模拟酸雨对4种草坪草种子萌发和幼苗生长的影响

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(河北农业大学园林与旅游，河北 保定 071000)

酸雨一般是指pH值<5.6的大气降水[1]。近年来，随着环境污染问题的加重，我国的酸雨降雨量也比以往有显著增加，且酸雨中的总离子含量已经远远高于欧洲、北美、日本等地区。当前，酸雨对生态系统造成了严重危害，已经成为威胁世界环境的十大问题之一。我国酸雨的分布具有普遍性的特点，是典型的硫酸型酸雨[2]。

草坪草是生态系统中的重要组分，不仅具有良好的观赏价值，而且有极高的生态价值。在具有典型温带气候的北方地区，冷季型草坪草无疑是北方草坪草最好的选择。然而近年来我国北方地区频现酸性降雨，如青岛、太原、石家庄等地降雨的年均pH值均低于5.6。酸雨对植物同时具有直接和间接的影响，酸雨淋溶直接作用于植物表面，损伤植株的叶片，从而破坏植株的内部结构；与此同时，酸雨渗透地表，影响土壤pH值，从根部又进一步加深了对植株的影响[2]；冷季型草坪草种类很多，不同的草种对酸雨胁迫的适应能力不同；而植物种子的萌芽阶段直接决定了植株能否成活，是植株成活以及适应不良环境条件发挥作用的重要时期。本研究选择冷季型草坪草种应用最为广泛的高羊茅(Festucaarundinacea)、多年生黑麦草(Loliumperenne)、匍匐翦股颖(Agrostispalustris)和草地早熟禾(PoapratensisL.)种子为试材，研究了不同酸度酸雨胁迫对其萌发和幼苗生长的影响，旨在为我国北方园林绿地地被植物合理的选择、应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

高羊茅、多年生黑麦草、匍匐翦股颖和草地早熟禾种子，购置于保定市永进五金园林机械公司。

1.2 试验方法

1.2.1 酸雨的配置

将浓硫酸与浓硝酸按5∶1的比例配制成pH值1.0的酸溶液；再取适量酸溶液，分别稀释成pH值2.0、3.0、4.0、5.0的模拟酸雨各500 mL。并用HANNA牌pH 211型微电脑式pH酸度计校准。

1.2.2 发芽试验

将草坪草种子用1%的次氯酸钠溶液浸种10 min消毒，然后用自来水反复冲洗，再用蒸馏水冲洗3～5次备用。在培养皿中平整的铺2层滤纸，然后在每个皿中整齐摆放50粒种子，试验共设pH值为2.0、3.0、4.0、5.0、7.0等5个处理，每个草种每个处理3次重复。每天向培养皿中加入相应酸溶液，保证滤纸全部润湿但没有积液为标准，以保证酸雨浓度不变[3]。将培养皿放入25 °C恒温培养箱中培养发芽，每天进行观察并记录种子萌发的情况，至发芽高峰期后连续3 d没有种子萌发时调查结束。发芽以胚根为种粒长的1/2为标准。

1.3 指标测定及计算

1.3.1 发芽率的计算

发芽率(%)=(n/N)×100%；

式中：n为第n天的发芽种子数；N为供试种子总数。

1.3.2 发芽指数的计算

发芽指数GI =∑(Gt/Dt)；

式中：Gt为第t天的发芽种子数，Dt为对应Gt的发芽天数(d)。

1.3.3 生长量的测定

试验结束后，取整株植物，清洗干净，吸干表面水分，用直尺分别测量根和芽的长度。

1.3.4 叶绿素含量的测定

叶绿素含量的测定采用李合生[4]的方法，用丙酮浸提并进行测定，计算光合色素的含量。

Ca=12.72×D663-2.59×D645；

Cb=22.88×D645-4.67×D663；

Ccar=(1 000×D440-3.27×Ca-104×Cb)÷229；

叶绿体色素含量(mg/cm2)=Ca+Cb；

式中：Ca、Cb和Ccar分别为叶绿素a、叶绿素b和类胡萝卜素的浓度。

1.3.5 相对电导率的测定

相对电导率的测定采用李合生[4]的方法，并略做改动。先用自来水冲洗叶片，除去表面污物后再用去离子水冲洗1～2次，用干净纱布吸干表面水分，然后剪碎每份称取0.10 g，放入加有30 mL去离子水的锥形瓶中，浸泡24 h；浸泡结束后测定溶液电导率，记为R1；然后将锥形瓶放入沸水浴中加热20 min，放置室温后再次测定溶液电导率，记为R2。

