12種植物萌發(fā)期耐鹽性篩選

申吳燕，吐爾遜娜依·熱依木，雪熱提江·麥提努日，鄧婷婷，黃長福，王 夢，馬伊王利，麻 浩

(1.新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，烏魯木齊 830052；2.國網(wǎng)能源哈密煤電有限公司大南湖二礦，新疆哈密 839000；3.蘭州荒漠保護(hù)研究院，蘭州 730000)

0 引 言

【研究意義】我國鹽堿土面積3.46×107hm2，其中新疆鹽堿土面積8.476×106hm2，是我國土壤鹽漬化大區(qū)[1]。哈密大南湖二礦位于新疆東部，土壤鹽漬化嚴(yán)重，地表主要以自然原始戈壁、裸巖、礫石為主，無植被生長，生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱[2]。在諸多不利生態(tài)因子中，鹽脅迫已成為影響該區(qū)域植物正常生長的重要限制因子之一[3]。改良和利用鹽漬化土地，修復(fù)礦區(qū)生態(tài)，對哈密大南湖二礦生態(tài)修復(fù)區(qū)草本植物選取具有實際意義[4]。【前人研究進(jìn)展】在植物選取中，余玲等[5]提出禾本科牧草的耐鹽性比一般作物強(qiáng)，是改良鹽堿地的良好先鋒植物。吳振振等[6]在尉犁縣塔克拉瑪干沙漠北緣鹽堿荒漠種植甘草(Glycyrrhizauralensis)，可使鹽堿土壤得到有效改良；郭曄紅等[7]研究也表明甘草對鹽堿地有一定的改良作用。在篩選方法中，劉璐等[8]、付鸞鴻等[9]、崔翠等[10]測定種子萌發(fā)期發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)等生長指標(biāo)，綜合評價篩選出耐性強(qiáng)的品種。【本研究切入點】耐鹽植物是改良和利用鹽堿地的先鋒植物[11]，選用12種常見耐鹽植物進(jìn)行NaCl脅迫，利用萌發(fā)期對逆境脅迫極為敏感的特性[12]，對種子的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對傷害率、相對根芽比的隸屬函數(shù)值之和進(jìn)行耐鹽能力排名。【擬解決的關(guān)鍵問題】以披堿草、堿茅、扁穗冰草、高冰草、狗牙根、無芒雀麥、紫花苜蓿、沙打旺、紅豆草、甘草、苦豆子和草木樨種子為材料，在萌發(fā)期用NaCl溶液在0.0%(CK)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%不同濃度下進(jìn)行鹽脅迫處理，測定每種植物的每日發(fā)芽數(shù)、根長、芽長，計算出植物的相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對傷害率、相對根芽比，并采用隸屬函數(shù)計算不同植物的耐鹽性得分。為哈密大南湖二礦生態(tài)修復(fù)區(qū)草本植物選取提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

披堿草(Elymusdahuricus)、堿茅(Puccinelliadistans)、扁穗冰草(Agropyroncristatum)、高冰草(Thinopyrumponticum)、狗牙根(Cynodondactylon)、無芒雀麥(Bromusinermis)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、沙打旺(Astragalusadsurgens)、紅豆草(Onobrychisviciaefolia)、甘草(Glycyrrhizauralensis)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、草木樨(Melilotusofficinalis)。試驗所需種子均來自烏魯木齊市天博草業(yè)種子店。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

以NaCl為鹽脅迫溶液，設(shè)置5個濃度梯度0.0%(CK)、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%，3個重復(fù)，每個培養(yǎng)皿內(nèi)放置50粒顆粒飽滿、大小均一的種子[13]。智能人工培養(yǎng)箱設(shè)置光照周期12 h照明(白天)，12 h無光(夜晚)；設(shè)置溫度白天溫度25℃、夜晚溫度15℃[14]。為保證培養(yǎng)皿中鹽濃度保持不變，每日用稱重法[15]及時補(bǔ)充所揮發(fā)水分(蒸餾水)。從第2 d開始記錄，每隔24 h記錄1次種子發(fā)芽數(shù)。15 d結(jié)束，測量每種植物胚根長和胚芽長。

1.2.2 測定指標(biāo)

將所需進(jìn)行種子萌發(fā)種子材料進(jìn)行消毒，在10%次氯酸鈉攪拌10 min；30%雙氧水侵泡10 min；用大量的蒸餾水沖洗干凈，以保種子表面沒有殘留消毒溶液影響種子萌發(fā)結(jié)果[13]。

