PEG模擬干旱脅迫下8種綠肥作物萌發特性與抗旱性評價

孫艷茹，石屹，陳國軍，閆慧峰＊

（1.農業部煙草生物學與加工重點實驗室，中國農業科學院煙草研究所，山東 青島266101；2.中國農業科學院研究生院，北京100081）

在我國黃淮海農業區，冬閑田（如棉花、春玉米地、春煙田等）普遍存在，同時，可利用的作物茬口間隙，果、茶、桑、煙等經濟作物的行間空地以及可以間、套、混作的中、低產耕地大量存在，但這些土地并沒有得到有效利用，導致土壤退化、水土流失嚴重，解決這些問題一個行之有效的方法就是種植利用綠肥作物［1］。綠肥是指所有能翻耕到土里作為肥料用的綠色植物，它是一種優質有機肥料，對改良和培肥土壤都有較好的作用，又是可再生的生物資源，可為作物的高產優質奠定基礎［2］。種植綠肥，不僅能夠改善農田小氣候，防止水土流失，還可迅速增進土壤速效養分、提高土壤有機質含量、降低土壤容重等等，且在綠肥生長過程中還能起到調節土壤養分平衡、增加土壤微生物活性［1，3－6］的作用。我國綠肥資源豐富、分布廣泛，已發現98種適應不同耕作制度及自然條件的綠肥品種和種類，其中栽培面積較大的有6科20屬32種［7］，其中大麥（Hordeumvulgare）、冬牧70黑麥（Secalecerale）和一年生黑麥草（Loliummultiflorum）是禾本科綠肥，產量高，具有增加土壤有機質的作用；毛葉苕子（Viciavillosa）、沙打旺（Astragalusadsurgens）屬于根系發達的豆科綠肥，可以培肥地力；白芥末（Sinapisalba）、二月蘭（Orychophragmusviolaceus）具有促進磷轉化的作用，屬于十字花科；籽粒莧（Amaranthushypochondriacus）是生長速度快、生物量高且富鉀效果較好的莧科綠肥，它們是適宜黃淮海地區各種植模式栽種的綠肥作物，具有良好的改善土壤養分狀況的作用，且種植面積較多［8－16］。2012－2013年在山東省沂南縣試驗點進行了以上幾種綠肥篩選試驗，結果表明，不同綠肥作物的生長受環境條件影響較大，田間條件下獲取的試驗結果不能完全表征其生長潛力，但由于目前關于以上幾種綠肥抗旱性評價的研究較少，所以只能根據干旱后其生長發育情況進行定性評價。

黃淮海地區綠肥種植多為春、秋播種，而目前黃淮海地區氣候特征總體表現為春季和冬季較干旱，秋季輕旱［8］，以山東濰坊為例，春季（2－4月）和秋季（9－11月）降水量分別在60和120mm左右，約占全年降水量的10%和20%，同時春秋季降水量年度間的變化量明顯，特別是近年來黃淮海地區春、冬季高頻干旱，干旱面積呈擴大趨勢［8］，因而此地區綠肥萌發多受降水量的影響，播種的綠肥往往因干旱導致出苗困難或死苗，嚴重影響了綠肥的生長及生物量。因此，綠肥的抗旱性是決定其能否被應用的關鍵因素之一，從大量綠肥品種資源中篩選抗旱性強的綠肥作物進行直接推廣種植是發展黃淮海旱作區生態農業以及提高經濟效益的一項有效措施。利用PEG模擬干旱環境，已成為種子萌發期抗旱性研究的重要手段［17－20］，干旱脅迫對沙打旺、毛葉苕子、黑麥草等牧草和綠肥作物抗旱性的研究已有報道［21－26］，而將PEG應用在冬牧70黑麥、籽粒莧等5種綠肥萌發特性及以上8種綠肥作物間抗旱性比較的研究中并不多見。本研究利用PEG－6000模擬干旱環境，對黃淮海農業區種植較多的這8種綠肥作物萌發期的抗旱性進行全面系統的評價，以篩選出適宜黃淮海地區干旱環境種植的綠肥作物，為黃淮海地區綠肥的種植提供理論依據和技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試綠肥作物為大麥、冬牧70黑麥、毛葉苕子、白芥末、一年生黑麥草、沙打旺、籽粒莧、二月蘭。PEG－6000由國藥集團化學試劑有限公司生產，分析純。

