模擬酸雨對4種草坪草種子萌發和幼苗生長的影響

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(河北農業大學園林與旅游，河北 保定 071000)

酸雨一般是指pH值<5.6的大氣降水[1]。近年來，隨著環境污染問題的加重，我國的酸雨降雨量也比以往有顯著增加，且酸雨中的總離子含量已經遠遠高于歐洲、北美、日本等地區。當前，酸雨對生態系統造成了嚴重危害，已經成為威脅世界環境的十大問題之一。我國酸雨的分布具有普遍性的特點，是典型的硫酸型酸雨[2]。

草坪草是生態系統中的重要組分，不僅具有良好的觀賞價值，而且有極高的生態價值。在具有典型溫帶氣候的北方地區，冷季型草坪草無疑是北方草坪草最好的選擇。然而近年來我國北方地區頻現酸性降雨，如青島、太原、石家莊等地降雨的年均pH值均低于5.6。酸雨對植物同時具有直接和間接的影響，酸雨淋溶直接作用于植物表面，損傷植株的葉片，從而破壞植株的內部結構；與此同時，酸雨滲透地表，影響土壤pH值，從根部又進一步加深了對植株的影響[2]；冷季型草坪草種類很多，不同的草種對酸雨脅迫的適應能力不同；而植物種子的萌芽階段直接決定了植株能否成活，是植株成活以及適應不良環境條件發揮作用的重要時期。本研究選擇冷季型草坪草種應用最為廣泛的高羊茅(Festucaarundinacea)、多年生黑麥草(Loliumperenne)、匍匐翦股穎(Agrostispalustris)和草地早熟禾(PoapratensisL.)種子為試材，研究了不同酸度酸雨脅迫對其萌發和幼苗生長的影響，旨在為我國北方園林綠地地被植物合理的選擇、應用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

高羊茅、多年生黑麥草、匍匐翦股穎和草地早熟禾種子，購置于保定市永進五金園林機械公司。

1.2 試驗方法

1.2.1 酸雨的配置

將濃硫酸與濃硝酸按5∶1的比例配制成pH值1.0的酸溶液；再取適量酸溶液，分別稀釋成pH值2.0、3.0、4.0、5.0的模擬酸雨各500 mL。并用HANNA牌pH 211型微電腦式pH酸度計校準。

1.2.2 發芽試驗

將草坪草種子用1%的次氯酸鈉溶液浸種10 min消毒，然后用自來水反復沖洗，再用蒸餾水沖洗3～5次備用。在培養皿中平整的鋪2層濾紙，然后在每個皿中整齊擺放50粒種子，試驗共設pH值為2.0、3.0、4.0、5.0、7.0等5個處理，每個草種每個處理3次重復。每天向培養皿中加入相應酸溶液，保證濾紙全部潤濕但沒有積液為標準，以保證酸雨濃度不變[3]。將培養皿放入25 °C恒溫培養箱中培養發芽，每天進行觀察并記錄種子萌發的情況，至發芽高峰期后連續3 d沒有種子萌發時調查結束。發芽以胚根為種粒長的1/2為標準。

1.3 指標測定及計算

1.3.1 發芽率的計算

發芽率(%)=(n/N)×100%；

式中：n為第n天的發芽種子數；N為供試種子總數。

1.3.2 發芽指數的計算

發芽指數GI =∑(Gt/Dt)；

式中：Gt為第t天的發芽種子數，Dt為對應Gt的發芽天數(d)。

1.3.3 生長量的測定

試驗結束后，取整株植物，清洗干凈，吸干表面水分，用直尺分別測量根和芽的長度。

1.3.4 葉綠素含量的測定

葉綠素含量的測定采用李合生[4]的方法，用丙酮浸提并進行測定，計算光合色素的含量。

Ca=12.72×D663-2.59×D645；

Cb=22.88×D645-4.67×D663；

Ccar=(1 000×D440-3.27×Ca-104×Cb)÷229；

葉綠體色素含量(mg/cm2)=Ca+Cb；

式中：Ca、Cb和Ccar分別為葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的濃度。

1.3.5 相對電導率的測定

相對電導率的測定采用李合生[4]的方法，并略做改動。先用自來水沖洗葉片，除去表面污物后再用去離子水沖洗1～2次，用干凈紗布吸干表面水分，然后剪碎每份稱取0.10 g，放入加有30 mL去離子水的錐形瓶中，浸泡24 h；浸泡結束后測定溶液電導率，記為R1；然后將錐形瓶放入沸水浴中加熱20 min，放置室溫后再次測定溶液電導率，記為R2。

