富氫水對蔬菜種子萌發(fā)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(rèn)為氫氣是生理惰性氣體， 而近年來的研究發(fā)現(xiàn)， 氫氣有著不可忽視的生理學(xué)效應(yīng)。在醫(yī)學(xué)上，富氫水已經(jīng)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(nóng)業(yè)上，人們也逐漸發(fā)現(xiàn)氫氣能提高小麥、香石竹、紫花苜蓿、當(dāng)歸等植株的抗逆性， 改善獼猴桃等植物的生長發(fā)育、 營養(yǎng)品質(zhì)、貯存品質(zhì)[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(nóng)業(yè)的生產(chǎn)實踐和推廣具有重要意義。 研究發(fā)現(xiàn)，氫氣與HO-1/CO 信號系統(tǒng)可能有密切關(guān)系[3]，并且它能通過提高抗氧化相關(guān)酶的活性、維持ROS 內(nèi)穩(wěn)態(tài)以及參與離子轉(zhuǎn)運的調(diào)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(qiáng)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(jìn)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(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)規(guī)?；?jīng)營、專業(yè)化生產(chǎn)而形成的一項農(nóng)業(yè)先進(jìn)技術(shù)，具有許多優(yōu)點[17]。種子發(fā)芽早且齊，幼苗根系發(fā)達(dá)，幼苗生長健壯是集約化育苗的核心目標(biāo)[18]。 探討富氫水作為綠色新型農(nóng)業(yè)投入品在蔬菜集約化育苗中的應(yīng)用效果和具體操作方法，對研究育苗產(chǎn)業(yè)低碳增效技術(shù)具有重要意義。本研究使用不同濃度的富氫水對華南地區(qū)常見的5種蔬菜種子和種苗進(jìn)行處理，通過比較生物量等生長指標(biāo)和表型參數(shù)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(chǎn)應(yīng)用上提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設(shè)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(nóng)蔬菜種業(yè)有限公司提供。供試富氫水制備設(shè)備為SPE 電解融氫式富氫水機(jī)（CA/H，中國，佛山卡沃羅設(shè)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(nóng)業(yè)科學(xué)院蔬菜研究所重點實驗室進(jìn)行。 試驗設(shè)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(fù)。 先利用富氫水機(jī)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(fù)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(fā)芽盒， 用干凈紗布包好置于30℃保溫培養(yǎng)箱進(jìn)行催芽。 處理第3 天統(tǒng)計發(fā)芽勢，第6 天統(tǒng)計發(fā)芽率。種子催芽6 d 后，每個重復(fù)選取發(fā)芽情況相近的25 粒種子播種在50 孔穴盤中， 每3 d 用發(fā)芽時對應(yīng)濃度的富氫水處理， 25 d后取樣測定苗期指標(biāo)。

1.2 測定指標(biāo)及方法

①發(fā)芽勢和發(fā)芽率 發(fā)芽勢（%）=發(fā)芽高峰期發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100， 發(fā)芽率（%）=發(fā)芽數(shù)/供試種子數(shù)×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(zhì)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(zhì)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(jìn)行葉面掃描，利用萬深LA-S 葉面積分析系統(tǒng)進(jìn)行葉面積測量。

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

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)采用SPSS 23 進(jìn)行分析，多重比較采用圖基檢驗。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同濃度富氫水對蔬菜種子發(fā)芽狀況的影響

如表1、2 所示，菜心、番茄、黃瓜、冬瓜種子的發(fā)芽勢和發(fā)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(fā)芽勢和發(fā)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(fā)芽勢及發(fā)芽率都在0.25 mmol/L 富氫水處理下最高，與純水處理相比，發(fā)芽勢分別增加13.5%、11.6%、12.0%；發(fā)芽率分別增加6.4%、4.8%、5.3%。 當(dāng)富氫水濃度為0.45 mmol/L 時，菜心、番茄、黃瓜、冬瓜種子的發(fā)芽都受到不同程度的抑制，與純水處理相比，發(fā)芽勢分別降低16.2%、22.8%、24.2%、2.0%， 發(fā)芽率分別降低15.3%、20.9%、23.0%、2.6%。 苦瓜種子發(fā)芽勢及發(fā)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(fā)芽勢的影響 %

表2 不同濃度富氫水對5種蔬菜種子發(fā)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(jìn)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(zhì)量的影響 g

2.4 不同濃度富氫水對蔬菜根系指標(biāo)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(zhì)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(zhì)量及根長達(dá)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(zhì)量、根長、根表面積達(dá)到最大值，該濃度下番茄的根鮮質(zhì)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(zhì)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(zhì)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?jīng)]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(zhì)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(jié)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(fā)芽率，這與丁芳芳等[19]報道的富氫水促進(jìn)當(dāng)歸種子發(fā)芽研究結(jié)果一致，這可能是因為富氫水可以調(diào)控種子發(fā)芽相關(guān)的酶活性從而影響種子發(fā)芽。田婧蕓等[6]在玉米幼苗生長試驗中發(fā)現(xiàn)，富氫水能促進(jìn)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(zhì)量，表明富氫水可能通過促進(jìn)葉片生長，增加幼苗光合作用，進(jìn)而促進(jìn)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(chǎn)生效果，下一步建議增加富氫水處理濃度進(jìn)行苦瓜相關(guān)試驗。

在本研究中，菜心、番茄、黃瓜、冬瓜4種蔬菜的種子發(fā)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(jìn)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(jìn)效果，與本研究結(jié)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(yīng)。這可能是因為富氫水參與了相關(guān)激素信號傳導(dǎo)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(yīng)與激素影響效應(yīng)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(jìn)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(fā)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(guān)，還與蔬菜的生長時期有關(guān)。

3.2 結(jié)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(chǎn)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。