供稿|张心怡，李子富 / ZHANG Xin-yi, LI Zi-fu

内容导读

为探索酸雨和稀土元素镧对水稻幼苗生长的复合影响，确定毒害效应剂量，文章采用水培法培养水稻幼苗并采用模拟酸雨和稀土镧处理水稻，研究了酸雨与稀土镧复合处理对水稻幼苗地上、地下器官生长的影响。结果表明：酸雨与镧单独作用时，酸雨对水稻幼苗生长均起抑制作用，低浓度镧(＜20 mg/L)促进水稻生长，高浓度镧抑制水稻生长。酸雨与稀土镧复合作用时，低浓度镧(＜20 mg/L)与酸雨(pH＞4.5)对水稻幼苗期的抑制作用较小。同时，随着镧浓度增高，酸雨pH值降低，镧与酸雨呈协同作用，抑制作用不断增大。

酸雨(Acid Rain，AR)是全球主要环境公害之一，已引起世人的广泛关注[1]。在我国酸雨多发区内分布着多种多样的农业生态系统，酸雨在造成植物急性伤害的同时，还引起土壤pH和盐基饱和度降低，并洗脱土壤中营养物质、阳离子及重金属离子，由此间接影响作物生长发育[2]。稀土元素(Rare Earth Elements，REEs)是一系列具有极其相似的物理、化学性质的元素[3]。因适宜浓度的稀土元素对农作物及动物具有优质增产的生物学效应且农业经济效益显著[4]，在农业中得到广泛应用[5]。但是由于稀土在土壤中和植物体内迁移相对较小，外源稀土大部分将残留在农田的表层土壤中，并迅速积累[3]，由此造成的效应及对人类健康的影响已引起广泛关注[6]。

酸雨与稀土镧在分布空间上重叠，作用对象(作物)上趋同，影响时间上相交。国内、外有关酸雨或稀土镧单独作用于植物的研究已开展多年[7]。然而，研究现实当中存在的酸雨与稀土镧对植物复合影响的报道甚少，并且在已有的研究报道中都未给出明确的毒理学剂量。本文研究了不同pH值的酸雨与不同浓度稀土镧对水稻幼苗期的复合影响，确定在不同酸雨条件下，稀土对水稻生长和产量的毒理学剂量，为科学评价酸雨和稀土的危害和环境风险提供参考。因此，本研究可为科学评价农业土壤环境中酸雨与稀土复合作用的危害和环境风险提供新的科学依据。

材料与方法

酸雨与稀土溶液配置

按硫酸和硝酸体积比为3:1配置pH=1.0的母液，以去离子水为稀释液，将母液分别调配成pH为2.5、3.5、4.5、5.5、6.5、7.0的模拟酸雨溶液，并经PHS—29A酸度计(上海精密科学仪器有限公司)校准。

以15.06 g/L的硝酸镧为母液，以改良的Hoagland营养液(配置时未加入NH4H2PO4)为稀释液，配置质量浓度梯度为：0、5、20、80、320、1280 mg/L的含稀土镧的营养液。为避免形成磷酸镧沉淀，作为稀释液的改良的Hoagland营养液中未加入NH4H2PO4。

试材培养与处理

选取均匀饱满的宁粳1号水稻种子，用0.1%HgCl2消毒10 min，去离子水洗净。之后将其置于27℃恒温培养箱中用去离子水浸泡48 h，然后将种子放入盖有湿润纱布的白瓷盘中，于27℃恒温培养箱中催芽，保持纱布湿润。2 d后水稻长出芽及根，转移到改良的 Hoagland 培养液中培养8 d后备用，每天更换一次培养液，实验在28℃光照培养箱中进行，光周期为10 h/14 h (光/暗比)。水稻在改良Hoagland培养液中培养8 d后进行处理。将水稻移入上述配置的含不同浓度稀土镧的营养液中，每天光照结束前向叶面定量喷施1 mol/L的NH4H2PO4溶液。并在第3 d和第6 d早晨8:00向叶面定量喷施不同pH的酸雨，以滴液为限。运用正交法设置处理组，共36个处理组，每个处理组均三杯，每杯各加入上述营养液200 mL并移入水稻幼苗三株。

生长指标测定

用WinRHIZO根系图像分析系统测定根的以下指标：根总长(Len)、根总面积(SA)、根总体积(PA)、根平均直径(AvgD)、根尖计数(NTips)、分叉计数(NForks)、交叠计数(NCross)；用精确度为1 mm的直尺测量株高；用CI-203便携式激光叶面积仪测定叶片的以下指标：面积(area)、长度(length)、宽度(width)、周长(perim)。以单株为单位，测定叶鲜重及根鲜重，之后分别于电热恒温干燥箱中100℃杀青10 min，80℃烘1 h至恒重，称其干重。

数据处理

应用SPSS软件对数据进行处理[8]，求出原始数据的平均值、标准差以及半数抑制剂量(IC50)[9]。

结果与讨论

酸雨与稀土镧对水稻幼苗地上器官生长的复合影响

表1、2显示，与对照相比，在单一酸雨作用下，水稻幼苗地上部分各项指标均有所下降，酸雨的pH越小，下降的幅度越大，抑制效果越明显。在单一稀土镧作用下，镧浓度为5 mg/L时，水稻幼苗地上部分各项指标均上升9.30%～29.41%。镧浓度为20 mg/L时，水稻幼苗期地上部分各项指标均上升0.60%～11.76%。镧浓度越小，各项指标的增幅越大，促进作用越明显。当镧浓度超过80 mg/L时，各指标均有降低，且镧浓度越大，各项指标的降幅越大，抑制作用越大。复合实验中，与对照相比，各处理组中各项指标均有所减少，并且酸雨的pH越低，稀土镧的浓度越高，降幅越明显，酸雨与稀土镧表现为协同作用。与酸雨单一作用相比，复合作用时，各项指标均有所下降，但当镧浓度小于20 mg/L时，下降幅度较小，而镧浓度达到80 mg/L时，各项指标产生显著下降。与稀土镧单一作用相比，复合总用时各项指标均呈下降趋势，且下降幅度明显。同时，表1、2显示，对于水稻而言，酸雨和稀土镧的最小有作用剂量分别为pH 6.5和80 mg/L，最大耐受剂量分别为pH 7.0和20 mg/L。