相對電導率(%)=(R1/R2)×100%。

1.4 模糊數學隸屬度分析

用模糊數學隸屬度公式進行定量轉換，具體公式方法為：發芽率、發芽指數、葉綠素a、葉綠素b、葉綠素、類胡蘿卜素、根長、芽長采用下面公式：相對值X=指標的酸脅迫處理測定值/對照處理測定值。隸屬函數值Pij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，相對電導率采用反隸屬函數的方法計算：Pij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，其中Xij為第i材料第j指標的相對值；Xjmin為第j指標的最小值；Xjmax為第j指標的最大值。

1.5 數據分析

采用Excel 2010軟件和SPSS 22.0軟件進行數據統計和方差分析。

2 結果與分析

2.1 模擬酸雨對4種草坪草種子萌發的影響

2.1.1 對發芽率的影響

模擬酸雨對4種草坪草種子發芽率的影響見圖1。由圖1可知，隨著酸雨pH值的降低，不同草種發芽率受影響變化的具體趨勢不同。pH值為2.0時，4種草坪草種子受酸雨脅迫嚴重，發芽率均為0。高羊茅在酸雨pH值為3.0及以上時發芽率達89.33%以上，受酸雨脅迫影響不明顯；多年生黑麥草在酸雨處理下發芽率均低于對照組，pH值為5.0、4.0、3.0時較對照組分別降低8.67%、15.76%、18.51%，且pH值為4.0、3.0時與對照組具有顯著性差異(p<0.05)；匍匐翦股穎隨酸雨酸性的增強發芽率不斷下降，pH值為5.0、4.0、3.0時較對照組分別降低17.00%、20.39%、30.10%,并均與對照組具有顯著性差異(p<0.05)；草地早熟禾受酸雨影響明顯，隨酸雨酸性的增強，發芽率降低程度逐漸增大，pH值為5.0、4.0時，較對照組分別降低25.62%、39.26%，與對照組均具有顯著性差異(p<0.05)。

圖1 模擬酸雨脅迫對4種草坪草種子發芽率的影響

2.1.2 對發芽指數的影響

模擬酸雨對4種草坪草種子發芽指數的影響見圖2。由圖2可知，隨著酸雨pH值的降低，不同草種發芽指數受影響的具體趨勢不同。在pH值為2.0的模擬酸雨處理下，4種草坪草種子的發芽指數均為0。高羊茅在pH值為3.0、4.0、5.0時發芽指數與對照組均無顯著差異，受酸雨影響不明顯；多年生黑麥草在pH值為5.0、4.0、3.0時較對照組分別降低14.42%、17.73%、21.28%，并均與對照組具有顯著性差異(p<0.05)；匍匐翦股穎在pH值5.0時受酸雨脅迫影響不明顯，在pH值4.0、3.0時較對照組降低33.21%、38.36%，并與對照組具有顯著性差異(p<0.05)；草地早熟禾隨酸雨pH值的降低，發芽指數降低，在pH值5.0、4.0酸雨的處理下較對照組分別降低29.89%、47.13%，至pH值3.0時，完全受其脅迫發芽指數降低為0。

表1 模擬酸雨脅迫對4種草坪草色素含量的影響

注：ck(對照)pH =7.0。同行不同小寫字母表示在0.05水平下差異顯著。

圖2 模擬酸雨脅迫對4種草坪草種子發芽指數的影響

2.2 模擬酸雨對4種草坪草葉片光合色素含量的影響

模擬酸雨對4種草坪草中葉片色素含量的影響見表1。由表1可知，不同草坪草葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素與類胡蘿卜素的含量隨酸雨pH值變化的具體趨勢不同；經酸雨處理的高羊茅葉片中葉綠素a、葉綠素b、葉綠素與類胡蘿卜素含量均低于對照組，并在pH值為4.0、5.0時與對照具有顯著性差異(p<0.05)；多年生黑麥草在pH值為3.0時葉綠素a、葉綠素b、葉綠素、類胡蘿卜素的含量分別高于對照組8.46%、29.17%、12.85%、16.67%，其余強度酸雨處理下，均低于對照組；匍匐翦股穎變化趨勢不明顯，但在pH值為3.0時，葉綠素a、葉綠素b、葉綠素、類胡蘿卜素的含量分別高于對照組21.76%、7.14%、18.18%、-0.88%；草地早熟禾在pH值為4.0、5.0時，色素含量在數值上較對照組呈降低趨勢。

