全 文 ：中国生态农业学报 2010年 5月 第 18卷 第 3期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, May 2010, 18(3): 680−682
* 江苏省教育厅“高等学校教育教学改革项目(3-26-77)”及江南大学院长基金项目(HT2008-6-1)资助
** 通讯作者: 周青(1959~), 男, 教授, 研究方向为农业环境生态学。E-mail: zhouqeco@yahoo.com.cn
胡刚(1986~), 男, 环境科学学士, 研究方向为环境生态学。
收稿日期: 2009-06-02 接受日期: 2009-08-02
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2010.00680
高剂量稀土 La( )Ⅲ 与酸雨对大豆幼苗生长的
复合伤害效应及机理*
胡 刚 徐秋荣 梁婵娟 周 青**
(江南大学环境与土木工程学院 无锡 214122 )
中图分类号: X517; Q945; S565.1 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2010)03-0680-03
Injury effect and mechanism of high dose rare-earth La (Ⅲ) and
acid-rain on growth of soybean seedling
HU Gang, XU Qiu-Rong, LIANG Chan-Juan, ZHOU Qing
(Environment and Civil Engineering, Jiangnan University, Wuxi 214122, China)
(Received June 2, 2009; accepted Aug. 2, 2009)
稀土(RE)农用始于 20 世纪 70 年代[1]。研究表
明, 适宜浓度的 RE 可改善植物品质[2−3], 提高光合
能力 , 增强植株对营养元素的吸收及其抗逆性 [4−5]
等, 从而提高农作物产量。随着农业生产中大面积、
高剂量 RE的使用, 造成 RE在土壤表层持留。自然
条件下, 外源 RE 很难发生迁移, 以交换态存在的
RE占土壤中 RE总量的比例很低。当酸沉降(AR)频
繁发生时(我国是继北美和北欧之后的世界第 3大酸
雨区), 不仅对植物地上部分产生直接伤害 [6−7], 还
会引起土壤酸化, 改变土壤中 RE 离子的赋存状态,
使 RE 离子淋溶加强[6,8], 解吸量升高, 生物可利用
性增加[9]。研究表明, 高剂量 RE对植物生长发育极
其不利[10], 目前有关高剂量 RE 与酸雨对植物复合
伤害效应的研究尚少见报道。本研究以经济作物大
豆为试验材料 , 初步探讨高剂量 La(Ⅲ)与 AR 对
大豆幼苗生长的复合伤害效应及内在机理 , 为客
观、综合评价酸雨危害及稀土农用的环境风险提供
依据。
1 材料与方法
1.1 试材培养
大豆(Glycine max)“垦农 18”种子用 0.1%HgCl2
消毒 5 min, 去离子水冲洗后, 置于 3层纱布培养皿
中, 于恒温培养箱 25±1.0 ℃中萌发。胚根长至 2 cm
时移入盛有 Hoagland[10]营养液的塑杯(Φ=15 cm)中
培养, 每杯 3 株, 日换水 1 次。室温 25±5 ℃培养,
每日光照 12 h(光强 8 klx), 早晚各通气 1次, 并用去
离子水维持溶液体积, 3 d换 1次营养液, 至第 3片
真叶展开后用于试验处理。
1.2 稀土与酸雨处理
配制高剂量 LaCl3[La(Ⅲ)]溶液(100 mg·L−1、
300 mg·L−1、500 mg·L−1 ) 及模拟酸雨(AR)[11−12],
先配制 pH 1.0的酸雨母液, 其中硫酸根和硝酸根的
体积比为 4.7∶1。以去离子水作为稀释液, 将 AR母
液和配制好的 LaCl3梯度溶液 pH 分别调制为 3.5、
4.5, 并经 PHS-29A 酸度计(上海精密科学仪器有限
公司)校准。
用配制好的 La(Ⅲ)溶液浸泡大豆幼苗根部, 每
天处理 6 h, 持续处理 7 d, 对照植株(CK)用等量营
养液浸泡。分别在第 3 d、6 d, 用喷雾器向叶片喷施
不同 pH值AR溶液, 以滴液为限, CK喷等量蒸馏水。
试验设 CK、RE1(100 mg·L−1)、RE2 (300 mg·L−1 )、
RE3(500 mg· L−1)、 AR1(pH3.5)、 AR2(pH4.5)、
RE1+AR1、RE1+AR2、RE2+AR1、RE2+AR2、RE3+AR1、
第 3期 胡 刚等: 高剂量稀土 La( )Ⅲ 与酸雨对大豆幼苗生长的复合伤害效应及机理 681