表5显示，随着pH值降低半数抑制浓度(IC50)逐渐降低，且相比较无酸雨情况(即pH为7.0)，pH为6.5时IC50降幅显著，表明酸雨对稀土镧的吸收有着显著的效果，酸雨和稀土镧呈现协同作用。

La(III)与酸雨对水稻幼苗地下器官生长的复合影响

表3、4显示，与对照相比，在单一酸雨作用下，水稻幼苗地下部分各项指标(根平均直径除外)均有所下降，酸雨的pH越小，下降的幅度越大，抑制效果越明显。在单一稀土镧作用下，镧质量浓度为5 mg/L时，水稻幼苗地下部分各项指标均上升5.34%～51.15%。镧质量浓度为20 mg/L时，水稻幼苗期地下部分各项指标均上升0.23%～26.15%。镧浓度越小，各项指的增幅越大，促进作用越明显。当镧浓度超过80 mg/L时，各指标均有降低，且镧浓度越大，各项指标降幅越大，抑制作用越大。复合实验中，与对照相比，各处理组中各项指标均(根平均直径除外)有所减少，并且酸雨pH越低，稀土镧浓度越高，降幅越明显，酸雨与稀土镧表现为协同作用。与酸雨单一作用相比，复合作用时，各项指标均有所下降，但当镧质量浓度＜20 mg/L时，下降幅度较小，而镧质量浓度达80 mg/L时，各项指标显著下降。与稀土镧单一作用相比，复合作用时各项指标均呈下降趋势，且下降幅度明显。而根平均直径变化规律与其它指标相反。表3、4显示，对于水稻而言，酸雨和稀土镧最小有作用剂量分别为pH 6.5和80 mg/L，最大耐受剂量分别为pH 7.0和20 mg/L。

表1 La(Ⅲ)与酸雨复合作用对水稻幼苗地上器官生长的影响(Ⅰ)

表2 La(Ⅲ)与酸雨复合作用对水稻幼苗地上器官生长的影响(Ⅱ)

续表

表6显示，随着pH值降低，各项指标(根平均直径除外)半数抑制浓度(IC50)逐渐降低，且相比较无酸雨情况(即pH为7.0)，pH为6.5时，IC50降幅显著，表明酸雨对稀土镧的吸收有着显著的效果，酸雨和稀土镧呈现协同作用。由于酸雨和稀土镧对根平均直径均起促进作用，所以此指标无半数抑制浓度。

表3 La(III)与酸雨复合作用对水稻幼苗地下器官生长的影响(Ⅰ)

表4 La(Ⅲ)与酸雨复合作用对水稻幼苗地下器官生长的影响(Ⅱ)

续表

表5 La(III)与酸雨复合作用对水稻幼苗地上器官的毒理学剂量

表6 La(Ⅲ)与酸雨复合作用对水稻幼苗地下器官的毒理学剂量

讨论

本研究结果与同类的文献[10-11]结果相比有所不同，主要表现为稀土镧对于水稻产生抑制作用的最小有作用剂量的不同，原因可能为：一是对于镧浓度的设置不同；二是复合影响时喷洒酸雨类型不同。本研究显示，适宜浓度的La(III)(本实验为5 mg/L及20 mg/L)能促进水稻幼苗的生长，高浓度La(III)则产生伤害，且La(III)浓度越大伤害越明显[12]，呈明显低促高抑现象，并且低浓度镧在酸雨胁迫下抑制作用较小，高浓度镧在酸雨胁迫下抑制作用显著。原因可能是：水稻幼苗植株在一定酸度范围的酸雨胁迫作用下，镧能提高幼苗植株超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化氢酶(CAT)活性；降低幼苗植株脂质过氧化产物丙二醛(MDA)含量和脯氨酸(Pro)含量；减小质膜透性；提高叶片叶绿素含量和叶绿素a/b比值；增强根系活力，进而促进水稻幼苗生长。随着酸度增大，镧的缓解作用将逐渐消失，产生抑制作用[13]。

本研究创新之处在于，确定了酸雨胁迫下镧毒理学剂量，为科学评价酸雨和稀土危害和环境风险提供参考。本研究不足之处在于对于镧浓度设置较为宽泛，由于设置问题，本实验结果中镧最小有作用剂量为80 mg/L，实际可能并没有这么大。因此，拓展实验可以进一步研究镧最小有作用剂量，为实际应用提供更为精确指导作用。

结束语

酸雨和镧单独作用时，酸雨对水稻幼苗生长均起抑制作用，低浓度镧(＜20 mg/L)促进水稻生长，高浓度镧抑制水稻生长。酸雨和镧复合作用时，随着镧浓度增高，酸雨pH值降低，镧与酸雨呈协同作用，抑制作用不断增大。酸雨和镧最小有作用剂量分别为pH 6.5和80 mg/L，最大耐受剂量分别为pH 7.0和20 mg/L。