2.3 模擬酸雨對葉片相對電導率的影響

模擬酸雨對4種草坪草葉片相對電導率的影響見圖3。由圖3可知，高羊茅在pH值為3.0以上時相對電導率較對照組無顯著變化；多年生黑麥草經酸雨處理后葉片的相對電導率均高于對照組，pH值為5.0、4.0、3.0時較對照分別升高了15.96%、14.98%、5.99%，并均與對照組具有顯著性差異(p<0.05)；匍匐翦股穎在pH值為5.0、4.0、3.0時相對電導率較對照組分別升高13.23%、2.66%、24.52%，并具有顯著性差異(p<0.05)，表明酸雨脅迫對其葉片也產生了不同程度的破壞作用；草地早熟禾在pH值為5.0、4.0時較對照組分別升高5.60%、13.48%，并在pH值為4.0時與對照組具有顯著性差異(p<0.05)。

圖3 模擬酸雨脅迫對4種草坪草葉片相對電導率的影響

2.4 模擬酸雨對根和芽生長量的影響

模擬酸雨對4種草坪草根長的影響見圖4；由圖4可知，高羊茅在pH值為5.0、4.0、3.0時根長較對照組分別降低10.64%、10.24%、8.37%；多年生黑麥草在pH值為5.0、4.0時根長較對照組變化不顯著，但在pH值3.0時，根長受抑制明顯下降，較對照組降低了29.44%，并具有顯著性差異(p<0.05)，表明高強度酸雨可能對其產生了傷害；匍匐翦股穎隨酸雨pH值的降低，根長受抑制程度逐漸增加，pH值為5.0、4.0、3.0時較對照組分別降低6.67%、25.57%、34.43%，并在pH值為4.0、3.0時與對照組具有顯著性差異(p<0.05)；草地早熟禾在pH值為5.0、4.0時根長較對照組分別降低23.74%、36.21%，并與對照組具有顯著性差異(p<0.05)，pH值為3.0時完全受抑制，不再生根。

圖4 模擬酸雨脅迫對4種草坪草根長的影響

模擬酸雨對4種草坪草芽長的影響見圖5；由圖5可知：高羊茅在pH值為3.0時較對照組顯著降低9.92%，其余條件處理下，與對照組無顯著性差異；多年生黑麥草芽長在pH值為3.0、4.0、5.0模擬酸雨的處理下與對照組均無顯著性差異；匍匐翦股穎芽長受酸雨影響也較小，pH值為3.0時較對照組降低5.91%，其余處理下，與對照組差異不顯著；草地早熟禾隨酸雨酸性的增強芽長略有降低，在pH值為3.0時種子不發芽。

圖5 模擬酸雨脅迫對4種草坪草芽長的影響

2.5 綜合評定

草坪草對酸雨抗性的大小由多個不同的指標綜合決定，各個單一的指標不能一致的反映草坪草對酸雨抗性的大小，參考單一指標得出的結果不具有說服力，因此不同草坪草對酸雨脅迫的抗性大小應該用多個指標進行綜合評定，從而使評價結果更具客觀性和真實性。所以本研究采用模糊數學隸屬度分析法綜合評價4種草坪草在模擬酸雨脅迫下抗性的大小，綜合發芽率、發芽指數、葉綠素a、葉綠素b、葉綠素、類胡蘿卜素、相對電導率、根長、芽長9個指標的隸屬函數值得到隸屬函數的平均值(表2)，由表2可知，4種草坪草種耐酸性強弱順序為：高羊茅>多年生黑麥草>匍匐翦股穎>草地早熟禾。由此可知，4種草坪草種中，高羊茅抗酸性最強，多年生黑麥草、匍匐翦股穎居中，草地早熟禾最差。

