于秋良,李忠芳,唐 政,陳春嵐,韋東陽,楊志賢

(1.賀州學院 設(shè)計學院,廣西 賀州 542899;2.賀州學院 化學與生物工程學院,廣西 賀州542899; 3.賀州學院 體育學院,廣西 賀州542899)

模擬酸雨脅迫條件下釋土元素對玉米植株的生物學效應(yīng)

于秋良1,李忠芳2,唐 政2,陳春嵐2,韋東陽2,楊志賢3

(1.賀州學院 設(shè)計學院,廣西 賀州 542899;2.賀州學院 化學與生物工程學院,廣西 賀州542899; 3.賀州學院 體育學院,廣西 賀州542899)

酸雨對農(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,進而探索減少或消除酸雨對玉米影響的途徑。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個處理,盆栽,重復(fù)3次。分光光度法定期測定各實驗組玉米植株葉片中葉綠素的含量,同時測量各株玉米植株的葉寬和生長高度。結(jié)果表明,處理酸雨pH≦5下對玉米生長有顯著影響,噴灑≧0.12%稀土肥有顯著的保護作用。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)分析,本實驗條件下,針對酸雨侵蝕的玉米植株有保護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 稀土元素對玉米生長效應(yīng)及酸雨形成的原因

稀土元素具有很強的生物效應(yīng)[1],對農(nóng)作物地上和地下部生長、分化、養(yǎng)分的吸收等,特別是對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量品質(zhì)有重要影響。然而,該類型元素所表現(xiàn)的生物效應(yīng)各需對應(yīng)一個臨界值,其施用量在一定濃度的數(shù)值內(nèi)才對作物表現(xiàn)出對應(yīng)的生物效應(yīng),而過高或過低濃度時均無效,有時甚至起到抑制或毒害所施用植物的生長和繁殖[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,或是人類活動排放的。通常認為,大氣中SO2和NO2是引起酸雨的最主要物質(zhì)。我國的酸雨致因以硫酸為主,硝酸含量不足10%,這與我國能源消耗結(jié)構(gòu)中燃煤為主有直接關(guān)系[3-4]。我國大多數(shù)的燃煤電站沒有脫硫設(shè)施,工藝落后,煤耗高,并且隨著工業(yè)的發(fā)展,我國SO2的排量呈逐年增加之勢[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受到不同程度的影響,最終可以活下來。世代交替過程中,有利于這個不良環(huán)境的基因得以保存下來,不利性狀相對被淘汰。這樣,在農(nóng)作物長期進化和適應(yīng)環(huán)境過程中,不同環(huán)境條件下生長的植物就會形成對原來的不良影響因素產(chǎn)生對應(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各種脅迫(或稱逆境)因子的抵御能力,稱為抗逆性(stress resistance),簡稱抗性。而作物的對環(huán)境脅迫適應(yīng)能力大小與其所處的生長及發(fā)育階段及整體健康情況也密切相關(guān)。一般狀況下,植物在生長盛期逆性比較小,進入休眠以后,則抗逆性增大;營養(yǎng)生長期抗逆性較強,開花期抗逆性較弱[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條件影響[7]:1、光照不足或完全黑暗時葉子會發(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一樣有著其對應(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、鋅是葉綠素合成過程中酶促反應(yīng)的輔因子[9]。礦質(zhì)元素缺乏時不能形成葉綠素,或出現(xiàn)其它癥狀。4、水分對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程,當光能過剩時,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的壞境好壞的綜合表現(xiàn),可通過分析其含量來了解當下植物生長狀況。

1.4 稀土的應(yīng)用

嚴重玲等研究結(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,即減弱酸雨對其面積的影響。彭安等研究認為施用稀土肥能增強植物的抗逆能力,當農(nóng)作物受到酸雨等多重脅迫時,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)出來的。

