于 波， 臧淑艷， 房志浩

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

砷對(duì)西瓜和哈密瓜種子萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)的影響

于 波， 臧淑艷， 房志浩

(沈陽(yáng)化工大學(xué) 應(yīng)用化學(xué)學(xué)院， 遼寧 沈陽(yáng) 110142)

通過(guò)水培實(shí)驗(yàn)研究不同梯度砷處理液對(duì)西瓜和哈密瓜種子的萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)的影響.實(shí)驗(yàn)所設(shè)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(jié)果表明：砷質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時(shí)，促進(jìn)了西瓜種子和哈密瓜種子的萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)，發(fā)芽率、株高、根長(zhǎng)均優(yōu)于對(duì)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(zhǎng)逐漸受到抑制，且隨質(zhì)量濃度的提高，抑制作用逐漸加強(qiáng).當(dāng)砷質(zhì)量濃度達(dá)到最大值10.0 mg/L時(shí)，抑制作用明顯增強(qiáng).

砷； 西瓜； 哈密瓜； 種子萌發(fā)； 幼苗生長(zhǎng)； 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(lái)了巨大影響，并成為危害全球環(huán)境質(zhì)量的一個(gè)重要因素[1].類金屬砷(As)是一種毒性很強(qiáng)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(shí)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(guó)的西北、華北、東北及臺(tái)灣等地的部分區(qū)域已存在比較嚴(yán)重的地下水體砷污染問(wèn)題，暴露在砷污染環(huán)境下的人口高達(dá)數(shù)百萬(wàn)[3].植物生長(zhǎng)在砷污染的土壤中也會(huì)受到砷的危害，植物的生長(zhǎng)、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(guó)部分地區(qū)農(nóng)田的污染事件呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)[5]，逐步破壞農(nóng)田的生態(tài)系統(tǒng)，農(nóng)田的健康指標(biāo)逐漸降低，并且通過(guò)食物鏈轉(zhuǎn)移到人體，對(duì)人體健康造成了一定的影響[6].所以砷污染對(duì)農(nóng)作物和水果的毒害效應(yīng)機(jī)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(zhǎng)發(fā)育的研究報(bào)道較多.水稻、小麥作為主要農(nóng)作物，李勛光等[7]通過(guò)土培實(shí)驗(yàn)研究了不同濃度的砷處理對(duì)水稻、小麥的毒害效應(yīng)以及砷在植物體內(nèi)的分布情況，但對(duì)發(fā)芽階段的砷毒害效應(yīng)沒(méi)做具體研究.Warren等[8]研究了高濃度(0.748 mg/g)砷污染土壤對(duì)田間作物的生物利用性差異，但是環(huán)境條件多變，對(duì)作物的影響因素過(guò)多，不易具體量化.我國(guó)每年水果的消耗量巨大，但對(duì)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(shí)驗(yàn)材料，在相同的實(shí)驗(yàn)條件下研究種子萌發(fā)期的毒害特征和幼苗生長(zhǎng)期的表觀癥狀，以便找出西瓜和哈密瓜對(duì)砷脅迫的異同關(guān)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(yáng)市寧官種子站；Na2HAsO4·7H2O粉末，分析純，沈陽(yáng)力誠(chéng)試劑廠；雙氧水，沈陽(yáng)市新化試劑廠.

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 種子的前處理

通過(guò)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?jǐn)?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(duì)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(jì)算)的砷離子溶液，備用.

1.2.3 種子的水培實(shí)驗(yàn)

將準(zhǔn)備好的培養(yǎng)皿中放入兩層大小適中的濾紙，每個(gè)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(gè)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(duì)照組.每一濃度的處理液設(shè)3個(gè)重復(fù)進(jìn)行對(duì)比，將培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱(型號(hào)：HPX-9052 MBE)中，在25 ℃的條件下對(duì)種子進(jìn)行恒溫暗處培養(yǎng).

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

準(zhǔn)備就緒，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)后，每天觀察并測(cè)量培養(yǎng)皿中水體質(zhì)量，補(bǔ)充實(shí)驗(yàn)進(jìn)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(guò)相同的培養(yǎng)周期，以10 d計(jì)，統(tǒng)計(jì)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(gè)梯度砷處理液中隨機(jī)選取20株幼苗，對(duì)比測(cè)量每組幼苗的根長(zhǎng)、株高及質(zhì)量.

數(shù)據(jù)的測(cè)定與處理方法參見(jiàn)文獻(xiàn)[9].

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

發(fā)芽勢(shì)是指在發(fā)芽過(guò)程中日發(fā)芽種子數(shù)達(dá)到最高峰時(shí)，發(fā)芽的種子數(shù)占供測(cè)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(zhǎng)量的綜合反映，是種子活力的更好指標(biāo).計(jì)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(zhǎng)勢(shì)(芽長(zhǎng)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(jì)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(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并計(jì)算顯著性方差.