相对电导率(%)=(R1/R2)×100%。

1.4 模糊数学隶属度分析

用模糊数学隶属度公式进行定量转换，具体公式方法为：发芽率、发芽指数、叶绿素a、叶绿素b、叶绿素、类胡萝卜素、根长、芽长采用下面公式：相对值X=指标的酸胁迫处理测定值/对照处理测定值。隶属函数值Pij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，相对电导率采用反隶属函数的方法计算：Pij=1-(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)，其中Xij为第i材料第j指标的相对值；Xjmin为第j指标的最小值；Xjmax为第j指标的最大值。

1.5 数据分析

采用Excel 2010软件和SPSS 22.0软件进行数据统计和方差分析。

2 结果与分析

2.1 模拟酸雨对4种草坪草种子萌发的影响

2.1.1 对发芽率的影响

模拟酸雨对4种草坪草种子发芽率的影响见图1。由图1可知，随着酸雨pH值的降低，不同草种发芽率受影响变化的具体趋势不同。pH值为2.0时，4种草坪草种子受酸雨胁迫严重，发芽率均为0。高羊茅在酸雨pH值为3.0及以上时发芽率达89.33%以上，受酸雨胁迫影响不明显；多年生黑麦草在酸雨处理下发芽率均低于对照组，pH值为5.0、4.0、3.0时较对照组分别降低8.67%、15.76%、18.51%，且pH值为4.0、3.0时与对照组具有显著性差异(p<0.05)；匍匐翦股颖随酸雨酸性的增强发芽率不断下降，pH值为5.0、4.0、3.0时较对照组分别降低17.00%、20.39%、30.10%,并均与对照组具有显著性差异(p<0.05)；草地早熟禾受酸雨影响明显，随酸雨酸性的增强，发芽率降低程度逐渐增大，pH值为5.0、4.0时，较对照组分别降低25.62%、39.26%，与对照组均具有显著性差异(p<0.05)。

图1 模拟酸雨胁迫对4种草坪草种子发芽率的影响

2.1.2 对发芽指数的影响

模拟酸雨对4种草坪草种子发芽指数的影响见图2。由图2可知，随着酸雨pH值的降低，不同草种发芽指数受影响的具体趋势不同。在pH值为2.0的模拟酸雨处理下，4种草坪草种子的发芽指数均为0。高羊茅在pH值为3.0、4.0、5.0时发芽指数与对照组均无显著差异，受酸雨影响不明显；多年生黑麦草在pH值为5.0、4.0、3.0时较对照组分别降低14.42%、17.73%、21.28%，并均与对照组具有显著性差异(p<0.05)；匍匐翦股颖在pH值5.0时受酸雨胁迫影响不明显，在pH值4.0、3.0时较对照组降低33.21%、38.36%，并与对照组具有显著性差异(p<0.05)；草地早熟禾随酸雨pH值的降低，发芽指数降低，在pH值5.0、4.0酸雨的处理下较对照组分别降低29.89%、47.13%，至pH值3.0时，完全受其胁迫发芽指数降低为0。

表1 模拟酸雨胁迫对4种草坪草色素含量的影响

注：ck(对照)pH =7.0。同行不同小写字母表示在0.05水平下差异显著。

图2 模拟酸雨胁迫对4种草坪草种子发芽指数的影响

2.2 模拟酸雨对4种草坪草叶片光合色素含量的影响

模拟酸雨对4种草坪草中叶片色素含量的影响见表1。由表1可知，不同草坪草叶片中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素与类胡萝卜素的含量随酸雨pH值变化的具体趋势不同；经酸雨处理的高羊茅叶片中叶绿素a、叶绿素b、叶绿素与类胡萝卜素含量均低于对照组，并在pH值为4.0、5.0时与对照具有显著性差异(p<0.05)；多年生黑麦草在pH值为3.0时叶绿素a、叶绿素b、叶绿素、类胡萝卜素的含量分别高于对照组8.46%、29.17%、12.85%、16.67%，其余强度酸雨处理下，均低于对照组；匍匐翦股颖变化趋势不明显，但在pH值为3.0时，叶绿素a、叶绿素b、叶绿素、类胡萝卜素的含量分别高于对照组21.76%、7.14%、18.18%、-0.88%；草地早熟禾在pH值为4.0、5.0时，色素含量在数值上较对照组呈降低趋势。

