)學(xué)報(bào),2007,16(1):52-57.

[18]Zhang S R.A discussion on chlorophyll fluorescence kinetics parameters and their significance[J].Chinese Bulletin of Botany,1999:16(4):444-448.

[19]M ahler R L.Impacts and Management of Soil Acidity under Direct Seed Systems-Status and Effects on Crop Production[R].Direct Seed Conference,CA,January,2002:16-18.

[20]Schreiber U,Bilger W,Klughammer C.Applications of Chlorophyll Fluorescence in Photosynthesis Research[M].Hydrobiology and Remote Sensing,Dordrecht:Kluwer Academic Publishers,1988:151-155.

[21]Holden M J,Luster D G,Chaney R L,et al.Fe3+-chelate reductase activity of plasma membranes isolated from tomato(Lycopersi conesculentum Mill.)root[J].Plant Physiology,1991,97:537-544.