2 結(jié)果與討論

2.1 砷處理液質(zhì)量濃度對(duì)西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

不同質(zhì)量濃度的砷處理液對(duì)西瓜種子及幼苗生長(zhǎng)的影響如表1所示.

表1 砷處理液質(zhì)量濃度對(duì)西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

由表1可以看出：當(dāng)As5+質(zhì)量濃度在0.1 mg/L時(shí)，對(duì)種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)均起到促進(jìn)作用，其中發(fā)芽指數(shù)在對(duì)照組中最大，這與微量砷可以刺激植物生長(zhǎng)發(fā)育的研究結(jié)論相一致[10].當(dāng)As5+處理液質(zhì)量濃度持續(xù)升高時(shí)，As5+處理液對(duì)西瓜的生理指標(biāo)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(yīng)，產(chǎn)生刺激性物質(zhì)和抑制性酶[11]，所產(chǎn)生的物質(zhì)對(duì)種子的萌發(fā)和生長(zhǎng)產(chǎn)生了影響.在表1所述指標(biāo)中，活力指數(shù)所受影響最明顯.當(dāng)As5+質(zhì)量濃度為10.0 mg/L時(shí)，相比于對(duì)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(duì)照組相比降低了80.28 %.這表明：當(dāng)As5+質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時(shí)，As5+處理液對(duì)西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用；當(dāng)As5+質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時(shí)，西瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)情況與對(duì)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(zhǎng)受到的抑制作用逐漸增強(qiáng).根據(jù)顯著性方差檢驗(yàn)法，不同質(zhì)量濃度下西瓜的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、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(duì)哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

不同質(zhì)量濃度的砷處理液對(duì)哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)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(shí)，哈密瓜種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到最大值，對(duì)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(duì)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(lái)的哈密瓜的鮮質(zhì)量也受到明顯的抑制作用，相比對(duì)照組降低了66.88 %.這表明：當(dāng)As5+質(zhì)量濃度0.1 mg/L時(shí)，As5+處理液對(duì)哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)具有促進(jìn)作用；當(dāng)As5+質(zhì)量濃度為0.5 mg/L時(shí)，哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)情況于對(duì)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(zhǎng)受到的抑制作用逐漸加強(qiáng)，其中活力指數(shù)和植株鮮質(zhì)量是受到影響最嚴(yán)重的指標(biāo).根據(jù)顯著性方差檢驗(yàn)法驗(yàn)證，不同質(zhì)量濃度下哈密瓜的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、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(duì)哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響

由以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，砷對(duì)哈密瓜種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)具有“低促高抑”的現(xiàn)象[12].植物生長(zhǎng)最脆弱和抵御機(jī)制低下的階段為種子的萌發(fā)過(guò)程，若在此階段受到高質(zhì)量濃度As5+處理液的影響，會(huì)對(duì)其萌發(fā)和生長(zhǎng)發(fā)育造成破壞性影響.此時(shí)種子萌發(fā)過(guò)程中產(chǎn)生的酶活性系統(tǒng)受到無(wú)機(jī)砷的破壞，致使活性酶失活或者轉(zhuǎn)化，進(jìn)而影響種子的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)[13].當(dāng)As5+質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時(shí)，As5+處理液對(duì)哈密瓜種子的萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)起到促進(jìn)作用，可能是砷化合物激發(fā)了哈密瓜細(xì)胞中氧化還原酶的活性，進(jìn)而促進(jìn)種子的萌發(fā)和生長(zhǎng).這與金晶煒等[14]對(duì)生菜種子發(fā)芽的研究結(jié)果相似.前人的研究結(jié)果表明在無(wú)機(jī)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(shí)驗(yàn)與前人的研究結(jié)果一致.

2.3 砷處理液質(zhì)量濃度對(duì)哈密瓜和西瓜株高的影響

由圖1可見(jiàn)：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(shì).砷處理液濃度為0.1 mg/L時(shí)，哈密瓜和西瓜株高達(dá)最大值，分別為9.53 cm和12.67 cm，與其他組對(duì)比均表現(xiàn)為明顯的促進(jìn)作用(P<0.05)；當(dāng)砷處理液質(zhì)量濃度提高到0.5 mg/L時(shí)，哈密瓜和西瓜的株高分別為8.25 cm和11.50 cm，與對(duì)照組的株高8.43 cm和11.31 cm相近；當(dāng)As5+質(zhì)量濃度在5.0 mg/L時(shí)，西瓜的株高出現(xiàn)顯著下降；當(dāng)As5+質(zhì)量濃度在10.0 mg/L時(shí)，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(shì)，隨著As5+質(zhì)量濃度的升高趨勢(shì)加強(qiáng).低濃度砷促進(jìn)了哈密瓜和西瓜的植株的生長(zhǎng)而高濃度砷則抑制了植株的生長(zhǎng)[16].通過(guò)顯著性方差檢驗(yàn)法驗(yàn)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(shí)，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(duì)哈密瓜和西瓜株高的影響

