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湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）2023 年 7 月34-耕作栽培生理生化湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）引用格式：钟军.砷胁迫对鱼腥草生长发育、光合特征及砷积累的影响 J.湖南农业科学，2023（7）：34-39.DOI:DOI:10.16498/ki.hnnykx.2023.007.0062023（7）：34-39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。当少量砷进入人体被吸收后，可以破坏细胞的氧化还原能力，影响细胞正常代谢，引起组织损害和机体障碍，最终引起中毒死亡；而大量砷化物进入体后可以麻痹中枢神经，使人体出现四肢疼痛性痉挛、意识模糊、谵妄、昏迷、脉搏速弱、血压下降、呼吸困难等症状，数小时内就会致人死亡1-2。伴随着采矿、冶金以及工农业的发展，大量砷元素进入到农田生态系统中，导致耕地污染日益严重。据调查，湖南、云南、广西、广东等省的土壤中砷含量达到16.419.20 mg/kg，均值为 17.8 mg/kg3。土壤中过量的砷可危害植物的生长发育，引起植物生长、生物性状、吸收特征的异常变化4-5。鱼腥草（Houttuynia cordata Thunb）是常见的中药材之一，原产中国，资源广泛，已被国家卫生部正式确定为“药食两用”资源，极具开发潜力6。但近年来，受种植地土壤背景值和种植过程中外源有害物质（农药、化肥）等因素的影响，部分中药材产品出现砷元素超标的现象7-10，严重影响中药材产业的健康发展。为了探明耕地砷污染对鱼腥草生产的影响，试验通过外源添加砷的方法控制土壤砷含量，研究不同浓度砷胁迫下鱼腥草生长指标、光合特性指标以及各部位砷砷胁迫对鱼腥草生长发育、光合特征及砷积累的影响钟军（湖南农业大学农学院，湖南 长沙 410128）摘要：为了探明砷胁迫对鱼腥草生长发育、光合特征及砷积累的影响，采用盆栽试验研究了不同浓度砷胁迫（0、40、80 和120 mg/kg）处理下鱼腥草的生长状况（生长发育指标、光合特征）和不同部位（地下茎、地上茎、叶）的砷含量。结果表明：当砷胁迫浓度超过 40 mg/kg 时，对鱼腥草的生长发育有显著的抑制作用且显著降低了叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）和气孔导度（Gs），同时显著增加了胞间 CO2浓度（Ci）；砷胁迫浓度与鱼腥草生长发育各指标均呈现不同显著水平的负相关，与光合特性中的 Pn、Tr 和 Gs 均呈极显著负相关，而与 Ci 呈极显著正相关；鱼腥草不同部位的砷含量随砷胁迫浓度的而增高，表现出叶地上茎地下茎的分布。因此，为保证鱼腥草的生长发育和产量，应控制鱼腥草生长区土壤砷浓度在 40 mg/kg 以下。关键词：鱼腥草；砷胁迫；生长发育；光合特性中图分类号：X53文献标识码：A文章编号：1006-060X（2023）07-0034-06Response of the Growth,Photosynthetic Characteristics and As Bioconcentration of Houttuynia cordata Under Soil As Stress ZHONG Jun（College of Agronomy,Hunan Agricultural University,Changsha 410128,PRC）Abstract：The main objective of this experiment is to study the effects of As stress on the growth,photosynthetic characteristics and As accumulation of Houttuynia cordata.The growth status of H.cordata(morphological indices and photosynthetic characteristics)and the content of As in each part of the plants(underground stem,overground stem and leaf)under different levels of As stress(0,40,80 and 120 mg/kg)were investigated through a pot culture method.The results showed