砷对西瓜和哈密瓜种子萌发及其幼苗生长的影响

于 波， 臧淑艳， 房志浩

(沈阳化工大学 应用化学学院， 辽宁 沈阳 110142)

砷对西瓜和哈密瓜种子萌发及其幼苗生长的影响

于 波， 臧淑艳， 房志浩

(沈阳化工大学 应用化学学院， 辽宁 沈阳 110142)

通过水培实验研究不同梯度砷处理液对西瓜和哈密瓜种子的萌发及其幼苗生长的影响.实验所设As5+处理液的质量浓度为0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L.结果表明：砷质量浓度为0.1 mg/L时，促进了西瓜种子和哈密瓜种子的萌发及幼苗生长，发芽率、株高、根长均优于对照组，且根冠比为最大值.随着砷处理液质量浓度的升高，西瓜种子和哈密瓜种子的萌发及幼苗生长逐渐受到抑制，且随质量浓度的提高，抑制作用逐渐加强.当砷质量浓度达到最大值10.0 mg/L时，抑制作用明显增强.

砷； 西瓜； 哈密瓜； 种子萌发； 幼苗生长； 根冠比

伴随着农业生产的现代化和工业的快速发展，重金属给人们的生活和生存环境带来了巨大影响，并成为危害全球环境质量的一个重要因素[1].类金属砷(As)是一种毒性很强的元素，自然界中砷主要以As5+和As3+的形态存在.但两者的形态在环境条件发生变化，或在微生物的作用下能够发生相互转化，此时As5+为砷的主要存在形态[2].根据现有调查数据可知，我国的西北、华北、东北及台湾等地的部分区域已存在比较严重的地下水体砷污染问题，暴露在砷污染环境下的人口高达数百万[3].植物生长在砷污染的土壤中也会受到砷的危害，植物的生长、生物性状、吸收特征都发生了异常变化[4].随着砷含量的逐步累积，我国部分地区农田的污染事件呈现出增加趋势[5]，逐步破坏农田的生态系统，农田的健康指标逐渐降低，并且通过食物链转移到人体，对人体健康造成了一定的影响[6].所以砷污染对农作物和水果的毒害效应机理研究迫在眉睫，急需尽快解决.

目前，农作物和蔬菜在砷胁迫下生长发育的研究报道较多.水稻、小麦作为主要农作物，李勋光等[7]通过土培实验研究了不同浓度的砷处理对水稻、小麦的毒害效应以及砷在植物体内的分布情况，但对发芽阶段的砷毒害效应没做具体研究.Warren等[8]研究了高浓度(0.748 mg/g)砷污染土壤对田间作物的生物利用性差异，但是环境条件多变，对作物的影响因素过多，不易具体量化.我国每年水果的消耗量巨大，但对瓜果砷毒害敏感性方面缺乏系统性研究.本文选择西瓜和哈密瓜为实验材料，在相同的实验条件下研究种子萌发期的毒害特征和幼苗生长期的表观症状，以便找出西瓜和哈密瓜对砷胁迫的异同关系.

1 材料和方法

1.1 材料

西瓜种子(沙漠绿杂交一代)，哈密瓜种子(金沃金常香玉)，沈阳市宁官种子站；Na2HAsO4·7H2O粉末，分析纯，沈阳力诚试剂厂；双氧水，沈阳市新化试剂厂.

1.2 实验方法

1.2.1 种子的前处理

通过观察种子形态，选择颗粒饱满且完整的哈密瓜和西瓜种子.将种子清洗干净后，浸泡在体积分数为3 %的双氧水中，杀菌消毒30 min，取出处理好的种子用蒸馏水对其冲洗3次.

1.2.2 砷污染废水的制备

分别配制质量浓度为0.0、0.1、0.5、1.0、5.0、10.0 mg/L(以纯As计算)的砷离子溶液，备用.

1.2.3 种子的水培实验

将准备好的培养皿中放入两层大小适中的滤纸，每个培养皿中倒入20 mL的处理液，将清洗后的西瓜和哈密瓜种子放入培养皿中，保持每个培养皿中的种子颗粒数为30粒，以加入 20 mL 蒸馏水的培养皿为对照组.每一浓度的处理液设3个重复进行对比，将培养皿放入培养箱(型号：HPX-9052 MBE)中，在25 ℃的条件下对种子进行恒温暗处培养.

1.2.4 数据处理

准备就绪，开始实验后，每天观察并测量培养皿中水体质量，补充实验进行期间挥发掉的水分，保持培养皿中水体质量约恒质量.自出现发芽的种子后，每天观察种子外部形态，并记录发芽种子数.经过相同的培养周期，以10 d计，统计不同梯度砷处理液下发芽的哈密瓜和西瓜的种子数.在每个梯度砷处理液中随机选取20株幼苗，对比测量每组幼苗的根长、株高及质量.

数据的测定与处理方法参见文献[9].