為消除植物材料之間和本身指標(biāo)間的差異，將所測指標(biāo)每日發(fā)芽數(shù)、最終根長、最終芽長進(jìn)行計算均轉(zhuǎn)化為耐鹽系數(shù)(相對值)：相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對傷害率、相對根芽比[16]。計算公式：

(1)相對發(fā)芽率=(15 d鹽脅迫發(fā)芽數(shù)/50×100%)/(15 d對照發(fā)芽數(shù)/50×100%)。

(2)相對發(fā)芽指數(shù)=鹽脅迫(∑GT/DT)/對照(∑GT/DT)。

式中GT表示第Td的種子發(fā)芽率，DT表示相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

(3)相對發(fā)芽勢=(第7 d鹽脅迫發(fā)芽數(shù)/50×100%)/(第7 d對照發(fā)芽數(shù)/50×100%)。

(4)相對傷害率=(對照發(fā)芽率-鹽脅迫發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率×100%。

(5)相對根芽比=(鹽脅迫胚根長/鹽脅迫胚芽長)/(對照胚根長/對照胚芽長)。

(6)植物耐鹽性得分最終用隸屬函數(shù)計算：U(Xij)=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。

式中U(Xij)表示i牧草種子j指標(biāo)的隸屬函數(shù)值；Xij表示i品種j指標(biāo)的相應(yīng)值；Xjmax和Xjmin則表示i牧草種子在j指標(biāo)中相對應(yīng)的最大值和最小值[17-20]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2016對各生長指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理計算以及相關(guān)圖形制作，并Photoshop CS5處理后插入[21]。SPSS 19.0軟件進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析[22]。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子萌發(fā)各生長指標(biāo)

2.1.1 相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽指數(shù)

研究表明，不同鹽濃度下，12種植物種子的相對發(fā)芽率和相對發(fā)芽指數(shù)均隨著鹽脅迫濃度的增加呈下降趨勢，有顯著差異(P<0.05)。0.5%濃度下，堿茅未受鹽迫影響，與CK相等，相對值達(dá)100%；扁穗冰草相對發(fā)芽指數(shù)值最大，發(fā)芽速度受鹽脅迫影響較小。1.0%濃度下，披堿草相對發(fā)芽率為最大值80%。1.5%濃度下，甘草相對發(fā)芽率最大值為48.89%；披堿草最小值為2.50%；沙打旺未發(fā)芽。2.0%濃度下，9種植物種子受鹽脅迫影響未發(fā)芽，僅甘草、堿茅和苦豆子發(fā)芽，相對發(fā)芽率分別為48.89%、17.39%和10.71%。高冰草在不同濃度間種子的相對發(fā)芽指數(shù)差異最好，4個濃度梯度下均有顯著差異(P<0.05)。圖1

注：不同字母表示同種植物不同濃度間的差異顯著(P<0.05)

2.1.2 相對發(fā)芽勢

研究表明，苦豆子、狗牙根和無芒雀麥在不同NaCl溶液下相對發(fā)芽勢沒有顯著差異(P>0.05)，未受鹽脅迫濃度影響。披堿草和紫花苜蓿隨NaCl鹽脅迫濃度增加，相對發(fā)芽勢差異顯著(P<0.05)。4個濃度梯度間12種植物種子在0.5%濃度下相對發(fā)芽勢顯示差異最明顯；扁穗冰草和甘草在1.0%濃度下與其他植物均無顯著性差異(P>0.05)；12種植物種子在1.5%下無顯著性差異(P>0.05)；甘草在2.0%濃度下與其他11種植物有顯著差異(P<0.05)。表1

表1 不同NaCl溶液下12種牧草種子的相對發(fā)芽勢

2.1.3 相對傷害率和相對根芽比

研究表明，12種植物種子相對傷害率隨著NaCl濃度的增加均呈上升趨勢，NaCl鹽脅迫濃度越大，受到傷害率越大。在0.5%濃度下，堿茅相對傷害率值為0，未受到鹽脅迫環(huán)境破壞。在1.0%濃度下，12種植物均受到不同程度的傷害，其中狗牙根和無芒雀麥相對受傷害程度高達(dá)80%以上；紫花苜蓿、甘草和披堿草相對受傷害程度低，相對傷害率分別為24.49%、22.22%和20.00%。在1.5%濃度下，12種植物種子受NaCl鹽脅迫環(huán)境影響，相對傷害值均在50%以上，其中沙打旺完全受NaCl鹽脅迫抑制，相對傷害率達(dá)100%。在2.0%濃度下，9種植物種子受到完全的抑制，僅甘草、堿茅和苦豆子顯示出較強(qiáng)的耐鹽能力。

