不同NaCl濃度微咸水灌溉對棉花幼苗生理特性的影響①

董元杰，陳為峰，王文超，王慧橋，諸葛玉平

(山東農業大學資源與環境學院，山東泰安 271018)

土壤鹽漬化是由自然或人類活動引起的一種主要的環境風險，全球大約有8.31億hm2的土壤受到鹽漬化的威脅。我國鹽漬土總面積約3 600萬hm2，占全國可利用土地面積的4.88%[1]。因而，開發利用鹽堿地具有重要意義，可以緩解我國當前嚴重的人地矛盾。

進入21世紀以來，中國水資源供需矛盾越來越突出。在我國的華北、西北以及沿海地帶，微咸水資源豐富，利用率低，研究微咸水資源的安全利用，可促進鹽堿地的開發利用，有效緩解淡水資源短缺的危機[2]。在利用微咸水代替淡水灌溉方面，前人進行了很多有益的探索。研究表明，咸水畦灌和溝畦輪灌均造成土壤積鹽，連續利用3 g/L 的微咸水灌溉，會造成土壤表層鹽分的累積，并會使作物受到鹽分脅迫，微咸水灌溉條件下，堿土的水分和鹽分運移與入滲水礦化度均呈正相關關系[3-7]。不同鹽分濃度微咸水處理對番茄生長指標葉綠素含量和產量沒有明顯的影響，利用微咸水灌溉能夠增加土壤濕度，促進作物生長，但同時也能增加土壤中的鹽分含量。如灌溉措施不當，可能會造成土壤的次生鹽漬化，給作物造成鹽分脅迫[8-9]。因而，選擇適當的微咸水濃度，避免咸水鹽分對植物產生鹽脅迫是合理利用微咸水灌溉的關鍵。

棉花屬于耐鹽性較強的一類作物，是鹽堿地農業生產的先鋒作物，但棉花苗期耐鹽性差，仍然要受到不同程度的鹽害。隨著糧食安全問題倍受重視和糧棉爭地矛盾日益顯現，濱海鹽土區棉花的地位也越來越重要[10-11]。而中國東部濱海鹽土區廣泛分布的淺層微咸水為耐鹽性較強的棉花適時播種以及抑制土壤返鹽提供了條件。為此，前人針對微咸水在棉花灌溉上的利用和棉花耐鹽機理進行了較多的探討。王艷娜等[10]、阮明艷等[11]及呂寧等[12]發現滴灌微咸水對棉花干物質積累量影響不大，但棉花生育進程出現滯后[10-12]。Liu等[13]的研究表明，NaCl脅迫下，棉花幼苗生長受到了不同程度的抑制，葉綠素遭到破壞，抗氧化酶活性提高，H2O2、丙二醛(MDA)等逆境物質的積累量增加。上述研究多集中于西北鹽堿土區和實驗室的相關研究，目前對東部濱海鹽土區棉花微咸水灌溉的相關研究報道較少。

本研究針對山東省濱海鹽土區淡水資源缺乏造成的棉花出苗難，成苗率低，棉苗生長受抑制，產量品質低的生產困境，在濱海鹽土區實地采集土壤樣品，進行盆栽試驗，用不同咸度微咸水澆灌，探討了不同咸度微咸水對棉花發芽率及幼苗生理特性的影響，以探討濱海鹽土區棉花幼苗適宜的微咸水灌溉濃度，明確濱海鹽土區棉花幼苗微咸水灌溉的可行性，為濱海鹽堿土區淺層咸水資源與鹽堿地資源的開發利用和濱海鹽土區的棉花生產提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

盆栽試驗在山東農業大學資源與環境學院植物營養系日光溫室進行。供試土壤采自黃河三角洲山東省濱州市無棣縣的渤海糧倉試驗示范基地的濱海鹽土。土壤基本性狀為：全鹽含量3.1 g/kg，全氮1.31 g/kg，有效磷12.17 mg/kg，速效鉀533.45 mg/kg，pH 7.84，有機質14.64 g/kg；土壤顆粒組成：＜0.001 mm 2 g/kg，0.001～0.005 mm 10 g/kg，0.005～0.01 mm 30 g/kg，0.01～0.05 mm 580 g/kg，0.25～1 mm 5.6 g/kg，0.05～0.25 mm 372.4 g/kg；容重 1.25 g/cm3，比重2.53，孔隙度 50.72%。

供試土壤取樣點山東省濱州市無棣縣氣候特點為典型的大陸性半干旱半濕潤季風氣候，光照充足，四季分明，雨熱同期，年平均日照時數為2 736.1 h，全年平均氣溫 12.5 ℃，多年平均無霜期 205 d，降水年際變化大，年內分配不均勻，雨量主要集中在夏季，年蒸發量是年降水量的 2.3 倍。

