模擬酸雨脅迫條件下釋土元素對(duì)玉米植株的生物學(xué)效應(yīng)

于秋良,李忠芳,唐 政,陳春嵐,韋東陽(yáng),楊志賢

(1.賀州學(xué)院 設(shè)計(jì)學(xué)院,廣西 賀州 542899;2.賀州學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西 賀州542899; 3.賀州學(xué)院 體育學(xué)院,廣西 賀州542899)

模擬酸雨脅迫條件下釋土元素對(duì)玉米植株的生物學(xué)效應(yīng)

于秋良1,李忠芳2,唐 政2,陳春嵐2,韋東陽(yáng)2,楊志賢3

(1.賀州學(xué)院 設(shè)計(jì)學(xué)院,廣西 賀州 542899;2.賀州學(xué)院 化學(xué)與生物工程學(xué)院,廣西 賀州542899; 3.賀州學(xué)院 體育學(xué)院,廣西 賀州542899)

酸雨對(duì)農(nóng)作物的影響日益為人們所重視。本研究結(jié)合稀土元素能提高農(nóng)作物的杭逆性,進(jìn)而探索減少或消除酸雨對(duì)玉米影響的途徑。研究所用的稀土肥是葉片噴灑肥,在酸雨處理的基礎(chǔ)上,設(shè)置對(duì)照組(不噴灑稀土肥)、0.09%和0.12%稀土肥噴灑、0.18%稀土肥4個(gè)處理,盆栽,重復(fù)3次。分光光度法定期測(cè)定各實(shí)驗(yàn)組玉米植株葉片中葉綠素的含量,同時(shí)測(cè)量各株玉米植株的葉寬和生長(zhǎng)高度。結(jié)果表明,處理酸雨pH≦5下對(duì)玉米生長(zhǎng)有顯著影響,噴灑≧0.12%稀土肥有顯著的保護(hù)作用。結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,本實(shí)驗(yàn)條件下,針對(duì)酸雨侵蝕的玉米植株有保護(hù)作用的施用稀土肥推薦濃度為0.1%。

酸雨;稀土肥;杭逆性

1 前言

1.1 稀土元素對(duì)玉米生長(zhǎng)效應(yīng)及酸雨形成的原因

稀土元素具有很強(qiáng)的生物效應(yīng)[1],對(duì)農(nóng)作物地上和地下部生長(zhǎng)、分化、養(yǎng)分的吸收等,特別是對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)有重要影響。然而,該類(lèi)型元素所表現(xiàn)的生物效應(yīng)各需對(duì)應(yīng)一個(gè)臨界值,其施用量在一定濃度的數(shù)值內(nèi)才對(duì)作物表現(xiàn)出對(duì)應(yīng)的生物效應(yīng),而過(guò)高或過(guò)低濃度時(shí)均無(wú)效,有時(shí)甚至起到抑制或毒害所施用植物的生長(zhǎng)和繁殖[2]。

目前研究得知,導(dǎo)致酸雨的物質(zhì)有:含硫化合物(如SO2、SO3、等);含氮化合物(如NO、硝基鹽等,及含氮化合物,包括NO、NO2、N2O、硝基鹽、HNO等。在降水前中期進(jìn)入雨水中而表現(xiàn)酸性,致酸物質(zhì)有天然排放行的,或是人類(lèi)活動(dòng)排放的。通常認(rèn)為,大氣中SO2和NO2是引起酸雨的最主要物質(zhì)。我國(guó)的酸雨致因以硫酸為主,硝酸含量不足10%,這與我國(guó)能源消耗結(jié)構(gòu)中燃煤為主有直接關(guān)系[3-4]。我國(guó)大多數(shù)的燃煤電站沒(méi)有脫硫設(shè)施,工藝落后,煤耗高,并且隨著工業(yè)的發(fā)展,我國(guó)SO2的排量呈逐年增加之勢(shì)[5]。

