水鐵礦對小麥和水稻種子萌發(fā)的影響

陳雅玲， 杜亞楠， 梅怡然， 張 奇， 冉 煒， 張振華， 沈其榮

(1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/江蘇省固體有機(jī)廢棄物資源化利用高技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210095； 2.江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與環(huán)境研究所，江蘇 南京 210014)

鐵是所有生物生長發(fā)育必需的礦質(zhì)元素，植物缺鐵會(huì)影響植物生理活性、養(yǎng)分吸收等，人體缺鐵導(dǎo)致的營養(yǎng)不均衡更為嚴(yán)重[1]。因此，施加外源鐵肥，提高土壤鐵的有效性對于治理和改善植物缺鐵癥和促進(jìn)人類健康有重大意義[2-3]。水鐵礦(HF)廣泛存在于自然界，是一種天然納米鐵礦物，具有巨大的比表面積和高表面活性，控制和影響著環(huán)境中某些污染物質(zhì)和營養(yǎng)元素的形態(tài)、遷移和轉(zhuǎn)化[4-6]。硫酸亞鐵(FS)是一種良好的鐵肥，但在空氣中容易氧化。FS與腐殖酸類或脂肪酸類物質(zhì)螯合可制成螯合鐵(CI)，不易在空氣中氧化，能為植物提供可利用的鐵養(yǎng)分[7-8]。作物種子萌發(fā)率對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)十分重要，提高作物種子萌發(fā)率是提高糧食產(chǎn)量的前提。近年來，納米鐵礦物的研究和應(yīng)用越來越受到重視。納米鐵氧化物在促進(jìn)作物生長方面有明顯的效果[9-10]。本課題組前期研究結(jié)果表明，低質(zhì)量濃度的HF(20 mg/L),對玉米種子的萌發(fā)促進(jìn)作用最明顯，可以完全替代EDTA-Fe，起到促進(jìn)植株生長的作用，但高濃度的HF對玉米生長卻有抑制作用[11]。雖然FS和CI作為鐵肥在國內(nèi)外已有大量研究，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中作物苗期缺鐵現(xiàn)象也十分普遍，常見的農(nóng)作物花生常因缺鐵而引發(fā)“黃化病”等。長期以來，矯正植物缺鐵失綠癥一直是個(gè)難題。在堿性土壤中采用施用硫磺粉和石膏等酸性化合物的方法降低土壤pH，以及在土壤中施用無機(jī)鐵肥、螯合鐵肥，可以改良土壤，提高土壤中鐵的有效性；鐵肥浸種,葉面噴施鐵肥,通過噴灌水施鐵肥,果樹莖干注射和包埋鐵肥溶液等可以有效減輕植株缺鐵失綠癥狀[12-13]。但是，目前市場上仍然缺乏能有效克服缺鐵癥的鐵肥產(chǎn)品。小麥和水稻是中國最重要的2種糧食作物，水鐵礦對小麥和水稻種子萌發(fā)的研究尚未見報(bào)道。本研究比較研究水鐵礦、螯合鐵和硫酸亞鐵對小麥和水稻種子萌發(fā)的影響，期望篩選出具有應(yīng)用潛力的鐵肥肥源。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試小麥品種：常規(guī)品種蘇麥188，具有分蘗強(qiáng)、穗數(shù)足、產(chǎn)量高、適應(yīng)廣等特點(diǎn)；供試水稻品種：常規(guī)品種C兩優(yōu)513，具有生育期短、穗數(shù)足、結(jié)實(shí)率高等特點(diǎn)。兩種作物品種種子均購自江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院。所用試劑硫酸亞鐵、硝酸鐵和氫氧化鉀等均為分析純，購自江蘇科銘生物技術(shù)有限公司。

HF制備：稱取40 g Fe(NO3)3·9H2O溶于500 ml去離子水中，加入330 ml KOH溶液(1 mol/L)，最后20滴逐滴加入，調(diào)節(jié)pH至7～8，劇烈攪拌，然后迅速離心(8 000 r/min)，將得到的固體物質(zhì)用去離子水洗滌4～5次，以去除電解質(zhì)，常溫下晾干至恒質(zhì)量，含鐵量58%。 用瑪瑙研砵將制得的HF研磨至粉末狀備用。

CI制備：由1 L FS溶液( 314 g/L)中加入10 ml大豆脂肪酸制成。

鐵素溶液制備：將HF溶液、CI溶液和FS懸浮液分別置于200 ml廣口塑料瓶中，擰緊瓶蓋，超聲波振蕩 15 min，分別制成鐵含量為0 mg/L(對照)、10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L和200 mg/L的鐵素溶液。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

