砷對西瓜和哈密瓜種子萌發(fā)及其幼苗生長的影響

于 波， 臧淑艷， 房志浩

(沈陽化工大學 應用化學學院， 遼寧 沈陽 110142)

砷對西瓜和哈密瓜種子萌發(fā)及其幼苗生長的影響

于 波， 臧淑艷， 房志浩

(沈陽化工大學 應用化學學院， 遼寧 沈陽 110142)

通過水培實驗研究不同梯度砷處理液對西瓜和哈密瓜種子的萌發(fā)及其幼苗生長的影響.實驗所設As5+處理液的質(zhì)量濃度為0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L.結果表明：砷質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時，促進了西瓜種子和哈密瓜種子的萌發(fā)及幼苗生長，發(fā)芽率、株高、根長均優(yōu)于對照組，且根冠比為最大值.隨著砷處理液質(zhì)量濃度的升高，西瓜種子和哈密瓜種子的萌發(fā)及幼苗生長逐漸受到抑制，且隨質(zhì)量濃度的提高，抑制作用逐漸加強.當砷質(zhì)量濃度達到最大值10.0 mg/L時，抑制作用明顯增強.

砷； 西瓜； 哈密瓜； 種子萌發(fā)； 幼苗生長； 根冠比

伴隨著農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化和工業(yè)的快速發(fā)展，重金屬給人們的生活和生存環(huán)境帶來了巨大影響，并成為危害全球環(huán)境質(zhì)量的一個重要因素[1].類金屬砷(As)是一種毒性很強的元素，自然界中砷主要以As5+和As3+的形態(tài)存在.但兩者的形態(tài)在環(huán)境條件發(fā)生變化，或在微生物的作用下能夠發(fā)生相互轉(zhuǎn)化，此時As5+為砷的主要存在形態(tài)[2].根據(jù)現(xiàn)有調(diào)查數(shù)據(jù)可知，我國的西北、華北、東北及臺灣等地的部分區(qū)域已存在比較嚴重的地下水體砷污染問題，暴露在砷污染環(huán)境下的人口高達數(shù)百萬[3].植物生長在砷污染的土壤中也會受到砷的危害，植物的生長、生物性狀、吸收特征都發(fā)生了異常變化[4].隨著砷含量的逐步累積，我國部分地區(qū)農(nóng)田的污染事件呈現(xiàn)出增加趨勢[5]，逐步破壞農(nóng)田的生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田的健康指標逐漸降低，并且通過食物鏈轉(zhuǎn)移到人體，對人體健康造成了一定的影響[6].所以砷污染對農(nóng)作物和水果的毒害效應機理研究迫在眉睫，急需盡快解決.

目前，農(nóng)作物和蔬菜在砷脅迫下生長發(fā)育的研究報道較多.水稻、小麥作為主要農(nóng)作物，李勛光等[7]通過土培實驗研究了不同濃度的砷處理對水稻、小麥的毒害效應以及砷在植物體內(nèi)的分布情況，但對發(fā)芽階段的砷毒害效應沒做具體研究.Warren等[8]研究了高濃度(0.748 mg/g)砷污染土壤對田間作物的生物利用性差異，但是環(huán)境條件多變，對作物的影響因素過多，不易具體量化.我國每年水果的消耗量巨大，但對瓜果砷毒害敏感性方面缺乏系統(tǒng)性研究.本文選擇西瓜和哈密瓜為實驗材料，在相同的實驗條件下研究種子萌發(fā)期的毒害特征和幼苗生長期的表觀癥狀，以便找出西瓜和哈密瓜對砷脅迫的異同關系.

1 材料和方法

1.1 材料

西瓜種子(沙漠綠雜交一代)，哈密瓜種子(金沃金常香玉)，沈陽市寧官種子站；Na2HAsO4·7H2O粉末，分析純，沈陽力誠試劑廠；雙氧水，沈陽市新化試劑廠.

1.2 實驗方法

1.2.1 種子的前處理

通過觀察種子形態(tài)，選擇顆粒飽滿且完整的哈密瓜和西瓜種子.將種子清洗干凈后，浸泡在體積分數(shù)為3 %的雙氧水中，殺菌消毒30 min，取出處理好的種子用蒸餾水對其沖洗3次.

1.2.2 砷污染廢水的制備

分別配制質(zhì)量濃度為0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L(以純As計算)的砷離子溶液，備用.