1.2 農(nóng)作物的抗逆性

植物受到不良環(huán)境影響后,部分作物受脅迫致死,部分的受到傷害使生理活動(dòng)受到不同程度的影響,最終可以活下來(lái)。世代交替過(guò)程中,有利于這個(gè)不良環(huán)境的基因得以保存下來(lái),不利性狀相對(duì)被淘汰。這樣,在農(nóng)作物長(zhǎng)期進(jìn)化和適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中,不同環(huán)境條件下生長(zhǎng)的植物就會(huì)形成對(duì)原來(lái)的不良影響因素產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的適應(yīng)能力,使之有能力去適應(yīng)這些脅迫因子而形成對(duì)各種脅迫(或稱逆境)因子的抵御能力,稱為抗逆性(stress resistance),簡(jiǎn)稱抗性。而作物的對(duì)環(huán)境脅迫適應(yīng)能力大小與其所處的生長(zhǎng)及發(fā)育階段及整體健康情況也密切相關(guān)。一般狀況下,植物在生長(zhǎng)盛期逆性比較小,進(jìn)入休眠以后,則抗逆性增大;營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期抗逆性較強(qiáng),開(kāi)花期抗逆性較弱[6]。

1.3 植物葉綠素含量的因素

葉綠素在植物體內(nèi)的合成主要由以下五個(gè)條件影響[7]:1、光照不足或完全黑暗時(shí)葉子會(huì)發(fā)黃發(fā)白,因缺乏光照或存在光照失效影響葉綠素的形成,使葉子發(fā)黃,稱黃化現(xiàn)象[8]。2、葉綠素形成與整體植物生長(zhǎng)一樣有著其對(duì)應(yīng)的最適、最低和最高溫度,通常最適溫度為20～30℃。超出最適溫度均降低合成速率,甚至葉綠素遭到破壞而死亡。3、氮和鎂是葉綠素的組成成分,鐵、銅、錳、鋅是葉綠素合成過(guò)程中酶促反應(yīng)的輔因子[9]。礦質(zhì)元素缺乏時(shí)不能形成葉綠素,或出現(xiàn)其它癥狀。4、水分對(duì)植物葉綠素的生物合成極其重要,且與蛋白質(zhì)的合成有關(guān)。5、氧氣也參與光合的過(guò)程,當(dāng)光能過(guò)剩時(shí),氧參與葉綠素的光氧化;合成葉綠素也需氧。綜上可知,葉綠素的含量是作物生長(zhǎng)的壞境好壞的綜合表現(xiàn),可通過(guò)分析其含量來(lái)了解當(dāng)下植物生長(zhǎng)狀況。

1.4 稀土的應(yīng)用

嚴(yán)重玲等研究結(jié)果表明,小麥葉面積隨酸雨酸度的增大逐漸減小,而施用適量的稀土肥后其面積有所增加,即減弱酸雨對(duì)其面積的影響。彭安等研究認(rèn)為施用稀土肥能增強(qiáng)植物的抗逆能力,當(dāng)農(nóng)作物受到酸雨等多重脅迫時(shí),所施用的稀土肥則表現(xiàn)出抗氧化性質(zhì),其抗逆作用是由于其具有清除含氧自由基的所表現(xiàn)出來(lái)的。

1.5 本研究的切入點(diǎn)

玉米是作為三大糧食作物之一,播種面積、生產(chǎn)量和消費(fèi)量?jī)H次于水稻。近年來(lái),玉米產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)增加。我國(guó)南方紅壤居多,且呈酸性,遇酸雨沖刷時(shí)則加速了紅壤的酸化[10]。同時(shí),酸雨對(duì)土壤中生物也存在不良影響,其中的微生物對(duì)土壤酸度變化敏感,其后果會(huì)致使微生物活動(dòng)下降[11],酸雨還能誘發(fā)植物病蟲(chóng)害,使農(nóng)作物減產(chǎn),造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失。研究酸雨對(duì)農(nóng)作物的危害并找出切實(shí)可行的方法為促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,及各類(lèi)農(nóng)作物更好是生長(zhǎng)的提供了一定的理論基礎(chǔ)。 所以本研究具體分析不同酸度脅迫條件下對(duì)玉米噴灑濃度的稀土肥后玉米的生長(zhǎng)狀況,使用李得孝等[12]的測(cè)定方法定期測(cè)定葉片的葉綠素的含量,同時(shí)記錄葉片的受損情況及葉片面積大小、玉米的株高,深入探究其內(nèi)在聯(lián)系。