1.2 研究方法

選取籽粒飽滿、大小一致、無病蟲的各綠肥作物種子，經0.5%的CuSO4溶液消毒，蒸餾水沖洗干凈，直徑為9cm的培養皿墊雙層濕潤濾紙作為發芽床，用聚乙二醇溶液（PEG－6000）模擬干旱脅迫，設4個不同濃度：2.5%，5.0%，7.5%，10.0%，以蒸餾水作對照，將消毒過的綠肥種子分別放入加有等量上述4種PEG－6000溶液和蒸餾水的發芽床中，各處理均設4次重復，每重復30粒種子，于2013年11月5日開始，置于光照強度為10000 lx，濕度為50%，溫度為25℃的人工氣候培養箱中，進行14h光照10h黑暗培養。采用質量平衡法每天向培養皿中添加PEG－6000溶液和蒸餾水，為了減少水勢變動，每4d換1次濾紙，并及時清理發霉腐爛的種子，以防止感染其他種子。

1.3 調查及測定項目

從種子置床之日起觀察，以胚根長和種子等長作為發芽標準，以后每天定時觀察記錄發芽種子數，發芽結束期以連續4d不再有種子發芽為準。發芽試驗結束時，各重復中隨機挑選10粒正常發芽的種子，用直尺測量其胚芽和胚根的長度。

1.4 計算方法

式中，Gt為時間t日的發芽數，Dt為相應的發芽天數，Rd2，Rd4，Rd6，Rd8分別為第2，4，6，8天的種子發芽率。

各種相對指標均為干旱脅迫處理與對照的比值。

1.5 抗旱性綜合評價方法

用模糊數學隸屬法［28］對8種綠肥種子萌發期的抗旱性進行綜合評價。在進行抗旱隸屬值計算時，需利用下列公式進行標準化處理：

式中，Xj表示第j個指標值，Xmin表示第j個指標的最小值，Xmax表示第j個指標的最大值；如某一個指標與抗性為負相關，則用μ（Xj）＝（Xmax－Xj）／（Xmax－Xmin）進行計算。然后按照公式（1）計算標準差系數Vj，按照公式（2）計算權重系數Wj；按照公式（3）計算隸屬函數值（D）。D值越大，表示抗旱性越強。

1.6 數據處理

采用Excel軟件處理作圖，SAS 9.2軟件進行差異性分析（P＜0.05）。

2 結果與分析

2.1 PEG－6000脅迫對8種綠肥作物種子相對發芽率的影響

相對發芽率可以比較客觀地反映種子萌發期的抗旱性，相對發芽率越大則表明其抗旱性越強。由表1可知，隨著PEG脅迫濃度的增加，8種綠肥作物種子的相對發芽率均呈不斷下降的趨勢，即干旱脅迫對8種綠肥作物種子的發芽均有抑制作用，且抑制程度隨著PEG濃度的增加而增加。在最高脅迫濃度10.0%時，PEG的抑制作用最強，雖不同作物種子的相對發芽率各異，但均在0以上，即8種綠肥作物種子的發芽率也都在0以上，說明該濃度仍高于其發芽的耐受閾限。

由表1得知，不同作物對干旱脅迫的響應程度不同。在PEG濃度為2.5%時，僅二月蘭的相對發芽率降低，降幅達到29.33%，明顯低于其余7種綠肥，表明該綠肥對干旱脅迫較敏感，而其余7種作物的種子發芽率與對照相比均有所提高，說明低濃度的干旱脅迫對其種子發芽具有促進作用，其中白芥末的增幅最大，達73.91%。當PEG濃度由2.5%上升到5.0%時，僅沙打旺的相對發芽率顯著下降，降幅達25.0%，其余7種綠肥均差異不顯著；當PEG濃度繼續升高時，除白芥末外的其余7種綠肥作物的相對發芽率均小于1，說明該濃度的PEG對這7種綠肥種子發芽的作用由促進轉為抑制。在PEG濃度為10.0%時，8種綠肥作物的相對發芽率均小于1，且與2.5%時相比，籽粒莧的相對發芽率僅降低0.83%，差異不顯著，而其余7種綠肥的均顯著降低。可見，在不同程度的干旱脅迫下，不同綠肥作物種子的抗旱性表現有所差異。

