富氫水對蔬菜種子萌發和幼苗生長的影響

李嘉煒 張白鴿 陳瀟 余超然 何裕志 曹健 宋釗 黃智文

生活中，氫氣作為一種無色、無味、無毒、無害的清潔能源為大眾所熟知，很長一段時間以來，人們都認為氫氣是生理惰性氣體， 而近年來的研究發現， 氫氣有著不可忽視的生理學效應。在醫學上，富氫水已經被證實對炎癥、代謝類疾病、腫瘤等具有潛在治療效果[1]。在農業上，人們也逐漸發現氫氣能提高小麥、香石竹、紫花苜蓿、當歸等植株的抗逆性， 改善獼猴桃等植物的生長發育、 營養品質、貯存品質[2]。 但目前為止，富氫水對蔬菜是否有增效效果還不清楚。 因此，研究富氫水對蔬菜生長的影響，探明不同蔬菜的最佳富氫水使用濃度，對氫農業的生產實踐和推廣具有重要意義。 研究發現，氫氣與HO-1/CO 信號系統可能有密切關系[3]，并且它能通過提高抗氧化相關酶的活性、維持ROS 內穩態以及參與離子轉運的調控來提高植物的抗逆性[4，5]，如在鹽脅迫[6]、干旱脅迫[7]、滲透脅迫[8]、極端溫度脅迫[9]、重金屬離子脅迫[10]、強光脅迫[11]上都有明顯效果。 適宜濃度的富氫水還能顯著促進植株不定根的生長[12，13]，能有效延長插花商品期[14]，在花卉上有著巨大的潛力[15，16]。蔬菜集約化育苗是隨著現代農業的快速發展，農業規模化經營、專業化生產而形成的一項農業先進技術，具有許多優點[17]。種子發芽早且齊，幼苗根系發達，幼苗生長健壯是集約化育苗的核心目標[18]。 探討富氫水作為綠色新型農業投入品在蔬菜集約化育苗中的應用效果和具體操作方法，對研究育苗產業低碳增效技術具有重要意義。本研究使用不同濃度的富氫水對華南地區常見的5種蔬菜種子和種苗進行處理，通過比較生物量等生長指標和表型參數分析富氫水對蔬菜幼苗生長的影響， 明確不同蔬菜適宜的富氫水濃度，為富氫水在蔬菜育苗生產應用上提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

供試材料為菜心、番茄、黃瓜、冬瓜和苦瓜，共5種蔬菜，具體信息：菜心品種為碧清，番茄品種為紅箭，黃瓜品種為粵秀3 號，冬瓜品種為鐵柱2 號，苦瓜品種為豐綠，均由廣東科農蔬菜種業有限公司提供。供試富氫水制備設備為SPE 電解融氫式富氫水機（CA/H，中國，佛山卡沃羅設備有限公司），氫水濃度的測定采用便攜式溶解氫檢測儀（ENH-1000，日本）。

試驗于2020年6～12月在廣東省農業科學院蔬菜研究所重點實驗室進行。 試驗設置純水和高、中、低3 個濃度的富氫水處理，以純水為對照（富氫水濃度為0），每處理5 次重復。 先利用富氫水機制取飽和富氫水，再用純水稀釋至0.25 mmol/L（低濃度富氫水處理）、0.35 mmol/L（中濃度富氫水處理）、0.45 mmol/L（高濃度富氫水處理）。每種蔬菜每個重復50 粒種子， 將供試蔬菜種子用不同濃度富氫水浸種5 h 后放置于發芽盒， 用干凈紗布包好置于30℃保溫培養箱進行催芽。 處理第3 天統計發芽勢，第6 天統計發芽率。種子催芽6 d 后，每個重復選取發芽情況相近的25 粒種子播種在50 孔穴盤中， 每3 d 用發芽時對應濃度的富氫水處理， 25 d后取樣測定苗期指標。