2 材料與方法

2.1 材料

稀土肥:稀土高效肥(濃縮型),內(nèi)蒙古包頭市億力稀土復(fù)合肥廠。

玉米種:購(gòu)于賀州八步中心市場(chǎng),金卡897(廣西金卡農(nóng)科技有限公司)。

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

土壤采于賀州學(xué)院東校區(qū)試驗(yàn)田區(qū),取土后先把大顆粒土壤碾碎,呈均勻狀,采用規(guī)格高度×口徑×底徑(30cm×24cm×18cm)花盆中盆栽,每盆添加2300kg土壤。試驗(yàn)于2013年12月23日進(jìn)行,選取形狀大小均勻的玉米種進(jìn)行播種,每盆種植5粒,種植深度為5cm。

酸雨的配置為量取0.1mol/L的稀硫酸,分別配置成pH為6.0、5.5、5.0、4.5、4.0五個(gè)梯度的模擬酸雨;本稀土肥以葉面噴灑為主,每袋兌水75公斤(每小袋15兌水公斤,每小袋稀土肥18g)。配置3個(gè)濃度的稀土肥噴灑液,0.18%濃度:9g稀土肥原料加10斤(5000g)蒸餾水,混合均勻;0.12%濃度:9g稀土肥原料加15斤(7500g)蒸餾水,混合均勻; 0.09%濃度:9g稀土肥原料加20斤(10000g)蒸餾水,混合均勻,密封保存。

2.3 相關(guān)的測(cè)定及數(shù)據(jù)處理

玉米葉片葉綠素a和b含量的測(cè)定用分光光度法,植株標(biāo)高等農(nóng)藝指標(biāo)用隨機(jī)典型生物統(tǒng)計(jì)抽樣法及最小差異顯著法(LSD)比較分析,同時(shí)做隨時(shí)間系列做動(dòng)態(tài)變化監(jiān)測(cè)圖以便直觀掌握其變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件spss13.0進(jìn)行方差分析及用sigmaplot10.0作動(dòng)態(tài)趨勢(shì)圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 酸雨脅迫下稀土肥對(duì)玉米株高的影響

圖1 pH6.0酸處理

在pH6.0酸度的處理下沒(méi)有施用稀土肥和施用了稀土肥的玉米植株在同一時(shí)間下生長(zhǎng)的高度有明顯的差別,邊才苗[13]研究表明稀土鑭元素對(duì)西葫蘆幼苗模擬酸雨脅迫的緩解效應(yīng)。

在pH5.5酸度的處理下,沒(méi)有施用稀土肥的實(shí)驗(yàn)組生長(zhǎng)狀況明顯弱于施用了稀土肥的實(shí)驗(yàn)組。

圖2 pH5.5酸處理

在 pH5.0酸度下,第 69天測(cè)量時(shí)施用了0.12%和0.18%濃度的稀土肥的玉米植株生長(zhǎng)高度相當(dāng),但在第69天后表現(xiàn)為施用了0.18%濃度的稀土肥植株生長(zhǎng)較高。

圖3 pH5.0酸處理

pH4.5酸度的處理下,沒(méi)有施用稀土肥的對(duì)照組,在第44天后玉米植株開(kāi)始萎蔫最后死去。

在pH4.0的處理下第37天后沒(méi)有添加稀土肥的對(duì)照組玉米植株出現(xiàn)葉子萎蔫等不良現(xiàn)象,第44天沒(méi)有施用稀土肥的玉米植株已經(jīng)萎蔫死去,說(shuō)明酸雨對(duì)玉米植株有致命性的侵蝕。