表1 PEG脅迫對8種綠肥作物種子相對發芽率的影響Table 1 Effects of PEG stress on seed relative germination rates of eight green manure crops %

2.2 PEG－6000脅迫對8種綠肥作物種子胚根、胚芽、胚根／胚芽的影響

根系發達是植物抗旱的主要標志之一，表征了植物的抗旱能力。從圖1可以看出，隨著PEG－6000濃度的升高，所有綠肥作物種子的胚根長均呈先升高后降低的趨勢，即低脅迫水平促進胚根的伸長，而高脅迫水平則抑制其伸長。但對不同作物而言，促進胚根伸長且達最大值的PEG濃度并不一致，即由促進轉為抑制作用的拐點濃度亦不相同：籽粒莧、毛葉苕子在5.0%PEG濃度處理時胚根長增至最大，之后則隨脅迫程度的增加不斷下降，而其余6種綠肥則在PEG濃度為2.5%時達到最大值，而后不斷下降。經方差分析各作物在10.0%PEG濃度處理時的胚根長均顯著低于對照。在各濃度的PEG處理下，大麥、冬牧70黑麥和毛葉苕子均顯著高于其他作物，說明這3種作物的胚根具有較強的抵御干旱脅迫的能力。

圖1 PEG脅迫對8種綠肥作物胚根和胚芽長度的影響Fig.1 Effects of PEG stress on the radicle length and plumule length of eight green manure crops

隨著PEG－6000濃度的升高，所有綠肥作物種子的胚芽長均呈持續降低的趨勢（圖1）。從數值上來看，對照條件下，各綠肥的胚芽長度范圍在0.81～8.60之間，PEG脅迫濃度為10.0%時，其范圍在0.05～1.21之間。胚芽長度不斷降低說明胚芽的伸長與干旱程度呈負相關，即干旱脅迫強度越大，胚芽長度值越小。但隨PEG濃度的增大，各作物間胚芽長度降低的程度不同，即不同作物對干旱脅迫響應的敏感程度不同：黑麥草、大麥、毛葉苕子的胚芽長迅速下降，而其他5種綠肥下降較緩慢；同一作物的胚芽長在不同脅迫強度下降低的幅度亦不同：冬牧70黑麥、毛葉苕子、黑麥草、沙打旺和二月蘭的胚芽長在PEG濃度由2.5%上升到5.0%時下降幅度最大，而大麥和白芥末則在PEG濃度由0上升到2.5%時下降幅度最大，只有籽粒莧的在PEG濃度由5.0%上升到7.5%時下降幅度最大。

由圖2得知，整體來看，8種綠肥作物種子的胚根／胚芽比值均隨PEG濃度的升高而增大，經方差分析，各作物在10.0%PEG濃度處理時的胚根／胚芽比值均顯著高于（P＜0.05）對照。這說明各PEG濃度對胚芽的抑制作用明顯大于對胚根的抑制。但不同作物對脅迫水平增加的響應不同：黑麥草、二月蘭、籽粒莧和毛葉苕子的增長曲線比較平緩，冬牧70黑麥、沙打旺和大麥的增長曲線呈急劇上升態勢，而白芥末的在PEG濃度由0上升到7.5%時急劇上升，脅迫濃度繼續升高，較7.5%時明顯下降，但比值仍高于5.0%脅迫時的比值。通過方差分析可知，PEG的濃度效應、作物間的差異均達顯著水平。說明不同干旱脅迫水平對胚根／胚芽比值的影響不同，且因作物而異。

圖2 PEG脅迫對8種綠肥作物胚根／胚芽比值的影響Fig.2 Effects of PEG stress on the radicle－plumule ration of eight green manure crops

