不同鉛濃度對(duì)波斯菊種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

范志強(qiáng)，張士儒，孟書琴，程 玉，朱錫紅

(安慶師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，安徽安慶 246133)

0 引言

隨著我國產(chǎn)業(yè)特別是采礦業(yè)、冶煉業(yè)以及電鍍業(yè)等的急速產(chǎn)出，土壤重金屬污染越來越嚴(yán)重[1].重金屬對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育具有不良影響，濃度過高會(huì)直接影響農(nóng)產(chǎn)品的安全問題和人體健康[2].鉛是所有重金屬污染中最嚴(yán)重且危害性比較強(qiáng)的化學(xué)元素之一，具有毒性大、隱蔽性好和不易降解等特點(diǎn).當(dāng)土壤中鉛超標(biāo)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)降低[3]；鉛超標(biāo)還會(huì)導(dǎo)致葉綠素含量降低，對(duì)植物生理生化特性造成影響[4]進(jìn)而會(huì)影響園林植物的觀賞價(jià)值.

波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)為一年生草本花卉，分布廣泛，生長(zhǎng)迅速，觀賞價(jià)值高，是重要園林花卉品種之一[5].波斯菊廣泛應(yīng)用于道路、小區(qū)、公園等城市園林綠化，這些區(qū)域由于城市土壤污染以及交通影響，鉛污染情況更為嚴(yán)重.以往有學(xué)者對(duì)鹽處理下波斯菊幼苗生長(zhǎng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)低濃度的鹽具有抑制種子萌發(fā)、幼苗株高、根長(zhǎng)的作用，高濃度則可使作物出現(xiàn)停止生長(zhǎng)的趨勢(shì)[6].但有關(guān)鉛對(duì)波斯菊種子萌發(fā)的研究尚未見報(bào)道.因此，研究重金屬鉛對(duì)植物種子發(fā)芽的影響對(duì)城市污染土壤綠化品種的選擇具有重要意義.本實(shí)驗(yàn)主要研究不同濃度的Pb2+溶液處理對(duì)波斯菊種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)的影響，探討波斯菊種子萌發(fā)和鉛濃度關(guān)系，以期為波斯菊的耐鉛機(jī)理研究提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及來源

實(shí)驗(yàn)于2019年3～5月在安慶師范大學(xué)皖西南生物多樣性研究與生態(tài)保護(hù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行.供實(shí)驗(yàn)用的波斯菊種子為矮桿波斯菊，通過網(wǎng)絡(luò)購買于江蘇省宿遷市沭陽縣沭陽斗研種業(yè)有限公司.

1.2 試驗(yàn)方法

選取籽粒飽滿、大小均勻的波斯菊種子，用1.0%的硫酸銅溶液對(duì)種子表面進(jìn)行噴灑5～10 min[7]，然后用清水反復(fù)沖洗多次.取出后于40 ℃的恒溫水浴鍋中鈍化病毒8 min，放在水中浸泡3 h，用濾紙把種子表面的水吸干.取9 cm的培養(yǎng)皿，先用水把培養(yǎng)皿內(nèi)表面濕潤(rùn)，然后在其底部鋪上兩層濾紙，緊貼培養(yǎng)皿底部展開，排除氣泡，將處理過的波斯菊種子參照培養(yǎng)皿的大小，均勻地?cái)[放在濾紙上.每個(gè)培養(yǎng)皿中放置30粒波斯菊種子，注意擺放均勻整齊，以便觀察篩選，種子數(shù)目不宜過多，以免影響種子后期長(zhǎng)勢(shì)，也不宜過少，便于對(duì)霉變的種子進(jìn)行替換[8].分別加入含有不同鉛濃度的Hogland營(yíng)養(yǎng)液(pH5.5)2 mL，使濾紙完全濕透，每個(gè)處理重復(fù)3次.設(shè)置5個(gè)濃度，標(biāo)記為處理T0(0mg/L)、T1(50mg/L)、T2(100 mg/L)、T3(200 mg/L)、T4(400 mg/L).然后把種子放置于(25±1) ℃智能光照培養(yǎng)箱內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，依據(jù)濾紙濕度狀況每1～2 d補(bǔ)充適量相應(yīng)質(zhì)量濃度的硝酸鉛溶液，使濾紙和波斯菊種子保持濕潤(rùn)狀態(tài)，且濾紙周圍不出現(xiàn)任何水膜[9].每隔24 h，用肉眼觀察并記錄波斯菊種子的萌發(fā)情況，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)，第3 d統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽勢(shì)，第7 d統(tǒng)計(jì)種子發(fā)芽率，并計(jì)算發(fā)芽指數(shù)；第7 d同時(shí)統(tǒng)計(jì)種子根和芽生長(zhǎng)情況.