表2 4種草坪草種子抗酸雨脅迫能力得分

3 討 論

3.1 模擬酸雨脅迫對不同草坪草種子萌發的影響不同

pH值為2.0的酸雨完全抑制了4種草坪草種子的萌發，表現為發芽率、發芽指數均為零；其余酸雨處理下(pH值為3.0、4.0、5.0)高羊茅的發芽率、發芽指數與對照相比均無明顯變化，種子萌發受酸雨影響不明顯，這與田如男等[5]的研究結果一致；多年生黑麥草的發芽率和發芽指數經酸雨處理后均低于對照組，并在pH值為5.0時與對照組具有顯著性差異，這與黃婷等[6]的研究結果有異；匍匐翦股穎發芽率與發芽指數隨pH值的降低而降低；草地早熟禾的發芽率和發芽指數隨酸雨pH值的降低而降低，至pH值為3.0時，發芽率與發芽指數為零，所受影響最明顯。

3.2 模擬酸雨脅迫對不同草坪草葉片內色素含量的影響不同

大氣中的酸性沉降物通常先通過氣孔進入草坪草，損害植株葉片的內部結構，從而進一步影響草坪草葉片的其它各項指標。不同pH值的酸雨脅迫使4種草坪草植物葉綠素a、葉綠素b、葉綠素和類胡蘿卜素含量的變化趨勢不同，高羊茅的4種色素含量均隨pH值的降低而減少，這與齊澤民[7]對杜仲的酸雨模擬試驗結論相同；多年生黑麥草與匍匐翦股穎在酸雨pH值為4.0、5.0時色素含量均低于對照組，但在pH值為3.0時色素含量均高于對照組；草地早熟禾在酸雨處理下色素含量均低于對照組，這與大多數前人的研究結果相一致，表明酸雨對草地早熟禾的葉片具有破壞作用，產生了不利影響。

3.3 模擬酸雨脅迫對同種草坪草種子的不同部位影響不同

高羊茅在酸雨處理下根長均低于對照組，且在酸雨pH值為5.0時便顯著低于對照組，這與田如男[5]等的研究結果一致；芽長在pH值為3.0時顯著低于對照組，其余條件下與對照組無顯著性差異，表明高強度的酸雨對高羊茅芽長有一定的抑制作用，高羊茅根對酸雨的敏感程度大于芽；多年生黑麥草在pH值為3.0時根長顯著低于對照，pH值為5.0、4.0時較對照組無顯著變化，但芽長在3種不同強度的模擬酸雨處理下較對照組均無顯著性變化，表明高強度的酸雨對多年生黑麥草根的生長具有抑制作用，但對芽的影響不明顯，根與芽所受影響不同步；匍匐翦股穎在pH值為5.0時根芽長均無明顯變化，pH值為4.0、3.0時根長顯著低于對照組，芽長也有降低，表明匍匐翦股穎根芽對酸雨有一定的抵抗作用，但隨酸雨酸性的增強，根芽都受損；草地早熟禾根長在酸雨處理下均低于對照組，芽長變化不明顯，pH值為3.0時種子不萌發，根比芽對酸雨敏感；

3.4 模擬酸雨脅迫對不同草坪草葉片相對電導率的影響不同

酸雨較普通降雨硫酸根和硝酸根離子濃度有所增加，氫離子的活性被提高，因此加速了氫離子與細胞中陽離子的交換作用；另外，在酸雨作用的影響下，草坪草植株葉片的角質層和表層細胞都會受到傷害，導致細胞通透性增加。這兩方面的共同作用導致了植物養分離子的大量淋失。植物組織在受到逆境的脅迫時，其透性增大，導致電導率增加，因此電導率的變化是檢測植物受傷害程度大小的另一個指標[5]。高羊茅葉片在pH值為3.0以上的酸雨脅迫下相對電導率值無明顯升高趨勢，表明高羊茅葉片對酸雨有良好的抗性；多年生黑麥草、匍匐翦股穎在酸雨影響下電導率均高于對照組，表明不同強度的酸雨對其葉片都產生了一定的破壞作用。草地早熟禾葉片相對電導率較對照組升高程度較小，表明其葉片受酸雨影響較小，葉片對酸雨侵害的抵抗力較強。

綜合分析表明，不同酸度的酸雨對4種草坪草種子與幼苗的影響不完全相同，不同指標受影響程度不完全相同[8]；根據模糊數學隸屬度分析法得出4種草坪草抗酸性順序為：高羊茅>多年生黑麥草>匍匐翦股穎>草地早熟禾。