四川地区常见八种玉米种子萌发过程对酸雨的响应

张柳青,杨 艳,权秋梅,帅文娣,郭佳灵,李 锋,陈 奇

(1.西华师范大学a.环境科学与工程学院，b.生命科学学院，四川 南充 637009； 2.四川农业大学 小麦研究所，成都 611130； 3.泸县梁才学校，四川 泸州 646100)

作为全球污染问题之一的酸雨，对公众健康、工农业生产、生态环境及全球气候变化带来的负面影响越来越严重。酸雨是指pH值小于5.60的大气降水，未被污染的降水是中性的，pH值在7.0左右[1]。酸雨的形成受人为和自然因素的影响，自然因素主要是火山爆发、海浪溅起的海盐飞沫、森林火灾等产生的物质，将云内成雨后形成的水汽吸附在SO42-、CO32-等凝结核上，经过氧化还原反应，形成较小的硫酸雨滴和碳酸雨滴，之后又经过云下冲刷过程，较小的硫酸雨滴和碳酸雨滴不断吸附周围的含酸雨滴，最后形成含酸大雨滴，降落地面形成酸雨[2]。人为因素是促成酸雨形成的主要原因，在发展工业过程中大量燃烧化石燃料，排放的SO2、NOx等成为酸雨的主要来源[3]。目前，大量研究表明酸雨会造成植物失绿，生长速度减缓，生物量降低等[4]，而关于酸雨作用于植物的方式以及植物对酸雨的响应情况仍处于研究阶段[5]。

我国玉米年产量占世界第二位，是主要的粮食作物之一。种子萌发是植物生命的起点，研究玉米种子萌发对酸雨的响应具有较大的实践意义。严重玲[6]等的研究表明，模拟酸雨会破坏种子内部结构，抑制种子萌发。袁志忠等[7]进一步说明玉米种子的生理指标包括发芽势、发芽率、发芽指数和活力指数等会受到酸雨的影响，如当pH值为4.5～5.6时影响不显著；pH值为2.5～3.5时对玉米种子的萌发有显著的抑制作用。同时，经pH2.5和pH3.5的模拟酸雨处理后，发芽率分别下降了41.11%和28.72%，种子出现了畸形、萎缩、失水等现象。玉米幼苗叶片叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素的含量会随模拟酸雨强度的增加而减少，使得经处理后的玉米幼苗的生长与发育受到抑制，阻碍玉米植株对氮素营养的吸收与同化功能，加快叶绿素的分解，降低光合作用能力，从而导致玉米植株不能正常发育[7-8]。酸雨的加剧使得我国各地区的农业也受到不同程度的影响，玉米等粮食产量受酸雨的影响有减产的趋势。因此，研究不同pH值酸雨对玉米种子萌发的影响能够更好地运用于日常实践当中。本实验研究模拟酸雨对四川地区常见八种玉米种子和幼苗的影响，明确了八种玉米萌发的耐酸阈值范围，分析它们在模拟酸雨下的生长情况，能进一步了解其抗酸雨能力，为减轻酸雨对玉米的胁迫作用，合理选育玉米品种，保证产量提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验选择pH1.0～6.0的模拟酸雨溶液，pH7.0为对照组。用98%浓硫酸和65%～68%硝酸溶液配制pH1.0的酸雨母液，根据南充市降水离子统计结果[9]，用蒸馏水将母液配成pH1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、6.0、7.0的模拟酸雨，pH测量仪校准，将配置好的溶液置于低温下保存。

供实验玉米种子选用市场上常见的普通玉米品种：登海605、郑单958、蠡玉86、浚单20、福德2、雅玉2、川单428和资玉2。

1.2 试验设计和方法

将处理好的备用种子，整齐的排列在铺有两层滤纸的培养皿中，每个培养皿放50粒种子，包括对照共有7个处理组。向每个培养皿中分别加入一定量的不同酸度的模拟酸雨溶液，每天早晚定时向培养皿中补充相应的溶液约3～5 mL。培养条件是光处理12 h，黑暗处理12 h，恒温25 ℃，置于光照培养箱中培养。在试验过程中，连续培养玉米种子，每天观察其生长情况，统计并做好记录。按国家种子质量检验标准[10-11]，第12 d随机挑选每组处理下的3株玉米幼苗，分别测定苗、根和种子残留物3个部分，做好相关记录。