1.3 統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及計(jì)算公式

在觀測(cè)種子萌發(fā)情況時(shí)期，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)主要包括有發(fā)芽數(shù)、發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽率、相對(duì)發(fā)芽勢(shì)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)；在觀測(cè)幼苗生長(zhǎng)情況時(shí)期，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)主要是根系形態(tài)，包括有苗高、根長(zhǎng)、鮮重、簡(jiǎn)化活力指數(shù).種子萌發(fā)以及幼苗生長(zhǎng)過程中的各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算公式如下：

發(fā)芽率=7d萌發(fā)數(shù)/籽?？倲?shù)×100%；

發(fā)芽勢(shì)=3d內(nèi)籽粒萌發(fā)數(shù)/相應(yīng)的籽?？倲?shù)×100%；

相對(duì)發(fā)芽率=重金屬處理組萌發(fā)率/對(duì)照組萌發(fā)率×100%；

相對(duì)發(fā)芽勢(shì)=重金屬處理組發(fā)芽勢(shì)/對(duì)照組發(fā)芽勢(shì)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=第n天的萌發(fā)數(shù)/相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù)×100%；

相對(duì)發(fā)芽指數(shù)=重金屬處理組發(fā)芽指數(shù)/對(duì)照組發(fā)芽指數(shù)×100%；

簡(jiǎn)化活力指數(shù)=相對(duì)發(fā)芽率×鮮重.

1.4 數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2010數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理，運(yùn)用SPSS 17.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用單因素方差分析和和最小顯著差異法比較不同處理間差異.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同Pb2+濃度處理對(duì)波斯菊種子發(fā)芽勢(shì)及相對(duì)發(fā)芽勢(shì)的影響

由表1可知，當(dāng)含有Pb2+的濃度為50、100 mg/L時(shí)，波斯菊種子的發(fā)芽勢(shì)分別比對(duì)照高出6%、18%，說明濃度較低的Pb2+溶液促進(jìn)波斯菊種子的萌發(fā)，隨著含有Pb2+溶液濃度的增大，波斯菊種子的發(fā)芽率開始出現(xiàn)了明顯的降低，也就是說Pb2+對(duì)波斯菊種子的萌發(fā)在后期表現(xiàn)為抑制作用.經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，濃度為100 mg/L時(shí)，發(fā)芽勢(shì)顯著高于其他濃度處理(P<0.01)，其他濃度處理之間發(fā)芽勢(shì)及相對(duì)發(fā)芽勢(shì)差異不顯著.

2.2 不同Pb2+濃度處理對(duì)波斯菊種子發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽率的影響

由表2中的數(shù)據(jù)可以看出，在不同濃度Pb2+溶液處理下，波斯菊種子的發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽率都高于對(duì)照組，說明波斯菊種子在發(fā)芽的時(shí)候會(huì)受到Pb2+的影響，導(dǎo)致發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽率升高.隨著Pb2+溶液的濃度不斷增加，波斯菊種子的發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽率呈現(xiàn)先升高再降低的趨勢(shì)；當(dāng)Pb2+溶液的濃度范圍為50、100、200 mg/L( T1～T3)時(shí)，波斯菊種子的相比對(duì)照組(T0)分別高出11%、27%、19%.隨著Pb2+的溶液濃度的持續(xù)提高，發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽率也開始持續(xù)降低.說明當(dāng)Pb2+濃度較低時(shí)，對(duì)波斯菊種子的發(fā)芽率和相對(duì)發(fā)芽率有顯著的促進(jìn)作用；但是當(dāng)Pb2+的溶液濃度繼續(xù)升高時(shí)，對(duì)波斯菊種子的促進(jìn)作用減少.