RE3+AR2共 12个处理, 每处理均 3杯, 3次重复。
1.3 指标测定
根系生长指标测定参照文献 [13], 用直尺测
量茎长、株高及主根长, 叶面积用透明方格纸法计
算[13]。以单株为单位, 分别测出每株大豆幼苗的叶
片鲜重、茎鲜重和根鲜重。然后置于电热恒温干燥
箱中 100 ℃杀青 10 min, 80 ℃烘 12 h至恒重, 分别
称其干重。
用CIRAS-1系统(PP Systems International Ltd, UK)
测定净光合速率(Pn), 设定光强 400 μmol·m−2·s−1,
闭合气路(CO2 340 μL·L−1); 采用二甲亚砜法测定
叶绿素(Chl)含量。试验所得数据均经过统计学分析,
每处理重复测定 3 次, 取平均值并求标准误。通过
LSD检验(P<0.05)分析处理间的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 高剂量 La(Ⅲ)与 AR 对大豆幼苗生长的复合
影响
表 1 表明, 与 CK 相比, 单一 La(Ⅲ)处理(RE1~
RE3)和单一 AR处理(AR1~AR2)下大豆幼苗株高、叶
面积、主根长、根干(鲜)重、茎干(鲜)重、叶干(鲜)
重均下降。La(Ⅲ)处理组降幅为 RE1
关系。其中, 叶面积、叶干重、根干重降幅相对较
大, 最大降幅分别达 31.51%、34.70%、35.85%, 表
明植物根、叶较茎更易受到酸雨和高剂量 La(Ⅲ)的
伤害。
与单一处理相比, 复合处理组的各项生长指标
降幅更加明显, 且 RE浓度越高, AR的 pH越低, 下
降幅度愈大, 即降幅 RE1+AR1>RE1+AR2, RE2+AR1>
RE2+AR2, RE3+AR1>RE3+AR2, RE3+AR1>RE2+AR1>
RE1+AR1, RE3+AR2>RE2+AR2>RE1+AR2。可以看出,
在相同 pH 下, 各指标随 RE 浓度增加而降幅增大;
相同 RE 浓度下, pH 越小则降幅越大。其中 RE3+
AR1 处理降幅最大。与单一高剂量 La(Ⅲ)或酸雨处
理相比, 复合处理对大豆幼苗的伤害更大。每一指
标具有类似变化, 仅降低幅度不同, 其中叶和根较
茎受伤害更严重。
2.2 高剂量 La(Ⅲ)与酸雨对大豆幼苗光合作用的
影响
与 CK 相比, 单一高剂量 La(Ⅲ)或酸雨处理时,
叶绿素含量(Chl)和光合速率(Pn)均下降。Chl 降幅
AR1>AR2, RE3>RE2>RE1; Pn 降幅为 AR1>AR2,
RE3>RE2>RE1, 呈现明显的剂量−效应关系, 与生长
指标变化规律相近(表 2)。
复合处理组 Chl 与 Pn 变化与生长指标变化一
致。相同 AR处理下, 随 La(Ⅲ)浓度降低, 各指标降
幅 减 小 , 即 降 幅 RE3+AR1>RE2+AR1>RE1+AR1,
RE3+AR2> RE2+AR2> RE1+AR2。同一剂量 RE处理
下, 随酸雨 pH增大, 各指标降幅减小, 即降幅 RE1+
表 1 高剂量 La(Ⅲ)与酸雨对大豆幼苗生长的复合影响
Tab.1 Effects of high dose La(Ⅲ) and acid-rain on the growth of soybean seedlings
处理
Treatment
株高
Plant height
(cm)
主根长
Main root
length (cm)
根鲜重
Root fresh
weight (g)
根干重 Root
dry weight
(g)
叶面积 Leaf
area (cm2)
茎鲜重
Shoot fresh
weight (g)
茎干重
Shoot dry
weight (g)
叶鲜重
Leaf fresh
weight (g)
叶干重
Leaf dry
weight (g)
CK 45.25±0.51a (100.00)
12.60±0.35a
(100.00)
0.921±0.05a
(100.00)
0.058±0.00a
(100.00)
101.77±2.00a
(100.00)
1.597±0.03a
(100.00)
0.173±0.00b
(100.00)
0.888±0.02a
(100.00)
0.129±0.01a
(100.00)
RE1
41.23±0.0bc
(91.13)
12.06±0.01b
(96.22)
0.841±0.00b
(91.34)
0.049±0.00b
(85.55)
73.10±1.14d
(71.83)
1.385±0.00b
(86.72)
0.160±0.00b
(92.86)
0.689±0.00b
(77.65)
0.092±0.00cd
(71.77)
RE2
40.32±0.09c
(89.11)
11.95±0.03c
