酸雨胁迫对水稻萌芽及幼苗生长的影响

林妙君，林敏丹，许展颖，冯婷诗，陈小梅

（1.广州大学地理科学与遥感学院，广东 广州 510006；2.广州市少年宫，广东 广州 510170）

【研究意义】酸雨通常指pH 值小于5.6 的大气降水［1］。随着工业化发展的加快，大量煤炭、石油、天然气等化石燃料被燃放，其产生的SO2、NOX等酸性物质导致区域降水酸化，并造成了严重的环境问题［2-3］。我国酸雨主要分布在长江以南—云贵高原以东地区，主要包括浙江、上海的大部分地区、福建北部、江西中部、湖南中东部、广东中部和重庆南部，2019 年，酸雨区面积约47.4 万km2，占国土面积的5.0%，出现酸雨的城市占全国的33.3%［4］。酸雨作为一种气象灾害，对农作物的生长发育具有很大的影响。酸雨可致农作物大幅度减产和品质下降［3］，严重影响粮食安全。水稻是全球约50%人口的主粮，在保障人类粮食安全方面发挥着核心作用［5］。同时水稻也是我国最重要的粮食作物之一，2021年其产量占全国粮食总产量的43.8%［6］。研究酸雨对水稻萌发与生长的影响，对指导水稻种植业的生产，减少经济损失具有一定的价值。【前人研究进展】陶忠玲等［7］研究发现酸雨对水稻的伤害阈值为pH 3.0～3.5，pH 2.0～2.5 时水稻种子不能萌发。王丽红等［8-9］将酸雨胁迫对水稻伤害机理的研究扩展到水稻保护酶层面，发现高强度酸雨胁迫下，水稻种子的过氧化氢酶活性和过氧化物酶活性均受到明显抑制。王艾平等［10］研究发现，水稻种子发芽率、种子贮藏物质消耗率和运转效率均随pH 值降低而降低，显著抑制水稻种子萌发、贮藏物质消耗率及贮藏物质运转效率的pH 阈值均为5.0。朱迎迎等［11］研究发现，酸雨会抑制水稻分蘖期的生长，但高效叶面肥和稀土微肥可以缓解水稻因酸雨胁迫产生的创伤。Zhang 等［12］研究表明，水稻幼苗根系形态对酸雨的适应与水稻根系对微量养分的吸收有关。Wang 等［13］研究表明，弱酸条件对水稻萌芽无显著影响，而强酸胁迫下细胞膜发生脂质过氧化反应，导致生理损伤并抑制水稻种子发芽。Sreesaeng 等［14］研究发现，pH 2.5、pH 3.5、pH 4.5 酸雨胁迫下水稻种子发芽率降低，幼苗根长、根冠比、冠根显著下降。虽然国内外关于酸雨胁迫对水稻生长发育的影响已有一定研究，但大多仅单独对水稻萌芽期或者分蘖期展开研究，或对萌芽期和分蘖期测度指标较为单一。关于水稻在萌芽期与分蘖期两个阶段对酸雨胁迫的响应机制仍然不清晰。【本研究切入点】本研究将连续监测不同强度酸雨胁迫处理水稻萌芽期和分蘖期的多个生理指标，以探究酸雨胁迫下水稻种子萌发和植株生长状况。【拟解决的关键问题】选择美香占2 号籼稻种子为研究对象，设置不同pH（pH 3.5、pH 4.0、pH 4.5、pH 5.0 和pH 6.0）的模拟酸雨胁迫强度，依托萌芽期培养皿和分蘖期盆栽试验，对比不同强度酸雨胁迫下水稻萌芽期和分蘖期各项生理指标差异，揭示酸雨胁迫对水稻种子萌芽和植株生长的影响，为水稻生产提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试水稻品种为华南农业大学农学院提供的美香占2 号。取均匀饱满的美香占2 号籼稻种子，用0.1%氯化汞溶液浸泡消毒5 min，并用超纯水洗净，在常温下晾干备用。

供试土壤采自华南农业大学实验基地的农田，为人工水稻土，质地属壤土，土壤pH 为6.10。每10 kg 实验水稻土施尿素2.2 g、KCl 1.4 g、Ca（H2PO4）23.4 g 作为土壤肥料，混合搅拌均匀，制备待用。

参照当前酸雨酸度和酸根离子比例，用pH 1.0的硫酸与硝酸母液，按硫酸根与硝酸根比为4.7∶1配制成模拟酸雨母液［7-9］，将母液稀释成pH 3.5、4.0、4.5、5.0、6.0（CK）等5 个强度的模拟酸雨溶液，并用pH 计（SX-620 型笔式pH 计，上海三信仪表厂）校准。