2.3 不同濃度Pb2+溶液處理對(duì)波斯菊種子發(fā)芽指數(shù)和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)的影響

從表3可以看出，當(dāng)Pb2+的溶液濃度增大時(shí)，種子發(fā)芽指數(shù)和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)呈現(xiàn)先上升再減少的變化趨勢(shì)；當(dāng)Pb2+的溶液濃度為100 mg/L時(shí)，發(fā)芽指數(shù)和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)明顯增高，并達(dá)到峰值.這說明100 mg/L的Pb2+溶液濃度對(duì)波斯菊種子的發(fā)芽指數(shù)和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)有顯著的促進(jìn)作用，但是在100 mg/L(T2)以上的Pb2+溶液濃度下，促進(jìn)作用開始減弱，當(dāng)Pb2+的溶液濃度達(dá)到400 mg/L時(shí)，波斯菊種子的發(fā)芽指數(shù)和相對(duì)發(fā)芽指數(shù)與對(duì)照組沒有顯著差異，說明波斯菊種子對(duì)Pb2+的抗性較強(qiáng).統(tǒng)計(jì)分析表明，濃度為100 mg/L處理下發(fā)芽指數(shù)、相對(duì)發(fā)芽指數(shù)和其他處理之間差異顯著(P<0.05)，但其他處理之間差異不顯著.

2.4 不同Pb2+濃度處理對(duì)波斯菊幼苗根長(zhǎng)、苗高的影響

從表4可以看出，隨著Pb2+質(zhì)量濃度的提高，波斯菊幼苗的根部長(zhǎng)度總體表現(xiàn)出下降態(tài)勢(shì).當(dāng)Pb2+質(zhì)量濃度處于200、400 mg/L時(shí)，波斯菊幼苗的根部長(zhǎng)度會(huì)隨著Pb2+質(zhì)量濃度上升而減少，并且下降速度較快；若Pb2+溶液濃度為50、100 mg/L時(shí)，波斯菊幼苗的根部長(zhǎng)度下降趨勢(shì)較平緩，且下降速度小于400 mg/L時(shí)的下降速度；通過分析表明，波斯菊幼苗根長(zhǎng)生長(zhǎng)受Pb2+質(zhì)量濃度的影響差異顯著.由表4可以知道，總體來說，波斯菊的幼苗苗高隨含鉛溶液濃度的增加也呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，尤其是Pb2+溶液濃度在100 mg/L后，波斯菊的幼苗苗高會(huì)迅速變小.

從波斯菊種子的長(zhǎng)勢(shì)上觀察可得，在Pb2+濃度較低(<100 mg/L)時(shí)，低濃度的Pb2+溶液表現(xiàn)出對(duì)波斯菊種子萌發(fā)的促進(jìn)作用.之后隨著含有Pb2+的溶液的濃度不斷增大，苗高和根長(zhǎng)開始縮短，并且有明顯的差異，在400 mg/L的Pb2+溶液環(huán)境下生長(zhǎng)的幼苗葉片頂端發(fā)黃，根系短小并且明顯發(fā)育不良，也就是說，鉛對(duì)波斯菊的生長(zhǎng)表現(xiàn)為抑制作用，并且出現(xiàn)鉛毒害現(xiàn)象.

2.5 不同Pb2+濃度處理對(duì)波斯菊幼苗鮮重及簡(jiǎn)化活力指數(shù)的影響

不同濃度Pb2+溶液處理對(duì)波斯菊幼苗鮮重及簡(jiǎn)化活力指數(shù)的影響結(jié)果見表5，波斯菊幼苗對(duì)不同Pb2+溶液濃度的作用較為敏感，Pb2+溶液濃度在100 mg/L以上的時(shí)候，幼苗的鮮重會(huì)明顯得變小.觀察數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，隨著Pb2+溶液濃度的升高，波斯菊的幼苗鮮重呈現(xiàn)為先變高再變小，但T1-T4組的幼苗鮮重均比對(duì)照組小.簡(jiǎn)化活力指數(shù)的變化方向也趨同，也就是說Pb2+溶液濃度的變大，鮮重慢慢變小.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)波斯菊幼苗的生長(zhǎng)受100、200、400 mg/LPb2+溶液的影響程度不同，當(dāng)Pb2+溶液濃度越高時(shí)，幼苗受到的影響越明顯，呈現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)組幼苗較對(duì)照組的苗短小、葉莖變短或不生長(zhǎng)、根變短等現(xiàn)象.