先將小麥、水稻種子放入燒杯中用3 % H2O2進(jìn)行種子表面消毒5 min，去離子水沖洗4～5次，洗去雜物。然后分別用3種不同類型(HF、CI和FS)的4個(gè)不同鐵含量(10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L和 200 mg/L)鐵素溶液浸泡種子0.5 h，共12個(gè)處理，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。對照為不加鐵的清水，試驗(yàn)重復(fù)3次。每個(gè)處理均挑選大小一致、形態(tài)飽滿的種子，用去離子水清洗后，放在墊有雙層潔凈定性中性濾紙培養(yǎng)皿中，每個(gè)培養(yǎng)皿中放入15粒種子，每12 h補(bǔ)充鐵素溶液10 ml，記錄發(fā)芽情況。培養(yǎng)皿在生化培養(yǎng)箱中遮光培養(yǎng)72 h后，從每個(gè)培養(yǎng)皿中隨機(jī)選擇10粒種子統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率、根長和芽長，計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

1.3 測定方法

以幼根至少達(dá)到種子長度、幼芽達(dá)到種子1/2長度作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，處理72 h后，用游標(biāo)卡尺測定根長、芽長(最長根長、芽長)。發(fā)芽率、活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)采用以下公式進(jìn)行計(jì)算：發(fā)芽率=處理種子發(fā)芽數(shù)/處理種子總數(shù)[14]，活力指數(shù)=發(fā)芽率×平均幼苗長度(根長+芽長)[15]，發(fā)芽指數(shù)=(處理的發(fā)芽數(shù)/空白對照的發(fā)芽數(shù))×(處理的根長均值/空白對照的根長均值)]×100[16]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel2007和SPSS19.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和差異顯著性分析,樣本之間的差異性分析采用單因素方差分析法(ANOVA)，Duncan’s法檢驗(yàn)處理間的差異。采用GraphPad Prim 8.0軟件繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同類型鐵素各濃度處理對小麥種子萌發(fā)的影響

由圖1可知，添加了鐵素的處理與對照組相比，小麥種子發(fā)芽率都有不同程度的提高。其中，HF處理鐵素質(zhì)量濃度在低于100 mg/L時(shí)，對小麥種子發(fā)芽率具有促進(jìn)作用，且與CK有顯著差異，當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到200 mg/L時(shí)與CK差異不顯著；CI與FS處理中，除FS(50 mg/L)處理的發(fā)芽率顯著高于CK外，其余處理與CK相比均無顯著差異。不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理的小麥種子發(fā)芽率優(yōu)異度表現(xiàn)為：HF 10 mg/L>HF 50 mg/L>HF 100 mg/L>HF 200 mg/L>CK、CI 50 mg/L>CI 10 mg/L>CI 200 mg/L>CI 100 mg/L>CK和FS 50 mg/L>FS 10 mg/L>FS 200 mg/L>FS 100 mg/L>CK。由此可以看出，HF(10 mg/L)對小麥種子發(fā)芽率的促進(jìn)效果最佳。

HF處理的小麥種子發(fā)芽指數(shù)隨質(zhì)量濃度增加有降低的趨勢，當(dāng)鐵質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，發(fā)芽指數(shù)與CK有顯著差異；CI與FS處理中，當(dāng)質(zhì)量濃度為200 mg/L時(shí)，均出現(xiàn)顯著的抑制現(xiàn)象，其他質(zhì)量濃度處理與CK并無顯著差異。不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理的小麥種子發(fā)芽指數(shù)優(yōu)異度表現(xiàn)為：HF 10 mg/L>HF 50 mg/L>HF 200 mg/L>CK>HF 100 mg/L、CI 10 mg/L>CK> CI 50 mg/L>CI 100 mg/L>CI 200 mg/L和FS 50 mg/L>FS 100 mg/L>FS 10 mg/L>CK> FS 200 mg/L。由此可以看出，適宜低質(zhì)量濃度的鐵素處理可以提高小麥發(fā)芽指數(shù)；高質(zhì)量濃度FS、CI處理會(huì)降低小麥的發(fā)芽指數(shù)，而高質(zhì)量濃度HF處理的小麥種子發(fā)芽指數(shù)與對照相比差異不顯著，表明其安全性相對較高。