1.2 试验方法

1.2.1 萌发期培养皿试验 试验于2017 年7 月在华南农业大学农学楼实验室进行，设置pH 3.5、4.0、4.5、5.0 等4 个模拟酸雨处理和pH 6.0 对照（CK），每个处理5 次重复，每个重复1 皿。选取1 250 粒籽粒饱满的水稻种子，每皿各50 粒平铺于垫有两层滤纸的培养皿中并逐一编号，加入对应pH 值的模拟酸雨溶液。将所有处理置于人工气候箱（RXZ-500D 智能人工气候箱，宁波东南仪器有限公司）中催芽。人工气候箱设置两个时段，分别模拟白天和夜晚，白天工作时间12 h，温度30（±1）℃，相对湿度70%，光照强度3 000 lx；夜晚工作时间12 h，温度28（±1）℃，相对湿度70%，光照强度0 lx。处理后连续7 d 记录种子发芽数，并于试验结束后收集发芽种子进行幼苗鲜重、幼苗苗长等相关指标测定。整个试验过程中每天更换酸液，保持滤纸湿润。

1.2.2 分蘖期盆栽试验 在水稻种子萌芽完成、发芽率趋于稳定后，从各处理每个培养皿中分别选取3 株幼苗，苗长约6 cm，长势相近。将幼苗分别转移到盛有500 g 试验用土的植株培养杯中，并逐一编号。土壤预先进行对应pH（3.5、4.0、4.5、5.0）处理的模拟酸雨溶液完全浸泡并搅拌均匀，液面没过土壤面约1 cm。所有培养杯置于人工气候箱中培养，参数设置同培养皿试验一致。

分蘖后13、20、27 d 分别进行第一、二、三次破坏性采样，采集植株样本并记录植株株高、根长、鲜重、干重和叶绿素含量等相关数据。试验过程跟踪观察并定期加入对应酸液，保持液面没过土壤面约1 cm。

1.3 测定指标及方法

水稻种子萌芽指标测定严格按《种子检验原理和技术》［15］进行，水稻种子萌芽标志为幼芽达种子长度的1/2，幼根与种子等长。从酸雨胁迫后连续7 d 测算当天每皿种子的发芽数量，7 d 后统计种子的萌芽指标（发芽率、发芽指数和活力指数）。叶绿素相对含量由叶绿素测定仪（SPAD-502 Plus 型叶绿素测定仪）测定，每组叶片重复测5 次。

式中，Ni为第i天发芽数，N为种子总数，Gt为不同时间的发芽数量，Dt为相应的发芽日数，S为试验结束后一株幼苗的平均鲜重。

试验数据统计与分析制图采用Microsoft Office Excel 2016、SPSS 22.0 及origin2018 软件，采用最小显著性差异法（LSD）进行不同处理间的差异显著性分析。

2 结果与分析

2.1 不同强度酸雨胁迫对水稻种子萌发的影响

2.1.1 对水稻种子萌芽的影响 不同酸强度处理水稻种子发芽率（处理后7 d）基本随着pH 上升而增加（表1），但不同时间各处理的发芽率有所差异（图1）。其中，处理后3 d，发芽率随pH 增加而增加，CK 发芽率明显高于其他处理；处理后4 d，CK 发芽率与其他处理差距缩小，pH 3.5 处理对发芽率抑制明显；处理后5 d，不同酸处理之间差距缩小，pH 4.5 处理发芽率高于CK；处理后6 d，不同酸处理差距进一步缩小；处理后7 d，不同酸处理水稻种子发芽率均达到90%以上，且CK 高于其他处理。发芽指数pH 5.0、pH 4.5 处理与CK 差异不显著，pH 4.0、pH 3.5 处理发芽指数急剧下降，降幅分别为9.55%和14.49%，均与CK 差异显著；活力指数pH 5.0、pH 4.5处理与CK差异显著，但二者间差异不显著，pH 4.0、pH 3.5 处理分别降低16.45%和31.82%。总体上，中低强度酸雨胁迫对水稻种子发芽指数和活力指数影响较小，高强度酸雨胁迫则影响较大。

图1 不同处理时间水稻种子发芽率Fig.1 Germination rates of rice seeds in different treatment

表1 不同强度酸雨胁迫对水稻萌芽指标（处理后7 d）的影响Table 1 Effects of acid rain stress with different intensities on germination indexes of rice (after treatment for 7 days)