3 討論與結(jié)論

重金屬使得土壤的質(zhì)量下降后，作物的成長(zhǎng)會(huì)遭到不同程度與不同方面的損害，而作物籽芽在重金屬作用的情況下，是否正常抽芽是作物是否成長(zhǎng)的必備要求.發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)是評(píng)估種子發(fā)芽過程經(jīng)常使用的標(biāo)準(zhǔn)[10].發(fā)芽指數(shù)可以綜合性地表現(xiàn)重金屬離子阻礙種子萌發(fā)的程度，比發(fā)芽率更能靈敏地表現(xiàn)種子活力.發(fā)芽指數(shù)包括3個(gè)方面，分別是種子萌發(fā)的數(shù)量、速度和整齊的程度，對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)單的發(fā)芽率，發(fā)芽指數(shù)更能全面性的表現(xiàn)出種子的萌發(fā)情況[11].

通過實(shí)驗(yàn)用不同濃度的Pb2+溶液處理波斯菊種子，對(duì)其籽粒發(fā)芽及幼苗發(fā)育過程進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)不同濃度的Pb2+溶液對(duì)波斯菊籽粒的發(fā)芽有加強(qiáng)作用，并且對(duì)波斯菊的幼苗主根發(fā)育、根毛的出現(xiàn)產(chǎn)生影響，即隨著Pb2+質(zhì)量濃度的升高，幼苗主根的成長(zhǎng)、根毛的發(fā)出會(huì)受到脅制.當(dāng)Pb2+溶液濃度為100 mg/L(T2)的時(shí)候，發(fā)芽勢(shì)、萌發(fā)率和發(fā)芽指數(shù)都會(huì)變成峰值，此時(shí)對(duì)波斯菊的種子萌發(fā)產(chǎn)生最大的增強(qiáng)影響，與對(duì)照組間的狀態(tài)差異巨大.隨著Pb2+溶液濃度的不斷增大，Pb2+對(duì)波斯菊的籽粒萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)均呈現(xiàn)出慢慢變小的增強(qiáng)影響，并且Pb2+溶液濃度越高，增強(qiáng)作用就越小，而當(dāng)Pb2+溶液濃度過大時(shí)，會(huì)對(duì)幼苗主根發(fā)育以及根毛的產(chǎn)生傷害，并使得作物的根對(duì)H2O、礦物等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收能力變小，從而對(duì)波斯菊的正常生長(zhǎng)發(fā)育造成影響.在400 mg/L(T4)質(zhì)量濃度下，波斯菊子粒的發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)仍然高于對(duì)照組，然而區(qū)別不明顯，表明低質(zhì)量濃度的Pb2+溶液對(duì)波斯菊的籽粒發(fā)芽有更好的增強(qiáng)影響.Pb2+對(duì)波斯菊幼苗的根部長(zhǎng)度有明顯的抑制作用，隨著Pb2+溶液濃度的增大，抑制作用呈現(xiàn)先變小再變大的特征，其中在100 mg/L(T2)的質(zhì)量濃度下，波斯菊幼苗的根部長(zhǎng)度小于對(duì)照組，但差別不大，此時(shí)抑制影響最小，但隨著Pb2+溶液濃度的繼續(xù)增大，抑制影響逐漸變強(qiáng)，在400 mg/L(T4)的質(zhì)量濃度下，波斯菊的幼苗根長(zhǎng)最小.造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于在較低濃度的Pb2+溶液下，種子內(nèi)部的α-淀粉酶活性也開始增強(qiáng)，而含有較高濃度的Pb2+溶液使波斯菊種子的萌發(fā)率和α-淀粉酶的活性受到抑制,并且溶液的濃度越高，對(duì)種子的抑制作用更強(qiáng)[12-13].波斯菊種子在對(duì)低濃度鉛表現(xiàn)出一定抗性，說明波斯菊在城市污染環(huán)境下有一定的忍耐能力，可以考慮在城市受污染土壤上進(jìn)行綠化使用.

重金屬作用植被種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)是個(gè)復(fù)雜過程，本實(shí)驗(yàn)只選用了Pb2+對(duì)波斯菊籽粒萌發(fā)和幼苗發(fā)育的作用實(shí)行了探討，研究并不完善.建議下一步用其它的重金屬如Cd2+等對(duì)重金屬影響種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的機(jī)制做更深層次的研究，或者對(duì)不同生育階段進(jìn)行研究探討，比如探討重金屬對(duì)波斯菊的不同生長(zhǎng)發(fā)育階段的影響作用.