林妙君,林敏丹,許展穎,馮婷詩(shī),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(wèn)題[2-3]。我國(guó)酸雨主要分布在長(zhǎng)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(wàn)km2,占國(guó)土面積的5.0%,出現(xiàn)酸雨的城市占全國(guó)的33.3%[4]。酸雨作為一種氣象災(zāi)害,對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)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(lèi)糧食安全方面發(fā)揮著核心作用[5]。同時(shí)水稻也是我國(guó)最重要的糧食作物之一,2021年其產(chǎn)量占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的43.8%[6]。研究酸雨對(duì)水稻萌發(fā)與生長(zhǎng)的影響,對(duì)指導(dǎo)水稻種植業(yè)的生產(chǎn),減少經(jīng)濟(jì)損失具有一定的價(jià)值?!厩叭搜芯窟M(jìn)展】陶忠玲等[7]研究發(fā)現(xiàn)酸雨對(duì)水稻的傷害閾值為pH 3.0~3.5,pH 2.0~2.5 時(shí)水稻種子不能萌發(fā)。王麗紅等[8-9]將酸雨脅迫對(duì)水稻傷害機(jī)理的研究擴(kuò)展到水稻保護(hù)酶層面,發(fā)現(xiàn)高強(qiáng)度酸雨脅迫下,水稻種子的過(guò)氧化氫酶活性和過(guò)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(yùn)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(yùn)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(huì)抑制水稻分蘗期的生長(zhǎng),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(duì)酸雨的適應(yīng)與水稻根系對(duì)微量養(yǎng)分的吸收有關(guān)。Wang 等[13]研究表明,弱酸條件對(duì)水稻萌芽無(wú)顯著影響,而強(qiáng)酸脅迫下細(xì)胞膜發(fā)生脂質(zhì)過(guò)氧化反應(yīng),導(dǎo)致生理?yè)p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(zhǎng)、根冠比、冠根顯著下降。雖然國(guó)內(nèi)外關(guān)于酸雨脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)發(fā)育的影響已有一定研究,但大多僅單獨(dú)對(duì)水稻萌芽期或者分蘗期展開(kāi)研究,或?qū)γ妊科诤头痔Y期測(cè)度指標(biāo)較為單一。關(guān)于水稻在萌芽期與分蘗期兩個(gè)階段對(duì)酸雨脅迫的響應(yīng)機(jī)制仍然不清晰?!颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】本研究將連續(xù)監(jiān)測(cè)不同強(qiáng)度酸雨脅迫處理水稻萌芽期和分蘗期的多個(gè)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(zhǎng)狀況。【擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題】選擇美香占2 號(hào)秈稻種子為研究對(duì)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(qiáng)度,依托萌芽期培養(yǎng)皿和分蘗期盆栽試驗(yàn),對(duì)比不同強(qiáng)度酸雨脅迫下水稻萌芽期和分蘗期各項(xiàng)生理指標(biāo)差異,揭示酸雨脅迫對(duì)水稻種子萌芽和植株生長(zhǎng)的影響,為水稻生產(chǎn)提供理論參考。
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(hào)。取均勻飽滿的美香占2 號(hào)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)強(qiáng)度的模擬酸雨溶液,并用pH 計(jì)(SX-620 型筆式pH 計(jì),上海三信儀表廠)校準(zhǔn)。
1.2.1 萌發(fā)期培養(yǎng)皿試驗(yàn) 試驗(yàn)于2017 年7 月在華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)樓實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,設(shè)置pH 3.5、4.0、4.5、5.0 等4 個(gè)模擬酸雨處理和pH 6.0 對(duì)照(CK),每個(gè)處理5 次重復(fù),每個(gè)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(hào),加入對(duì)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(gè)時(shí)段,分別模擬白天和夜晚,白天工作時(shí)間12 h,溫度30(±1)℃,相對(duì)濕度70%,光照強(qiáng)度3 000 lx;夜晚工作時(shí)間12 h,溫度28(±1)℃,相對(duì)濕度70%,光照強(qiáng)度0 lx。處理后連續(xù)7 d 記錄種子發(fā)芽數(shù),并于試驗(yàn)結(jié)束后收集發(fā)芽種子進(jìn)行幼苗鮮重、幼苗苗長(zhǎng)等相關(guān)指標(biāo)測(cè)定。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中每天更換酸液,保持濾紙濕潤(rùn)。
