孫晶晶，祖艷群※，吳炯，夏峰，馮光泉，馬妮

(1．云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，昆明650201；2．云南省環(huán)境保護(hù)廳，昆明650032； 3．文山州三七研究院，云南文山663000)

砷(As)廣泛存在于自然界中，對(duì)植物有劇毒，被美國(guó)毒物和疾病登記署列為最嚴(yán)重的10種有毒物之首[1，2]。隨著工農(nóng)業(yè)不斷地發(fā)展，大量工業(yè)廢水、廢渣的排放，含砷農(nóng)藥、除草劑及化肥的大量施用，全球每年輸入土壤中的砷達(dá)5.2t～11.2×104t，由于礦石燃燒的使用排入大氣中的砷約6×104t，因此，土壤砷污染已成為一個(gè)全球性重要的環(huán)境問題[3，4]。日本砷污染的農(nóng)田占重金屬污染的農(nóng)田的25%；我國(guó)的砷礦廣泛分布在湖南、云南、廣西、廣東等省份，云南昆明紅壤中砷的含量達(dá)到16.4mg/kg～19.20mg/kg，均值為17.8mg/kg[5，6]。

三七[Panaxnotoginseng(Burk.) F.H.Chen]是五加科人參屬多年生草本藥用植物，具有散瘀止血、消腫定痛等功效，云南省文山州是三七的主產(chǎn)區(qū)。調(diào)查顯示，文山三七種植區(qū)土壤砷含量偏高(6.9mg/kg～242.0mg/kg)，平均砷含量為65.6mg/kg[7]。文山州的高砷背景是在地殼原始化學(xué)成分作用下形成的[8]。農(nóng)田土壤中砷超標(biāo)或污染使農(nóng)作物產(chǎn)量和品質(zhì)受到影響[9～12]。目前，關(guān)于土壤中砷含量對(duì)小麥、烤煙、辣椒等農(nóng)作物的生長(zhǎng)、生理、品質(zhì)已有一定的研究[13～15]，但還缺乏砷脅迫對(duì)三七生長(zhǎng)發(fā)育的影響。探索土壤砷脅迫對(duì)三七生長(zhǎng)形態(tài)和生物量的影響，為研究三七對(duì)土壤砷污染的響應(yīng)機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

田間試驗(yàn)在文山三七研究院實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行，小區(qū)面積3m2。供試三七為文山當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)品種。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)共設(shè)6個(gè)不同砷水平處理，分別為0mg/kg(對(duì)照)、20mg/kg、80mg/kg、140mg/kg、200mg/kg、260mg/kg，采用Na3AsO4配制。每個(gè)處理有3次重復(fù)，試驗(yàn)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。2013年2月下旬，將各小區(qū)0cm～15cm層土壤與不同處理Na3AsO4混合均勻。于2013年3月移栽三七的1年生小苗，每個(gè)小區(qū)種植1年生三七132株。常規(guī)栽培和管理。在2013年6月23日(三七營(yíng)養(yǎng)旺盛生長(zhǎng)期)和2013年8月23日(三七開花盛期)2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期，每個(gè)小區(qū)分別采集15株，測(cè)定株高、莖基直徑、葉片數(shù)、葉中長(zhǎng)、葉中寬、葉面積指數(shù)和生物量。

1.3指標(biāo)測(cè)定與方法

采用常規(guī)方法。株高用卷尺測(cè)量；葉中長(zhǎng)與葉中寬用直尺測(cè)量；莖基直徑用游標(biāo)卡尺測(cè)量。株高指三七地上莖基部至復(fù)葉柄基部的長(zhǎng)度(不含花軸)；莖基直徑指三七地上莖基部的直徑；葉中長(zhǎng)與葉中寬均值掌狀復(fù)葉的中葉長(zhǎng)與寬。

將采回的三七植株樣本分為花、莖葉、蘆頭、根系4個(gè)部位，自來(lái)水沖洗，然后去離子水沖洗。將三七花、莖葉、蘆頭、根系洗干凈后裝入紙袋中，放入鼓風(fēng)干燥箱，先將溫度調(diào)到105℃下進(jìn)行0.5h的殺青，然后在65℃下烘干，待冷卻后稱重，測(cè)得三七各部位的生物量。

葉面積指數(shù)(LAI)=單位土地面積上的總?cè)~面積/單位土地面積

相對(duì)生長(zhǎng)速率(RGR)=(lnW2-lnW1)/t，其中W1、W2分別表示第1次和第2次測(cè)定的總生物量(g)，t表示2次測(cè)定的時(shí)間間隔(d)。

1.4統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差采用Excel2007軟件，數(shù)據(jù)的方差分析和相關(guān)性分析采用SPSS 17.0軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1砷處理對(duì)三七株型特征的影響

三七株高在砷濃度≤80mg/kg時(shí)沒有顯著影響，砷濃度≥140mg/kg時(shí)抑制了植株生長(zhǎng)(圖1)。與對(duì)照(CK)相比，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和開花期時(shí)80mg/kg砷處理植株長(zhǎng)勢(shì)最好，株高最高，分別提高了8%和9%。砷為260mg/kg時(shí)，2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期株高降低幅度最大，分別減少了3.8%和4.1%。