that when the concentration of As was 40 mg/kg,the plant growth and development was inhibited markedly,the net photosynthetic rate of leaves(Pn),transpiration rate(Tr)and stomatal conductance(Gs)were reduced significantly,but the intercellular CO2 concentration(Ci)was dramatically increased.We found that As concentration was negatively correlated with the growth and development indicators of H.cordata at different significant levels,was very significantly negatively correlated with Pn,Tr and Gs,and was very significantly positively correlated with Ci.The content of As in different parts of H.cordata increased with the increase of As stress level,presenting a gradient distribution of leavesoverground stemunderground stem.Therefore,to ensure the growth and yield of H.cordata,the As concentration in the soil of the growing area should be controlled below 40 mg/kg.Key words：Houttuynia cordata;As stress;growth and development;photosynthetic characteristics收稿日期：20230313基金项目：2022年度湖南省自然科学省市联合基金项目（2022JJ50045）作者简介：钟军（1973），女，湖南沅江市人，教授，主要从事种质资源研究。钟军等：砷胁迫对鱼腥草生长发育、光合特征及砷积累的影响35-耕作栽培 生理生化积累规律的变化，以期了解鱼腥草对土壤砷污染的响应机制，为指导砷污染背景下鱼腥草的生产提供依据。1材料与方法1.1试验材料供试鱼腥草品种为红玉，是笔者所在团队自育的品种。供试土壤采自湖南农业大学基地，其基本理化性质和砷背景值如下：pH值6.06，有机质65.21 g/kg，碱解氮 136.24 mg/kg，速效磷 36.94 mg/kg，速效钾 114.21 mg/kg，砷背景值 0.39 mg/kg。采集的土壤经风干、压碎，过 2 mm 尼龙筛后混匀，装至塑料盆（=36 cm，H=40 cm）中，5 kg/盆，盆栽下方垫塑料托盘以防止试剂渗漏。1.2试验方法于 2022 年 4 月在湖南农业大学基地开展盆栽试验，以 As(CH3COO)2 2H2O（分析纯）为外源砷，设置 0 mg/kg（CK）、40 mg/kg（T1）、80 mg/kg（T2）、120 mg/kg（T3）共 4 个处理，每个处理重复 3 次；按试验设定的砷胁迫浓度以水溶液形式添加至盆栽土壤中，翻拌均匀，然后经过加水 自然风干 再加水 自然风干，如此钝化一个月后将健壮的、带有 12 个芽点的鱼腥草地下茎种入土壤中（每盆10 根），自然条件下培养，定期浇水。分别于鱼腥草出苗后 30、60 和 90 d，每个处理随机采集新鲜鱼腥草 5 株，用自来水清洗干净后用去离子水清洗，分地上茎、地下茎和叶片 3 个部位将样品放入干净的搪瓷盘中，置于空气干燥恒温箱内 105杀青 20 min，70恒温烘至恒重，最后用粉碎机磨将每份干燥的样品粉碎后过 100 目筛，收集过筛粉末待测。1.3检测项目及方法1.3.1生长发育指标测定用直尺测定地下茎长、地上茎长、叶长和叶宽，用游标卡尺测定地下茎粗和地上茎粗等生长发育指标；茎长（粗）生长速率（cm/d）=（H2 H1）/t，式中：H1为一个生长时期的茎长（粗）；H2为下一个生长时期的茎长（粗）；t 为 2 次测量之间的时间间隔。1.3.2光合特征测定选择出苗后 90 d 的健壮鱼腥草植株上部健康成熟叶作为测试叶，用 Li-6400 便携式光合作用系统 光源设定为 800 mol/(m2 s)测定叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间 CO2浓度（Ci），每个处理重复 5 株，每叶读取 2 个数据，最后计算均值。