1.2.2 分蘗期盆栽試驗(yàn) 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(gè)培養(yǎng)皿中分別選取3 株幼苗,苗長(zhǎng)約6 cm,長(zhǎng)勢(shì)相近。將幼苗分別轉(zhuǎn)移到盛有500 g 試驗(yàn)用土的植株培養(yǎng)杯中,并逐一編號(hào)。土壤預(yù)先進(jìn)行對(duì)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(méi)過(guò)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(yàn)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(zhǎng)、鮮重、干重和葉綠素含量等相關(guān)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過(guò)程跟蹤觀察并定期加入對(duì)應(yīng)酸液,保持液面沒(méi)過(guò)土壤面約1 cm。
水稻種子萌芽指標(biāo)測(cè)定嚴(yán)格按《種子檢驗(yàn)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(zhǎng)度的1/2,幼根與種子等長(zhǎng)。從酸雨脅迫后連續(xù)7 d 測(cè)算當(dāng)天每皿種子的發(fā)芽數(shù)量,7 d 后統(tǒng)計(jì)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(duì)含量由葉綠素測(cè)定儀(SPAD-502 Plus 型葉綠素測(cè)定儀)測(cè)定,每組葉片重復(fù)測(cè)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(shí)間的發(fā)芽數(shù)量,Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù),S為試驗(yàn)結(jié)束后一株幼苗的平均鮮重。
試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)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。
2.1.1 對(duì)水稻種子萌芽的影響 不同酸強(qiáng)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(shí)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(duì)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)一步縮小;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(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)水稻種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)影響較小,高強(qiáng)度酸雨脅迫則影響較大。
圖1 不同處理時(shí)間水稻種子發(fā)芽率Fig.1 Germination rates of rice seeds in different treatment
表1 不同強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)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(duì)水稻幼苗長(zhǎng)度的影響 苗長(zhǎng)抑制指數(shù)能夠直觀反映酸雨對(duì)種子萌發(fā)的抑制強(qiáng)度。由表2 可知,pH 3.5、pH 4.0 處理幼苗苗長(zhǎng)顯著低于CK,苗長(zhǎng)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(zhǎng)略有增加。表明高強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)幼苗苗長(zhǎng)有一定的抑制作用,但中低強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)其影響不明顯。
表2 不同強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)幼苗苗長(zhǎng)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
2.2.1 對(duì)水稻株高和根長(zhǎng)的影響 酸雨脅迫下,美香占2 號(hào)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(xiàng)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(qiáng)度處理水稻株高和根長(zhǎng)均隨時(shí)間增加而有所增加,但增長(zhǎng)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(zhǎng),而pH 4.5、5.0 處理和CK 則增長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)與CK 差異顯著,根長(zhǎng)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(zhǎng)與CK 差異不顯著,pH 4.5 處理根長(zhǎng)反而略有增長(zhǎng)。
圖2 不同強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)分蘗期水稻株高和根長(zhǎng)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(zhǎng)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(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)分蘗期水稻生長(zhǎng)有明顯的抑制作用,而低強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)水稻的生長(zhǎng)有一定的刺激和促進(jìn)作用。