營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期，三七的莖基直徑與CK相比沒有顯著影響。開花期，砷濃度≤80mg/kg時(shí)，與CK相比，莖基直徑無(wú)顯著影響；在砷濃度≥140mg/kg時(shí)，莖基直徑顯著降低，抑制了植株生長(zhǎng)，260mg/kg砷處理下莖基直徑最小，比對(duì)照減少了15.8%(圖2)。

不同砷處理影響根系與地上部分生物量的比值，2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期三七的根冠比值逐漸變小，比CK分別降低了3.85%和15.68%；200mg/kg砷處理顯著降低了根系與地上生物量的比值(圖3)。

不同砷處理與三七株型的相關(guān)性比較，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期時(shí)，與株高、根冠比具有顯著負(fù)相關(guān)，與莖基直徑負(fù)相關(guān)；開花期時(shí)，與株高具有顯著負(fù)相關(guān)，與莖基直徑、根冠比均呈極顯著負(fù)相關(guān)(表1)。

表1土壤砷與三七株型的相關(guān)性

Table 1The correlation of Soil arsenic and P.notoginseng plant type

注：n=18，**.極顯著水平(P<0.01)；*.顯著水平(P<0.05)。

Note:n=18，**.indicated significant correlation atP<0.01 level；*.indicated significant correlation atP<0.05 level.

2.2砷處理對(duì)三七葉型特征的影響

砷濃度≤80mg/kg時(shí)對(duì)三七在營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期和開花期時(shí)的葉片數(shù)沒有顯著影響；砷濃度≥140mg/kg時(shí)，葉片數(shù)隨著土壤砷含量的增加而降低，且土壤中砷含量越高，與CK的差異越大。砷濃度為260mg/kg時(shí)，2個(gè)時(shí)期的葉片數(shù)分別比CK降低了5.1%和8.7%。

與CK相比，2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期葉中長(zhǎng)在砷濃度260mg/kg時(shí)最小，分別減小了14.4%和11.6%；葉中寬在開花期砷濃度為200mg/kg時(shí)最小，減少了14.6%。

隨著砷濃度的增加，三七葉面積指數(shù)呈下降趨勢(shì)，砷濃度最高的處理葉面積指數(shù)最小，砷濃度為260mg/kg時(shí)，2個(gè)時(shí)期的葉面積指數(shù)分別比CK減少了27.4%和27.3%，植株出現(xiàn)一定程度的萎縮、葉片皺縮。說(shuō)明高濃度的砷不僅影響了植株的葉片數(shù)、葉中長(zhǎng)、葉中寬和葉面積指數(shù)，也使植株中毒(表2)。

不同砷處理與三七葉型的相關(guān)性比較，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期砷濃度與三七葉片數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；開花期砷濃度與三七葉片數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)；2個(gè)生長(zhǎng)期砷濃度與葉中長(zhǎng)、葉中寬和葉面積指數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)(表3)。

表2土壤砷對(duì)三七葉型特征的影響

Table2

Effect of soil arsenic on leaf type of P.notoginseng

注：表中數(shù)據(jù)為(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

Note:data were means±SD.The different small letters indicated significant difference atP<0.05 level.

表3土壤砷與三七葉型的相關(guān)性

Table 3The correlation of soil arsenic and P.notoginseng leaf type

注：n=18，**.極顯著水平(P<0.01)；*.顯著水平(P<0.05)。

Note:n=18,**.indicated significant correlation atP<0.01 level;*.indicated significant correlation atP<0.05 level.

2.3砷處理對(duì)三七相對(duì)生長(zhǎng)速率和生物量的影響

砷≤80mg/kg時(shí)，三七的相對(duì)生長(zhǎng)速率無(wú)明顯變化；當(dāng)砷≥140mg/kg時(shí)，相對(duì)生長(zhǎng)速率有所降低；砷濃度為260mg/kg時(shí)，相對(duì)生長(zhǎng)速率比CK降低了22.22%。不同砷處理與三七相對(duì)生長(zhǎng)速率呈極顯著負(fù)相關(guān)，相關(guān)系數(shù)r=-0.754**(P<0.01)(表4)。

表4土壤砷對(duì)三七相對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

Table4

Effect of Soil arsenic relative growth rate of Panax notoginseng

注：表中數(shù)據(jù)為(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)。不同小寫字母表示在P<0.05水平上差異顯著。

Note:Data were means±SD.The different small letters indicateD significant difference atP<0.05 level.