1.2 測定指標及方法

①發芽勢和發芽率 發芽勢（%）=發芽高峰期發芽的種子數/供試種子數×100， 發芽率（%）=發芽數/供試種子數×100。

②生物量 播種30 d 后采收幼苗， 將幼苗的根、莖、葉用剪刀分開，分別測量鮮質量，然后在恒溫烘箱中95℃殺青20 min，然后65℃烘至恒重，測量干質量。

③葉面積 將幼苗葉片剪下后， 利用掃描儀器（Microtek ScanMaker i800 Plus，中國）進行葉面掃描，利用萬深LA-S 葉面積分析系統進行葉面積測量。

④根系指標 將根系洗凈后，利用掃描儀器進行掃描，測量根長、根表面積、根體積、根平均直徑等指標。

1.3 數據處理與分析

試驗數據采用SPSS 23 進行分析，多重比較采用圖基檢驗。

2 結果與分析

2.1 不同濃度富氫水對蔬菜種子發芽狀況的影響

如表1、2 所示，菜心、番茄、黃瓜、冬瓜種子的發芽勢和發芽率都隨富氫水濃度的增加呈先增加后降低的趨勢。 其中，菜心種子的發芽勢和發芽率在0.35 mmol/L 富氫水處理下最高， 分別比純水處理增加15.91%和8.64%；番茄、黃瓜、冬瓜種子的發芽勢及發芽率都在0.25 mmol/L 富氫水處理下最高，與純水處理相比，發芽勢分別增加13.5%、11.6%、12.0%；發芽率分別增加6.4%、4.8%、5.3%。 當富氫水濃度為0.45 mmol/L 時，菜心、番茄、黃瓜、冬瓜種子的發芽都受到不同程度的抑制，與純水處理相比，發芽勢分別降低16.2%、22.8%、24.2%、2.0%， 發芽率分別降低15.3%、20.9%、23.0%、2.6%。 苦瓜種子發芽勢及發芽率在純水和不同濃度富氫水處理下差異均不顯著。

表1 不同濃度富氫水對5種蔬菜種子發芽勢的影響 %

表2 不同濃度富氫水對5種蔬菜種子發芽率的影響 %

2.2 不同濃度富氫水對蔬菜幼苗生物量的影響

如表3 所示， 富氫水處理能顯著促進菜心、番茄、黃瓜、冬瓜幼苗的生物量增長，且隨富氫水濃度的增加，4種蔬菜的生物量呈先增加后降低趨勢。菜心和冬瓜的生物量在0.25 mmol/L 的富氫水處理下最高， 分別比純水處理下的增加21.57%和25.23%； 番茄和黃瓜的生物量在0.35 mmol/L富氫水處理下最高，分別比純水處理下的增加47.06%和44.58%。 苦瓜幼苗的生物量在不同富氫水處理下和純水處理下差異不顯著。

表3 不同濃度富氫水對5種蔬菜生物量的影響 g

2.3 不同濃度富氫水對蔬菜幼苗葉片生長的影響

如 表4、5 所 示，菜心、番茄、黃瓜、冬瓜幼苗的葉鮮質量及葉面積都隨富氫水濃度的增加呈先增加后降低的趨勢。 綜合分析葉鮮質量及葉面積可知，菜心和冬瓜的葉片在0.25 mmol/L富氫水處理下生長最好， 葉鮮質量分別比純水處理下增加8.61%和29.18%；番茄和黃瓜的葉片在0.35 mmol/L 富氫水處理下生長最好，葉鮮質量分別比純水處理增加46.32%和16.02%；葉面積分別比純水處理增加37.69%和23.17%。 不同濃度的富氫水處理對苦瓜幼苗葉片的生長沒有顯著影響，且與純水處理下的均不存在顯著差異。

表4 不同濃度富氫水對5種蔬菜葉鮮質量的影響 g

2.4 不同濃度富氫水對蔬菜根系指標的影響

表5 不同濃度富氫水對5種蔬菜葉面積的影響 mm2

如表6、7 所示，菜心、番茄和黃瓜的根鮮質量隨富氫水濃度增加均呈先增加后降低的趨勢。菜心在富氫水濃度為0.25 mmol/L 時根鮮質量及根長達到最大值，分別比對照組增加了26.7%和20.8%；番茄和黃瓜在富氫水濃度為0.35 mmol/L 時， 根鮮質量、根長、根表面積達到最大值，該濃度下番茄的根鮮質量、根長、根表面積、根體積分別比對照組增加了35.56%、21.14%、31.06%、66.67%，黃瓜的根鮮質量、根長、根表面積分別比對照組增加了30.77%、47.57%、28.43%。0.25 mmol/L 富氫水處理能提高冬瓜的根鮮質量，相比純水處理，顯著提高37.73%，但不同濃度富氫水處理對冬瓜根長、 根表面積、根體積、根平均直徑沒有顯著影響。 不同濃度富氫水處理對苦瓜根系的生長不存在顯著影響。

