富氢水对蔬菜种子萌发和幼苗生长的影响

李嘉炜 张白鸽 陈潇 余超然 何裕志 曹健 宋钊 黄智文

生活中，氢气作为一种无色、无味、无毒、无害的清洁能源为大众所熟知，很长一段时间以来，人们都认为氢气是生理惰性气体， 而近年来的研究发现， 氢气有着不可忽视的生理学效应。在医学上，富氢水已经被证实对炎症、代谢类疾病、肿瘤等具有潜在治疗效果[1]。在农业上，人们也逐渐发现氢气能提高小麦、香石竹、紫花苜蓿、当归等植株的抗逆性， 改善猕猴桃等植物的生长发育、 营养品质、贮存品质[2]。 但目前为止，富氢水对蔬菜是否有增效效果还不清楚。 因此，研究富氢水对蔬菜生长的影响，探明不同蔬菜的最佳富氢水使用浓度，对氢农业的生产实践和推广具有重要意义。 研究发现，氢气与HO-1/CO 信号系统可能有密切关系[3]，并且它能通过提高抗氧化相关酶的活性、维持ROS 内稳态以及参与离子转运的调控来提高植物的抗逆性[4，5]，如在盐胁迫[6]、干旱胁迫[7]、渗透胁迫[8]、极端温度胁迫[9]、重金属离子胁迫[10]、强光胁迫[11]上都有明显效果。 适宜浓度的富氢水还能显著促进植株不定根的生长[12，13]，能有效延长插花商品期[14]，在花卉上有着巨大的潜力[15，16]。蔬菜集约化育苗是随着现代农业的快速发展，农业规模化经营、专业化生产而形成的一项农业先进技术，具有许多优点[17]。种子发芽早且齐，幼苗根系发达，幼苗生长健壮是集约化育苗的核心目标[18]。 探讨富氢水作为绿色新型农业投入品在蔬菜集约化育苗中的应用效果和具体操作方法，对研究育苗产业低碳增效技术具有重要意义。本研究使用不同浓度的富氢水对华南地区常见的5种蔬菜种子和种苗进行处理，通过比较生物量等生长指标和表型参数分析富氢水对蔬菜幼苗生长的影响， 明确不同蔬菜适宜的富氢水浓度，为富氢水在蔬菜育苗生产应用上提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

供试材料为菜心、番茄、黄瓜、冬瓜和苦瓜，共5种蔬菜，具体信息：菜心品种为碧清，番茄品种为红箭，黄瓜品种为粤秀3 号，冬瓜品种为铁柱2 号，苦瓜品种为丰绿，均由广东科农蔬菜种业有限公司提供。供试富氢水制备设备为SPE 电解融氢式富氢水机（CA/H，中国，佛山卡沃罗设备有限公司），氢水浓度的测定采用便携式溶解氢检测仪（ENH-1000，日本）。

试验于2020年6～12月在广东省农业科学院蔬菜研究所重点实验室进行。 试验设置纯水和高、中、低3 个浓度的富氢水处理，以纯水为对照（富氢水浓度为0），每处理5 次重复。 先利用富氢水机制取饱和富氢水，再用纯水稀释至0.25 mmol/L（低浓度富氢水处理）、0.35 mmol/L（中浓度富氢水处理）、0.45 mmol/L（高浓度富氢水处理）。每种蔬菜每个重复50 粒种子， 将供试蔬菜种子用不同浓度富氢水浸种5 h 后放置于发芽盒， 用干净纱布包好置于30℃保温培养箱进行催芽。 处理第3 天统计发芽势，第6 天统计发芽率。种子催芽6 d 后，每个重复选取发芽情况相近的25 粒种子播种在50 孔穴盘中， 每3 d 用发芽时对应浓度的富氢水处理， 25 d后取样测定苗期指标。

