不同鉛濃度對波斯菊種子萌發及幼苗生長的影響

范志強，張士儒，孟書琴，程 玉，朱錫紅

(安慶師范大學生命科學學院，安徽安慶 246133)

0 引言

隨著我國產業特別是采礦業、冶煉業以及電鍍業等的急速產出，土壤重金屬污染越來越嚴重[1].重金屬對植物的生長發育具有不良影響，濃度過高會直接影響農產品的安全問題和人體健康[2].鉛是所有重金屬污染中最嚴重且危害性比較強的化學元素之一，具有毒性大、隱蔽性好和不易降解等特點.當土壤中鉛超標時，會導致植物種子的發芽率、發芽勢、發芽指數和活力指數降低[3]；鉛超標還會導致葉綠素含量降低，對植物生理生化特性造成影響[4]進而會影響園林植物的觀賞價值.

波斯菊(CosmosbipinnatusCav.)為一年生草本花卉，分布廣泛，生長迅速，觀賞價值高，是重要園林花卉品種之一[5].波斯菊廣泛應用于道路、小區、公園等城市園林綠化，這些區域由于城市土壤污染以及交通影響，鉛污染情況更為嚴重.以往有學者對鹽處理下波斯菊幼苗生長進行研究，發現低濃度的鹽具有抑制種子萌發、幼苗株高、根長的作用，高濃度則可使作物出現停止生長的趨勢[6].但有關鉛對波斯菊種子萌發的研究尚未見報道.因此，研究重金屬鉛對植物種子發芽的影響對城市污染土壤綠化品種的選擇具有重要意義.本實驗主要研究不同濃度的Pb2+溶液處理對波斯菊種子萌發與幼苗生長的影響，探討波斯菊種子萌發和鉛濃度關系，以期為波斯菊的耐鉛機理研究提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 實驗材料及來源

實驗于2019年3～5月在安慶師范大學皖西南生物多樣性研究與生態保護安徽省重點實驗室進行.供實驗用的波斯菊種子為矮桿波斯菊，通過網絡購買于江蘇省宿遷市沭陽縣沭陽斗研種業有限公司.

1.2 試驗方法

選取籽粒飽滿、大小均勻的波斯菊種子，用1.0%的硫酸銅溶液對種子表面進行噴灑5～10 min[7]，然后用清水反復沖洗多次.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的培養皿，先用水把培養皿內表面濕潤，然后在其底部鋪上兩層濾紙，緊貼培養皿底部展開，排除氣泡，將處理過的波斯菊種子參照培養皿的大小，均勻地擺放在濾紙上.每個培養皿中放置30粒波斯菊種子，注意擺放均勻整齊，以便觀察篩選，種子數目不宜過多，以免影響種子后期長勢，也不宜過少，便于對霉變的種子進行替換[8].分別加入含有不同鉛濃度的Hogland營養液(pH5.5)2 mL，使濾紙完全濕透，每個處理重復3次.設置5個濃度，標記為處理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) ℃智能光照培養箱內進行培養，依據濾紙濕度狀況每1～2 d補充適量相應質量濃度的硝酸鉛溶液，使濾紙和波斯菊種子保持濕潤狀態，且濾紙周圍不出現任何水膜[9].每隔24 h，用肉眼觀察并記錄波斯菊種子的萌發情況，統計發芽數，第3 d統計種子發芽勢，第7 d統計種子發芽率，并計算發芽指數；第7 d同時統計種子根和芽生長情況.

1.3 統計指標及計算公式

在觀測種子萌發情況時期，統計指標主要包括有發芽數、發芽率、發芽勢、發芽指數、相對發芽率、相對發芽勢、相對發芽指數；在觀測幼苗生長情況時期，統計指標主要是根系形態，包括有苗高、根長、鮮重、簡化活力指數.種子萌發以及幼苗生長過程中的各項指標的計算公式如下：

發芽率=7d萌發數/籽粒總數×100%；

發芽勢=3d內籽粒萌發數/相應的籽粒總數×100%；

相對發芽率=重金屬處理組萌發率/對照組萌發率×100%；

相對發芽勢=重金屬處理組發芽勢/對照組發芽勢×100%；

發芽指數=第n天的萌發數/相應的萌發天數×100%；

相對發芽指數=重金屬處理組發芽指數/對照組發芽指數×100%；

簡化活力指數=相對發芽率×鮮重.