表6 不同濃度富氫水對5種蔬菜根鮮質量的影響 g

表7 不同濃度富氫水對5種蔬菜根系的影響

3 討論與結論

3.1 討論

本研究中，富氫水顯著提升菜心、番茄、黃瓜、冬瓜種子的發芽率，這與丁芳芳等[19]報道的富氫水促進當歸種子發芽研究結果一致，這可能是因為富氫水可以調控種子發芽相關的酶活性從而影響種子發芽。田婧蕓等[6]在玉米幼苗生長試驗中發現，富氫水能促進玉米幼苗的光合作用，降低鹽脅迫對幼苗生長的抑制。 本研究中，富氫水處理顯著提升了菜心、番茄、黃瓜、冬瓜幼苗的葉面積和葉鮮質量，表明富氫水可能通過促進葉片生長，增加幼苗光合作用，進而促進植株生物量的積累。 富氫水處理對苦瓜種苗無明顯影響，可能是由于苦瓜種皮相對較厚，該試驗條件下的富氫水濃度不足以使苦瓜產生效果，下一步建議增加富氫水處理濃度進行苦瓜相關試驗。

在本研究中，菜心、番茄、黃瓜、冬瓜4種蔬菜的種子發芽和幼苗生長隨富氫水濃度的增加均呈先上升后下降的趨勢，表明過高濃度的富氫水會抑制種苗生長。 宋韻瓊等[20]研究也指出，適合濃度的富氫水澆灌能促進小蒼蘭種球和花莖的生長，但過高濃度的富氫水會降低促進效果，與本研究結果一致，這表明富氫水對植株生長的影響存在明顯的劑量效應。這可能是因為富氫水參與了相關激素信號傳導或激素代謝，從而影響植物的生長[21]。 本研究中富氫水對植物的效應與激素影響效應類似，脫落酸、赤霉素、生長素等植物激素都對幼苗生長有重要影響，富氫水是否也通過影響植物激素代謝從而影響種苗生長，還需要進一步研究。

不同蔬菜最適富氫水濃度有所差異，且同種蔬菜種子萌發期和幼苗期的最適富氫水濃度也有所不同。 在前人研究里，植株的最適富氫水濃度多為飽和氫水的50%（50% HRW）[19，20]，但因制氫手段的不同，50% HRW 的實際溶解氫氣的濃度可能在0.20～0.35 mmol/L[22]。 本研究中，除冬瓜的種子最適濃度與幼苗最適濃度都為0.25 mmol/L 以外， 菜心的最適富氫水濃度在種子期為0.35 mmol/L， 幼苗期卻降低到0.25 mmol/L；與菜心相反，番茄和黃瓜的最適富氫水濃度在種子期為0.25 mmol/L， 而幼苗期卻升高到了0.35 mmol/L， 這說明富氫水的作用效果不僅與蔬菜的種類有關，還與蔬菜的生長時期有關。

3.2 結論

富氫水對不同蔬菜以及同種蔬菜的不同時期作用效果存在差異： 菜心種子最適富氫水濃度為0.35 mmol/L，幼苗最適濃度為0.25 mmol/L；番茄、黃瓜種子最適富氫水濃度為0.25 mmol/L， 幼苗最適濃度為0.35 mmol/L； 冬瓜的種子和幼苗的最適富氫水濃度均為0.25 mmol/L； 苦瓜不論種子和幼苗在本試驗富氫水濃度下作用效果都不明顯。 可見，在實際生產中如果要更好地利用氫水，需要確保合適的氫水濃度以及合適的蔬菜品種才能保證增益。