圖4 pH4.5酸處理

圖5 pH4.0酸處理

根據(jù)圖1至圖5分析,在單一酸雨處理,不施加稀土肥的結(jié)果表明,隨著酸度的增大,玉米植株株高的生長(zhǎng)速率逐漸降低,pH4.5酸度下玉米植株開(kāi)始枯萎。施加稀土肥后玉米植株沒(méi)有致死,可見(jiàn)稀土對(duì)受酸雨脅迫的玉米植株有一定的保護(hù)和減緩作用。結(jié)果表明,隨著酸雨pH值的下降,株高逐漸下降,施用稀土肥后,植株雖然仍處在酸雨的抑制條件下生長(zhǎng),酸度越大株高受到的影響也越大。

3.2 酸雨脅迫下稀土肥對(duì)玉米葉片寬度的影響

圖6 pH6.0酸處理

pH6.0酸度的處理下在一定范圍內(nèi)隨著稀土肥的施加濃度越大,葉片寬度與稀土肥用量成正相關(guān),由圖6可知以0.12%濃度的稀土肥用量葉片寬度增長(zhǎng)較快。

圖7 pH5.5酸處理

pH5.5酸度的處理下,空白對(duì)照組和施用0.09%稀土肥的處理組葉片寬度差異不明顯,但施用了0.12%和0.18%稀土肥的處理組葉片寬度明顯較大。說(shuō)明0.18%稀土肥的施用量對(duì)酸雨脅迫下玉米葉片葉寬影響較大。

圖8 pH5.0酸處理

pH5.0酸度的處理下,空白對(duì)照組其葉片寬度明顯小于施用了稀土肥的處理組,與施用0.18%稀土肥的處理組相差最大。

圖9 pH4.5酸處理

pH4.5酸度處理下,空白對(duì)照組的玉米植株在第44天開(kāi)始萎蔫最后死去。

圖10 pH4.0酸處理

pH4.0酸度處理下,空白組在第37天后開(kāi)始萎蔫,最后死去。

由圖6至圖10的可知,單一酸雨處理組的結(jié)果表明,隨著酸度的增大,玉米葉片寬度受到一定的影響即葉面寬度減小,pH6.0～5.0隨著酸雨pH值的減小,葉片寬度逐漸減小,pH4.5的酸雨下玉米植株開(kāi)始出現(xiàn)萎蔫直至死亡。施用稀土肥后,受到酸雨處理下的玉米,其葉片寬度與稀土肥的施用量成正相關(guān)。結(jié)果表明在酸雨脅迫條件下使用稀土肥后能夠保護(hù)或增加玉米植株葉片,并能在一定程度上減小酸雨對(duì)葉片的傷害。

3.3 酸雨脅迫下稀土肥對(duì)玉米葉片葉綠素含量的影響

因在pH4.0的處理下第37天后沒(méi)有添加稀土肥的對(duì)照組玉米植株出現(xiàn)葉子萎蔫等不良現(xiàn)象,所以選擇第37天雨幕葉片葉綠素含量的數(shù)據(jù)(表1)進(jìn)行分析,pH5.0一下的對(duì)照組葉片葉綠素含量降低。施用稀土肥的實(shí)驗(yàn)組相對(duì)于對(duì)照組,其葉綠素a、b含量明顯較多,玉米植株葉綠素的含量與稀土肥施用量成正相關(guān)。梁嬋娟等[14]研究稀土鑭與酸雨對(duì)大豆幼苗葉片光合光反應(yīng)復(fù)合影響,認(rèn)為添加稀土可促進(jìn)植物的自修復(fù)能力。

表1 試驗(yàn)中期(37d)各組玉米葉片葉綠素的含量(mg/g)

添加了稀土肥的實(shí)驗(yàn)組的葉綠素含量增長(zhǎng)明顯大于對(duì)照組。酸雨和稀土肥都影響到了玉米植株葉片葉綠素含量,從而影響到玉米的生長(zhǎng),在pH6.0條件下且施用了稀土肥的玉米植株的生長(zhǎng)有明顯優(yōu)勢(shì),測(cè)得其葉片葉綠素含量較多。說(shuō)明在酸雨的脅迫下,稀土肥對(duì)玉米的生長(zhǎng)起到一定的保護(hù)作用,能夠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種子萌發(fā)和初期生長(zhǎng)。