試驗用塑料盆，每盆裝過 5 mm 篩的風干土2.5 kg。供試棉花品種為“山農豐抗棉6號”。盆栽試驗于2016年4月10日播種，每盆播種10粒，最后留苗5株。出苗后用蒸餾水培養至棉苗頂土出苗子葉未展開，然后再用微咸水進行處理。微咸水澆灌試驗設4個處理包括：CK：蒸餾水；T1：2 g/L NaCl溶液；T2：3 g/L NaCl溶液；T3：4 g/L NaCl溶液，每個處理重復4次。

試驗前測定土壤的田間持水量(作為灌水量的依據)，出苗后每隔2 d 灌水1次，通過稱量盆和土的重量確定試驗處理的灌水量，當土壤含水量降到最大持水量的50%～60% 時，統一補水至田間持水量的90%～100%，保持每盆用水量一致。整個試驗期間共處理7次，處理過程中定期交換位置以保證每盆所受環境影響一致。

1.2 測定項目與方法

發芽率：在直徑10 cm培養皿中加一張濾紙，再加入15 ml相應濃度NaCl溶液，每處理播種10粒，置于溫度為25 ℃±1 ℃恒溫培養箱中培養, 每天更換NaCl溶液(發芽率試驗用微咸水同盆栽試驗)。第 7天統計發芽率[14]。

形態指標：鮮重和干重采用天平稱重法。微咸水處理20 d后，收獲植株并將地上部和地下部分開，蒸餾水沖洗干凈，稱鮮重；然后在110 ℃下殺青，70 ℃烘干至恒重，測干重。株高和根長采用常規直尺測量法[14]。

生理生化指標：葉綠素含量采用乙醇提取-紫外分光光度法測定；超氧化物歧化酶(SOD)活性用氮藍四唑(NBT)法測定；過氧化物酶(POD)活性采用愈創木酚法測定；過氧化氫酶(CAT)活性采用紫外吸收法測定。丙二醛(MDA)含量測定采用硫代巴比妥酸法測定，可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍法測定[13]。游離脯氨酸(Pro)含量采用酸性水合茚三酮法測定。超氧陰離子(O2·-)產生速率采用羥胺氧化反應法測定；H2O2含量參照Patterson等[14]的方法測定。

1.3 數據處理

采用Excel 2003軟件處理數據和繪圖，采用DPS 7.05軟件進行數據統計分析，采用最小顯著極差法(LSD)進行差異顯著性檢驗(P＜0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同 NaCl濃度微咸水對棉花種子發芽率的影響

由圖1可見，與CK相比，T1和T2處理降低了棉花種子的發芽率，但差異未達顯著水平(P＞0.05)，說明用NaCl濃度為2 g/L 和3 g/L 的微咸水澆灌不會嚴重抑制棉花種子的發芽。T3處理與 CK相比，種子發芽率顯著降低26.09%(P＜0.05)，說明NaCl濃度為4 g/L 的微咸水嚴重抑制了棉花種子的發芽。

圖1 不同NaCl濃度微咸水對棉花發芽率的影響Fig. 1 Effects of brackish water under different NaCl concentrations on cotton germination

2.2 不同NaCl濃度微咸水對棉花幼苗生長的影響

由表1可知，與CK相比，不同NaCl濃度的微咸水對棉花幼苗的鮮重、株高、根長和干重都有一定的抑制作用。但是，T1處理各指標的降低幅度均未達顯著水平(P＞0.05)，T1與T2處理各指標的差異也未達到顯著水平(P＞0.05)。與 CK相比，T2處理鮮重、株高、根長和干重分別降低了19.55%、8.70%、37.96% 和29.41%；與T1處理相比，T2處理鮮重、株高、根長和干重分別降低了 25.77%、2.63%、37.96% 和29.41%。與CK相比，T3處理鮮重、株高、根長和干重分別顯著降低了34.08%、27.27%、38.26% 和35.29%。說明在NaCl濃度為2 g/L 的微咸水沒有顯著抑制棉花幼苗的生長，但當NaCl濃度達到3 g/L 和4 g/L 時抑制了棉花幼苗的生長，特別是當NaCl濃度達4 g/L 時嚴重抑制了棉花幼苗的生長。這可能是由于鹽脅迫條件下，植物碳同化物減少，滲透調節能耗和維持生長能耗增加，生長受到抑制所造成的。

表1 不同NaCl濃度微咸水對棉花幼苗生長的影響Table 1 Effects of brackish water under different NaCl concentrations on growths of cotton seedlings

2.3 不同 NaCl濃度微咸水對棉花幼苗葉綠素含量的影響

光合色素尤其是葉綠素在植物的光合作用中對光能的吸收、傳遞和轉化起著極為重要的作用[13]。由表2可知，不同NaCl濃度的微咸水均降低了總葉綠素、葉綠素a、葉綠素b和類胡蘿卜素的含量。與CK相比，T2和T3處理顯著降低了總葉綠素、葉綠素 a、葉綠素 b和類胡蘿卜素的含量(P＜0.05)，說明NaCl濃度為3 g/L 和4 g/L 的微咸水嚴重抑制了葉綠素的合成。

