模拟酸雨胁迫对夏枯草种子萌发和幼苗生长的影响

郝国宝，常青山，张利霞，邓超超，陈婉东，任 露，楚旭珂

(1.河南科技大学林学院，河南 洛阳 471000； 2.河南科技大学农学院，河南 洛阳 471000；3.河南科技大学食品与生物工程学院，河南 洛阳 471000)

酸雨影响农作物的生长发育及其品质，是破坏生态系统、影响工农业生产的一个全球性问题[1]。随着改革开放和经济的快速发展，我国已经成为继欧洲、北美之后的第三大酸雨覆盖区。酸雨在我国东北、华北大部、西南及华南等地区污染较重，其中长江以南是我国酸雨污染最为严重的区域[2-4]。这些酸雨通过沉降到土壤中造成土壤酸化，影响农作物的生长，显著降低种子的萌发并影响幼苗的生长[5,6]。

夏枯草是一种常见中药材，具有清火明目、散结消肿之功效，常用于治疗甲状腺肿大、急性黄疸，肝炎、淋巴结核等疾病[7]。在园林绿化中也可用作一种地被植物[8]。夏枯草多分布于河南、安徽、江浙以及西南和华南等地[7,9]，这些地方同时也是受酸雨污染较重的区域[10,11]，酸雨导致的土壤酸化极易影响夏枯草种子的萌发，进一步影响其产量与品质。目前，国内外对夏枯草的研究多集中在药理作用及化学成分上[12,13]，关于夏枯草种子萌发对酸雨胁迫的响应研究相对较少。因此，本研究以夏枯草种子为试材，研究不同pH值的模拟酸雨对夏枯草种子萌发影响，为在酸雨地区进行夏枯草种子播种育苗提供基础数据。

1 材料和方法

1.1 材 料

研究材料夏枯草种子采于河南南阳，模拟酸雨溶液采用硫酸与硝酸摩尔浓度5∶1进行配制[14]。

1.2 方 法

筛选足量的籽粒饱满、大小一致的夏枯草种子，先用0.1%的氯化汞消毒12 min，然后用蒸馏水冲洗4次，在滤纸上晾干备用。实验设计1个对照组(ck)，以不添加酸液的蒸馏水处理作为对照；6个处理组，分别为pH 4.5、4.0、3.5、3.0、2.5和2.0的模拟酸雨溶液。每组均设4个重复。每个培养皿中预先放入2张高温消毒后的滤纸，然后放50粒消毒后晾干的夏枯草种子，保持间距一致，在对照组中每天添加蒸馏水，在处理组中添加前述设计的模拟酸雨溶液，记录培养皿总重，然后放于光照培养箱(GXZ 280型光照培养箱，宁波江南仪器制造厂生产)中进行培养，设定温度为21 ℃，光照强度为66%，昼夜交替时间各12 h。在种子萌发过程中，每天称重并及时补充蒸发掉的水分，以保持各处理溶液浓度不变，其中每2 d更换1次酸胁迫处理溶液。每隔24 h，记录种子的发芽情况。在光照培养箱中培养15 d后，随机抽取15株夏枯草幼苗，先测定幼苗晾干后的鲜重，然后测量胚根长与胚芽高，并计算根芽长度比，未萌发种子不测量相关指标。

图1 不同浓度模拟酸雨胁迫处理对夏枯草种子发芽率、发芽势、发芽指数与活力指数的影响

根据实验数据计算发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及根芽比。

运用SPSS 16.0软件进行多重比较(Duncan)分析并计算平均值与标准差。采用隶属函数法[14,15]对模拟酸胁迫下夏枯草种子萌发能力进行综合评价。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨胁迫下夏枯草种子的发芽率和发芽势

发芽率是反映种子品质优劣的重要指标，而发芽势是表征种子活力的指标。从图1(A、B)可知，从pH 4.5下降到pH 2.0，夏枯草种子的发芽率和发芽势均呈逐渐下降的趋势。pH 4.5～2.5处理下的发芽率与发芽势与对照相比差异不显著；其中pH 4.5～4.0处理下的发芽率与发芽势较高，显著高于pH 2.5～2.0处理，高于pH 3.5～3.0及对照但相比差异不显著。pH 2.0处理下的发芽率与发芽势显著低于对照及其它酸雨胁迫处理。

随着pH值的降低，夏枯草的发芽指数呈降低的趋势。pH 3.0～2.0处理的发芽指数显著低于对照处理，且pH 2.0处理的下降幅度最大，其他处理与对照差异不显著(图1 C)。夏枯草的活力指数随pH值的降低呈先升高后降低的趋势。pH 3.0～2.0处理显著低于对照处理，其中pH 2.5与pH 2.0处理下的活力指数下降幅度最大。pH 4.5～3.5处理与对照差异不显著(图1 D)。

2.2 模拟酸雨胁迫下夏枯草种子幼苗生长的影响

从图2(A)来看，随着pH值的降低，各处理的鲜重呈先升高后降低的趋势。在pH 4.5与4.0处理下的夏枯草幼苗鲜重与对照相比有所提高，但差异不显著。在pH 3.5～2.0处理下的夏枯草鲜重均显著低于对照和pH 4.5～4.0处理，其中pH 2.5～2.0处理下降幅最大(图2 A)。夏枯草的胚根长随着pH的下降呈先升高后下降的趋势，pH 4.5～3.5处理下的酸雨对夏枯草的胚根生长有一定促进作用，高于对照但与对照差异不显著。pH 3.0～2.0处理与对照的胚根长差异显著，其中pH 2.5处理下夏枯草胚根几乎不能生长，而在pH 2.0处理下夏枯草胚根的生长受到完全抑制(图2 B)。