HF處理的種子活力指數(shù)與鐵素質(zhì)量濃度呈一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系。10 mg/L HF處理與CK具有顯著差異，對小麥種子活力指數(shù)的促進(jìn)效果明顯；CI與FS處理中，當(dāng)鐵素含量為200 mg/L時(shí)，與CK存在顯著差異，對小麥種子活力有明顯的抑制作用。不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理小麥種子活力指數(shù)優(yōu)異度表現(xiàn)為：HF 10 mg/L>HF 50 mg/L>HF 100 mg/L>HF 200 mg/L>CK、CI 10 mg/L>CI 50 mg/L>CI 100 mg/L>CK>CI 200 mg/L和FS 10 mg/L>FS 50 mg/L>FS 100 mg/L>CK> FS 200 mg/L。由此可以看出，適宜低質(zhì)量濃度的鐵素處理可以提高小麥種子活力指數(shù)；高質(zhì)量濃度FS、CI處理會(huì)抑制小麥種子活力指數(shù)，而高質(zhì)量濃度HF處理的小麥種子活力指數(shù)與對照相比差異不顯著，同樣表明其安全性相對較高。

綜上所述，對小麥種子萌發(fā)促進(jìn)效果最好的是10 mg/L HF處理。當(dāng)CI、FS鐵素質(zhì)量濃度達(dá)到200 mg/L時(shí)，對小麥種子萌發(fā)具有顯著的抑制效果。

由圖2可知，HF處理小麥芽長隨著鐵素質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。HF 10 mg/L處理的芽長最長，顯著長于對照；HF 100 mg/L處理的芽長最短，顯著短于對照。CI處理的芽長隨著鐵素質(zhì)量濃度的增加也呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到200 mg/L時(shí)出現(xiàn)顯著的抑制現(xiàn)象。FS處理的小麥芽長隨著鐵素質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，F(xiàn)S 50 mg/L處理的芽長最長，長于對照，但差異不顯著；FS 200 mg/L處理的芽長最短，短于對照，差異顯著。

HF處理的小麥根長與鐵素質(zhì)量濃度呈現(xiàn)一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，HF 10 mg/L處理根長最長，顯著長于對照；HF 200 mg/L處理根長最短，短于對照，差異不顯著。CI處理根長隨著鐵素質(zhì)量濃度的增加而降低，CI 10 mg/L處理根長最長，長于對照，但差異不顯著，當(dāng)質(zhì)量濃度達(dá)到200 mg/L時(shí)出現(xiàn)顯著的抑制現(xiàn)象。FS處理的小麥根長隨著鐵素質(zhì)量濃度的增加呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢，F(xiàn)S 50mg/L處理根長最長，顯著長于對照，F(xiàn)S 200mg/L處理根長最短，顯著短于對照。這個(gè)結(jié)果表明，適宜低質(zhì)量濃度的鐵素處理有利于小麥芽與根的生長，促進(jìn)小麥幼苗生長發(fā)育，高質(zhì)量濃度鐵素施入則會(huì)對小麥生長產(chǎn)生抑制作用。

2.2 不同類型和濃度鐵素對水稻種子萌發(fā)的影響

不同小寫字母表示差異達(dá)到0.05顯著水平。圖1 不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理對小麥種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Fig.1 Effects of different treatments on germination rate, germination index and vigor index of wheat seeds

不同小寫字母表示差異達(dá)到0.05顯著水平。圖2 不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理對小麥種子芽長和根長的影響Fig.2 Effects of different treatments on bug length and root length of wheat seeds

由圖3可知，各處理的水稻種子發(fā)芽率與對照相比差異均不顯著，施加鐵素對水稻發(fā)芽率無顯著促進(jìn)作用。3種不同類型鐵素處理相比較而言，HF不同質(zhì)量濃度處理與對照差異最小，作用效果較為平穩(wěn)。

