砷胁迫对三七生长及生物量的影响

2014-03-24孙晶晶祖艳群吴炯夏峰冯光泉马妮

特产研究 2014年3期

孙晶晶，祖艳群※，吴炯，夏峰，冯光泉，马妮

(1．云南农业大学资源与环境学院，昆明650201；2．云南省环境保护厅，昆明650032； 3．文山州三七研究院，云南文山663000)

砷(As)广泛存在于自然界中，对植物有剧毒，被美国毒物和疾病登记署列为最严重的10种有毒物之首[1，2]。随着工农业不断地发展，大量工业废水、废渣的排放，含砷农药、除草剂及化肥的大量施用，全球每年输入土壤中的砷达5.2t～11.2×104t，由于矿石燃烧的使用排入大气中的砷约6×104t，因此，土壤砷污染已成为一个全球性重要的环境问题[3，4]。日本砷污染的农田占重金属污染的农田的25%；我国的砷矿广泛分布在湖南、云南、广西、广东等省份，云南昆明红壤中砷的含量达到16.4mg/kg～19.20mg/kg，均值为17.8mg/kg[5，6]。

三七[Panaxnotoginseng(Burk.) F.H.Chen]是五加科人参属多年生草本药用植物，具有散瘀止血、消肿定痛等功效，云南省文山州是三七的主产区。调查显示，文山三七种植区土壤砷含量偏高(6.9mg/kg～242.0mg/kg)，平均砷含量为65.6mg/kg[7]。文山州的高砷背景是在地壳原始化学成分作用下形成的[8]。农田土壤中砷超标或污染使农作物产量和品质受到影响[9～12]。目前，关于土壤中砷含量对小麦、烤烟、辣椒等农作物的生长、生理、品质已有一定的研究[13～15]，但还缺乏砷胁迫对三七生长发育的影响。探索土壤砷胁迫对三七生长形态和生物量的影响，为研究三七对土壤砷污染的响应机制提供理论依据。

1 材料与方法

1.1试验材料

田间试验在文山三七研究院实验基地进行，小区面积3m2。供试三七为文山当地常规品种。

1.2试验设计

本试验共设6个不同砷水平处理，分别为0mg/kg(对照)、20mg/kg、80mg/kg、140mg/kg、200mg/kg、260mg/kg，采用Na3AsO4配制。每个处理有3次重复，试验随机区组设计。2013年2月下旬，将各小区0cm～15cm层土壤与不同处理Na3AsO4混合均匀。于2013年3月移栽三七的1年生小苗，每个小区种植1年生三七132株。常规栽培和管理。在2013年6月23日(三七营养旺盛生长期)和2013年8月23日(三七开花盛期)2个生长时期，每个小区分别采集15株，测定株高、茎基直径、叶片数、叶中长、叶中宽、叶面积指数和生物量。

1.3指标测定与方法

采用常规方法。株高用卷尺测量；叶中长与叶中宽用直尺测量；茎基直径用游标卡尺测量。株高指三七地上茎基部至复叶柄基部的长度(不含花轴)；茎基直径指三七地上茎基部的直径；叶中长与叶中宽均值掌状复叶的中叶长与宽。

将采回的三七植株样本分为花、茎叶、芦头、根系4个部位，自来水冲洗，然后去离子水冲洗。将三七花、茎叶、芦头、根系洗干净后装入纸袋中，放入鼓风干燥箱，先将温度调到105℃下进行0.5h的杀青，然后在65℃下烘干，待冷却后称重，测得三七各部位的生物量。

叶面积指数(LAI)=单位土地面积上的总叶面积/单位土地面积

相对生长速率(RGR)=(lnW2-lnW1)/t，其中W1、W2分别表示第1次和第2次测定的总生物量(g)，t表示2次测定的时间间隔(d)。

1.4统计分析

所有数据的平均值、标准差采用Excel2007软件，数据的方差分析和相关性分析采用SPSS 17.0软件。

2 结果与分析

2.1砷处理对三七株型特征的影响

三七株高在砷浓度≤80mg/kg时没有显著影响，砷浓度≥140mg/kg时抑制了植株生长(图1)。与对照(CK)相比，营养生长期和开花期时80mg/kg砷处理植株长势最好，株高最高，分别提高了8%和9%。砷为260mg/kg时，2个生长时期株高降低幅度最大，分别减少了3.8%和4.1%。