表2 不同NaCl濃度微咸水對棉花幼苗葉片葉綠素含量的影響Table 2 Effects of brackish water under different NaCl concentrations on chlorophyll contents of cotton seedling leaves

2.4 不同 NaCl濃度微咸水對棉花幼苗抗氧化酶活性的影響

由圖2可見，與CK相比，T1處理棉花幼苗葉片中SOD和POD的活性降低1.40% 和13.97%，CAT活性增加5.78% 。T2處理葉片中SOD和POD活性較 CK分別降低 3.82% 和 19.48%，CAT活性提高11.16%；T3處理較CK處理SOD和POD活性分別降低 13.78%、39.90%，CAT活性提高 15.04%。與 CK相比，T1處理對SOD和CAT活性的影響不顯著，但顯著降低了POD的活性，T2和T3處理顯著降低了SOD和POD活性，提高了CAT的活性。這表明NaCl濃度為2 g/L 的微咸水灌溉導致的輕度鹽脅迫沒有顯著降低抗氧化酶的活性，并且刺激棉花提高抗逆性從而提高其耐鹽能力，以維持其正常生長。但是，當NaCl濃度大于 3 g/L 時，顯著降低了棉花幼苗抗氧化酶SOD和POD的活性，抑制了棉花幼苗的正常生長。

2.5 不同 NaCl濃度微咸水對棉花幼苗可溶性蛋白和游離脯氨酸(Pro)的影響

由圖3可見，T1處理的棉花幼苗葉片可溶性蛋白含量較 CK顯著提高了10.76%，說明植物為緩解鹽脅迫，使植物體內積累大量的可溶性蛋白。T2和T3處理葉片中可溶性蛋白的含量較 CK分別顯著提高 19.15%、45.76%。表明鹽脅迫可提高棉花幼苗植株內可溶性蛋白含量，且隨鹽脅迫程度的加重植株內可溶性蛋白含量呈現出增加的趨勢，這可能是棉花應對鹽脅迫的一種適應性反應。

圖2 不同NaCl濃度微咸水對棉花幼苗SOD、POD和CAT活性的影響Fig. 2 Effects of brackish water under different NaCl concentrations on activities of SOD, POD and CAT in Cotton Seedlings

植物在正常條件下，游離脯氨酸含量很低，但遇到逆境時，游離脯氨酸便會大量積累[15]。由圖3可見，與CK相比，T1處理植株的Pro含量沒有顯著增加，但是T2與T3處理分別顯著提高了190% 和467.52%。這表明NaCl濃度為2 g/L 時，植物沒有表現出很強的鹽脅迫反應，而當微咸水的濃度大于2 g/L 時，則表現出較強的鹽脅迫反應。這也表明NaCl濃度為2 g/L 的微咸水灌溉不會對棉花幼苗的生長起到嚴重的脅迫作用。

圖3 不同NaCl濃度微咸水對棉花幼苗可溶性蛋白和脯氨酸含量的影響Fig. 3 Effects of brackish water under different NaCl concentrations on contents of soluble protein and proline in cotton seedlings

2.6 不同 NaCl濃度微咸水對棉花幼苗 H2O2含量、O2·- 產生速率和MDA含量的影響

由圖 4可見，在正常條件下，棉花幼苗葉片中H2O2產生速率較低，與CK相比，T1、T2和T3處理的植株葉片中H2O2含量均顯著提高，且隨鹽濃度的提高植株體內鹽含量逐步增加。CK處理棉花幼苗O2·-產生速率在較低水平。與 CK 相比，T1、T2 與T3處理 O2·-產生速率分別增加 20.26%、8.09% 和6.78%，但 T1和T2處理的棉花幼苗O2·-產生速率差異不顯著。MDA是植物逆境脅迫下產生的一種膜脂過氧化產物，其含量高低反映了植物受傷害的程度。本研究結果顯示(圖4)，澆灌蒸餾水的CK處理棉花幼苗葉片中MDA含量較低，與CK相比，T1、T2和 T3處理的葉片中 MDA含量分別顯著提高11.15%、20.46% 和108.78%，但T1和T2處理差異不顯著。以上結果表明，澆灌不同濃度微咸水顯著提高了棉花幼苗葉片中 H2O2含量、O2·-產生速率 和MDA的含量，且隨灌溉微咸水鹽分濃度的增加其含量相應呈現出上升趨勢。

圖4 不同NaCl濃度微咸水對棉花幼苗葉片中H2O2含量、O2·-產生速率和MDA含量的影響Fig. 4 Effects of brackish water under different NaCl concentrations on H2O2 concentrations, O2·- production rates and MDA contents of cotton seedlings leaves