1.5 本研究的切入點

玉米是作為三大糧食作物之一,播種面積、生產(chǎn)量和消費量僅次于水稻。近年來,玉米產(chǎn)品市場競爭增加。我國南方紅壤居多,且呈酸性,遇酸雨沖刷時則加速了紅壤的酸化[10]。同時,酸雨對土壤中生物也存在不良影響,其中的微生物對土壤酸度變化敏感,其后果會致使微生物活動下降[11],酸雨還能誘發(fā)植物病蟲害,使農(nóng)作物減產(chǎn),造成不必要的經(jīng)濟損失。研究酸雨對農(nóng)作物的危害并找出切實可行的方法為促進農(nóng)村經(jīng)濟的發(fā)展,及各類農(nóng)作物更好是生長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玉米噴灑濃度的稀土肥后玉米的生長狀況,使用李得孝等[12]的測定方法定期測定葉片的葉綠素的含量,同時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:購于賀州八步中心市場,金卡897(廣西金卡農(nóng)科技有限公司)。

2.2 試驗設(shè)計與管理

土壤采于賀州學院東校區(qū)試驗田區(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。試驗于2013年12月23日進行,選取形狀大小均勻的玉米種進行播種,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)的測定及數(shù)據(jù)處理

玉米葉片葉綠素a和b含量的測定用分光光度法,植株標高等農(nóng)藝指標用隨機典型生物統(tǒng)計抽樣法及最小差異顯著法(LSD)比較分析,同時做隨時間系列做動態(tài)變化監(jiān)測圖以便直觀掌握其變化規(guī)律。實驗數(shù)據(jù)用專業(yè)軟件spss13.0進行方差分析及用sigmaplot10.0作動態(tài)趨勢圖。

3 結(jié)果與分析

3.1 酸雨脅迫下稀土肥對玉米株高的影響

圖1 pH6.0酸處理

在pH6.0酸度的處理下沒有施用稀土肥和施用了稀土肥的玉米植株在同一時間下生長的高度有明顯的差別,邊才苗[13]研究表明稀土鑭元素對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,沒有施用稀土肥的實驗組生長狀況明顯弱于施用了稀土肥的實驗組。

圖2 pH5.5酸處理

在 pH5.0酸度下,第 69天測量時施用了0.12%和0.18%濃度的稀土肥的玉米植株生長高度相當,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較高。

圖3 pH5.0酸處理

pH4.5酸度的處理下,沒有施用稀土肥的對照組,在第44天后玉米植株開始萎蔫最后死去。

在pH4.0的處理下第37天后沒有添加稀土肥的對照組玉米植株出現(xiàn)葉子萎蔫等不良現(xiàn)象,第44天沒有施用稀土肥的玉米植株已經(jīng)萎蔫死去,說明酸雨對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速率逐漸降低,pH4.5酸度下玉米植株開始枯萎。施加稀土肥后玉米植株沒有致死,可見稀土對受酸雨脅迫的玉米植株有一定的保護和減緩作用。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,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較快。

圖7 pH5.5酸處理

pH5.5酸度的處理下,空白對照組和施用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。說明0.18%稀土肥的施用量對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,空白對照組的玉米植株在第44天開始萎蔫最后死去。

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或增加玉米植株葉片,并能在一定程度上減小酸雨對葉片的傷害。

3.3 酸雨脅迫下稀土肥對玉米葉片葉綠素含量的影響

因在pH4.0的處理下第37天后沒有添加稀土肥的對照組玉米植株出現(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)進行分析,pH5.0一下的對照組葉片葉綠素含量降低。施用稀土肥的實驗組相對于對照組,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大豆幼苗葉片光合光反應(yīng)復(fù)合影響,認為添加稀土可促進植物的自修復(fù)能力。

表1 試驗中期(37d)各組玉米葉片葉綠素的含量(mg/g)

添加了稀土肥的實驗組的葉綠素含量增長明顯大于對照組。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,在pH6.0條件下且施用了稀土肥的玉米植株的生長有明顯優(yōu)勢,測得其葉片葉綠素含量較多。說明在酸雨的脅迫下,稀土肥對玉米的生長起到一定的保護作用,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。

4 結(jié) 論

在pH5.5～4.0酸雨的侵蝕下,玉米植株的生長會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%)后可以有效的保護玉米植株的生長,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,本試驗條件下推薦濃度為0.1%。總體上,稀土肥對受酸雨侵蝕玉米植株的有明顯的促進和保護作用。

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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

[責任編輯]張琴芳

2015-05-25

于秋良(1968-),女,廣西賀州人,賀州學院高級實驗師。主要研究方向:植物栽培。

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

國家自然科學基金(41361068)、廣西高?？茖W技術(shù)研究重點項目(2013ZD067)、廣西自然科學基金(2011GXNSFB018056)。