1.2 测定指标及方法

①发芽势和发芽率 发芽势（%）=发芽高峰期发芽的种子数/供试种子数×100， 发芽率（%）=发芽数/供试种子数×100。

②生物量 播种30 d 后采收幼苗， 将幼苗的根、茎、叶用剪刀分开，分别测量鲜质量，然后在恒温烘箱中95℃杀青20 min，然后65℃烘至恒重，测量干质量。

③叶面积 将幼苗叶片剪下后， 利用扫描仪器（Microtek ScanMaker i800 Plus，中国）进行叶面扫描，利用万深LA-S 叶面积分析系统进行叶面积测量。

④根系指标 将根系洗净后，利用扫描仪器进行扫描，测量根长、根表面积、根体积、根平均直径等指标。

1.3 数据处理与分析

试验数据采用SPSS 23 进行分析，多重比较采用图基检验。

2 结果与分析

2.1 不同浓度富氢水对蔬菜种子发芽状况的影响

如表1、2 所示，菜心、番茄、黄瓜、冬瓜种子的发芽势和发芽率都随富氢水浓度的增加呈先增加后降低的趋势。 其中，菜心种子的发芽势和发芽率在0.35 mmol/L 富氢水处理下最高， 分别比纯水处理增加15.91%和8.64%；番茄、黄瓜、冬瓜种子的发芽势及发芽率都在0.25 mmol/L 富氢水处理下最高，与纯水处理相比，发芽势分别增加13.5%、11.6%、12.0%；发芽率分别增加6.4%、4.8%、5.3%。 当富氢水浓度为0.45 mmol/L 时，菜心、番茄、黄瓜、冬瓜种子的发芽都受到不同程度的抑制，与纯水处理相比，发芽势分别降低16.2%、22.8%、24.2%、2.0%， 发芽率分别降低15.3%、20.9%、23.0%、2.6%。 苦瓜种子发芽势及发芽率在纯水和不同浓度富氢水处理下差异均不显著。

表1 不同浓度富氢水对5种蔬菜种子发芽势的影响 %

表2 不同浓度富氢水对5种蔬菜种子发芽率的影响 %

2.2 不同浓度富氢水对蔬菜幼苗生物量的影响

如表3 所示， 富氢水处理能显著促进菜心、番茄、黄瓜、冬瓜幼苗的生物量增长，且随富氢水浓度的增加，4种蔬菜的生物量呈先增加后降低趋势。菜心和冬瓜的生物量在0.25 mmol/L 的富氢水处理下最高， 分别比纯水处理下的增加21.57%和25.23%； 番茄和黄瓜的生物量在0.35 mmol/L富氢水处理下最高，分别比纯水处理下的增加47.06%和44.58%。 苦瓜幼苗的生物量在不同富氢水处理下和纯水处理下差异不显著。

表3 不同浓度富氢水对5种蔬菜生物量的影响 g

2.3 不同浓度富氢水对蔬菜幼苗叶片生长的影响

如 表4、5 所 示，菜心、番茄、黄瓜、冬瓜幼苗的叶鲜质量及叶面积都随富氢水浓度的增加呈先增加后降低的趋势。 综合分析叶鲜质量及叶面积可知，菜心和冬瓜的叶片在0.25 mmol/L富氢水处理下生长最好， 叶鲜质量分别比纯水处理下增加8.61%和29.18%；番茄和黄瓜的叶片在0.35 mmol/L 富氢水处理下生长最好，叶鲜质量分别比纯水处理增加46.32%和16.02%；叶面积分别比纯水处理增加37.69%和23.17%。 不同浓度的富氢水处理对苦瓜幼苗叶片的生长没有显著影响，且与纯水处理下的均不存在显著差异。

表4 不同浓度富氢水对5种蔬菜叶鲜质量的影响 g

2.4 不同浓度富氢水对蔬菜根系指标的影响

表5 不同浓度富氢水对5种蔬菜叶面积的影响 mm2

如表6、7 所示，菜心、番茄和黄瓜的根鲜质量随富氢水浓度增加均呈先增加后降低的趋势。菜心在富氢水浓度为0.25 mmol/L 时根鲜质量及根长达到最大值，分别比对照组增加了26.7%和20.8%；番茄和黄瓜在富氢水浓度为0.35 mmol/L 时， 根鲜质量、根长、根表面积达到最大值，该浓度下番茄的根鲜质量、根长、根表面积、根体积分别比对照组增加了35.56%、21.14%、31.06%、66.67%，黄瓜的根鲜质量、根长、根表面积分别比对照组增加了30.77%、47.57%、28.43%。0.25 mmol/L 富氢水处理能提高冬瓜的根鲜质量，相比纯水处理，显著提高37.73%，但不同浓度富氢水处理对冬瓜根长、 根表面积、根体积、根平均直径没有显著影响。 不同浓度富氢水处理对苦瓜根系的生长不存在显著影响。