(94.84)
0.823±0.01b
(89.36)
0.046±0.00c
(79.31)
71.56±10.90e
(70.31)
1.304±0.05b
(81.65)
0.155±0.00c
(89.59)
0.613±0.03d
(69.03)
0.087±0.06d
(67.44)
RE3
35.97±0.21e
(79.48)
11.72±0.15c
(93.02)
0.803±0.00c
(87.27)
0.046±0.00c
(78.83)
69.71±0.31f
(68.49)
1.266±0.00c
(79.30)
0.150±0.00d
(86.75)
0.586±0.02e
(66.02)
0.084±0.00e
(65.30)
AR1
34.65±2.39j
(76.57)
10.47±0.40ef
(83.11)
0.664±0.02e
(72.17)
0.037±0.01f
(64.15)
80.93±1.42c
(79.52)
1.091±0.06e
(68.35)
0.123±0.01f
(71.51)
0.658±0.04c
(74.11)
0.099±0.00c
(76.48)
AR2
35.70±1.60hi
(78.89)
11.07±0.76d
(87.87)
0.732±0.05d
(79.49)
0.045±0.01c
(78.68)
87.80±0.79b
(86.27)
1.336±0.00b
(83.69)
0.135±0.01e
(78.00)
0.687±0.00b
(77.40)
0.107±0.00b
(83.35)
RE1+AR1
33.78±0.40l
(74.66)
9.97±0.11h
(79.14)
0.588±0.02h
(63.84)
0.033±0.00g
(57.37)
58.15±2.20i
(57.14)
1.200±0.00e
(75.18)
0.123±0.01f
(71.27)
0.501±0.00h
(56.43)
0.077±0.00f
(59.85)
RE1+AR2
34.95±0.44j
(77.24)
10.79±0.18e
(85.60)
0.675±0.01e
(73.27)
0.041±0.00d
(70.69)
66.42±2.20g
(65.27)
1.265±0.00c
(79.26)
0.129±0.00ef
(74.87)
0.558±0.00f
(62.87)
0.089±0.00d
(69.22)
RE2+AR1
35.77±2.74f
(79.05)
9.75±0.21i
(75.94)
0.579±0.05i
(62.87)
0.032±0.00h
(55.17)
57.13±3.67i
(56.97)
1.092±0.02e
(68.38)
0.117±0.00h
(67.63)
0.482±0.36i
(54.28)
0.075±0.01f
(58.14)
RE2+AR2
34.30±2.20k
(75.80)
10.53±0.35e
(83.57)
0.659±0.05f
(71.56)
0.039±0.00e
(67.24)
62.23±1.62h
(61.48)
1.236±0.09d
(77.40)
0.121±0.36g
(69.94)
0.526±0.06g
(59.23)
0.087±0.26e
(67.44)
RE3+AR1
31.47±1.10n
(69.55)
9.59±0.67j
(76.14)
0.572±0.02j
(62.09)
0.031±0.00i
(53.70)
57.86±2.67i
(56.85)
0.981±0.02f
(61.46)
0.113±0.01i
(65.70)
0.465±0.02j
(52.37)
0.073±0.01f
(56.62)
RE3+AR2
32.51±0.10m
(71.86)
10.42±0.24f
(82.71)
0.644±0.01g
(69.96)
0.037±0.00f
(63.37)
60.74±0.42hi
(59.68)
1.207±0.05e
(75.59)
0.116±0.01hi
(67.15)
0.511±0.04h
(57.50)
0.084±0.00e
(65.29)
同列不同字母表示各处理间差异显著(P<0.05), 括号中数值表示相对值, 下同。The data in the table are averages and the data in the
brackets are relative values. Different letters in the same column show significant difference at P<0.05. The same below.