2.3 PEG－6000脅迫對8種綠肥作物萌發脅迫指數及萌發抗旱指數的影響

萌發抗旱指數與萌發脅迫指數分別表征了不同綠肥作物間抗旱性在脅迫時間和脅迫強度上的差異（表2和表3）。經方差分析，不同綠肥作物間的萌發脅迫指數和萌發抗旱指數差異顯著。隨著PEG濃度的增加，不同作物對干旱脅迫的響應不同：除冬牧70黑麥和籽粒莧外，其他6種作物的萌發脅迫指數和萌發抗旱指數持續下降，而冬牧70黑麥和籽粒莧的則呈先增加后降低的趨勢，兩者都在5.0%的PEG脅迫下達最大值。從數值可以看出，當PEG濃度為2.5%和5.0%時，白芥末的萌發脅迫指數和萌發抗旱指數值遠高于其他7種作物，表現出較強的抗旱性；在10.0%的PEG脅迫下，與2.5%時相比，除籽粒莧外的其余7種綠肥的萌發脅迫指數和萌發抗旱指數值均顯著降低，而籽粒莧的則明顯高于其他7種作物，表明其較其余綠肥作物具有較強的抗旱性。

表2 PEG脅迫對8種綠肥萌發脅迫指數的影響Table 2 Effects of PEG stress on germination stress index of eight green manure crops

表3 PEG脅迫對8種綠肥萌發抗旱指數的影響Table 3 Effects of PEG stress on germination drought resistance index of eight green manure crops

2.4 8種綠肥作物萌發期抗旱性綜合評價

種子萌發期抗旱性的強弱是受多因素綜合作用的結果，因此，需要多項指標進行綜合評價，以提高植物抗旱性評價的準確性和可靠性。本研究采用模糊數學隸屬函數法，對供試的8種綠肥的相對發芽率、相對胚根長、相對胚芽長、萌發脅迫指數、萌發抗旱指數等5項指標進行抗旱隸屬函數值計算，得到8種綠肥的綜合評價值（表4）。這8種綠肥的綜合評價值差異較大，一般而言，綜合評價值越大，表明其抗旱能力越強。由綜合評價值得出抗旱性的強弱順序為籽粒莧＞白芥末＞黑麥草＞冬牧70黑麥黑麥＞沙打旺＞毛葉苕子＞大麥＞二月蘭。參照田山君等［29］的抗旱性等級評價方法，將8種綠肥分為3類：供試作物的綜合評價值的均值為0.43，將綜合評價值大于0.48的籽粒莧、白芥末歸為強抗旱作物種類；將在0.38～0.48范圍內的黑麥草、冬牧70黑麥、沙打旺、毛葉苕子、大麥歸為中等抗旱作物種類；將小于0.38的二月蘭歸為弱抗旱作物。

表4 PEG脅迫下8種綠肥各指標隸屬函數值及綜合評價值Table 4 The value of subordinate function and comprehensive evaluation of eight green manure crops under PEG stress

3 討論與結論

本研究對5項指標進行抗旱性分析，結果可知，籽粒莧和白芥末屬于強抗旱性作物；黑麥草、冬牧70黑麥、沙打旺、毛葉苕子、大麥為中等抗旱作物種類；二月蘭為弱抗旱作物。在黃淮海地區籽粒莧的適宜播期為4月初，春季幾乎沒有有效降雨，此時0～20cm土層的相對含水量在40%～65%，籽粒莧在輕、中度干旱條件下仍可萌發并且生物量可達5000～7500kg／畝（5000～7500kg／667m2），這可能是其適應這一地區特殊氣候的一種對策，使籽粒莧成為該地區抗旱性作物種的原因之一。關于白芥末抗旱，已有研究表明在應對干旱脅迫時，有多胺的參與，且此期間有大量多胺積累，另外，應激蛋白也會調控相關基因表達，使植物進入一種應急狀態，產生更多新的能力更強的應激調控蛋白使其度過逆境時期［30］。本研究中，低程度的干旱脅迫會使二月蘭發芽率降低70.77%，說明二月蘭抗旱能力較弱，若保證二月蘭這一越冬綠肥的正常發芽，須保證土壤含水量適宜，有資料顯示，黃淮海地區土壤含水量在適宜范圍內的時間為9月上中旬，據此推測二月蘭在此地區的適宜播期為9月上中旬，此結果與其他學者研究結果一致［31－35］。