1.2.3 種子的水培實驗

將準備好的培養(yǎng)皿中放入兩層大小適中的濾紙，每個培養(yǎng)皿中倒入20 mL的處理液，將清洗后的西瓜和哈密瓜種子放入培養(yǎng)皿中，保持每個培養(yǎng)皿中的種子顆粒數(shù)為30粒，以加入 20 mL 蒸餾水的培養(yǎng)皿為對照組.每一濃度的處理液設3個重復進行對比，將培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱(型號：HPX-9052 MBE)中，在25 ℃的條件下對種子進行恒溫暗處培養(yǎng).

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

準備就緒，開始實驗后，每天觀察并測量培養(yǎng)皿中水體質(zhì)量，補充實驗進行期間揮發(fā)掉的水分，保持培養(yǎng)皿中水體質(zhì)量約恒質(zhì)量.自出現(xiàn)發(fā)芽的種子后，每天觀察種子外部形態(tài)，并記錄發(fā)芽種子數(shù).經(jīng)過相同的培養(yǎng)周期，以10 d計，統(tǒng)計不同梯度砷處理液下發(fā)芽的哈密瓜和西瓜的種子數(shù).在每個梯度砷處理液中隨機選取20株幼苗，對比測量每組幼苗的根長、株高及質(zhì)量.

數(shù)據(jù)的測定與處理方法參見文獻[9].

發(fā)芽率指測試種子發(fā)芽數(shù)占測試種子總數(shù)的百分率；

發(fā)芽勢是指在發(fā)芽過程中日發(fā)芽種子數(shù)達到最高峰時，發(fā)芽的種子數(shù)占供測樣品種子數(shù)的百分率；

活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率和生長量的綜合反映，是種子活力的更好指標.計算公式為：

VI=GI×S

(1)

式中：GI為發(fā)芽指數(shù)；S為幼苗的生長勢(芽長度).發(fā)芽指數(shù)是指種子在失去發(fā)芽力之前已發(fā)生劣變的數(shù)量，計算公式為：

GI=∑Gt/Dt

(2)

式中：Gt為t天內(nèi)的發(fā)芽數(shù)；Dt為發(fā)芽天數(shù).

根冠比是指植物地下部分與地上部分的鮮質(zhì)量或干質(zhì)量的比值.

采用Excel 2003軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析并計算顯著性方差.

2 結果與討論

2.1 砷處理液質(zhì)量濃度對西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

不同質(zhì)量濃度的砷處理液對西瓜種子及幼苗生長的影響如表1所示.

表1 砷處理液質(zhì)量濃度對西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

由表1可以看出：當As5+質(zhì)量濃度在0.1 mg/L時，對種子的萌發(fā)和幼苗的生長均起到促進作用，其中發(fā)芽指數(shù)在對照組中最大，這與微量砷可以刺激植物生長發(fā)育的研究結論相一致[10].當As5+處理液質(zhì)量濃度持續(xù)升高時，As5+處理液對西瓜的生理指標又呈現(xiàn)抑制作用，這是由于種子在萌發(fā)階段產(chǎn)生的酶與As5+發(fā)生反應，產(chǎn)生刺激性物質(zhì)和抑制性酶[11]，所產(chǎn)生的物質(zhì)對種子的萌發(fā)和生長產(chǎn)生了影響.在表1所述指標中，活力指數(shù)所受影響最明顯.當As5+質(zhì)量濃度為10.0 mg/L時，相比于對照組，其活力指數(shù)僅為1.63，降低了87.81 %.其次受到影響較為明顯的是西瓜幼苗的鮮質(zhì)量，與對照組相比降低了80.28 %.這表明：當As5+質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時，As5+處理液對西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長具有促進作用；當As5+質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時，西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長情況與對照組相近，但隨著質(zhì)量濃度的增加，西瓜種子的萌發(fā)和幼苗生長受到的抑制作用逐漸增強.根據(jù)顯著性方差檢驗法，不同質(zhì)量濃度下西瓜的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及植株鮮質(zhì)量均不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