1.3 种子萌发和幼苗生理指标的测定

对样品的发芽率，根长，种子残留物鲜、干重，叶面积，根鲜重、干重，苗鲜重、干重进行测定。使用了电子秤、叶面积测定仪、离心机等仪器。

1.4 数据处理

使用单因素方差分析(One-way ANOVA)和邓肯方差(Duncan)分析，实验数据均以平均值±标准差表示，同时制作柱形图和三线表。

2 结果与分析

2.1 不同pH值模拟酸雨对玉米发芽率的影响

发芽率是反映种子品质优劣的重要指标，种子萌发也是植物正常生长的前提。由表1可以看出，当酸雨pH值为1.0、2.0时，完全抑制了八种玉米种子发芽，发芽率为零。与对照组(pH=7.0)相比，pH为3.0、4.0、5.0时，种子萌发均受到不同程度的抑制。登海605的发芽率在pH为6时与对照组无显著差异；浚单20发芽率在pH为3.0～6.0时与对照组无明显差别；雅玉2、福德2和蠡玉86在pH=4.0的模拟酸雨下发芽率最大；资玉2和川单428在pH=5.0的模拟酸雨下发芽率最大，郑单958在pH为4.0时的发芽率最小，其余处理条件下与对照组无明显差别。

表1 模拟酸雨pH=1.0～7.0条件下玉米的发芽率

注：同列相同字母表示在0.05水平差异不显著。

2.2 不同pH值模拟酸雨对玉米种子残留物干、鲜重的影响

在不同处理条件下，雅玉2、川单428、资玉2的种子残留物量小于其他品种。川单428在pH=6.0与对照组无显著差异，蠡玉86在pH=5.0、6.0条件下与对照组无显著差异，其余玉米种子残留物鲜、干重与对照组比较均有显著差异(P<0.01)。浚单20在pH为3.0、4.0、5.0时种子残留物鲜重无显著差异；雅玉2在pH为2.0和3.0条件下无显著差异，pH为5.0和6.0条件下无显著差异。模拟酸雨pH值为1.0、2.0时，川单428和资玉2种子残留物鲜、干重较小，福德2种子残留物鲜重最大。pH=5.0时，川单428种子残留物鲜重最小，pH=6.0，浚单20种子残留物鲜重最大。种子残留物干重是种子残留物鲜重除去水分剩下的物质。pH =1.0、2.0处理下，八种玉米的种子残留物干重均大于或等于其他处理。pH=3.0、4.0、5.0条件下，浚单20种子残留物干重物显著差异；登海605在pH=1.0、2.0时种子残留物干重无显著差异；雅玉2在pH=6.0下，与CK组(pH=7.0)的种子残留物干重无明显差异。pH=2.0、3.0时，雅玉2、川单428和资玉2种子残留物干重较小；pH=4.0时，福德2、雅玉2和资玉2种子残留干重较小；pH=6.0时，郑单958、福德2、雅玉2、川单428、资玉2的种子残留物干重均小于0.65 mg。见图1。

2.3 不同pH值模拟酸雨对玉米根干、鲜重的影响

根系是植物重要吸收器官，其形态在一定程度上影响植物养分吸收功能[12]。当pH为1.0、2.0时，八种玉米种子均无法萌发。根系越发达，吸收的水分和养分就会增多，更能适应恶劣环境[13]。除川单428、郑单958外，其余品种玉米的根鲜、干重均低于CK组；川单428在pH=3.0、4.0、6.0，郑单958在pH=5.0、6.0的根干鲜大于CK组；八种玉米在pH=1.0～6.0时的根鲜、干重与CK组均有显著差异(P<0.05)。八种玉米的根长随着pH值的增大，呈递增的趋势。川单428在pH=4时的根鲜重最大，在pH=5.0时最小，其余玉米的根鲜重在pH=7.0或6.0时最大，在pH=4.0或3.0时最小。模拟酸雨对八种玉米种子的根干重的影响趋势基本相同。pH=3.0、4.0处理下，登海605、浚单20、蠡玉86和郑单958的根干重与CK组相比，存在显著差异(P<0.01)。pH=5.0、6.0时，浚单20的根干重与pH=3.0、4.0时的根干重存在显著差异(P<0.05)；蠡玉86在pH=3.0、4.0时的根干重小于pH=5.0、6.0、7.0对应的根干重，且与CK组有显著差异；郑单958在pH=3.0、4.0时的根干重与CK组无显著差异，但是都小于pH=5.0、6.0时的根干重值。见图2。

2.4 不同pH值模拟酸雨对玉米苗干、鲜重的影响

由图3可知，与CK组相比，pH>3.0时，除川单428、福德2和蠡玉86外，其余品种玉米的苗鲜、干重均低于CK组；登海605、郑单958和浚单20的苗生物量高于其余品种，其中登海605最大。八种玉米在pH=1.0～6.0时的苗鲜重与其CK组存在显著差异(P<0.01)。此外登海605、浚单20、蠡玉86、雅玉2、郑单958和资玉2的苗鲜重在pH=7.0或6.0时最大，在pH=4.0或3.0时最小；川单428和福德2在pH=4.0时苗鲜重最大，分别在pH=3.0和6.0时最小。登海605和郑单958的苗干重在pH为3.0、5.0时最大；浚单20的苗干重在pH为4.0时最大。川单428、福德2在pH为3.0～6.0条件下，苗干重变化范围小，即0.27mg～0.36mg；登海605的苗干重在pH=3.0、4.0、6.0无明显差异；浚单20、蠡玉86、郑单958的苗干重在pH为3.0～6.0时差异显著(P<0.01)；雅玉2的苗干重在pH=4.0、5.0时，无显著差异，与其余pH值下的苗干重存在明显差异；资玉2在pH=3.0、5.0时，苗干重无明显差异，与pH=4.0、6.0时的苗干重存在明显差异。