三七營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期莖葉與根系的生物量在低砷濃度時(shí)無(wú)顯著影響，砷≥140mg/kg時(shí)顯著降低，砷≥200mg/kg時(shí)，分別比CK降低了16.85%、20.86%和19.65%。不同砷處理與三七總生物量相關(guān)系數(shù)r=-0.857**(P<0.01)，呈極顯著負(fù)相關(guān)(圖4)。

Fig.4EffectofAsonbiomassofP.notoginsenginvegetativestage

開花期，砷濃度為20mg/kg時(shí)，三七花、莖葉、根系生物量及總生物量有所增加，增加率分別為19.05%、7.63%、6.98%和7.81%；砷濃度為260mg/kg時(shí)顯著降低，降低率分別為23.81%、19.49%、31.01%和27.20%。不同砷處理與三七總生物量相關(guān)系數(shù)r=-0.931**(P<0.01)，呈極顯著負(fù)相關(guān)。由此可見，土壤中砷在低濃度時(shí)三七生長(zhǎng)無(wú)明顯變化，到高濃度時(shí)會(huì)抑制三七各部位的正常生長(zhǎng)，而且濃度越大對(duì)生物量的抑制程度越大(圖5)。

3 討論

砷是植物生長(zhǎng)的非必需元素。有些文獻(xiàn)報(bào)道，低濃度砷對(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用，高濃度就抑制植物的生長(zhǎng)。如陳同斌[5]報(bào)道，低濃度砷處理對(duì)水稻的生長(zhǎng)有刺激作用，當(dāng)≥40mg/kg時(shí)，水稻的生長(zhǎng)會(huì)受到阻礙。土壤噴灑低濃度砷酸鹽能促進(jìn)藥用植物黃岑(ScutellariabaicalensisGeorgi)的生長(zhǎng)及根系發(fā)育，然而高濃度砷會(huì)降低其生物量[16]。本試驗(yàn)研究表明，砷處理在低濃度時(shí)對(duì)三七的株高、莖基直徑與對(duì)照相比無(wú)顯著影響，然而砷≥140mg/kg時(shí)，高濃度砷會(huì)阻礙三七的生長(zhǎng)發(fā)育，對(duì)三七產(chǎn)生毒害作用，即植株矮小、葉片卷曲，生長(zhǎng)緩慢。相關(guān)性分析，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期砷濃度與三七的株高呈顯著負(fù)相關(guān)，與莖基直徑呈負(fù)相關(guān)；開花期砷濃度與三七株高呈顯著負(fù)相關(guān)，與莖基直徑呈極顯著負(fù)相關(guān)。

有研究表明，砷化物有還原作用，可以提高植物細(xì)胞中氧化酶的活性，對(duì)植物生長(zhǎng)有刺激作用[17]；過量砷可降低植物的蒸騰作用，抑制根系活性，阻礙植物體內(nèi)水分、養(yǎng)分的吸收和運(yùn)輸并干擾酶促作用，導(dǎo)致植物生長(zhǎng)發(fā)育受阻，產(chǎn)量、品質(zhì)降低[18]。不同植物種類對(duì)砷的忍耐性差異大，其體內(nèi)積累的砷濃度不同，表現(xiàn)的現(xiàn)狀也就不同。三七根系與地上部分生物量的比值隨著砷含量的增加比值逐漸變小，顯著低于對(duì)照。說(shuō)明高砷處理下對(duì)地上部分損傷相對(duì)較小，對(duì)根系的損傷相對(duì)較大，即高砷抑制了根系生長(zhǎng)，這與劉全吉得出砷對(duì)根系的毒害作用遠(yuǎn)大于對(duì)地上部分的影響一致[19]。2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期砷處理與根冠比分別呈顯著負(fù)相關(guān)和極顯著負(fù)相關(guān)性。

三七的葉型特征指標(biāo)能夠反映植物適應(yīng)環(huán)境變化所形成的生存對(duì)策，具有重要的生態(tài)學(xué)意義。葉面積指數(shù)(LAI)是反映植物群體生長(zhǎng)狀況的一個(gè)重要指標(biāo)，其大小直接與最終產(chǎn)量高低密切相關(guān)。本研究，低濃度下的砷使三七葉片數(shù)、葉中長(zhǎng)、葉中寬、葉面積指數(shù)與對(duì)照相比無(wú)明顯變化；高濃度下導(dǎo)致葉片數(shù)較少，葉中長(zhǎng)和葉中寬變短小，葉面積指數(shù)減小。此研究結(jié)果與砷對(duì)烤煙葉片數(shù)和葉面積的影響類似[13]。相關(guān)性比較，營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)期砷濃度與三七葉片數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)；開花期砷濃度與三七葉片數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)。2個(gè)生長(zhǎng)期砷濃度與葉中長(zhǎng)、葉中寬和葉面積指數(shù)均呈極顯著負(fù)相關(guān)。

三七相對(duì)生長(zhǎng)速率在砷為高濃度時(shí)降低，說(shuō)明在高濃度時(shí)三七受到毒害作用，生長(zhǎng)受到抑制。不同砷處理與三七相對(duì)生長(zhǎng)速率呈極顯著負(fù)相關(guān)。同時(shí)，三七花、莖、葉、根系的生物量及總生物量在低濃度時(shí)無(wú)顯著影響，高濃度時(shí)起阻礙作用，此結(jié)果與李海波[20]等結(jié)果一致。相關(guān)性比較，2個(gè)生長(zhǎng)時(shí)期，不同砷處理與三七總生物量均呈極顯著負(fù)相關(guān)。

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