营养生长期，三七的茎基直径与CK相比没有显著影响。开花期，砷浓度≤80mg/kg时，与CK相比，茎基直径无显著影响；在砷浓度≥140mg/kg时，茎基直径显著降低，抑制了植株生长，260mg/kg砷处理下茎基直径最小，比对照减少了15.8%(图2)。

不同砷处理影响根系与地上部分生物量的比值，2个生长时期三七的根冠比值逐渐变小，比CK分别降低了3.85%和15.68%；200mg/kg砷处理显著降低了根系与地上生物量的比值(图3)。

不同砷处理与三七株型的相关性比较，营养生长期时，与株高、根冠比具有显著负相关，与茎基直径负相关；开花期时，与株高具有显著负相关，与茎基直径、根冠比均呈极显著负相关(表1)。

表1土壤砷与三七株型的相关性

Table 1The correlation of Soil arsenic and P.notoginseng plant type

注：n=18，**.极显著水平(P<0.01)；*.显著水平(P<0.05)。

Note:n=18，**.indicated significant correlation atP<0.01 level；*.indicated significant correlation atP<0.05 level.

2.2砷处理对三七叶型特征的影响

砷浓度≤80mg/kg时对三七在营养生长期和开花期时的叶片数没有显著影响；砷浓度≥140mg/kg时，叶片数随着土壤砷含量的增加而降低，且土壤中砷含量越高，与CK的差异越大。砷浓度为260mg/kg时，2个时期的叶片数分别比CK降低了5.1%和8.7%。

与CK相比，2个生长时期叶中长在砷浓度260mg/kg时最小，分别减小了14.4%和11.6%；叶中宽在开花期砷浓度为200mg/kg时最小，减少了14.6%。

随着砷浓度的增加，三七叶面积指数呈下降趋势，砷浓度最高的处理叶面积指数最小，砷浓度为260mg/kg时，2个时期的叶面积指数分别比CK减少了27.4%和27.3%，植株出现一定程度的萎缩、叶片皱缩。说明高浓度的砷不仅影响了植株的叶片数、叶中长、叶中宽和叶面积指数，也使植株中毒(表2)。

不同砷处理与三七叶型的相关性比较，营养生长期砷浓度与三七叶片数呈显著负相关；开花期砷浓度与三七叶片数呈极显著负相关；2个生长期砷浓度与叶中长、叶中宽和叶面积指数均呈极显著负相关(表3)。

表2土壤砷对三七叶型特征的影响

Table2

Effect of soil arsenic on leaf type of P.notoginseng

注：表中数据为(平均值±标准差)。不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。

Note:data were means±SD.The different small letters indicated significant difference atP<0.05 level.

表3土壤砷与三七叶型的相关性

Table 3The correlation of soil arsenic and P.notoginseng leaf type

注：n=18，**.极显著水平(P<0.01)；*.显著水平(P<0.05)。

Note:n=18,**.indicated significant correlation atP<0.01 level;*.indicated significant correlation atP<0.05 level.

2.3砷处理对三七相对生长速率和生物量的影响

砷≤80mg/kg时，三七的相对生长速率无明显变化；当砷≥140mg/kg时，相对生长速率有所降低；砷浓度为260mg/kg时，相对生长速率比CK降低了22.22%。不同砷处理与三七相对生长速率呈极显著负相关，相关系数r=-0.754**(P<0.01)(表4)。

表4土壤砷对三七相对生长速率的影响

Table4

Effect of Soil arsenic relative growth rate of Panax notoginseng

注：表中数据为(平均值±标准差)。不同小写字母表示在P<0.05水平上差异显著。

Note:Data were means±SD.The different small letters indicateD significant difference atP<0.05 level.