在鐵素質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)，3種不同類型鐵素處理的發(fā)芽指數(shù)均高于對照，大小順序?yàn)椋篐F>CI>FS。在質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，HF處理的發(fā)芽指數(shù)高于對照，差異顯著；CI與FS處理的發(fā)芽指數(shù)高于對照，差異不顯著。在質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，F(xiàn)S處理的發(fā)芽指數(shù)高于對照，差異不顯著；CI處理的發(fā)芽指數(shù)低于對照，出現(xiàn)顯著的抑制現(xiàn)象。在質(zhì)量濃度為200 mg/L時(shí)，3種不同類型鐵素處理的發(fā)芽指數(shù)均低于對照且差異顯著。不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理的發(fā)芽指數(shù)優(yōu)異度表現(xiàn)為：HF 50 mg/L>HF 10 mg/L>HF 100 mg/L>CK> HF 200 mg/L、CI 50 mg/L>CI 10 mg/L>CK>CI 100 mg/L>CI 200 mg/L和FS 100 mg/L>FS 50 mg/L>FS 10 mg/L>CK> FS 200 mg/L。由此可以看出適宜低質(zhì)量濃度的鐵素處理可以提高水稻種子發(fā)芽指數(shù)，而高質(zhì)量濃度(200 mg/L)鐵素處理時(shí)水稻的發(fā)芽指數(shù)下降，影響種子萌發(fā)。

除200 mg/L FS處理的水稻種子活力指數(shù)低于對照外，其他處理均顯著高于對照。其中，在鐵素質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，水稻種子的活力指數(shù)大小順序?yàn)椋篐F>FS>CI。不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理活力指數(shù)優(yōu)異度表現(xiàn)為：HF 50 mg/L>HF 100 mg/L>HF 10 mg/L>HF 200 mg/L>CK、CI 100 mg/L>CI 50 mg/L>CI 10 mg/L>CI 200 mg/L>CK和FS 10 mg/L>FS 50 mg/L>FS 100 mg/L>CK>FS 200 mg/L。由此可以看出，適宜質(zhì)量濃度的HF處理可以提高水稻種子活力指數(shù)；不同鐵素對于水稻種子活力指數(shù)的影響不同，50 mg/L(HF)、100 mg/L(CI)、10 mg/L(FS)為各類型鐵素促進(jìn)水稻種子活力指數(shù)增加的最適質(zhì)量濃度，在所有處理中50 mg/L HF處理促進(jìn)效果最好。

不同小寫字母表示差異達(dá)到0.05顯著水平。圖3 不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理對水稻種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響Fig.3 Effects of different treatments on germination rate, germination index and vigor index of rice seeds

由圖4可知，HF、CI、FS 3種鐵素處理的水稻芽長均隨鐵素質(zhì)量濃度的增加呈先上升后下降的趨勢。HF鐵素質(zhì)量濃度為10 mg/L、50 mg/L時(shí)對水稻種子芽長的促進(jìn)效果顯著，當(dāng)質(zhì)量濃度超過50 mg/L時(shí)，芽長開始有所下降，但未出現(xiàn)抑制現(xiàn)象。CI和FS除質(zhì)量濃度為200 mg/L時(shí)對水稻芽長產(chǎn)生抑制現(xiàn)象外，其他處理均對水稻芽長有顯著的促進(jìn)作用，CI(50 mg/L)和FS(100 mg/)L處理芽長增加效果最明顯。

不同小寫字母表示差異達(dá)到0.05顯著水平。圖4 不同類型鐵素各質(zhì)量濃度處理對水稻種子芽長和根長的影響Fig.4 Effects of different treatments on bug length and root length of rice seeds

HF、CI、FS 3種鐵素各質(zhì)量濃度處理均未對水稻根長產(chǎn)生顯著的抑制作用。其中HF各質(zhì)量濃度處理均顯著促進(jìn)水稻根長增加，質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)效果最好，較對照根長增加了近2倍；CI處理中質(zhì)量濃度為10 mg/L時(shí)促進(jìn)效果最明顯；FS處理的水稻根長與質(zhì)量濃度的增加呈一定程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)質(zhì)量濃度為200 mg/L時(shí)水稻根長相對于對照有所降低，但無顯著差異。

以上結(jié)果表明，與對照相比，適宜低質(zhì)量濃度的鐵素處理有利于水稻芽與根的生長，可促進(jìn)水稻幼苗生長發(fā)育。與鐵素對小麥芽長的影響不同的是：高質(zhì)量濃度HF、CI鐵素施入不會(huì)對水稻芽長產(chǎn)生明顯的抑制作用，而高質(zhì)量濃度FS處理則會(huì)對水稻芽長產(chǎn)生抑制作用。各處理中對水稻根長及芽長生長促進(jìn)效果最佳的為50 mg/L HF處理。

3 討 論

本研究結(jié)果表明，低質(zhì)量濃度水鐵礦對小麥和水稻種子萌發(fā)具有良好的促進(jìn)作用。由于水鐵礦本身為三價(jià)鐵的氧化物，克服了螯合鐵和硫酸亞鐵在應(yīng)用時(shí)會(huì)氧化的問題，因此具有在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)踐中應(yīng)用的潛力。