3 討論

鹽脅迫會顯著降低棉花種子的發芽率[13]。但本試驗條件下T1和T2微咸水處理降低了棉花種子的發芽率但是沒有達到顯著水平，表明NaCl濃度為2 g/L 和 3 g/L 的微咸水澆灌不會嚴重抑制棉花種子的發芽。這可能是鹽脅迫抑制棉花種子發芽存在一定的濃度極限的原因，本試驗條件下，當鹽濃度超過3 g/L 時，棉花種子發芽受到顯著抑制。

微咸水灌溉條件下，棉花幼苗生長受到了顯著的抑制作用，這與Liu等[13]的研究結果一致。鹽脅迫也顯著降低了植株葉片葉綠素的合成。有研究表明，葉綠素酶是葉綠素降解代謝中起關鍵作用的酶，NaCl 能增強葉綠素酶活性，加速葉綠素分解[14]。鹽脅迫下，植物細胞葉綠體和線粒體電子傳遞中泄漏的電子增加，活性氧大量產生。滲透脅迫下葉綠素的降解主要由活性氧的氧化損傷引起，而質膜電解質外滲的增加與脂質過氧化速率呈顯著正相關[15]。本研究證實在鹽害的影響下，棉花的葉綠素含量明顯降低，但是澆灌NaCl濃度小于3 g/L的微咸水并沒有顯著抑制葉綠素的合成，這也可能是NaCl濃度2 g/L 的微咸水沒有顯著抑制棉花幼苗生長的主要原因(表1)。

在微咸水灌溉條件下，棉花幼苗遭受一定程度的鹽脅迫下，植物機能受到傷害，SOD的活性有一定的降低，POD的活性有明顯的降低，CAT的活性有一定的增加[13,16]。本試驗條件下微咸水灌溉對棉花幼苗SOD、POD、CAT活性的影響與上述結果一致，這可能是鹽脅迫下棉花自生的抗鹽反應所造成的。

植物在逆境條件下，由于體內活性氧代謝加強導致H2O2發生累積，H2O2能造成細胞膜損害，加快細胞衰老和解體[13,17]。植物能通過分子氧單電子還原過程，一些酶催化過程和低分子化合物的自動氧化，不斷地產生活性氧[13]。在正常情況下，植物體內活性氧的產生與消除處于平衡狀態，不會造成細胞傷害，但是在逆境條件下，平衡會遭到破壞，引起過多活性氧的產生，過量的活性氧會引起細胞膜脂過氧化，造成細胞膜系統損傷或導致細胞死亡[14-15]。為消除活性氧的傷害，植物體內存在酶促和非酶促兩類防御活性氧損傷的保護系統，它們協同作用，防御活性氧等集團對細胞膜系統的過氧化損傷，減輕鹽脅迫對植物細胞的傷害[16-17]。SOD 把 O2·-歧化為 H2O2，而 POD是清除H2O2的酶，所以SOD、POD和CAT是膜保護系統的重要酶類，能清除自由基，保護膜系統的完整性，以減輕鹽脅迫對植物的傷害[18]。在生物體內， MDA的過多積累會引起蛋白質、核酸等生命大分子的交聯聚合，且具有細胞毒性。O2·-性質活潑，具有很強的氧化性和還原性，過量生成可損傷組織，在體內主要通過SOD清除。本試驗研究表明澆灌NaCl濃度2g/L 的微咸水，抗氧化酶系統被激活(圖2)，逆境物質的含量沒有大幅度提高。在本試驗條件下，用NaCl濃度低于3 g/L 的微咸水澆灌棉花幼苗，提高了抗氧化酶的活性，增強了植物鹽脅迫的耐受能力，但是沒有抑制棉花幼苗的生長(表1，圖 2，圖 4)。

4 結論

1) NaCl濃度為4 g/L 的微咸水嚴重抑制了棉籽發芽，而NaCl濃度為2～3 g/L 的微咸水沒有顯著降低棉籽的發芽率。

2) NaCl濃度為3 g/L 和4 g/L 微咸水灌溉顯著抑制了棉花幼苗的生長，降低了棉花幼苗的生長指標與葉綠素含量；提高了抗氧化酶的活性、可溶性蛋白含量和游離脯氨酸含量；增加了O2·-產生速率、H2O2含量以及MDA積累量，并以NaCl濃度為4 g/L 的微咸水對棉花生長的抑制作用最為顯著，而NaCl濃度為2 g/L 的微咸水激活了棉花幼苗的耐鹽性，但對棉花幼苗的生長抑制作用不顯著。

3) 在黃河三角洲濱海鹽土上，棉花播種期和幼苗期可以用NaCl濃度為2 g/L 的微咸水代替淡水灌溉。

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