Na2CO3鹽脅迫對(duì)10個(gè)苜蓿品種生長(zhǎng)初期地下指標(biāo)的影響

王運(yùn)濤， 于林清， 遠(yuǎn) 婷， 王曉杰， 解繼紅

(1. 張家口學(xué)院， 河北 張家口 075000；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

苜蓿(Medicagosativa.)是一種優(yōu)良的豆科牧草，具有營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高、適口性好、栽培范圍廣等特點(diǎn)，被人們冠以“牧草之王”的美稱[1]。我國(guó)苜蓿栽培面積約133萬hm2[2-3]，在草食畜牧業(yè)發(fā)展中占有重要的地位[4]。

我國(guó)有鹽堿地670萬hm2，約占全國(guó)耕地面積的7%左右[5]。土壤鹽漬化已成為當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的重要問題[6]。在鹽堿地土壤中，農(nóng)作物產(chǎn)量很低，甚至無法耕種。利用耐鹽、抗鹽植物是進(jìn)行鹽堿地改良經(jīng)濟(jì)有效的措施[7]。而苜蓿具有一定的耐鹽堿能力，在中性土壤或輕度鹽堿土壤中生長(zhǎng)良好[8]，但其品種間的耐鹽性差異較大[9-10]。對(duì)苜蓿品種的耐鹽性鑒定是苜蓿品種選育的基礎(chǔ)。因此，深入研究苜蓿的耐鹽性，加速苜蓿的耐鹽育種，克服土壤鹽漬化對(duì)苜蓿栽培的制約，不僅可以有效改良鹽堿地，還可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)飼料，為我國(guó)畜牧業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[11]。而根系是植物從土壤中吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的主要器官，根系特征是牧草水分和養(yǎng)分管理、刈割和放牧利用的基本依據(jù)，亦與土壤耕作及作物種植制度密切相關(guān)[12]，其生長(zhǎng)發(fā)育狀況直接影響著地上生物量[13]。不同品種植物的根系在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，也表現(xiàn)出各自的根系發(fā)育特性[14-15]。植物根據(jù)主根是否發(fā)達(dá)分為直根系和須根系，而苜蓿多屬于直根系。根頸是由真葉以下的胚軸發(fā)育而成，其上能夠形成大量的芽，是產(chǎn)生分枝的重要部位，同時(shí)也是吸收、運(yùn)輸、儲(chǔ)存養(yǎng)分和水分的重要器官，根頸直接影響著苜蓿的生產(chǎn)性能和可持續(xù)利用[16-17]。側(cè)根是由主根生長(zhǎng)到一定長(zhǎng)度，在一定部位上側(cè)向地從內(nèi)部生出許多支根，側(cè)根一般是由和原生質(zhì)部鄰接的中柱鞘的細(xì)胞形成的。側(cè)根對(duì)于固定植株和從土壤中吸收水分具有重要作用。根系可以通過不同生理或形態(tài)變化來響應(yīng)逆境脅迫信號(hào)[18]。鹽分積聚可使根際環(huán)境的滲透勢(shì)升高，造成根系對(duì)水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)吸收困難，從而嚴(yán)重影響根系的構(gòu)建和發(fā)育。本研究通過對(duì)10個(gè)苜蓿品種在盆栽情況下進(jìn)行Na2CO3鹽脅迫處理，對(duì)他們生長(zhǎng)初期的地下指標(biāo)進(jìn)行比較分析，以便篩選出在堿性鹽脅迫下根系發(fā)育好的苜蓿品種，為鹽堿地苜蓿人工草地的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2015年5月-8月在張家口學(xué)院進(jìn)行，試驗(yàn)材料均由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所提供, 選擇來源國(guó)內(nèi)外的 10個(gè)苜蓿種質(zhì)材料，種子名錄及來源如表1所示。