2.4 砷處理液質(zhì)量濃度對(duì)哈密瓜和西瓜根長(zhǎng)的影響

通過(guò)圖2可知：砷處理液質(zhì)量濃度為0.1 mg/L時(shí)，西瓜和哈密瓜根長(zhǎng)達(dá)最大值，分別為11.63 cm和8.67 cm，表現(xiàn)為促進(jìn)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(shí)，哈密瓜和西瓜的根長(zhǎng)均小于對(duì)照組的根長(zhǎng)，且顯著降低，表現(xiàn)為抑制作用.當(dāng)As5+質(zhì)量濃度在5.0 mg/L時(shí)，西瓜的根長(zhǎng)出現(xiàn)顯著下降，當(dāng)As5+質(zhì)量濃度在10.0 mg/L時(shí)，哈密瓜的根長(zhǎng)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(zhǎng)呈逐漸減少趨勢(shì)，隨著As5+質(zhì)量濃度的升高趨勢(shì)加強(qiáng).低濃度砷促進(jìn)了哈密瓜和西瓜的根長(zhǎng)的生長(zhǎng)而高濃度砷則抑制了根長(zhǎng)的生長(zhǎng)[17].根部生長(zhǎng)受抑是遭受砷污染后的普遍癥狀.因?yàn)橹参锏母颗c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(zhǎng)和根系的活性系統(tǒng)，進(jìn)而阻礙了水分和養(yǎng)分的有效運(yùn)輸，嚴(yán)重影響到地上部分的生長(zhǎng)[18].因此，哈密瓜和西瓜在As5+質(zhì)量濃度為0.1～1.0 mg/L時(shí)表現(xiàn)為側(cè)根須根增多，根長(zhǎng)生長(zhǎng)癥狀和對(duì)照組比較不明顯.當(dāng)As5+質(zhì)量濃度為5.0～10.0 mg/L時(shí)，表現(xiàn)為根部發(fā)褐、發(fā)黑，根長(zhǎng)較對(duì)照組顯著下降.通過(guò)顯著性方差檢驗(yàn)法驗(yàn)證，不同質(zhì)量濃度下西瓜的根長(zhǎng)以及哈密瓜的根長(zhǎng)均不存在顯著性誤差，且均滿足P<0.05的條件.同時(shí)，不同質(zhì)量濃度下西瓜和哈密瓜的根長(zhǎng)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(duì)西瓜和哈密瓜根長(zhǎng)的影響

2.5 砷處理液質(zhì)量濃度對(duì)哈密瓜和西瓜根冠比的影響

不同質(zhì)量濃度砷溶液對(duì)西瓜和哈密瓜根冠比的影響見(jiàn)表3.選用植物鮮質(zhì)量計(jì)算根冠比.As5+質(zhì)量濃度在0.1 mg/L時(shí)西瓜和哈密瓜的根冠比大于對(duì)照組，說(shuō)明低質(zhì)量濃度的砷處理液對(duì)西瓜和哈密瓜地上部抑制作用較強(qiáng)[19].隨著質(zhì)量濃度(≥0.5 mg/L時(shí))的升高根冠比數(shù)值呈現(xiàn)降低的趨勢(shì)，這與對(duì)根生長(zhǎng)的影響效果一致，影響了水分和養(yǎng)分的上流，對(duì)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(duì)砷的響應(yīng)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(duì)于哈密瓜比較平緩，但仍表明砷對(duì)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(duì)哈密瓜和西瓜根冠比的影響

3 結(jié) 論

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

(2) 在砷脅迫下，西瓜和哈密瓜的萌發(fā)和幼苗的生長(zhǎng)受到抑制作用，且質(zhì)量濃度越高抑制作用越強(qiáng).當(dāng)砷溶液質(zhì)量濃度達(dá)到最大(10.0 mg/L)時(shí)，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(duì)芽、根生長(zhǎng)的抑制作用較種子萌發(fā)指標(biāo)更為顯著，這與李國(guó)良[20]和苗明升等[21]研究結(jié)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(zhǎng)和株高的抑制作用均大于哈密瓜，說(shuō)明高濃度的砷對(duì)西瓜的毒害作用大于哈密瓜.

本實(shí)驗(yàn)僅在簡(jiǎn)單水培條件下研究不同梯度砷溶液對(duì)哈密瓜和西瓜的生長(zhǎng)指標(biāo)的影響，其吸收方式、作用機(jī)理等尚待進(jìn)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(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41373127)；沈陽(yáng)市科技計(jì)劃項(xiàng)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(xué)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(xué)方面的研究.

2095-2198(2017)01-0009-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.01.002

X523

A