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土壤酸碱度与植物生长

作者:马斌 文章来源:北京大学附属中学 点击数:4367 更新时间:2006/5/5 13:04:00

摘 要
  本文初步探讨了环境酸碱度与植物生长的相互关系,主要研究植物对环境酸碱度的影响。并得出了离子平衡、同种电解质互斥的结论。较清楚的说明了无淋失情况下,矿物元素的吸收与酸碱度的关系。能过小麦育种、单种物质营养液不同酸碱梯度的植物生长试验。证实了,在酸性环境下植物会更多的吸收阴离子,同时抑制阳离子吸收,放出OH-,使环境向中介点移动。在碱性环境中植物会更多的吸收阳离子,抑制阴离子交换,向外放出较多H-,同样使外部环境向中介点移动。说明植物吸收物质是PH变化的原因。

  我国现有5亿亩盐碱化土地,其中有3亿亩待开垦,了解土壤酸碱度与植物生长的关系也就显得尤为重要我国西北和北方干旱地区土壤多为石灰性或碱性,而南方土壤多为酸性或中性,这种酸碱变化一般都受到成土母岩和气候条件的影响,同时也受到地形、植被和耕作措施等因素影响。

  那些盐基成分含量高的岩石(如石灰岩等)风化后产生氢氧离子,就使土壤偏碱性或中性;酸性成分的岩石(如花岗岩等)发育的土壤,多呈酸性。同类岩石其风化产生的盐类,在北方干旱地区不容易淋失而底层的盐基又随水分蒸发上升而累积在土壤表层中,使土壤反应偏碱性,而在东北森林地带以及湿润多雨的南方,岩石风化产生的一、二价阳离子组成盐类大量被淋失,剩下的三价的铁铝等化合物尤其是铝的氧化物及其盐类在水中水解产生氢离子,致使土壤变酸,所以南方大面积的红壤酸性强,有些甚至呈酸性反应。酸碱度低至4.5-5.5。

  岩石风化后产生的大小颗粒中,那些极细的土壤胶体吸附有氢、钠、钾、钙、镁、铝等离子,它们和土壤溶液中的离子处于动态平衡状态,它们彼此代换会影响土壤酸碱性。因此,土壤酸碱反应的实质,是土壤溶液中游离的氢离子和氢氧根离子存在比例的一个反映。当游离的氢离子浓度大于氢氧根离子浓度时,土壤呈酸性,;反之,若氢氧根离子浓度大于氢离子浓度时,土壤呈碱性;若两者浓度相等,土壤就呈中性。
 
1.酸碱度对植物影响的讨论

  酸碱度对植物的影响是多方面的,大体上分为对外部环境影响与对植物体自身影响,为确定其中主要因素,现已将千余粒小麦种子分为PH= 4、4.5 、5 、5.5、 6、 6.3、 7 、7.5、 8  9个梯度进行育种,每区域100颗左右,以营养液进行培养。

  在经过40多天观察纪录后(其中有一次筛选)摘录数据如表一

表一   育种记录

酸碱度

10月15日

10月18日

10月22日

10月25日

10月30日

11月2日

11月7日

4

1.50

6.00

8.00

15.00

17.00

19.00

26.00

4.5

0.90

3.50

8.00

15.00

19.00

21.00

25.00

5

0.70

5.50

10.00

13.50

16.00

18.00

27.00

5.5

0.30

3.00

7.00

14.00

18.00

20.00

25.00

6

0.00

3.00

14.00

14.00

19.50

21.00

30.00

6.3

1.60

7.00

15.00

17.00

22.00

24.00

32.00

7

0.90

5.00

13.00

15.00

17.50

19.00

28.00

7.5

0.60

3.50

8.00

14.00

16.50

18.00

30.00

8

1.10

4.50

10.00

15.00

19.00

21.00

28.00

  对其中3部分进行具体比较,植株的高度已有明显差异(见图一)。实际目测时在PH=6-7区域的植株要比其他粗壮挺拔。说明酸碱度对植株的影响是显著的。

图一  育种生长高度比较

  但这种差异并不是很悬殊,也可证明在所进行的试验区域PH=4-8时,并没有超过小麦的生存极限,对其自身结构产生影响。

    为确定酸碱度是否对植物合成蛋白质产生影响,对PH= 4、6.3、8 三种植株的RNA进行电泳处理比较。

图二 小麦RNA电泳图像

  在酶切条件下显示零等位现象(如图二),从分子水平上看结果基本一致,可以说明酸碱度在一定范围内并没有对植物的蛋白质合成产生影响鉴于以上原因,主要进行了酸碱度对植物体外部环境影响。这其中的核心问题就是根对矿质元素的吸收。