三七营养生长期茎叶与根系的生物量在低砷浓度时无显著影响，砷≥140mg/kg时显著降低，砷≥200mg/kg时，分别比CK降低了16.85%、20.86%和19.65%。不同砷处理与三七总生物量相关系数r=-0.857**(P<0.01)，呈极显著负相关(图4)。

Fig.4EffectofAsonbiomassofP.notoginsenginvegetativestage

开花期，砷浓度为20mg/kg时，三七花、茎叶、根系生物量及总生物量有所增加，增加率分别为19.05%、7.63%、6.98%和7.81%；砷浓度为260mg/kg时显著降低，降低率分别为23.81%、19.49%、31.01%和27.20%。不同砷处理与三七总生物量相关系数r=-0.931**(P<0.01)，呈极显著负相关。由此可见，土壤中砷在低浓度时三七生长无明显变化，到高浓度时会抑制三七各部位的正常生长，而且浓度越大对生物量的抑制程度越大(图5)。

3 讨论

砷是植物生长的非必需元素。有些文献报道，低浓度砷对植物生长有促进作用，高浓度就抑制植物的生长。如陈同斌[5]报道，低浓度砷处理对水稻的生长有刺激作用，当≥40mg/kg时，水稻的生长会受到阻碍。土壤喷洒低浓度砷酸盐能促进药用植物黄岑(ScutellariabaicalensisGeorgi)的生长及根系发育，然而高浓度砷会降低其生物量[16]。本试验研究表明，砷处理在低浓度时对三七的株高、茎基直径与对照相比无显著影响，然而砷≥140mg/kg时，高浓度砷会阻碍三七的生长发育，对三七产生毒害作用，即植株矮小、叶片卷曲，生长缓慢。相关性分析，营养生长期砷浓度与三七的株高呈显著负相关，与茎基直径呈负相关；开花期砷浓度与三七株高呈显著负相关，与茎基直径呈极显著负相关。

有研究表明，砷化物有还原作用，可以提高植物细胞中氧化酶的活性，对植物生长有刺激作用[17]；过量砷可降低植物的蒸腾作用，抑制根系活性，阻碍植物体内水分、养分的吸收和运输并干扰酶促作用，导致植物生长发育受阻，产量、品质降低[18]。不同植物种类对砷的忍耐性差异大，其体内积累的砷浓度不同，表现的现状也就不同。三七根系与地上部分生物量的比值随着砷含量的增加比值逐渐变小，显著低于对照。说明高砷处理下对地上部分损伤相对较小，对根系的损伤相对较大，即高砷抑制了根系生长，这与刘全吉得出砷对根系的毒害作用远大于对地上部分的影响一致[19]。2个生长时期砷处理与根冠比分别呈显著负相关和极显著负相关性。

三七的叶型特征指标能够反映植物适应环境变化所形成的生存对策，具有重要的生态学意义。叶面积指数(LAI)是反映植物群体生长状况的一个重要指标，其大小直接与最终产量高低密切相关。本研究，低浓度下的砷使三七叶片数、叶中长、叶中宽、叶面积指数与对照相比无明显变化；高浓度下导致叶片数较少，叶中长和叶中宽变短小，叶面积指数减小。此研究结果与砷对烤烟叶片数和叶面积的影响类似[13]。相关性比较，营养生长期砷浓度与三七叶片数呈显著负相关；开花期砷浓度与三七叶片数呈极显著负相关。2个生长期砷浓度与叶中长、叶中宽和叶面积指数均呈极显著负相关。

三七相对生长速率在砷为高浓度时降低，说明在高浓度时三七受到毒害作用，生长受到抑制。不同砷处理与三七相对生长速率呈极显著负相关。同时，三七花、茎、叶、根系的生物量及总生物量在低浓度时无显著影响，高浓度时起阻碍作用，此结果与李海波[20]等结果一致。相关性比较，2个生长时期，不同砷处理与三七总生物量均呈极显著负相关。

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