表1 苜蓿種子材料名錄及來源Table 1 Sources of different alfalfa cultivars

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)于2015年5月28日開始，采用無孔的朔料花盆150個(gè)，口徑23 cm×15 cm。在花盆中放入2.0 kg土壤(土壤的Na2CO3濃度梯度為0.0%(CK)，0.3%，0.6%，0.9%和1.2%)。然后將各苜蓿種子(25粒)置于花盆土壤表面，并撒上一層土。每個(gè)處理設(shè)置3次重復(fù)。定期澆水，保持土壤濕潤(rùn)。待花盆中種子全部發(fā)芽后，間苗。每盆保留15株。于生長(zhǎng)期內(nèi)測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

供試苜蓿品種于播種當(dāng)年的8月初進(jìn)行指標(biāo)測(cè)定，每個(gè)處理選取長(zhǎng)勢(shì)均勻的10棵植株。測(cè)定指標(biāo)如下：

根頸指標(biāo)：根頸直徑是指主莖與主根相連處的膨大部位的直徑；根頸入土深度是指從地表到根頸上端的距離[19]。

根系指標(biāo)：主根直徑是指距離根頸1 cm處的主根直徑；側(cè)根位置是指主根上面距離根頸最近的且直徑大于1 mm的側(cè)根與根頸之間的距離，側(cè)根直徑是指第一條靠近主根處側(cè)根的直徑[20]。

單項(xiàng)指標(biāo)耐鹽系數(shù)=(不同濃度處理下平均測(cè)定值/對(duì)照測(cè)定值)×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行基本處理，再用SAS 8.1統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，結(jié)果用平均值的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下供試苜蓿品種根頸指標(biāo)差異比較

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的根頸直徑具有明顯差異，如表2所示。在對(duì)照中，‘中草3號(hào)’的根頸直徑最大，為6.78 mm；‘YL702’的根頸直徑較小，為4.83 mm，兩者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為0.9%時(shí)，‘馴鹿’的根頸最粗，直徑為5.75 mm；‘龍牧801’次之；‘YL702’的根頸最小，僅為4.32 mm，且與前兩者差異顯著(P<0.05)，其余品種居中。在鹽濃度為1.2%時(shí)：同樣是‘馴鹿’的根頸最粗，為6.78 mm；‘中苜1號(hào)’次之；‘YL80’的根頸最細(xì)，僅為3.74 mm，且與前兩者差異顯著(P<0.05)。各苜蓿品種的根頸直徑隨著鹽濃度梯度的變化情況如下：‘巨能’、‘YL604’和‘YL702’的根頸直徑在不同鹽濃度下差異不顯著；而其他品種的根頸直徑在不同鹽濃度下差異顯著(P<0.05)，就均值來看，供試苜蓿品種的根頸直徑隨鹽濃度的增加呈逐漸變小的趨勢(shì)。

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種間的根頸入土深度具有顯著差異，如表2所示。在對(duì)照中，‘龍牧801’的根頸入土較深，為0.80 cm；‘YL604’次之，兩者差異不顯著；‘阿爾岡金’根頸入土較淺，為0.30 cm，與前者差異顯著(P<0.05)。鹽濃度為0.9%時(shí)同樣為‘龍牧801’的根頸離地面最遠(yuǎn)，為0.90 cm；‘皇冠’的根頸離地面次之；‘阿爾岡金’的根頸離地面最近，僅為0.52 cm，且他與前兩者的差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為1.2%時(shí)，‘巨能’的根頸入土較深為1.08 cm；‘中草3號(hào)’次之，兩者差異不顯著；‘皇冠’的根頸入土較淺為0.44 cm，其與前者差異顯著(P<0.05)。各苜蓿品種的根頸入土深度隨鹽濃度梯度的變化如下：‘中苜1號(hào)’、‘YL604’、‘YL80’、‘YL702’和‘馴鹿’的根頸入土深度在不同鹽濃度下差異顯著(P<0.05)，就均值來看，供試苜蓿品種的根頸入土深度在不同鹽濃度下差異不顯著，而其他品種的根頸入土深度隨鹽濃度的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)。

表2 鹽脅迫下供試苜蓿品種根頸指標(biāo)間的差異比較Table 2 Comparison of crown indexes of different alfalfa cultivars under salt stress