发芽率指测试种子发芽数占测试种子总数的百分率；

发芽势是指在发芽过程中日发芽种子数达到最高峰时，发芽的种子数占供测样品种子数的百分率；

活力指数是种子发芽速率和生长量的综合反映，是种子活力的更好指标.计算公式为：

VI=GI×S

(1)

式中：GI为发芽指数；S为幼苗的生长势(芽长度).发芽指数是指种子在失去发芽力之前已发生劣变的数量，计算公式为：

GI=∑Gt/Dt

(2)

式中：Gt为t天内的发芽数；Dt为发芽天数.

根冠比是指植物地下部分与地上部分的鲜质量或干质量的比值.

采用Excel 2003软件对实验数据进行统计分析并计算显著性方差.

2 结果与讨论

2.1 砷处理液质量浓度对西瓜种子萌发及幼苗生长的影响

不同质量浓度的砷处理液对西瓜种子及幼苗生长的影响如表1所示.

表1 砷处理液质量浓度对西瓜种子萌发及幼苗生长的影响

由表1可以看出：当As5+质量浓度在0.1 mg/L时，对种子的萌发和幼苗的生长均起到促进作用，其中发芽指数在对照组中最大，这与微量砷可以刺激植物生长发育的研究结论相一致[10].当As5+处理液质量浓度持续升高时，As5+处理液对西瓜的生理指标又呈现抑制作用，这是由于种子在萌发阶段产生的酶与As5+发生反应，产生刺激性物质和抑制性酶[11]，所产生的物质对种子的萌发和生长产生了影响.在表1所述指标中，活力指数所受影响最明显.当As5+质量浓度为10.0 mg/L时，相比于对照组，其活力指数仅为1.63，降低了87.81 %.其次受到影响较为明显的是西瓜幼苗的鲜质量，与对照组相比降低了80.28 %.这表明：当As5+质量浓度为0.1 mg/L时，As5+处理液对西瓜种子萌发及幼苗生长具有促进作用；当As5+质量浓度为0.5 mg/L时，西瓜种子萌发及幼苗生长情况与对照组相近，但随着质量浓度的增加，西瓜种子的萌发和幼苗生长受到的抑制作用逐渐增强.根据显著性方差检验法，不同质量浓度下西瓜的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及植株鲜质量均不存在显著性误差，且均满足P<0.05的条件.

2.2 砷处理液质量浓度对哈密瓜种子萌发及幼苗生长的影响

不同质量浓度的砷处理液对哈密瓜种子萌发及幼苗生长的影响如表2所示.由表2数据可知：在As5+处理液质量浓度为0.1 mg/L时，哈密瓜种子的萌发和幼苗生长的各项指标均达到最大值，对照组中仅有发芽指数为最大值.在高质量浓度(10.0 mg/L)的As5+处理液影响下，哈密瓜种子的活力指数受到的抑制作用较为明显，与对照组相比，受到高质量浓度As5+处理液抑制作用的活力指数仅为1.08，降低了79.73 %.在活力指数受到明显抑制的情况下，伴随而来的哈密瓜的鲜质量也受到明显的抑制作用，相比对照组降低了66.88 %.这表明：当As5+质量浓度0.1 mg/L时，As5+处理液对哈密瓜种子萌发及幼苗生长具有促进作用；当As5+质量浓度为0.5 mg/L时，哈密瓜种子萌发及幼苗生长情况于对照组相近，但随着质量浓度的增加，哈密瓜种子萌发和幼苗生长受到的抑制作用逐渐加强，其中活力指数和植株鲜质量是受到影响最严重的指标.根据显著性方差检验法验证，不同质量浓度下哈密瓜的发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及植株鲜质量均不存在显著性误差，且均满足P<0.05的条件.

表2 砷处理液质量浓度对哈密瓜种子萌发及幼苗生长的影响

由以上实验结果可知，砷对哈密瓜种子萌发及幼苗生长具有“低促高抑”的现象[12].植物生长最脆弱和抵御机制低下的阶段为种子的萌发过程，若在此阶段受到高质量浓度As5+处理液的影响，会对其萌发和生长发育造成破坏性影响.此时种子萌发过程中产生的酶活性系统受到无机砷的破坏，致使活性酶失活或者转化，进而影响种子的萌发和幼苗的生长[13].当As5+质量浓度为0.1 mg/L时，As5+处理液对哈密瓜种子的萌发和幼苗生长起到促进作用，可能是砷化合物激发了哈密瓜细胞中氧化还原酶的活性，进而促进种子的萌发和生长.这与金晶炜等[14]对生菜种子发芽的研究结果相似.前人的研究结果表明在无机砷胁迫下，种子的萌发受到砷处理液的显著影响，并且浓度越高抑制作用越明显[15].本实验与前人的研究结果一致.