2.1.2 对水稻幼苗长度的影响 苗长抑制指数能够直观反映酸雨对种子萌发的抑制强度。由表2 可知，pH 3.5、pH 4.0 处理幼苗苗长显著低于CK，苗长抑制指数分别为11.21%和6.19%；pH 4.5 处理抑制指数为3.24%，但与CK 差异不显著；pH 5.0 处理幼苗苗长略有增加。表明高强度酸雨胁迫对幼苗苗长有一定的抑制作用，但中低强度酸雨胁迫对其影响不明显。

表2 不同强度酸雨胁迫对幼苗苗长和抑制指数的影响Table 2 Effects of acid rain stress with different intensities on average seedling length and inhibition index of seedlings

2.2 不同强度酸雨胁迫对分蘖期水稻生长的影响

2.2.1 对水稻株高和根长的影响 酸雨胁迫下，美香占2 号在分蘖期受到一定程度的抑制作用，这种抑制作用直观反映在各项生理指标上。由图2 可知，分蘖期3 次采样结果中，不同酸强度处理水稻株高和根长均随时间增加而有所增加，但增长速度有所差异，其中pH 3.5、4.0 处理水稻株高增速极为缓慢，在分蘖20～27 d 几乎停止增长，而pH 4.5、5.0 处理和CK 则增长较快，且pH 5.0处理增幅高于CK。分蘖13～20 d，pH 5.0 处理水稻根长增幅明显高于其他处理，其他各处理增幅差距较小；分蘖20～27 d，pH 3.5、4.0 处理根长受抑制明显，增幅明显下降。

由图2、表3 可知，分蘖期27 d，pH 3.5、pH 4.0 处理水稻株高显著低于CK，株高抑制指数分别为16.16%和13.83%，pH 4.5、pH 5.0 处理显著高于CK，株高抑制指数分别为9.29%和13.46%。pH 3.5、pH 4.0 处理水稻根长与CK 差异显著，根长抑制指数分别为15.92%和14.77%；pH 4.5、pH 5.0 处理水稻根长与CK 差异不显著，pH 4.5 处理根长反而略有增长。

图2 不同强度酸雨胁迫对分蘖期水稻株高和根长的影响Fig.2 Effects of acid rain stress with different intensities on plant height and root length of rice at tillering stage

表3 分蘖27 d 水稻株高、根长和抑制指数Table 3 Plant height,root length and inhibition index of rice at the 27th day of tillering stage

上述结果表明，高强度酸雨胁迫对分蘖期水稻生长有明显的抑制作用，而低强度酸雨胁迫对水稻的生长有一定的刺激和促进作用。

2.2.2 对叶片叶绿素含量的影响 叶绿素是一类与植物光合作用有关的最重要的色素，其含量的增加可以增强光合作用并产生更多有机物，从而促进植物生长发育，反之则会阻碍植物生长［16］。因此测量不同强度酸雨胁迫下美香占2 号幼苗分蘖期叶片叶绿素含量的异同可用以研究逆境中植物的生理状况。由图3 可知，不同酸强度处理水稻叶片叶绿素含量随着生长时间延长均有不同程度的增加，但增幅（累计）有所不同，其中pH 3.5、pH 4.0 处理增幅较小、仅为5.47% 和9.69%，CK增幅为17.32%，而pH 4.5、pH 5.0处理增幅高达27.38%和37.30%。分蘖27 d，pH 4.5、pH 5.0 处理叶绿素含量显著高于CK（23.91 SPAD）、分别达到26.13 SPAD 和27.13 SPAD，而pH 3.5、pH 4.0 处理叶绿素含量显著低于CK、仅为20.05 SPAD 和20.60 SPAD。表明高强度酸雨胁迫对水稻叶片叶绿素含量增加有较大的负面影响，但低强度酸雨胁迫对水稻叶片叶绿素含量增加反而有一定的促进作用。

图3 不同强度酸雨胁迫对分蘖期水稻叶片叶绿素含量的影响Fig.3 Effects of acid rain stress with different intensities on the chlorophyll content of rice leaves at tillering stage