2.2 鹽脅迫下供試苜蓿品種主根直徑的差異比較

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的主根直徑具有明顯差異，如表3所示。在對(duì)照中，‘中草3號(hào)’的主根較粗大，達(dá)6.46 mm；‘中苜1號(hào)’次之，兩者差異不顯著；‘YL702’的主根直徑較小，僅為4.15 mm，與前者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為0.9%時(shí)，‘馴鹿’的主根較粗大，為4.70 mm；‘中苜1號(hào)’次之，兩者差異不顯著；‘阿爾岡金’主根較細(xì)，為3.52 mm，與前者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為1.2%時(shí)，‘馴鹿’的主根直徑最大，為4.79 mm；‘中草3號(hào)’的次之；‘阿爾岡金’的主根最細(xì)，僅為3.06 mm，與前兩者差異顯著(P<0.05)。各苜蓿品種的主根直徑隨鹽濃度梯度的變化情況如下：不同鹽濃度下‘YL702’和‘馴鹿’的主根直徑差異不顯著,其他品種的主根直徑在不同濃度下差異顯著(P<0.05),就均值來看，供試苜蓿品種的主根直徑隨鹽濃度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)。

表3 鹽脅迫下供試苜蓿品種主根直徑的差異比較Table 3 Comparison of taproot diameter of different alfalfa cultivars under salt stress

2.3 鹽脅迫下供試苜蓿品種側(cè)根指標(biāo)間的差異比較

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的側(cè)根直徑具有明顯差異，如表4所示。在對(duì)照中，‘阿爾岡金’的側(cè)根直徑較大為1.84 mm；‘中草3號(hào)’次之，與前者差異不顯著；‘YL702’較細(xì)，為1.03 mm，與前者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為0.9%時(shí)，‘YL604’的側(cè)根直徑最大為1.90 mm；‘中草3號(hào)’的次之；‘YL702’的側(cè)根最細(xì)，僅為1.09 mm，與‘YL604’差異顯著(P<0.05)，與‘中草3號(hào)’的差異不顯著。在鹽濃度為1.2%時(shí),‘馴鹿’的側(cè)根最粗大，為1.97 mm；‘YL80’的次之；‘YL604’和‘阿爾岡金’的側(cè)根最細(xì)，均為1.03 mm，均與‘馴鹿’差異顯著(P<0.05)，與‘YL80’差異不顯著。但隨著鹽濃度梯度的增加，各苜蓿品種的側(cè)根直徑變化趨勢(shì)不是很明顯。

表4 鹽脅迫下供試苜蓿品種側(cè)根指標(biāo)間的差異比較Table 4 Comparison of lateral root indexes of different alfalfa cultivars under salt stresses

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的側(cè)根位置具有明顯差異，如表4所示。在對(duì)照中，‘YL702’的側(cè)根離根頸較遠(yuǎn)，為1.20 cm；‘阿爾岡金’次之；‘中草3號(hào)’的側(cè)根離根頸較遠(yuǎn)，為0.52 cm，與‘YL702’差異顯著(P<0.05)，與‘阿爾岡金’差異不顯著。在鹽濃度為0.9%時(shí)，‘阿爾岡金’的側(cè)根離根頸最遠(yuǎn)，為1.60 cm；‘YL80’的次之；‘巨能’的側(cè)根離根頸最近，僅為0.56 cm，且與前兩者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為1.2%時(shí)，同樣為‘阿爾岡金’的側(cè)根離根頸最遠(yuǎn)，為1.92 cm；‘龍牧801’的次之；‘中草3號(hào)’的側(cè)根離根頸最近，為0.88 cm，與‘阿爾岡金’差異顯著(P<0.05)，與‘中草3號(hào)’差異不顯著。各苜蓿品種的側(cè)根位置隨鹽濃度梯度的變化情況如下：‘中苜1號(hào)’、‘中草3號(hào)’、‘巨能’、‘YL80’、‘YL702’、‘馴鹿’和‘皇冠’的側(cè)根位置，在不同鹽濃度梯度下無顯著差異，其他品種的側(cè)根位置在不同濃度下具有顯著差異(P<0.05)，就均值來看，供試苜蓿品種側(cè)根位置隨鹽濃度梯度的增加呈逐漸增大的趨勢(shì)(P<0.05)。