1.3.3鱼腥草砷含量测定精确称取 0.5 g 鱼腥草植株样品粉末，在 550580马福炉中灰化，再用浓盐酸和浓硝酸定容至 25 mL，利用四极杆电感耦合等离子体质谱仪测定样品总砷含量，每个样品重复测定 3 次。1.4数据统计与分析采用 Office 2016 和 SPSS 26.0 软件进行数据分析及差异显著性检验，采用单因素方差分析中的Duncans方法检验数据的显著性。2结果与分析2.1鱼腥草生长发育对砷胁迫的响应2.1.1鱼腥草地下茎长和地上茎长对砷胁迫的响应从图 1 可知，无论鱼腥草幼苗生长的前期阶段（30 d）、中期阶段（60 d），还是后期阶段（90 d），鱼腥草的地上茎长和地下茎长在砷浓度 40 mg/kg 时没有受到抑制，但随着砷浓度的增加，茎长受抑制程度加大。3个生长时期鱼腥草的茎长均以40 mg/kg砷浓度处理最长，地下茎分别比对照长了 2.17%、3.34%和 25.57%，地上茎分别比对照长了 8.68%、5.47%和 20.54%；3 个生长时期鱼腥草的茎长均以 120 mg/kg 砷浓度处理的降低幅度最大，与对照相比，地下茎分别短了 10.87%、26.76%和 26.70%，而地上茎分别短了 49.08%、34.23%aaabbbaccbabcc2.002.503.003.504.004.505.0004080120地下茎长（cm）砷浓度（mg/kg）abaabbbabbcbacc051015202504080120地上茎长（cm）砷浓度（mg/kg）30 d60 d90 d30 d60 d90 d图 1鱼腥草地下茎长和地上茎长对砷胁迫的响应 图中同一生长时期的不同小写字母表示不同浓度砷处理间指标差异显著（P 0.05），图 3、图 5 同 湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）2023 年 7 月36-耕作栽培生理生化和 30.91%。由图 2 可知，在较低浓度（040 mg/kg）砷胁迫范围内，随着砷浓度的增加，鱼腥草地下茎长和地上茎长的生长速率均呈上升趋势；但当砷浓度40 mg/kg 时，地下茎长和地上茎长的生长速率均呈下降趋势，其中 6090 d 阶段的生长速率下降显著。2.1.2鱼腥草地下茎粗和地上茎粗对砷胁迫的响应从图 3 可知，鱼腥草的地下茎粗和地上茎粗在砷浓度 40 mg/kg 时没有受到抑制，但随着砷浓度的增加，茎粗受抑制程度加大。3 个生长时期鱼腥草的茎粗均以 40 mg/kg 砷浓度处理最粗，地下茎粗分别比对照粗了 9.51%、12.75%和 8.74%，而地上茎粗分别比对照粗了 9.46%、4.35%和 7.48%；3 个生长时期鱼腥草的茎粗均以 120 mg/kg 砷浓度处理的降低幅度最大，地下茎粗分别比对照细了 40.91%、39.04%和 32.87%，而地上茎粗分别比对照细了40.09%、42.48%和 38.32%。从图 4 可知，在 080 mg/kg 砷浓度范围内，随着砷浓度的增加，在 3060 d 鱼腥草地下茎粗的生长速率呈现上升趋势，但当砷胁迫浓度达到 120 mg/kg时，地下茎粗生长速率显著下降；而在 6090 d 地下茎粗的生长速率随砷浓度的增加呈现先降后升的“V”字型趋势；在 3060 d 地上茎粗的生长速率随砷处理浓度的增加一直在下降；而在 6090 d 地上茎粗b b bc c bc a b bc 00.010.020.030.040.0504080120地下茎生长速率（cm/d）砷浓度（mg/kg）3060 d6090 db b b b b a c b 00.050.10.150.200.2504080120地上茎生长速率（cm/d）砷浓度（mg/kg）3060 d6090 d图 2鱼腥草地下茎长和地上茎长生长速率对砷胁迫的响应 图中不同小写字母表示不同浓度砷处理以及不同生长时期间指标差异显著（P 0.05），图 4、图 6 同 ab a b c ab a b c ab a b c 0.100.150.200.250.300.3504080120地下茎粗（cm）砷浓度（mg/kg）30 d60 d90 dab a b c ab a b c ab a b c 0.100.150.200.250.300.3504080120地上茎粗（cm）砷浓度（mg/kg）30 d60 d90 d图 3鱼腥草地下茎粗和地上茎粗对砷胁迫的响应图 4鱼腥草地下茎粗和地上茎粗生长速率对砷胁迫的响应d c c d a b b a 00.000 50.001 00.001 504080120地下茎粗生长速率（cm/d）砷浓度（mg/kg）3060 d6090 da ab ab b c c c c 00.000 50.001 00.001 50.002 00.002 50.003 004080120地上茎粗生长速率（cm/d）砷浓度（mg/kg）3060 d6090 d钟军等：砷胁迫对鱼腥草生长发育、光合特征及砷积累的影响37-耕作栽培 生理生化的生长速率随砷浓度的增加呈现先升后降的倒“V”字型趋势。