酸雨处理下夏枯草的胚芽长表现出一直下降的趋势。pH 4.5～4.0处理低于对照，但差异不显著。pH 3.5～2.0处理与对照的胚芽长差异显著，且下降幅度明显，在pH 2.0处理下的夏枯草种子胚芽生长受到完全抑制(图2 C)。

夏枯草的根芽比数据随着pH的下降呈先升高后下降的趋势，pH 3.5～3.0处理下的根芽比最高，且显著高于对照及其它各处理，其次是pH 4.0处理下的根芽比。pH 4.5处理下的根芽比与对照相比升高但差异未达显著水平。pH 2.5～2.0处理与对照的根芽比差异显著，且下降幅度较大(图2 D)。

2.3 综合评定

为了克服单一指标片面性的缺点，引入隶属函数对不同酸雨胁迫下的夏枯草种子的萌发进行综合评定[16]。从表1可知，不同酸雨胁迫对夏枯草种子萌发能力影响浓度为：pH 4.0>pH 4.5>ck>pH 3.5>pH 3.0>pH 2.5>pH 2.0。综合评定值pH 4.0处理最大，pH 2.0处理最低。说明适当浓度的酸雨胁迫(pH 4.5～4.0)对夏枯草种子的萌发具有一定的促进能力，而过重的酸雨胁迫(pH 2.0)则会抑制夏枯草种子的萌发。

图2 不同浓度模拟酸雨胁迫处理对夏枯草种子鲜重、胚根长、胚芽长与根芽比的影响

表1 不同浓度模拟酸雨对夏枯草种子萌发影响的隶属函数值

3 讨 论

pH 4.0与pH 5.6的酸雨可以提高三叶鬼针草的萌发率，而pH 4.0的酸雨还可以增加幼苗苗高和生物量[17]。pH 4.5以上的酸雨可以促进油菜幼苗生物量的增加，其中pH 5.0的总干重显著高于对照处理[18]。大豆在pH 4.5的酸雨处理下，其株高和生物量等指标得以提高[19]。pH 4.0的酸雨可以促进北美乔松干重生物量以及松针长度[20]。在本研究中，pH 4.5～4.0处理下，夏枯草种子除胚芽长与根芽比外的各指标均高于对照处理，表明适当pH的酸雨不但没有对夏枯草种子萌发产生抑制作用，相反还有一定的促进作用。原因可能在于模拟酸雨的主要成分是硫氧化物与氮氧化物，适量氮氧化物可以为植物生长提供氮源，具有一定的施肥作用[21,22]，从而促进植物生长。

在pH 3.0处理下，夏枯草种子的发芽指数、活力指数、鲜重、胚根长及胚芽长均显著低于对照，但是该处理下夏枯草种子的萌发受到影响较小，可以正常萌发成苗，说明夏枯草种子的萌发可以耐受pH 3.0的模拟酸雨。

与对照相比，pH 2.5的酸雨胁迫下的发芽率、发芽势、发芽指数虽然有所降低，但降幅较小，而其活力指数、鲜重与胚根长等指标下降幅度较大，说明此条件严重影响夏枯草幼苗的生长，尽管其可以发芽，但幼苗不能成活。本研究发现，该处理下的夏枯草的根由于受到严重抑制，在最后多数变黑甚至腐烂，其幼苗最后全部死亡。

pH 2.0的酸雨胁迫下，夏枯草所有的萌发指标与生长指标均为0，夏枯草种子在该条件下不能萌发。这与4种草坪草在pH 2.0处理下[15,23]，茎瘤芥种子在pH 2.0处理下[24]，花生种子在pH 2.0处理下[25]，小麦种子在pH 1.0[26]和紫茎泽兰种子在pH 2.5[27]处理下的表现类似，表现出种子的萌发被完全抑制。尽管每种植物种子萌发完全受抑制的最低pH值各有不同，但结果均表现为种子萌发被完全抑制，原因可能在于极低的酸雨胁迫会引起胚细胞死亡[28,29]，其萌发受到完全抑制。

综合分析认为，pH 4.5～4.0的酸雨处理对夏枯草种子的萌发与幼苗的生长有一定的促进作用。夏枯草种子在pH≥3.0的环境下可以正常萌发并成苗，pH 2.5酸雨胁迫下其种子虽能萌发，但不能正常生长成为幼苗，在pH 2.0处理下完全不能萌发。而隶属函数分析表明：模拟酸雨胁迫对夏枯草种子发芽能力影响效果由大到小依次为：pH 4.5>pH 4.0>ck>pH 3.5>pH 3.0>pH 2.5>pH 2.0。本研究中，在pH 4.5～3.0处理下夏枯草种子可以正常萌发成苗，更低的pH则抑制夏枯草种子的萌发，说明夏枯草种子的萌发对模拟酸雨具有一定耐性。