從結果看出，低濃度的PEG對絕大部分的綠肥種子萌發具有一定的促進作用，如在2.5%的低干旱脅迫下，白芥末、籽粒莧等7種綠肥種子的發芽率均比對照呈不同程度的升高，這可能與低濃度的PEG對種子萌發起到了引發作用，但不同綠肥作物對該引發作用的響應并不相同，這種不同可能是由于綠肥作物種子本身的生物學特性對低濃度的干旱脅迫響應不同，或PEG溶液對其具有促進作用的最佳濃度值不同。前人關于其他作物種子萌發的抗旱性研究中也有類似情況的報道。劉佳等［36］研究發現，低濃度的PEG對部分紫云英（Astragalussinicus）種質的種子萌發有一定的促進作用。劉貴河等［37］發現低濃度的PEG溶液對植物種子萌發具有較好的引發作用，高丹草（Sorghumhybridsundangrass）和魯梅克斯（Rumexpatientia）的相對發芽率在5%～15%的PEG脅迫下高于對照。關于引發作用的機理目前還未明確，可能是一定濃度的干旱脅迫能夠啟動種子體內一系列保護機制，減少種子吸脹過程中膜系統的損傷，有利于膜系統的修復，從而提高植物種子發芽率［38］。也可能是由于提高了種子內酶的活性，加速了新陳代謝作用或對核酸產生了有利影響［39－40］。但隨著PEG脅迫濃度的增加，被引發的這7種綠肥種子的萌發也受到了抑制，但受抑制的程度不同，說明PEG濃度的升高使其對種子的萌發作用由促進轉為抑制，但不同綠肥作物對PEG作用敏感的拐點濃度并不相同，這與朱教君等［41］對沙地樟子松（Pinussylvestrisvar.mongolica）種子以及秦文靜和梁宗鎖［21］對白花草木樨（Melilotusalba）種子的研究報道一致。本研究中，10.0%PEG處理下，各綠肥作物種子都能萌發，表明各綠肥作物種子萌發的臨界PEG水分脅迫值應大于10.0%（相當于－0.177MPa水勢［42］），由于研究所設的PEG濃度梯度是從0到10.0%，因此，不能準確確定各綠肥作物種子萌發的臨界PEG脅迫濃度，若要確定各綠肥作物種子對干旱脅迫的耐受閾限還需做進一步探討。研究結果得知，較低濃度的PEG促進胚根的生長，但對胚芽的生長都沒有表現出促進作用，這是因為在輕度干旱脅迫下，植物根系最先感受到土壤水分的減少［43］，且與地上部分之間及時進行信息傳遞［44］，產生信號物質向地上部分運輸，植物調節氣孔開度以減少水分散失，調整同化物在根冠間的分配，增大根冠比［45］，也就是能夠將有限的營養物質優先供給胚根的生長，即植物自身能夠調節地上與地下器官的協調關系，同時，胚根伸長也利于從環境中吸收更多的水分，這是植物適應缺水環境的一種表現。但當脅迫超過一定程度后，胚根的生長也受到抑制，且胚根／胚芽隨PEG脅迫濃度的增加而增加，這與大多數學者的研究結果［18，22，46－50］一致，這也是植物對干旱脅迫的一種適應性反應。

針對植物種子萌發期與幼苗期乃至全生育期抗旱性相關性的問題，已有不少學者做了許多研究，但不同作物表現可能不盡相同。李培英等［17］研究表明，偃麥草（Elytrigiarepen）材料種子萌發期抗旱性評價與苗期評價結果呈現一致性，這與周連城［51］對紫云英以及張文英等［52］對部分谷子（Setariaitalica）品種種子的研究報道一致。但也有研究表明，干旱脅迫下萌發期的抗旱性不能代表苗期或者全生育期的抗旱性，二者的相關性不大［18，47，53－56］。這可能是不同作物在不同的生育時期對水分的需求不同，植物的抗旱性隨著生育期的變化而變化。本實驗初步探討了干旱脅迫對8種綠肥作物種子萌發的影響，報道中有干旱對大麥和沙打旺苗期［57－59］、冬牧70黑麥全生育期［60］抗旱性的評價，但對其他幾種綠肥作物不同生育期抗旱性的研究未見報道。因此，干旱對以上幾種綠肥作物不同生育時期、不同生理過程的影響將有待于進一步研究，以及萌發期與苗期甚至全生育期抗旱性的相關程度及其原因還有待于深入研究。

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