種子萌發(fā)期是植物生活史中對鹽脅迫十分敏感的時(shí)期，植物能否在鹽堿環(huán)境中生存，首先取決于它能否發(fā)芽、發(fā)芽率的高低以及發(fā)芽速度[17]。發(fā)芽率是衡量種子在鐵素浸種條件下萌發(fā)能力的重要指標(biāo)。李威等研究結(jié)果表明，3種鐵素絮凝劑處理的小麥種子發(fā)芽率與其濃度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系[18]。周建榮研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度的EDTA-Fe存在時(shí)種子發(fā)芽均受到明顯的抑制，隨著EDTA-Fe濃度的增大，抑制作用呈現(xiàn)由強(qiáng)變?nèi)醯内厔輀19]。本研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，HF( 10 mg/L、50 mg/L、100 mg/L )和FS (50 mg/L )處理可顯著提高小麥種子發(fā)芽率；與小麥不同的是，3種鐵素對水稻種子發(fā)芽率無顯著影響。

活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率與生長量的綜合反映，能夠反映種子是否發(fā)芽和發(fā)芽是否整齊。在一定鹽濃度范圍內(nèi)，種子可以萌發(fā)但生長會(huì)受到抑制，導(dǎo)致種子活力指數(shù)降低[20]。發(fā)芽指數(shù)是反應(yīng)種子品質(zhì)好壞的一個(gè)重要參數(shù)。適宜濃度的鐵氧化物可以顯著提高柞樹種子活力指數(shù)，促進(jìn)柞樹種子萌發(fā)[21]。Lixia等研究結(jié)果表明，夏枯草種子在 NaCl+Na2CO3與Na2SO4混合鹽脅迫條件下，發(fā)芽指數(shù)隨著鹽濃度的升高而降低[22]。本研究結(jié)果表明，HF、CI和FS 3種鐵素在低濃度時(shí)均顯著地提高了小麥的發(fā)芽指數(shù)與活力指數(shù)，在高濃度時(shí)降低了小麥的活力指數(shù)和發(fā)芽指數(shù)。不同鐵素對于水稻種子活力指數(shù)的影響不同，HF和CI在低、中質(zhì)量濃度時(shí)對水稻種子萌發(fā)的促進(jìn)作用相比于FS更加明顯，高質(zhì)量濃度的CI、FS處理對于水稻種子發(fā)芽指數(shù)產(chǎn)生了顯著的抑制作用，這可能是因?yàn)檫^量供給的游離鐵使作物體內(nèi)自由基生產(chǎn)過剩而引起水稻鐵中毒[23]，但高質(zhì)量濃度的HF處理對于水稻發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)沒有產(chǎn)生顯著的抑制作用，這表明HF處理相比于CI和FS處理，其安全性更高。

根長和芽長受生長基質(zhì)的影響很大，因此根長和芽長常作為一個(gè)較為敏感的種子萌發(fā)指標(biāo)[24]。陳增明等研究發(fā)現(xiàn)，F(xiàn)S 、EDTA-Fe和氨基酸螯合鐵，在低濃度時(shí)可以促進(jìn)小麥幼苗根和芽的生長，而高濃度時(shí)則抑制小麥幼苗根和芽的生長[25]。本研究結(jié)果表明，HF、CI和FS 3種鐵素在低質(zhì)量濃度時(shí)顯著地促進(jìn)小麥和水稻芽和根的生長，高質(zhì)量濃度時(shí)抑制小麥、水稻芽和根的生長，其原因可能是高質(zhì)量濃度的鐵素溶液滲透壓高于水稻、小麥種子，導(dǎo)致水稻、小麥種子中自由水含量降低，其自身的養(yǎng)分代謝受到抑制。

4 結(jié) 論

低(10 mg/L)、中(50 mg/L)質(zhì)量濃度的HF、CI、FS對小麥和水稻種子萌發(fā)起到促進(jìn)作用，綜合表現(xiàn)優(yōu)劣順序?yàn)椋篐F>CI>FS。高濃度(200 mg/L)的CI和FS處理會(huì)對小麥、水稻種子萌發(fā)產(chǎn)生抑制作用。總體來看，HF對小麥和水稻種子萌發(fā)的促進(jìn)作用優(yōu)于CI和FS，有矯正作物缺鐵和促進(jìn)作物生長的潛力。