2.4 供試苜蓿品種的耐鹽性評(píng)價(jià)

由表5可知，鹽脅迫處理后苜蓿根系各指標(biāo)變化各不相同。根頸直徑和主根直徑變小，根頸入土深度和側(cè)根位置變大，側(cè)根直徑變化趨勢(shì)不明顯。因此鹽脅迫對(duì)苜蓿的影響是復(fù)雜的，不能用某一個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)苜蓿品種的耐鹽性強(qiáng)弱。綜合0.9%和1.2%Na2CO3鹽脅迫下的根系發(fā)育狀況，綜合各指標(biāo)評(píng)價(jià)處于生長(zhǎng)初期的苜蓿品種的耐鹽性(表6)，結(jié)果表明：耐鹽性由強(qiáng)到弱依次為：‘馴鹿’>‘中苜1號(hào)’>‘中草3號(hào)’=‘巨能’>‘龍牧801’>‘皇冠’>‘YL702’>‘YL604’>‘YL80’>‘阿爾岡金’。

表5 供試苜蓿品種的耐鹽系數(shù)Table 5 Salt tolerance value of different alfalfa cultivars

表6 供試苜蓿品種的耐鹽性評(píng)價(jià)Table 6 Salt tolerance evaluation of different alfalfa cultivars

3 討論

植物根系生長(zhǎng)在土壤中，他將從土壤中吸收的各種營(yíng)養(yǎng)成分通過根的維管組織運(yùn)輸?shù)降厣喜糠郑~片將制造的有機(jī)物運(yùn)送回根部，促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育。根系作為聯(lián)系地上與地下的重要紐帶，其形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅能反映植物根系的生長(zhǎng)狀況，也能在很大程度上體現(xiàn)地上部分的生長(zhǎng)狀況[21]。植物最先感受地下逆境脅迫的器官也是根系，逆境脅迫下根系形態(tài)上的變化是最直觀的，但根系恰恰又是最不為人們所了解的植物器官。土壤中可溶性鹽過多會(huì)降低土壤的水勢(shì)，使植物的根系吸水能力下降，甚至導(dǎo)致根系內(nèi)的水分外滲，對(duì)鹽離子的吸收不均衡，導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)失調(diào)，生長(zhǎng)發(fā)育受到抑制，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生單鹽毒害作用，從而影響植物根系的正常發(fā)育[22]。

苜蓿根頸是產(chǎn)生分枝的重要部位，同樣也是冬季植物體的最上部休眠器官，為凍害的最敏感部位，對(duì)苜蓿越冬和春季返青時(shí)的萌芽發(fā)枝至關(guān)重要，直接影響苜蓿生產(chǎn)性能和可持續(xù)利用，如再生性、耐寒性、抗旱性和抗病蟲害性等都與其密切相關(guān)。有研究表明苜蓿品種間根頸特性有明顯的差異[23]，本試驗(yàn)中的對(duì)照也證實(shí)了這一點(diǎn)。在相同Na2CO3濃度脅迫下，供試苜蓿品種的根頸直徑和根頸入土深度均存在顯著差異；隨著鹽濃度梯度的增加，各苜蓿品種的根頸直徑逐漸變小，根頸入土深度逐漸增大。這說明鹽脅迫對(duì)根頸的發(fā)育具有一定的抑制作用。在鹽脅迫下，苜蓿生長(zhǎng)不良，根頸變細(xì)與入土加深可能是一種補(bǔ)償機(jī)制，是對(duì)逆境的一種適應(yīng)[24]。