2.2 砷處理液質(zhì)量濃度對哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

不同質(zhì)量濃度的砷處理液對哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響如表2所示.由表2數(shù)據(jù)可知：在As5+處理液質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時，哈密瓜種子的萌發(fā)和幼苗生長的各項指標均達到最大值，對照組中僅有發(fā)芽指數(shù)為最大值.在高質(zhì)量濃度(10.0 mg/L)的As5+處理液影響下，哈密瓜種子的活力指數(shù)受到的抑制作用較為明顯，與對照組相比，受到高質(zhì)量濃度As5+處理液抑制作用的活力指數(shù)僅為1.08，降低了79.73 %.在活力指數(shù)受到明顯抑制的情況下，伴隨而來的哈密瓜的鮮質(zhì)量也受到明顯的抑制作用，相比對照組降低了66.88 %.這表明：當As5+質(zhì)量濃度0.1 mg/L時，As5+處理液對哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長具有促進作用；當As5+質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時，哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長情況于對照組相近，但隨著質(zhì)量濃度的增加，哈密瓜種子萌發(fā)和幼苗生長受到的抑制作用逐漸加強，其中活力指數(shù)和植株鮮質(zhì)量是受到影響最嚴重的指標.根據(jù)顯著性方差檢驗法驗證，不同質(zhì)量濃度下哈密瓜的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及植株鮮質(zhì)量均不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

表2 砷處理液質(zhì)量濃度對哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

由以上實驗結果可知，砷對哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長具有“低促高抑”的現(xiàn)象[12].植物生長最脆弱和抵御機制低下的階段為種子的萌發(fā)過程，若在此階段受到高質(zhì)量濃度As5+處理液的影響，會對其萌發(fā)和生長發(fā)育造成破壞性影響.此時種子萌發(fā)過程中產(chǎn)生的酶活性系統(tǒng)受到無機砷的破壞，致使活性酶失活或者轉(zhuǎn)化，進而影響種子的萌發(fā)和幼苗的生長[13].當As5+質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時，As5+處理液對哈密瓜種子的萌發(fā)和幼苗生長起到促進作用，可能是砷化合物激發(fā)了哈密瓜細胞中氧化還原酶的活性，進而促進種子的萌發(fā)和生長.這與金晶煒等[14]對生菜種子發(fā)芽的研究結果相似.前人的研究結果表明在無機砷脅迫下，種子的萌發(fā)受到砷處理液的顯著影響，并且濃度越高抑制作用越明顯[15].本實驗與前人的研究結果一致.

2.3 砷處理液質(zhì)量濃度對哈密瓜和西瓜株高的影響

由圖1可見：哈密瓜和西瓜的株高隨著As5+處理液質(zhì)量濃度的升高呈現(xiàn)先促后抑的趨勢.砷處理液濃度為0.1 mg/L時，哈密瓜和西瓜株高達最大值，分別為9.53 cm和12.67 cm，與其他組對比均表現(xiàn)為明顯的促進作用(P<0.05)；當砷處理液質(zhì)量濃度提高到0.5 mg/L時，哈密瓜和西瓜的株高分別為8.25 cm和11.50 cm，與對照組的株高8.43 cm和11.31 cm相近；當As5+質(zhì)量濃度在5.0 mg/L時，西瓜的株高出現(xiàn)顯著下降；當As5+質(zhì)量濃度在10.0 mg/L時，哈密瓜的株高出現(xiàn)顯著下降.隨著As5+質(zhì)量濃度增加，哈密瓜和西瓜的株高呈逐漸減少趨勢，隨著As5+質(zhì)量濃度的升高趨勢加強.低濃度砷促進了哈密瓜和西瓜的植株的生長而高濃度砷則抑制了植株的生長[16].通過顯著性方差檢驗法驗證，不同質(zhì)量濃度下西瓜的株高以及哈密瓜的株高均不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.同時，不同質(zhì)量濃度下西瓜和哈密瓜的株高間也不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖1 砷處理液質(zhì)量濃度對哈密瓜和西瓜株高的影響

2.4 砷處理液質(zhì)量濃度對哈密瓜和西瓜根長的影響

通過圖2可知：砷處理液質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時，西瓜和哈密瓜根長達最大值，分別為11.63 cm和8.67 cm，表現(xiàn)為促進作用，兩者均分別顯著高于其他濃度處理液(P<0.05).As5+質(zhì)量濃度大于0.5 mg/L時，哈密瓜和西瓜的根長均小于對照組的根長，且顯著降低，表現(xiàn)為抑制作用.當As5+質(zhì)量濃度在5.0 mg/L時，西瓜的根長出現(xiàn)顯著下降，當As5+質(zhì)量濃度在10.0 mg/L時，哈密瓜的根長出現(xiàn)顯著下降.隨著As5+質(zhì)量濃度增加，哈密瓜和西瓜的根長呈逐漸減少趨勢，隨著As5+質(zhì)量濃度的升高趨勢加強.低濃度砷促進了哈密瓜和西瓜的根長的生長而高濃度砷則抑制了根長的生長[17].根部生長受抑是遭受砷污染后的普遍癥狀.因為植物的根部與砷污染源直接接觸，首先受到砷污染物的毒害作用，抑制了根部的生長和根系的活性系統(tǒng)，進而阻礙了水分和養(yǎng)分的有效運輸，嚴重影響到地上部分的生長[18].因此，哈密瓜和西瓜在As5+質(zhì)量濃度為0.1～1.0 mg/L時表現(xiàn)為側根須根增多，根長生長癥狀和對照組比較不明顯.當As5+質(zhì)量濃度為5.0～10.0 mg/L時，表現(xiàn)為根部發(fā)褐、發(fā)黑，根長較對照組顯著下降.通過顯著性方差檢驗法驗證，不同質(zhì)量濃度下西瓜的根長以及哈密瓜的根長均不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.同時，不同質(zhì)量濃度下西瓜和哈密瓜的根長間也不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.