表6 不同浓度富氢水对5种蔬菜根鲜质量的影响 g

表7 不同浓度富氢水对5种蔬菜根系的影响

3 讨论与结论

3.1 讨论

本研究中，富氢水显著提升菜心、番茄、黄瓜、冬瓜种子的发芽率，这与丁芳芳等[19]报道的富氢水促进当归种子发芽研究结果一致，这可能是因为富氢水可以调控种子发芽相关的酶活性从而影响种子发芽。田婧芸等[6]在玉米幼苗生长试验中发现，富氢水能促进玉米幼苗的光合作用，降低盐胁迫对幼苗生长的抑制。 本研究中，富氢水处理显著提升了菜心、番茄、黄瓜、冬瓜幼苗的叶面积和叶鲜质量，表明富氢水可能通过促进叶片生长，增加幼苗光合作用，进而促进植株生物量的积累。 富氢水处理对苦瓜种苗无明显影响，可能是由于苦瓜种皮相对较厚，该试验条件下的富氢水浓度不足以使苦瓜产生效果，下一步建议增加富氢水处理浓度进行苦瓜相关试验。

在本研究中，菜心、番茄、黄瓜、冬瓜4种蔬菜的种子发芽和幼苗生长随富氢水浓度的增加均呈先上升后下降的趋势，表明过高浓度的富氢水会抑制种苗生长。 宋韵琼等[20]研究也指出，适合浓度的富氢水浇灌能促进小苍兰种球和花茎的生长，但过高浓度的富氢水会降低促进效果，与本研究结果一致，这表明富氢水对植株生长的影响存在明显的剂量效应。这可能是因为富氢水参与了相关激素信号传导或激素代谢，从而影响植物的生长[21]。 本研究中富氢水对植物的效应与激素影响效应类似，脱落酸、赤霉素、生长素等植物激素都对幼苗生长有重要影响，富氢水是否也通过影响植物激素代谢从而影响种苗生长，还需要进一步研究。

不同蔬菜最适富氢水浓度有所差异，且同种蔬菜种子萌发期和幼苗期的最适富氢水浓度也有所不同。 在前人研究里，植株的最适富氢水浓度多为饱和氢水的50%（50% HRW）[19，20]，但因制氢手段的不同，50% HRW 的实际溶解氢气的浓度可能在0.20～0.35 mmol/L[22]。 本研究中，除冬瓜的种子最适浓度与幼苗最适浓度都为0.25 mmol/L 以外， 菜心的最适富氢水浓度在种子期为0.35 mmol/L， 幼苗期却降低到0.25 mmol/L；与菜心相反，番茄和黄瓜的最适富氢水浓度在种子期为0.25 mmol/L， 而幼苗期却升高到了0.35 mmol/L， 这说明富氢水的作用效果不仅与蔬菜的种类有关，还与蔬菜的生长时期有关。

3.2 结论

富氢水对不同蔬菜以及同种蔬菜的不同时期作用效果存在差异： 菜心种子最适富氢水浓度为0.35 mmol/L，幼苗最适浓度为0.25 mmol/L；番茄、黄瓜种子最适富氢水浓度为0.25 mmol/L， 幼苗最适浓度为0.35 mmol/L； 冬瓜的种子和幼苗的最适富氢水浓度均为0.25 mmol/L； 苦瓜不论种子和幼苗在本试验富氢水浓度下作用效果都不明显。 可见，在实际生产中如果要更好地利用氢水，需要确保合适的氢水浓度以及合适的蔬菜品种才能保证增益。