2.3 模拟酸雨对叶片相对电导率的影响

模拟酸雨对4种草坪草叶片相对电导率的影响见图3。由图3可知，高羊茅在pH值为3.0以上时相对电导率较对照组无显著变化；多年生黑麦草经酸雨处理后叶片的相对电导率均高于对照组，pH值为5.0、4.0、3.0时较对照分别升高了15.96%、14.98%、5.99%，并均与对照组具有显著性差异(p<0.05)；匍匐翦股颖在pH值为5.0、4.0、3.0时相对电导率较对照组分别升高13.23%、2.66%、24.52%，并具有显著性差异(p<0.05)，表明酸雨胁迫对其叶片也产生了不同程度的破坏作用；草地早熟禾在pH值为5.0、4.0时较对照组分别升高5.60%、13.48%，并在pH值为4.0时与对照组具有显著性差异(p<0.05)。

图3 模拟酸雨胁迫对4种草坪草叶片相对电导率的影响

2.4 模拟酸雨对根和芽生长量的影响

模拟酸雨对4种草坪草根长的影响见图4；由图4可知，高羊茅在pH值为5.0、4.0、3.0时根长较对照组分别降低10.64%、10.24%、8.37%；多年生黑麦草在pH值为5.0、4.0时根长较对照组变化不显著，但在pH值3.0时，根长受抑制明显下降，较对照组降低了29.44%，并具有显著性差异(p<0.05)，表明高强度酸雨可能对其产生了伤害；匍匐翦股颖随酸雨pH值的降低，根长受抑制程度逐渐增加，pH值为5.0、4.0、3.0时较对照组分别降低6.67%、25.57%、34.43%，并在pH值为4.0、3.0时与对照组具有显著性差异(p<0.05)；草地早熟禾在pH值为5.0、4.0时根长较对照组分别降低23.74%、36.21%，并与对照组具有显著性差异(p<0.05)，pH值为3.0时完全受抑制，不再生根。

图4 模拟酸雨胁迫对4种草坪草根长的影响

模拟酸雨对4种草坪草芽长的影响见图5；由图5可知：高羊茅在pH值为3.0时较对照组显著降低9.92%，其余条件处理下，与对照组无显著性差异；多年生黑麦草芽长在pH值为3.0、4.0、5.0模拟酸雨的处理下与对照组均无显著性差异；匍匐翦股颖芽长受酸雨影响也较小，pH值为3.0时较对照组降低5.91%，其余处理下，与对照组差异不显著；草地早熟禾随酸雨酸性的增强芽长略有降低，在pH值为3.0时种子不发芽。

图5 模拟酸雨胁迫对4种草坪草芽长的影响

2.5 综合评定

草坪草对酸雨抗性的大小由多个不同的指标综合决定，各个单一的指标不能一致的反映草坪草对酸雨抗性的大小，参考单一指标得出的结果不具有说服力，因此不同草坪草对酸雨胁迫的抗性大小应该用多个指标进行综合评定，从而使评价结果更具客观性和真实性。所以本研究采用模糊数学隶属度分析法综合评价4种草坪草在模拟酸雨胁迫下抗性的大小，综合发芽率、发芽指数、叶绿素a、叶绿素b、叶绿素、类胡萝卜素、相对电导率、根长、芽长9个指标的隶属函数值得到隶属函数的平均值(表2)，由表2可知，4种草坪草种耐酸性强弱顺序为：高羊茅>多年生黑麦草>匍匐翦股颖>草地早熟禾。由此可知，4种草坪草种中，高羊茅抗酸性最强，多年生黑麦草、匍匐翦股颖居中，草地早熟禾最差。