3 讨论

3.1 酸雨胁迫对水稻种子萌芽的影响

种子萌发是植物生长发育和接受酸雨胁迫的起点，决定了植株能否正常建植生长，因而弄清酸雨胁迫对种子萌发的影响至关重要［17］。本研究发现，不同强度酸雨胁迫对水稻种子萌发均有一定影响，且酸雨胁迫对水稻种子发芽率抑制作用初期大于后期，且发芽率（处理后7 d）与pH显著正相关（r=0.989、P=0.01），但各处理间差异不显著，其中低强度酸雨胁迫发芽指数、幼苗苗长均与CK 差异不显著，pH 5.0 处理苗长甚至略高于CK；高强度酸雨胁迫发芽指数、活力指数和幼苗苗长均与CK 差异显著。在不同酸雨胁迫环境下培育水稻种子，种子发芽率、发芽指数和活力指数越大表明酸雨胁迫对种子萌芽影响越小，种子活力越强［18］。冯宗炜等［19］研究指出，水稻对酸雨的敏感度较低，属于抗酸雨作物，这与本研究水稻种子在不同强度酸雨胁迫下发芽率没有显著降低的结果相吻合，表明水稻种子萌发对酸雨具有一定的耐受性。聂必林等［17］研究发现，黑枸杞种子发芽指数、活力指数在轻度、中度酸胁迫下与CK 没有明显差异，但在强酸胁迫下有明显差异，这与本研究结果一致。其原因可能是轻、中度酸雨胁迫下，弱酸性条件促进了种子内部蛋白质和淀粉的水解以供胚生长，但随胁迫程度继续增加，过量H+使种子的种皮透性增强，造成内部离子平衡失调，自由基积累，线粒体结构破坏，种子呼吸作用受到抑制，物质代谢出现紊乱，储存的营养物质优先用于种子的损伤修复，表现为各指标急剧降低［17］。

3.2 酸雨胁迫对分蘖期水稻生长的影响

不同强度酸雨胁迫对分蘖期水稻生长的影响有所差异。水稻各生理指标不同酸处理整体呈现先增后减的趋势。强酸（pH 3.5、pH 4.0）胁迫下，水稻株高、根长增长极为缓慢，后期基本停滞，且株高、根长指标（分蘖27 d）均显著低于CK，表明高强酸雨胁迫对水稻生长有明显抑制作用。而弱酸条件处理，pH 4.5、pH 5.0 处理部分生理指标优于CK，其中pH 5.0 处理植株生长增速高于CK，表明弱酸条件对水稻生长有一定的促进作用。周思婕等［20］研究指出，重强度酸胁迫使马尾松的生物量的积累减少，影响其生长发育。这可能源自两个方面的原因，一方面，酸胁迫带来的大量H+通过根系吸收进入植物细胞，诱导胞内自由基效应和质子效应，造成细胞内营养元素流失，使得幼苗生理功能失调，生长受到抑制；另一方面，酸雨侵蚀会造成土壤酸化，酸化土壤中盐基阳离子的淋溶使得土壤供给营养物质的能力下降，从而影响养分的吸收和利用，并导致幼苗生长减缓，幼苗生物量积累减少。王光涛［21］研究发现，酸胁迫下小麦幼苗根长、根表面积、根尖系数等都显著低于对照组，根系伸长和分枝结构受到强烈抑制，这与本研究不同酸处理下大部分幼苗根长受到抑制的结果一致，这可能是由于根系膜脂过氧化程度较高造成的。Zhou 等［22］指出，根系可能改变了根系形态以应对酸胁迫。

弱酸处理叶绿素含量与增幅均大于CK，强酸处理均低于CK。唐庆等［23］指出，桂叶山牵牛成熟苗在干旱胁迫下会过降低光合作用、关闭气孔及提高水分利用效率以应对恶劣环境。吴杏春等［24］研究发现，模拟酸雨使草坪草叶片叶绿素含量下降，其原因是酸胁迫使膜质过氧化加剧，并导致细胞质膜断裂，叶绿体受破坏，叶绿素含量下降。但弱酸条件下叶绿素反而增加，这是由于H+进入叶片细胞虽然破坏了叶绿体，影响了光合作用，但酸雨的氮肥效应有利于叶绿素的合成，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减缓酸雨所带来的负效应［25］，叶绿素的含量应取决于酸雨带来的负面影响与正面影响之和。

4 结论

本研究结果表明，不同强度模拟酸雨胁迫处理（pH 3.5～6.0）对水稻种子的发芽率影响不明显；种子发芽指数、活力指数和幼苗苗长均随pH 的降低而降低，低强度酸雨胁迫处理与CK 差异不明显，高强度酸雨胁迫处理显著低于CK。分蘖期水稻在株高、根长和叶片叶绿素含量等生理指标强酸处理增长速度极为缓慢，但pH 4.5 和pH 5.0 弱酸处理部分指标反而高于CK，表明酸雨对分蘖期水稻生长具有明显的“低促高抑”作用。在水稻种植过程中，可利用“低促高抑”这一特性，适当创造弱酸环境促进其生长发育。