2.5 不同pH值模拟酸雨对玉米叶面积的影响

光合作用是植物正常生长发育的重要代谢活动，植物叶片中叶绿体内含有主要的光合色素，液泡中含有花青素。光合色素能吸收、传递、转换太阳能进行光合作用，植物利用光合色素，将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物，并释放出氧气(或氢气)[14]。酸雨污染对植物叶片的生长会产生不同的影响，如叶片面积的减小，会降低叶片中光合色素、花青素等的含量，从而降低光合速率，影响植物的正常生长。模拟酸雨pH=1.0、2.0、3.0处理时，八种玉米均未长出叶片，导致玉米无法进行光合作用，难以成活，见图4。随着模拟酸雨浓度的降低，登海605、郑单958、蠡玉86和浚单20四种玉米长叶，其叶面积基本上都小于CK组。

3 讨 论

3.1 pH<2.0时酸雨对玉米幼苗的影响

以经济产量为依据，玉米属于对酸雨影响中等敏感的作物[15]。酸雨对玉米根、苗、叶等的抑制随着其酸度的上升而增强[16]。酸雨主要是通过降低种子呼吸强度，抑制水解酶活性，进而抑制种子萌发的[17]，而且随着酸雨酸度增强，玉米幼苗叶片叶绿素含量和叶绿素a/b比值会逐渐降低，进而影响叶片的光合作用阻碍玉米正常生长[18]。在本实验中，用pH=1.0和2.0处理对八种玉米的萌发以及幼苗的生长完全抑制，种子发芽率均为零，种子受到严重腐蚀而无法萌发。由此可认为pH值越大，模拟酸雨对玉米种子发芽率的抑制作用越不明显，而在酸性增强时就会表现出明显的抑制作用，这同王秀英的结论是相符合的[19]。这可能是由于高浓度酸雨中过量的H+使玉米种皮透性增加，离子平衡失调，自由基积累，膜透性和线粒体结构被破坏，种子呼吸受抑，物质代谢紊乱，贮藏物质优先用于受损胚细胞的生理修复[20-21]。

3.2 pH>3.0时酸雨对玉米幼苗的影响

袁志忠[22]等的试验表明，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。说明在控制其他条件相同的情况下，酸性越强的酸雨对种子萌发的影响越大。pH=3.0和4.0时，八种玉米种子受到不同程度的影响，其中发芽率最低的是资玉2，发芽率分别为40%，46%，而发芽率最高的是郑单958和蠡玉86，分别为82%，74%，随着pH值的增大，酸雨对发芽率的抑制作用逐渐减少，这也符合崔兴国的研究[23]。模拟酸雨没有直接接触玉米叶片，所以酸雨可能通过直接抑制根系的分化、生长以及根对营养物质特别是矿质离子的吸收，从而间接影响到整个植株其他器官生理功能[24]。酸雨对根和苗的抑制作用也随着酸度增强而增大，且玉米的苗比根更容易受到酸雨的影响。

3.3 不同品种玉米幼苗对酸雨的耐性

郑单958和蠡玉86种子萌发受到的抑制作用最小。种子萌发以后，用pH=5.0和6.0的模拟酸雨处理八种玉米的生长情况比较良好，pH=3.0和4.0的模拟酸雨对玉米有明显的抑制作用。其中，登海605、郑单958和蠡玉86在pH=4.0～6.0时模拟酸雨条件下种子发芽率较高，且根、苗生物量大于其他品种，叶片生长较好，说明这三种玉米的耐酸能力较其他品种更强。而资玉2和雅玉2受到酸雨胁迫作用影响最大，所以不适合种植在酸度较强的地区。酸雨除了影响玉米的各个器官及系统，还会造成玉米中的一些酶活性降低[23]。此外，酸雨对玉米种子萌发和幼苗生长的作用除了受酸度的影响外，还取决于酸雨的氮硫比以及土壤环境等[13,25]。

4 结 论

(1)酸雨对玉米种子萌发的抑制阈值为pH<4.0。在抑制范围内，玉米种子出现不能萌发或根、生物量减少的现象。

(2)八种玉米对酸雨都表现出一定的耐性，在pH5.0～6.0范围内，酸雨能提高部分玉米对营养物质的吸收，在生长发育过程中起到了一定程度的促进作用。

(3)通过对八种玉米种子的发芽率和幼苗生长指标的对比，郑单958、蠡玉86 和登海605比其他几种玉米的耐酸能力更强。但是由于玉米在生长后期对酸雨的适应能力可能会有所改变，还需要进一步探究幼苗后期生长规律。