2.1.3鱼腥草叶长和叶宽对砷胁迫的响应从图 5可知，鱼腥草的叶长和叶宽在砷浓度 40 mg/kg 时没有受到抑制，但随着砷浓度的增加，叶生长受抑制程度加大。3 个生长时期鱼腥草的叶长和叶宽均以 40 mg/kg 砷浓度处理最大，叶长分别比对照长了11.04%、15.80%和 7.58%，而叶宽分别比对照宽了15.03%、16.00%和 22.50%；3 个生长时期鱼腥草的叶长和叶宽均以 120 mg/kg 砷浓度处理的降低幅度最大，叶长分别比对照短了 14.94%、27.12%和30.30%，而叶宽分别比对照短了 25.91%、32.00%和 32.50%。随着砷浓度的增加，鱼腥草的叶长生长速率在3060 d 呈现下降趋势，而在 6090 d 呈现先降后升再降的趋势（图 6A）；叶宽的生长速率在 3060 d一直在下降，在 6090 d 呈现先升后降的倒“V”字型趋势（图 6B）。由表 1 可知，出苗后 30 和 60 d，砷胁迫浓度与地下茎长、地上茎长、地下茎粗和地上茎粗呈极显著负相关，与叶长和叶宽呈显著负相关；出苗后 90 d，砷胁迫浓度与地下茎粗、地上茎粗和叶长呈极显著负相关，与地下茎长、地上茎长和叶宽呈显著负相关。2.2鱼腥草光合特征对砷胁迫的响应由图 7 可知，不同浓度砷胁迫下鱼腥草的光合特征有显著差异，净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）ab a ab b b a bc c b a bc c 246804080120叶 长（cm）砷浓度（mg/kg）30 d60 d90 dab a ab b ab a b c ab a b c 1234504080120叶 宽（cm）砷浓度（mg/kg）30 d60 d90 d图 5鱼腥草叶长和叶宽对砷胁迫的响应bc bc c c ab ab a b 00.020.040.060.080.100.1204080120叶长生长速率（cm/d）砷浓度（mg/kg）3060 d6090 dc c cd cd ab a ab b 00.020.040.060.080.1004080120叶宽生长速率（cm/d）砷浓度（mg/kg）3060 d6090 d图 6鱼腥草叶长和叶宽生长速率对砷胁迫的响应表 1不同生长时期砷浓度与鱼腥草生长指标的相关性生长时期（d）地下茎长地上茎长地下茎粗地上茎粗叶 长叶 宽30 0.890 6*0.891 5*0.880 9*0.851 9*0.724 1*0.773 7*60 0.911 7*0.885 2*0.849 2*0.899 1*0.778 3*0.800 0*90 0.673 9*0.746 5*0.870 2*0.871 5*0.823 8*0.742 5*注：表中“*、*”标记分别表示砷浓度与指标的相关性显著（P 0.05）、极显著（P 0.01），下同。和气孔导度（Gs）均随着砷浓度的增加而下降，与对照相比，40、80 和 120 mg/kg 处理的 Pn 分别降低了 17.05%、25%和 38.64%，Tr 分别降低了 11.58%、18.42%和 26.32%，Gs 分别降低了 20.31%、35.94%和 44.27%；细胞间隙 CO2 浓度（Ci）随着砷浓度的增加而上升，与对照相比，40、80 和 120 mg/kg 处理的 Ci 分别增加了 9.68%、15.81%和 18.39%。相关性分析结果（表 2）表明，砷浓度与鱼腥草光合特性中的 Pn、Tr 和 Gs 均呈极显著负相关，而与 Ci 呈极显著正相关。湖南农业科学（HUNAN AGRICULTURAL SCIENCES）2023 年 7 月38-耕作栽培生理生化表 2砷浓度与鱼腥草光合特征的相关性净光合速率蒸腾速率气孔导度细胞间隙CO2浓度砷浓度 0.991 1*0.993 2*0.984 9*0.999 8*2.3砷胁迫对鱼腥草不同部位砷含量的影响由图 8 可知，随着砷浓度的增加，鱼腥草不同部位的砷含量逐渐升高，同一部位不同砷浓度处理间含量差异显著；当砷浓度为 120 mg/kg时，鱼腥草地下茎、地上茎和叶的砷含量分别是对照的 10.67、11.03 和 14.22 倍。砷胁迫浓度相同时，鱼腥草不同部位的砷含量也存在一定差异，但趋势是一致的，均表现为叶地上茎地下茎。