圖2 砷處理液質(zhì)量濃度對西瓜和哈密瓜根長的影響

2.5 砷處理液質(zhì)量濃度對哈密瓜和西瓜根冠比的影響

不同質(zhì)量濃度砷溶液對西瓜和哈密瓜根冠比的影響見表3.選用植物鮮質(zhì)量計算根冠比.As5+質(zhì)量濃度在0.1 mg/L時西瓜和哈密瓜的根冠比大于對照組，說明低質(zhì)量濃度的砷處理液對西瓜和哈密瓜地上部抑制作用較強[19].隨著質(zhì)量濃度(≥0.5 mg/L時)的升高根冠比數(shù)值呈現(xiàn)降低的趨勢，這與對根生長的影響效果一致，影響了水分和養(yǎng)分的上流，對地上部分的抑制作用程度大于地下部分.但西瓜和哈密瓜對砷的響應也存在差異，在不同質(zhì)量濃度的砷處理液下，西瓜的根冠比降低幅度相對于哈密瓜比較平緩，但仍表明砷對西瓜和哈密瓜根部的影響較地上部分明顯.

表3 砷處理液質(zhì)量濃度對哈密瓜和西瓜根冠比的影響

3 結 論

(1) As5+質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時，能夠促進西瓜和哈密瓜的萌發(fā)和幼苗的生長，生長指標，株高，根長及根冠比均優(yōu)于對照組.

(2) 在砷脅迫下，西瓜和哈密瓜的萌發(fā)和幼苗的生長受到抑制作用，且質(zhì)量濃度越高抑制作用越強.當砷溶液質(zhì)量濃度達到最大(10.0 mg/L)時，半數(shù)的種子不能發(fā)芽，砷顯著地抑制了種子的發(fā)芽，并且高質(zhì)量濃度的砷對芽、根生長的抑制作用較種子萌發(fā)指標更為顯著，這與李國良[20]和苗明升等[21]研究結果一致.

(3) 在高質(zhì)量濃度的砷脅迫下，西瓜的發(fā)芽率，根長和株高的抑制作用均大于哈密瓜，說明高濃度的砷對西瓜的毒害作用大于哈密瓜.

本實驗僅在簡單水培條件下研究不同梯度砷溶液對哈密瓜和西瓜的生長指標的影響，其吸收方式、作用機理等尚待進一步研究.

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Effect of Arsenic on Seed Germination and Seedling Growth of Watermelon and Hami Melon

YU Bo, ZANG Shu-yan, FANG Zhi-hao

(Shenyang University of Chemical Technology, Shenyang 110142, China)

Hydroponic experiments were employed to study the effects of arsenic addition on the seed growth and germination.The test materials were watermelon and Hami melon.Concentrations of arsenic solutions were 0.0,0.1,0.5,1.0,5.0,10.0 mg/L,respectively.The results indicated that when the concentration of As was 0.1 mg/L,the nutrient solution could strengthed the seed germination and promote the growth of plants.With the increase of arsenic concentration,seed germination and seedling growth were suppressed.And inhibitory effect were gradually strengthened.When the arsenic concentration of the nutrient solution was 10.0 mg/L,the inhibition was significantly enhanced.

arsenic; watermelon; Hami melon; seed germination; seedling growth; root-shoot ratio

2015-12-11

國家自然科學基金項目(41373127)；沈陽市科技計劃項目(F16-205-1-12)

于波(1987-)，男，河北唐山人，碩士研究生在讀，主要從事環(huán)境地球化學方面的研究.

臧淑艷(1973-)，女，吉林四平人，副教授，博士，主要從事環(huán)境地球化學方面的研究.

2095-2198(2017)01-0009-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.01.002

X523

A