大部分苜蓿栽培品種的根系為直根型，由主根和側(cè)根組成[25]。苜蓿根系發(fā)育狀況可以反映其利用土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，水分和微量元素的能力強(qiáng)弱。根系直徑的大小直接影響著根系體積和根系生物量，根系體積越大，所接觸的土壤面積越大，地下空間占有量越大，越有利于植物大范圍吸收土壤水分、養(yǎng)分。側(cè)根在主根上的發(fā)生部位，可以反映植物利用土壤水分、養(yǎng)分和微量元素的立體分異性。在鹽脅迫下，根系的總長(zhǎng)度、表面積、平均直徑、總體積、根尖數(shù)、鮮重和干重均會(huì)受到抑制。堿性鹽對(duì)植物的毒害主要是鹽脅迫和高pH脅迫及這兩種因素的相互作用產(chǎn)生的復(fù)合毒害，這比單獨(dú)的鹽脅迫危害更大。在鹽堿條件下，細(xì)胞間質(zhì)的pH升高，阻礙細(xì)胞壁的疏松，進(jìn)而阻礙細(xì)胞延伸，影響植物生長(zhǎng)。高pH會(huì)抑制根毛發(fā)生，進(jìn)而影響植物對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收以及植物正常的生長(zhǎng)發(fā)育[26]。尤其是根際的PH改變可以從多方面影響植物的根際環(huán)境，諸如根際土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的化學(xué)和生物學(xué)有效性、根系對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用、根系細(xì)胞膜的透性、根系的生長(zhǎng)狀況以及根際酶的活性等[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同濃度鹽脅迫下，供試苜蓿品種間主根直徑、側(cè)根直徑和側(cè)根發(fā)生部位均差異顯著；且隨著鹽濃度的增加，供試苜蓿品種的主根直徑均呈現(xiàn)逐漸減小、側(cè)根位置離根頸距離逐漸增大的趨勢(shì)，說明鹽脅迫可以抑制根系直徑的發(fā)育和側(cè)根的發(fā)生，且濃度越高抑制效果越明顯。韓清芳等[28]、王征宏等[29]認(rèn)為低鹽濃度會(huì)促進(jìn)苜蓿根的生長(zhǎng)，高鹽濃度才會(huì)抑制根系發(fā)育。但本試驗(yàn)只表現(xiàn)出了抑制作用，這可能與本試驗(yàn)選取的鹽的種類或鹽濃度梯度有關(guān)。而且各指標(biāo)在脅迫下的變化幅度各不相同，若用不同指標(biāo)評(píng)價(jià)苜蓿的耐鹽性，其結(jié)果會(huì)有所不同[30]。因此評(píng)價(jià)苜蓿的耐鹽性強(qiáng)弱應(yīng)該將多個(gè)指標(biāo)綜合起來進(jìn)行評(píng)價(jià)，使結(jié)果更加準(zhǔn)確和全面。

由于試驗(yàn)條件的限制，對(duì)于苜蓿堿性鹽脅迫下的根系空間分布、體積、表面積、走向以及根系自身對(duì)鹽堿的調(diào)節(jié)能力還有待于進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

在相同Na2CO3濃度脅迫下，供試苜蓿品種間生長(zhǎng)初期的根系指標(biāo)均差異顯著。隨著Na2CO3濃度梯度的變化，同一品種的根系指標(biāo)變化具有一定的規(guī)律性：根頸直徑和主根直徑呈逐漸變小的趨勢(shì)，根頸入土深度和側(cè)根位置呈逐漸變大的趨勢(shì),但側(cè)根直徑變化趨勢(shì)不明顯。

在生長(zhǎng)初期,供試的10種苜蓿材料耐鹽性強(qiáng)弱存在種間差異。綜合0.9%和1.2%Na2CO3脅迫下的根系指標(biāo)發(fā)育狀況可知，供試苜蓿品種的耐鹽性強(qiáng)弱依次為‘馴鹿’>‘中苜1號(hào)’>‘中草3號(hào)’=‘巨能’>‘龍牧801’>‘皇冠’>‘YL702’>‘YL604’>‘YL80’>‘阿爾岡金’。因此在堿性鹽較為嚴(yán)重的區(qū)域種植苜蓿時(shí)，應(yīng)對(duì)苜蓿的品種具有選擇性，如‘馴鹿’和‘中苜1號(hào)’的耐鹽性較強(qiáng)，可在適當(dāng)?shù)貐^(qū)推廣種植。