2.3 砷处理液质量浓度对哈密瓜和西瓜株高的影响

由图1可见：哈密瓜和西瓜的株高随着As5+处理液质量浓度的升高呈现先促后抑的趋势.砷处理液浓度为0.1 mg/L时，哈密瓜和西瓜株高达最大值，分别为9.53 cm和12.67 cm，与其他组对比均表现为明显的促进作用(P<0.05)；当砷处理液质量浓度提高到0.5 mg/L时，哈密瓜和西瓜的株高分别为8.25 cm和11.50 cm，与对照组的株高8.43 cm和11.31 cm相近；当As5+质量浓度在5.0 mg/L时，西瓜的株高出现显著下降；当As5+质量浓度在10.0 mg/L时，哈密瓜的株高出现显著下降.随着As5+质量浓度增加，哈密瓜和西瓜的株高呈逐渐减少趋势，随着As5+质量浓度的升高趋势加强.低浓度砷促进了哈密瓜和西瓜的植株的生长而高浓度砷则抑制了植株的生长[16].通过显著性方差检验法验证，不同质量浓度下西瓜的株高以及哈密瓜的株高均不存在显著性误差，且均满足P<0.05的条件.同时，不同质量浓度下西瓜和哈密瓜的株高间也不存在显著性误差，且均满足P<0.05的条件.

图1 砷处理液质量浓度对哈密瓜和西瓜株高的影响

2.4 砷处理液质量浓度对哈密瓜和西瓜根长的影响

通过图2可知：砷处理液质量浓度为0.1 mg/L时，西瓜和哈密瓜根长达最大值，分别为11.63 cm和8.67 cm，表现为促进作用，两者均分别显著高于其他浓度处理液(P<0.05).As5+质量浓度大于0.5 mg/L时，哈密瓜和西瓜的根长均小于对照组的根长，且显著降低，表现为抑制作用.当As5+质量浓度在5.0 mg/L时，西瓜的根长出现显著下降，当As5+质量浓度在10.0 mg/L时，哈密瓜的根长出现显著下降.随着As5+质量浓度增加，哈密瓜和西瓜的根长呈逐渐减少趋势，随着As5+质量浓度的升高趋势加强.低浓度砷促进了哈密瓜和西瓜的根长的生长而高浓度砷则抑制了根长的生长[17].根部生长受抑是遭受砷污染后的普遍症状.因为植物的根部与砷污染源直接接触，首先受到砷污染物的毒害作用，抑制了根部的生长和根系的活性系统，进而阻碍了水分和养分的有效运输，严重影响到地上部分的生长[18].因此，哈密瓜和西瓜在As5+质量浓度为0.1～1.0 mg/L时表现为侧根须根增多，根长生长症状和对照组比较不明显.当As5+质量浓度为5.0～10.0 mg/L时，表现为根部发褐、发黑，根长较对照组显著下降.通过显著性方差检验法验证，不同质量浓度下西瓜的根长以及哈密瓜的根长均不存在显著性误差，且均满足P<0.05的条件.同时，不同质量浓度下西瓜和哈密瓜的根长间也不存在显著性误差，且均满足P<0.05的条件.

图2 砷处理液质量浓度对西瓜和哈密瓜根长的影响

2.5 砷处理液质量浓度对哈密瓜和西瓜根冠比的影响

不同质量浓度砷溶液对西瓜和哈密瓜根冠比的影响见表3.选用植物鲜质量计算根冠比.As5+质量浓度在0.1 mg/L时西瓜和哈密瓜的根冠比大于对照组，说明低质量浓度的砷处理液对西瓜和哈密瓜地上部抑制作用较强[19].随着质量浓度(≥0.5 mg/L时)的升高根冠比数值呈现降低的趋势，这与对根生长的影响效果一致，影响了水分和养分的上流，对地上部分的抑制作用程度大于地下部分.但西瓜和哈密瓜对砷的响应也存在差异，在不同质量浓度的砷处理液下，西瓜的根冠比降低幅度相对于哈密瓜比较平缓，但仍表明砷对西瓜和哈密瓜根部的影响较地上部分明显.

表3 砷处理液质量浓度对哈密瓜和西瓜根冠比的影响

3 结 论

(1) As5+质量浓度为0.1 mg/L时，能够促进西瓜和哈密瓜的萌发和幼苗的生长，生长指标，株高，根长及根冠比均优于对照组.

(2) 在砷胁迫下，西瓜和哈密瓜的萌发和幼苗的生长受到抑制作用，且质量浓度越高抑制作用越强.当砷溶液质量浓度达到最大(10.0 mg/L)时，半数的种子不能发芽，砷显著地抑制了种子的发芽，并且高质量浓度的砷对芽、根生长的抑制作用较种子萌发指标更为显著，这与李国良[20]和苗明升等[21]研究结果一致.

(3) 在高质量浓度的砷胁迫下，西瓜的发芽率，根长和株高的抑制作用均大于哈密瓜，说明高浓度的砷对西瓜的毒害作用大于哈密瓜.

本实验仅在简单水培条件下研究不同梯度砷溶液对哈密瓜和西瓜的生长指标的影响，其吸收方式、作用机理等尚待进一步研究.

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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

国家自然科学基金项目(41373127)；沈阳市科技计划项目(F16-205-1-12)

于波(1987-)，男，河北唐山人，硕士研究生在读，主要从事环境地球化学方面的研究.

臧淑艳(1973-)，女，吉林四平人，副教授，博士，主要从事环境地球化学方面的研究.

2095-2198(2017)01-0009-05

10.3969/j.issn.2095-2198.2017.01.002

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A