4 結(jié) 論

在pH5.5～4.0酸雨的侵蝕下,玉米植株的生長(zhǎng)會(huì)受到不同程度的阻礙,酸度越大阻礙作用表現(xiàn)得越明顯。施加了稀土肥(＞0.09%)后可以有效的保護(hù)玉米植株的生長(zhǎng),稀土肥的用量控制應(yīng)該根據(jù)原料肥的不同而適量使用,本試驗(yàn)條件下推薦濃度為0.1%?？傮w上,稀土肥對(duì)受酸雨侵蝕玉米植株的有明顯的促進(jìn)和保護(hù)作用。

[1]吳晶,馮秀娟.稀土元素對(duì)植物的生物有效性研究發(fā)展[J].中國(guó)資源綜合利用,2012(4):63-65.

[2]何躍君,薛立.稀土元素對(duì)植物的生物效應(yīng)及其作用機(jī)理[N].生態(tài)農(nóng)學(xué)報(bào),2005-04-25(10).

[3]魯敏,孫友敏,李東和.壞境生態(tài)學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2011:20-23.

[4]王韶華.基于低碳經(jīng)濟(jì)的我國(guó)能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2013.

[5]韓國(guó)剛,曲富國(guó),戴文楠,等.中國(guó)2015年SO2量宏觀控制目標(biāo)研究[J].電力科技與環(huán)保,2010,26(2):19-21.

[6]趙福庚,何龍飛,羅慶云.植物逆境生理生態(tài)學(xué)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004:2-4.

[7]史典義,劉忠香,金危危.植物葉綠素合成、分解代謝及信號(hào)調(diào)控[J].遺傳,2009,31(7):698-704.

[8]茜茹,劉曉,王芳等.玉米黃花幼苗生理生化特征的研究[J].西北植物學(xué),2009(2):1-5.

[9]郭士偉,趙學(xué)強(qiáng),夏士健,等.超級(jí)雜交稻生育后期葉片和根系的衰老營(yíng)養(yǎng)生理研究[J].華北農(nóng)學(xué)報(bào),2014,29(3): 115-121.

[10]張新民,柴發(fā)合,孫新章,等.中國(guó)酸雨研究現(xiàn)狀[J].環(huán)境科學(xué)研究,2010(5):13-17.

[11]周崇蓮,齊玉臣.酸雨對(duì)土壤微生物活動(dòng)的影響[J].生態(tài)科學(xué)雜志,2011(2):26-30.

[12]李得孝,郭月霞,張敏,等.玉米葉綠素含量測(cè)定方法研究[N].中國(guó)農(nóng)學(xué)通報(bào),2005-4-23(6).

[13]邊才苗,王錦文.鑭對(duì)西葫蘆幼苗模擬酸雨脅迫的緩解效應(yīng)[J].植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào),2011,17(4):1030-1034.

[14]梁嬋娟,葛玉晴,呂霞,等.酸雨與稀土鑭對(duì)大豆幼苗光合光反應(yīng)復(fù)合影響的時(shí)間效應(yīng)研究[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2011,30(11):2174-2177.

[15]李丹.稀土與保水劑對(duì)堆肥基質(zhì)草坪植物逆境生理生態(tài)的影響[D].天津:天津師范大學(xué),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

[責(zé)任編輯]張琴芳

2015-05-25

于秋良(1968-),女,廣西賀州人,賀州學(xué)院高級(jí)實(shí)驗(yàn)師。主要研究方向:植物栽培。

李忠芳(1976-),男,廣西賀州人,賀州學(xué)院副教授。主要研究方向:土壤肥力培育。

國(guó)家自然科學(xué)基金(41361068)、廣西高?？茖W(xué)技術(shù)研究重點(diǎn)項(xiàng)目(2013ZD067)、廣西自然科學(xué)基金(2011GXNSFB018056)。