682 中国生态农业学报 2010 第 18卷
AR1>RE1+AR2, RE2+AR1>RE2+AR2, RE3+AR1>RE3+
AR2。可以看出, 复合处理对 Chl 和 Pn 影响程度明
显大于单一处理, 呈协同效应。其中, 对 Chl变化而
言, AR1+RE2 处理下呈明显协同效应(即复合处理下
降幅大于单一处理降幅之和), 其他各复合处理下降
幅虽高于单一处理但低于单一处理之和。对 Pn变化
而言, AR1+RE1、AR2+RE1、AR1+RE2与 AR2+RE2 4
个处理都呈现明显协同效应。不同处理组的 Chl 和
Pn 变化规律相近, 但同一处理下 Pn 降幅大于 Chl,
表明 Pn 对酸雨和高剂量 La(Ⅲ)的敏感程度高于
Chl。
表 2 酸雨及高剂量稀土 La(Ⅲ)对大豆幼苗叶绿素
含量及光合速率的影响
Tab. 2 Effects of acid-rain and high dose La(Ⅲ) on chlo-
rophyll content and photosynthesis rate of soybean seedlings
处理
Treatment
叶绿素含量
Chlorophyll content
mg·g−1 %
光合速率
Photosynthesis rate
mg(CO2)·dm−2·h−1 %
CK 2.48±0.003a 100.00 9.4±0.033a 100.00
AR1 2.18±0.011d 87.83 4.6±0.119i 49.27
AR2 2.29±0.001b 92.25 7.4±0.053d 79.22
RE1 2.21±0.003cd 88.87 8.3±0.145b 88.65
RE2 2.13±0.006e 85.78 7.9±0.108c 84.16
RE3 2.04±0.007fg 82.28 6.1±0.108fg 64.97
RE1+AR1 2.04±0.016f 82.30 3.9±0.089j 40.97
RE1+AR2 2.14±0.006e 86.26 6.3±0.067ef 66.67
RE2+AR1 1.73±0.007h 69.49 2.9±0.115k 30.85
RE2+AR2 2.04±0.006fg 82.29 5.9±0.296g 62.41
RE3+AR1 1.62±0.016i 65.29 2.6±0.033k 28.01
RE3+AR2 2.01±0.005g 81.06 5.1±0.088h 53.90
3 结论
AR(pH3.5、 pH4.5)与 高 剂 量 La(Ⅲ ) (100
mg·L−1、300 mg·L−1、500 mg·L−1)对大豆幼苗生
长具有抑制作用。单一处理下, 各指标的降低幅度
随 AR的 pH降低而增大, 随 La(Ⅲ)浓度的升高而增
大, 均呈现明显的剂量−效应关系。AR+RE 复合处
理下各指标的降幅均大于单一处理, 表明 AR 与高
剂量 La(Ⅲ)对大豆幼苗的复合伤害呈现协同效应。
AR、RE及 AR+RE处理下, Chl和 Pn的变化规
律与生长指标相近 , 即单一处理组变化呈现剂量−
效应关系, 复合处理组呈现协同效应。AR影响植物
的光合作用, 可能是通过改变细胞 pH平衡、破坏叶
绿体膜的完整性和影响气孔导度等途径, 最终导致
光合效率降低[14−15]。高剂量 RE 呈现伤害效应的原
因是: 此浓度下的 RE 离子已表现出重金属离子的
某些特性, 通过与膜蛋白结合或抑制酶的活性, 改
变膜的渗透性, 破坏细胞内电化学平衡, 造成胞内
代谢紊乱[10]。Chl和 Pn的降低是这种伤害效应反映
在微观层面上的一个方面, 宏观上表现为植物生长
受阻。
由大豆幼苗生长指标与光合参数变化可知, 高
剂量RE与AR抑制光合作用是其阻碍植物生长的主
要因素之一 , 即同化产物积累影响作物生物量大
小。试验还发现, Pn变化与 Chl变化虽有相似之处,
却存差异, Pn对 AR和 RE的敏感度高于 Chl, Pn降
低不能简单理解为 Chl下降所致, 导致 Pn下降的原
因有待进一步研究。
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