2.酸碱度对矿物质吸收的影响

  1)根吸收矿质元素的过程

  各种矿质元素都是以离子状态被吸收的。土壤中各种矿质元素的离子,有些存在于土壤溶液中,有些被土壤颗粒吸附着。存在于土壤溶液中的离子和被土壤颗粒吸附着的离子,都能够被根选择吸收。

  根细胞吸收土壤溶液中各种矿质元素的离子的过程,与根细胞的呼吸作用有密切的关系。根细胞通过呼吸作用产生出二氧化碳(CO2),二氧化碳溶于水中,产生碳酸(H2CO3)CO2  + H2O = H2CO3  ,碳酸可以离解成H+和HCO3- ,H2CO3 + H2O= HCO3- +  H+。这两种离子可以分别于土壤溶液中的阳离子(如K+、NH4+)和阴离子(如NO3-)发生交换。这样,H+和HCO3-就进入土壤溶液中,而土壤溶液中的一些阳离子和阴离子则被根吸附到根细胞的细胞膜的表面上来。根细胞所吸附的H+和HCO3与土壤溶液中的阳离子和阴离子发生交换的过程,就叫做交换吸附。在交换吸附的过程中,根细胞附近的土壤溶液中的阳离子和阴离子减少了,距离根细胞较远处的土壤溶液中的阳离子和阴离子则可以通过扩散作用移动过来。

  2)酸碱度对矿物质吸收影响的原有理论

  (1)化学方面:
  土壤酸碱度对土壤结构性有影响。酸性土壤中,氢离子浓度大,容易把胶体中钙离子代换出来淋失,故酸性土易板结。而碱性土壤含有大量代换性钠离子、氢氧离子,使土粒分散,干后板结,造成碱土的结构性不良。阳离子矿物溶解度降低从而影响吸收。

  (2)生物方面:
  土壤中转化有机养分是在微生物参与下进行的(微生物分泌使有机物分解的酶),土壤酸性或碱性对微生物生长有影响。酸或碱环境还会使植物根细胞原生质层的蛋白质带正或负电荷,与所吸收的矿物离子发生吸引或排斥。

  经查阅资料,发现现有理论只重视外部环境对植物体的影响,忽略了植物对外环境的改变以及其自身的抗逆性。尤其是对在不同酸碱条件下对矿质元素吸收率不同,偏酸环境下矿物元素吸收不利无法解释。

  3)联系矿物质元素吸收原理以及无机化学知识提出

  离子平衡、电解质同电荷互斥原理:

  弱电解质分子在溶液中电离成离子的速率与离子重新结合成分子的速度相等时叫电离平衡。这种平衡是动态、暂时、有条件的,当条件发生变化时,平衡就向能使这种变化减弱的方向移动。当溶液表现出酸碱性时代表H+ 或OH- 过剩,则吸附在根上的OH -(HCO3- + H2O= H2CO3+ OH-)或H+会与土壤溶液中的同种微粒互斥,从而影响离子交换。

3.单一营养液植物生长试验

  为证实上述原理,用小麦进行了单种物质营养液植物生长试验。以鉴别在不同酸碱环境下,矿物的吸收以及对溶液的影响。

  配置硫酸氨(NH4)2SO4(阳离子)、硝酸钙Ca(NO3)2(阴离子更容易被吸收)、硝酸氨NH4NO3(阴阳离子吸收基本平均)。三种单物质营养液并分为三组进行培养

第一组      PH5.7左右

时间

8:35

9:05

9:50

11:20

2:35

6:35

8:15

9:25

硫酸氨

5.81 

5.80 

5.86 

5.88 

5.90 

5.93 

5.98 

6.04 

硝酸钙

5.61 

5.68 

5.74 

5.82 

5.85 

5.88 

5.98 

6.02 

硝酸铵

5.77 

5.91 

5.97 

5.96 

5.95 

5.97 

6.05 

6.07 

  在环境PH偏低时,各组溶液PH值升高(如图三)。硝酸钙Ca(NO3)2(植物吸收其更多阴离子)溶液升高幅度最大 为0.41。硝酸氨NH4NO3(阴阳离子吸收基本平均)上升0.3, 硫酸氨(NH4)2SO4(植物吸收更多阳离子)上升幅度最小为0.23。不难看出,硝酸钙溶液中的植株释放出了更多OH- ,即吸收了更多的阴离子。硫酸氨溶液中的植株释放出很少OH- ,吸附不易吸收的SO42- 数量稍多,这正说明酸性环境抑制了植株对较易吸收的阳离子(NH4+)的吸附。而应阴阳离子吸收基本平均的硝酸氨NH4NO3,则也因酸性环境的抑制吸收了更多的阴离子,溶液向中性偏移。