2.2.2 對(duì)葉片葉綠素含量的影響 葉綠素是一類(lèi)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(qiáng)光合作用并產(chǎn)生更多有機(jī)物,從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)發(fā)育,反之則會(huì)阻礙植物生長(zhǎng)[16]。因此測(cè)量不同強(qiáng)度酸雨脅迫下美香占2 號(hào)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(qiáng)度處理水稻葉片葉綠素含量隨著生長(zhǎng)時(shí)間延長(zhǎng)均有不同程度的增加,但增幅(累計(jì))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(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)水稻葉片葉綠素含量增加有較大的負(fù)面影響,但低強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)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(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)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
種子萌發(fā)是植物生長(zhǎng)發(fā)育和接受酸雨脅迫的起點(diǎn),決定了植株能否正常建植生長(zhǎng),因而弄清酸雨脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響至關(guān)重要[17]。本研究發(fā)現(xiàn),不同強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)水稻種子萌發(fā)均有一定影響,且酸雨脅迫對(duì)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(qiáng)度酸雨脅迫發(fā)芽指數(shù)、幼苗苗長(zhǎng)均與CK 差異不顯著,pH 5.0 處理苗長(zhǎng)甚至略高于CK;高強(qiáng)度酸雨脅迫發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)和幼苗苗長(zhǎng)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(duì)種子萌芽影響越小,種子活力越強(qiáng)[18]。馮宗煒等[19]研究指出,水稻對(duì)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(qiáng)度酸雨脅迫下發(fā)芽率沒(méi)有顯著降低的結(jié)果相吻合,表明水稻種子萌發(fā)對(duì)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(méi)有明顯差異,但在強(qiáng)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(zhǎng),但隨脅迫程度繼續(xù)增加,過(guò)量H+使種子的種皮透性增強(qiáng),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(chǔ)存的營(yíng)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]。
不同強(qiáng)度酸雨脅迫對(duì)分蘗期水稻生長(zhǎng)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(shì)。強(qiáng)酸(pH 3.5、pH 4.0)脅迫下,水稻株高、根長(zhǎng)增長(zhǎng)極為緩慢,后期基本停滯,且株高、根長(zhǎng)指標(biāo)(分蘗27 d)均顯著低于CK,表明高強(qiáng)酸雨脅迫對(duì)水稻生長(zhǎng)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(zhǎng)增速高于CK,表明弱酸條件對(duì)水稻生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用。周思婕等[20]研究指出,重強(qiáng)度酸脅迫使馬尾松的生物量的積累減少,影響其生長(zhǎng)發(fā)育。這可能源自?xún)蓚€(gè)方面的原因,一方面,酸脅迫帶來(lái)的大量H+通過(guò)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(yíng)養(yǎng)元素流失,使得幼苗生理功能失調(diào),生長(zhǎng)受到抑制;另一方面,酸雨侵蝕會(huì)造成土壤酸化,酸化土壤中鹽基陽(yáng)離子的淋溶使得土壤供給營(yíng)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(zhǎng)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(zhǎng)、根表面積、根尖系數(shù)等都顯著低于對(duì)照組,根系伸長(zhǎng)和分枝結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)烈抑制,這與本研究不同酸處理下大部分幼苗根長(zhǎng)受到抑制的結(jié)果一致,這可能是由于根系膜脂過(guò)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(duì)酸脅迫。
弱酸處理葉綠素含量與增幅均大于CK,強(qiáng)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(huì)過(guò)降低光合作用、關(guān)閉氣孔及提高水分利用效率以應(yīng)對(duì)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(guò)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(lái)的負(fù)效應(yīng)[25],葉綠素的含量應(yīng)取決于酸雨帶來(lái)的負(fù)面影響與正面影響之和。
本研究結(jié)果表明,不同強(qiáng)度模擬酸雨脅迫處理(pH 3.5~6.0)對(duì)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(zhǎng)均隨pH 的降低而降低,低強(qiáng)度酸雨脅迫處理與CK 差異不明顯,高強(qiáng)度酸雨脅迫處理顯著低于CK。分蘗期水稻在株高、根長(zhǎng)和葉片葉綠素含量等生理指標(biāo)強(qiáng)酸處理增長(zhǎng)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(duì)分蘗期水稻生長(zhǎng)具有明顯的“低促高抑”作用。在水稻種植過(guò)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(zhǎng)發(fā)育。