表2 4种草坪草种子抗酸雨胁迫能力得分

3 讨 论

3.1 模拟酸雨胁迫对不同草坪草种子萌发的影响不同

pH值为2.0的酸雨完全抑制了4种草坪草种子的萌发，表现为发芽率、发芽指数均为零；其余酸雨处理下(pH值为3.0、4.0、5.0)高羊茅的发芽率、发芽指数与对照相比均无明显变化，种子萌发受酸雨影响不明显，这与田如男等[5]的研究结果一致；多年生黑麦草的发芽率和发芽指数经酸雨处理后均低于对照组，并在pH值为5.0时与对照组具有显著性差异，这与黄婷等[6]的研究结果有异；匍匐翦股颖发芽率与发芽指数随pH值的降低而降低；草地早熟禾的发芽率和发芽指数随酸雨pH值的降低而降低，至pH值为3.0时，发芽率与发芽指数为零，所受影响最明显。

3.2 模拟酸雨胁迫对不同草坪草叶片内色素含量的影响不同

大气中的酸性沉降物通常先通过气孔进入草坪草，损害植株叶片的内部结构，从而进一步影响草坪草叶片的其它各项指标。不同pH值的酸雨胁迫使4种草坪草植物叶绿素a、叶绿素b、叶绿素和类胡萝卜素含量的变化趋势不同，高羊茅的4种色素含量均随pH值的降低而减少，这与齐泽民[7]对杜仲的酸雨模拟试验结论相同；多年生黑麦草与匍匐翦股颖在酸雨pH值为4.0、5.0时色素含量均低于对照组，但在pH值为3.0时色素含量均高于对照组；草地早熟禾在酸雨处理下色素含量均低于对照组，这与大多数前人的研究结果相一致，表明酸雨对草地早熟禾的叶片具有破坏作用，产生了不利影响。

3.3 模拟酸雨胁迫对同种草坪草种子的不同部位影响不同

高羊茅在酸雨处理下根长均低于对照组，且在酸雨pH值为5.0时便显著低于对照组，这与田如男[5]等的研究结果一致；芽长在pH值为3.0时显著低于对照组，其余条件下与对照组无显著性差异，表明高强度的酸雨对高羊茅芽长有一定的抑制作用，高羊茅根对酸雨的敏感程度大于芽；多年生黑麦草在pH值为3.0时根长显著低于对照，pH值为5.0、4.0时较对照组无显著变化，但芽长在3种不同强度的模拟酸雨处理下较对照组均无显著性变化，表明高强度的酸雨对多年生黑麦草根的生长具有抑制作用，但对芽的影响不明显，根与芽所受影响不同步；匍匐翦股颖在pH值为5.0时根芽长均无明显变化，pH值为4.0、3.0时根长显著低于对照组，芽长也有降低，表明匍匐翦股颖根芽对酸雨有一定的抵抗作用，但随酸雨酸性的增强，根芽都受损；草地早熟禾根长在酸雨处理下均低于对照组，芽长变化不明显，pH值为3.0时种子不萌发，根比芽对酸雨敏感；

3.4 模拟酸雨胁迫对不同草坪草叶片相对电导率的影响不同

酸雨较普通降雨硫酸根和硝酸根离子浓度有所增加，氢离子的活性被提高，因此加速了氢离子与细胞中阳离子的交换作用；另外，在酸雨作用的影响下，草坪草植株叶片的角质层和表层细胞都会受到伤害，导致细胞通透性增加。这两方面的共同作用导致了植物养分离子的大量淋失。植物组织在受到逆境的胁迫时，其透性增大，导致电导率增加，因此电导率的变化是检测植物受伤害程度大小的另一个指标[5]。高羊茅叶片在pH值为3.0以上的酸雨胁迫下相对电导率值无明显升高趋势，表明高羊茅叶片对酸雨有良好的抗性；多年生黑麦草、匍匐翦股颖在酸雨影响下电导率均高于对照组，表明不同强度的酸雨对其叶片都产生了一定的破坏作用。草地早熟禾叶片相对电导率较对照组升高程度较小，表明其叶片受酸雨影响较小，叶片对酸雨侵害的抵抗力较强。

综合分析表明，不同酸度的酸雨对4种草坪草种子与幼苗的影响不完全相同，不同指标受影响程度不完全相同[8]；根据模糊数学隶属度分析法得出4种草坪草抗酸性顺序为：高羊茅>多年生黑麦草>匍匐翦股颖>草地早熟禾。