图三  酸碱度变化图像

第二组      PH 6.5左右

时间

8:35

9:05

9:50

11:20

2:35

6:35

8:15

9:25

硫酸氨

6.68 

6.73 

6.71 

6.70 

6.68 

6.70 

6.73 

6.76 

硝酸钙

6.47 

6.50 

6.55 

6.57 

6.57 

6.55 

6.56 

6.55 

硝酸氨

6.59 

6.62 

6.63 

6.64 

6.61 

6.58 

6.58 

6.59 

   此组数据变化基本不大(如图四),说明PH= 6.5 -6.8 是此次试验植物吸收各种阴阳离子的平衡点。PH再高则会使阳离子溶解度降低从而影响吸收,如低则会抑制阳离子的吸收。

图四  酸碱度变化图像

第三组      PH 7.5左右

时间

8:35

9:05

9:50

11:20

2:35

6:35

8:15

9:25

硫酸氨

7.38 

7.34 

7.22 

7.14 

7.04 

6.93 

6.82 

6.82 

硝酸钙

7.53 

7.54 

7.51 

7.47 

7.43 

7.42 

7.42 

7.40 

硝酸氨

7.49 

7.50 

7.46 

7.43 

7.33 

7.21 

7.24 

7.21 

  在环境PH偏高时,各组溶液PH值降低(如图五)。硫酸氨(NH4)2SO4下降幅度最大 为0.56即大量NH4+被吸附。硝酸钙Ca(NO3)2溶液降低幅度最小为0.13,溶液放出了较少的H+即吸附了略多的难被植物吸收的Ca2+,这证明碱性环境抑制植株对阴离子(较易吸收的NO3-)吸附。而促进阳离子吸附。硝酸氨NH4NO3溶液则也因碱性环境促进吸收阳离子,放出了更多H+而下降0.27,溶液向中性偏移。最终靠拢吸收中介值PH=6.5- 6.8。

图五  酸碱度变化图像

    在前期育种观察时,后期发现,碱性区域植株叶色发黄并有脱叶,有缺氮现象。酸性区植株则颜色暗淡,叶片卷曲。为典型的缺钾症。在营养液配置时,各种营养基本均恒。氮离子以NO3- 形式加入溶液。这在一定程度上说明,酸性环境抑制阳离子吸收,碱性环境抑制阴离子交换。旁证了上述观点。

4.结论

  通过上述试验,可基本证实:在酸性环境下植物会更多的吸收阴离子,同时抑制阳离子吸收,放出OH- ,使环境向中介点移动。在碱性环境中更多吸收阳离子,抑制阴离子交换,向外放出较多H+,同样使外部环境向中性移动。这也明确解释出植物的逆境抗性,突出适应性,说明了植物吸收物质是溶液PH变化的原因 。

5.误差分析及改良

  1)在溶液PH测量上受对照组、温度及操作影响,不太准确。由于测量周期较长,所以变化幅度较大。各组数据最好只对照比较,不单独分析。

  2)在不同同植株RNA比较上,酶切长度过大,同时受技术条件限制,不能完全说明蛋白质是否变异。

  3)实验所用营养液种类不多,结论不能说明全部元素的吸收。

    计划再进行一次单营养液培育实验,时间增长,梯度在1-3小时内,同时增多营养液种类。对不同环境下培养出的植株进行mRNA→cDMA转录,以便精确对比有无蛋白质差异。

6.应用

  1)提醒要意识到在酸性土壤不易吸收阳离子矿物,一味施用只会造成浪费。

  2)不必过多利用石膏、硫磺、明矾等来改良土壤酸碱度,使植物吸收过多毒素对下一营养级形成不必要的毒害,最终影响到人类。可有意识人工加强植物对外界环境影响,如在碱性土壤中适量施一些大量元素更多为阳离子的肥料,自然改变土壤酸碱性。

  3)这一结论同时可成为生物适应的普遍性与生物与环境之间相互作用的有力证明。

7.结束语

  本论文展示了我探讨酸碱度对植物影响的过程,不少试验是在摸索前进,尽管没有什么成果,但确实是一种磨练。同时也为我开辟一条探索道路。相信在以后各方面条件不断的完善的情况下,试验结果将会更加精确、更加严谨。 

   参考文献
《植物生理学》        人民教育出版社

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