e d cd c e cd c bc e c b a 00.20.40.60.804080120砷含量（mg/kg）砷浓度（mg/kg）地下茎 地上茎 叶 图 8鱼腥草不同部位砷含量对砷胁迫的响应 图中不同小写字母表示不同部位以及不同浓度砷处理间指标差异显著（P 0.05）3讨论与结论砷是植物生长的非必需元素，低浓度砷对植物生长有一定促进作用，而高浓度砷则会抑制植物的生长5。试验结果表明，砷浓度 40 mg/kg 时，鱼腥草的生长发育没有受到抑制，但随着砷浓度的增加，生长发育受抑制的程度越大。在鱼腥草生长的前期阶段（30 d）、中期阶段（60 d）和后期阶段（90 d），其主要生长发育指标均以 120 mg/kg 砷浓度处理的降低幅度最大。砷浓度与鱼腥草主要生长发育指标呈不同显著水平的负相关，这与 Han 等11的研究结果一致，说明砷对鱼腥草的生长发育产生了一定不利影响，并且伴随浓度的提升，这种不利影响将逐渐扩大。砷胁迫会对植物光合系统产生抑制作用，且随着砷浓度的升高而增大，从而降低光合效率12-14。试验结果表明，随着砷浓度的增加，鱼腥草叶片的净光合速率、气孔导度、蒸腾速率均受到砷的抑制而降低，这可能是鱼腥草为适应砷胁迫环境而作出的响应，试图通过降低蒸腾作用以最低水平的水分散失获取最大光合能力。当植物受到重金属胁迫时，会通过吸收一部分重金属并将其固定在液泡内来减少重金属对植株的损害，这是其抵抗重金属的一种机制15-16。在试验中，鱼腥草的地下茎、地上茎、叶 3 个不同部位砷含量在高度浓度条件下均显著增高且能够生长，这体现了鱼腥草对砷良好的耐受性。由于植物的地上部分比地下部分更容易收获，因而植物地上部分重金属a b c d 567891004080120Pnmol/(m2s)砷浓度（mg/kg）a b c d 0.040.060.080.1004080120Gs mol/(m2s)砷浓度（mg/kg）a b c d 1.22.01.41.61.804080120Trmol/(m2s)砷浓度（mg/kg）d c b a 30032034036038004080120Ci(mol/mol）砷浓度（mg/kg）图 7鱼腥草光合特征对砷胁迫的响应 图中不同小写字母表示不同浓度砷处理间指标差异显著（P 0.05）钟军等：砷胁迫对鱼腥草生长发育、光合特征及砷积累的影响39-耕作栽培 生理生化浓度以及地上收获物的重金属积累量通常被作为评价污染清除程度的主要指标17。该研究中，鱼腥草不同部位的砷含量随着砷胁迫浓度的增加而显著增加，表现出叶地上茎地下茎的分布规律；高浓度（120 mg/kg）条件下，鱼腥草的地上部茎和叶的砷积累量分别为 0.44 和 0.71 mg/kg，显著高于地下茎的 0.32 mg/kg，说明鱼腥草对土壤砷有一定的富集作用。研究结果显示，土壤砷含量过高对鱼腥草的生长具有一定的抑制作用，砷胁迫严重阻碍其生长和光合作用。为保证鱼腥草的生长发育和产量，应该控制鱼腥草生长区土壤砷浓度在 40 mg/kg 以下。参考文献：1 王国荃，吴顺华.地方性砷中毒的研究进展 J.新疆医科大学学报，2004，27（1）：18-20.2 黄秋婵，韦友欢，吴颖珍.砷污染对人体健康的危害效应研究 J.微量元素与健康研究，2009，26（4）：65-67.3 肖细元，陈同斌，廖晓勇，等.中国主要含砷矿产资源的区域分布与砷污染问题 J.地理研究，2008，27（1）：201-212.4 朱永官，陈保冬，林爱军，等.珠江三角洲地区土壤重金属污染控制与修复研究的若干思考 J.环境科学学报，2005，25（12）：1575-1579.5 CAO H B，JIANG Y，CHEN J J，et al.Arsenic accumulation in Scutellaria baicalensis Georgi and its effects on plant growth and pharmaceutical componentsJ.Journal of Hazardous Materials，2009，171（1/2/3）：508-513.6 钟军，张寒，熊兴耀.鱼腥草幼苗叶片结构和光合荧光特性对不同光质的响应 J.湖南农业大学学报（自然科学版），2018，44（6）：592-596.7 阎秀兰，廖晓勇，于冰冰，等.药用植物三七对土壤中砷的累积特征及其健康风险 J.环境科学，2011，32（3）：880-885.8 姜志艳，王建英，徐彩荣.砷胁迫对药用植物黄芪中抗氧化酶活性的影响 J.安徽农业科学，2011，39（14）：8279-8281.9 孙晶晶，祖艳群，吴炯，等.砷胁迫对三七生长及生物量的影响 J.特产研究，2014，36（3）：32-37.10 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