1.4 數據的統計分析

實驗數據用Excel 2010數據處理軟件進行處理，運用SPSS 17.0進行統計分析，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 結果與分析

2.1 不同Pb2+濃度處理對波斯菊種子發芽勢及相對發芽勢的影響

由表1可知，當含有Pb2+的濃度為50、100 mg/L時，波斯菊種子的發芽勢分別比對照高出6%、18%，說明濃度較低的Pb2+溶液促進波斯菊種子的萌發，隨著含有Pb2+溶液濃度的增大，波斯菊種子的發芽率開始出現了明顯的降低，也就是說Pb2+對波斯菊種子的萌發在后期表現為抑制作用.經統計分析，濃度為100 mg/L時，發芽勢顯著高于其他濃度處理(P<0.01)，其他濃度處理之間發芽勢及相對發芽勢差異不顯著.

2.2 不同Pb2+濃度處理對波斯菊種子發芽率和相對發芽率的影響

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

2.3 不同濃度Pb2+溶液處理對波斯菊種子發芽指數和相對發芽指數的影響

從表3可以看出，當Pb2+的溶液濃度增大時，種子發芽指數和相對發芽指數呈現先上升再減少的變化趨勢；當Pb2+的溶液濃度為100 mg/L時，發芽指數和相對發芽指數明顯增高，并達到峰值.這說明100 mg/L的Pb2+溶液濃度對波斯菊種子的發芽指數和相對發芽指數有顯著的促進作用，但是在100 mg/L(T2)以上的Pb2+溶液濃度下，促進作用開始減弱，當Pb2+的溶液濃度達到400 mg/L時，波斯菊種子的發芽指數和相對發芽指數與對照組沒有顯著差異，說明波斯菊種子對Pb2+的抗性較強.統計分析表明，濃度為100 mg/L處理下發芽指數、相對發芽指數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+濃度處理對波斯菊幼苗根長、苗高的影響

從表4可以看出，隨著Pb2+質量濃度的提高，波斯菊幼苗的根部長度總體表現出下降態勢.當Pb2+質量濃度處于200、400 mg/L時，波斯菊幼苗的根部長度會隨著Pb2+質量濃度上升而減少，并且下降速度較快；若Pb2+溶液濃度為50、100 mg/L時，波斯菊幼苗的根部長度下降趨勢較平緩，且下降速度小于400 mg/L時的下降速度；通過分析表明，波斯菊幼苗根長生長受Pb2+質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下降的趨勢，尤其是Pb2+溶液濃度在100 mg/L后，波斯菊的幼苗苗高會迅速變小.

從波斯菊種子的長勢上觀察可得，在Pb2+濃度較低(<100 mg/L)時，低濃度的Pb2+溶液表現出對波斯菊種子萌發的促進作用.之后隨著含有Pb2+的溶液的濃度不斷增大，苗高和根長開始縮短，并且有明顯的差異，在400 mg/L的Pb2+溶液環境下生長的幼苗葉片頂端發黃，根系短小并且明顯發育不良，也就是說，鉛對波斯菊的生長表現為抑制作用，并且出現鉛毒害現象.

2.5 不同Pb2+濃度處理對波斯菊幼苗鮮重及簡化活力指數的影響

不同濃度Pb2+溶液處理對波斯菊幼苗鮮重及簡化活力指數的影響結果見表5，波斯菊幼苗對不同Pb2+溶液濃度的作用較為敏感，Pb2+溶液濃度在100 mg/L以上的時候，幼苗的鮮重會明顯得變小.觀察數據發現，隨著Pb2+溶液濃度的升高，波斯菊的幼苗鮮重呈現為先變高再變小，但T1-T4組的幼苗鮮重均比對照組小.簡化活力指數的變化方向也趨同，也就是說Pb2+溶液濃度的變大，鮮重慢慢變小.實驗發現波斯菊幼苗的生長受100、200、400 mg/LPb2+溶液的影響程度不同，當Pb2+溶液濃度越高時，幼苗受到的影響越明顯，呈現為實驗組幼苗較對照組的苗短小、葉莖變短或不生長、根變短等現象.

3 討論與結論

重金屬使得土壤的質量下降后，作物的成長會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的必備要求.發芽率、發芽指數是評估種子發芽過程經常使用的標準[10].發芽指數可以綜合性地表現重金屬離子阻礙種子萌發的程度，比發芽率更能靈敏地表現種子活力.發芽指數包括3個方面，分別是種子萌發的數量、速度和整齊的程度，對比標準簡單的發芽率，發芽指數更能全面性的表現出種子的萌發情況[11].

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

重金屬作用植被種子萌發和幼苗生長是個復雜過程，本實驗只選用了Pb2+對波斯菊籽粒萌發和幼苗發育的作用實行了探討，研究并不完善.建議下一步用其它的重金屬如Cd2+等對重金屬影響種子萌發和幼苗生長的機制做更深層次的研究，或者對不同生育階段進行研究探討，比如探討重金屬對波斯菊的不同生長發育階段的影響作用.