相對根芽比隨著NaCl濃度的增加均呈下降趨勢，NaCl鹽脅迫濃度越大，種子根芽比越小。苦豆子在0.5%和1.0%濃度下相對根芽比為1.55和1.52，比CK根芽比高，根長未受影響反而促進(jìn)生長；但在1.5%和2.0%濃度下根長明顯受到鹽脅迫環(huán)境的影響。高冰草在0.5%、1.0%和1.5%，3個梯度間相對根芽比無明顯變化。狗牙根隨著NaCl濃度的增加，各濃度間相對根芽比差值最均勻，效果最好。圖2

圖2 12種牧草種子的相對傷害率、相對根芽比

2.2 不同指標(biāo)的耐鹽特性差異

研究表明，相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對傷害率和相對根芽5個生長指標(biāo)的耐鹽系數(shù)不同。耐鹽系數(shù)50%在平均值之上有相對傷害率1個指標(biāo)；40%～50%在平均值之上有相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)和相對根芽比3個指標(biāo)；40%在平均值以下的僅有相對發(fā)芽勢1個指標(biāo)。相對發(fā)芽率中耐鹽值最大為堿茅；相對發(fā)芽指數(shù)和相對發(fā)芽勢中最大值為甘草；相對傷害率最大值為沙打旺。表2

表2 不同鑒定指標(biāo)的耐鹽系數(shù)

2.3 各生長指標(biāo)相關(guān)性

研究表明，相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢和相對根芽比4個生長指標(biāo)之間均成極顯著正相關(guān)(P<0.05)，但相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢和相對根芽比與相對傷害率呈負(fù)相關(guān)。相對發(fā)芽率與相對傷害率相關(guān)值為-1，鹽脅迫下各牧草種子受傷害與發(fā)芽率呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。表3

表3 NaCl脅迫下各生長指標(biāo)相關(guān)性

2.4 各生長指標(biāo)隸屬函數(shù)得分

研究表明，在0.5%濃度下，披堿草>高冰草>扁穗冰草>堿茅>紫花苜蓿>甘草>草木樨>無芒雀麥>苦豆子>紅豆草>狗牙根>沙打旺；在1.0%濃度下，披堿草>甘草>紫花苜蓿>苦豆子>高冰草>草木樨>堿茅>扁穗冰草>紅豆草>沙打旺>無芒雀麥>狗牙根；在1.5%濃度下，甘草>高冰草>扁穗冰草>堿茅>苦豆子>無芒雀麥>紅豆草>紫花苜蓿>披堿草>狗牙根>草木樨>沙打旺；2.0%濃度下，甘草>苦豆子>堿茅>紅豆草>沙打旺>紫花苜蓿>扁穗冰草>草木樨>無芒雀麥>披堿草>高冰草>狗牙根。表4

表4 不同NaCl溶液下12種牧草種子耐鹽性得分及排名

3 討 論

種子萌發(fā)是植物生命的開始，也是植物整個生命中最重要、最脆弱的階段，除受自身的基因影響外，還極易受到逆境環(huán)境的影響。薛莉等[23]研究表明，植物在生長發(fā)育周期的不同階段對鹽脅迫環(huán)境的敏感程度不同，但種子萌發(fā)期是最敏感的階段之一[24-25]。植物在鹽環(huán)境脅迫下，各個生長指標(biāo)均受到抑制。研究表明除堿茅、苦豆子外，其他植物各生長指標(biāo)受鹽脅迫的影響均呈下降的趨勢，這與劉恩良等[26]、王曉龍等[11]結(jié)果相似。堿茅在0.5%濃度下相對發(fā)芽指數(shù)為1.03，說明發(fā)芽指數(shù)優(yōu)于CK。苦豆子在0.5%和1.0%濃度下相對根芽比為1.55和1.52，根長未受鹽脅迫抑制反而促進(jìn)生長。劉翠玉等[27]、景艷霞等[28]認(rèn)為出現(xiàn)這一情況原因是高鹽對植物有害，但是低鈉對植物生長也會有促進(jìn)作用，因為鈉是植物生長的必須元素。

篩選植物時單一指標(biāo)不能作為最終的判定結(jié)果。堿茅在相對發(fā)芽率中耐鹽值最大，但相對發(fā)芽指數(shù)和相對發(fā)芽勢中最大值則是甘草，相對傷害率中最大值是沙打旺。各指標(biāo)相關(guān)性分析相對迫害率與其他4個指標(biāo)呈負(fù)相關(guān)。因此如果僅用相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對傷害率和相對根芽比5個指標(biāo)中任一指標(biāo)作為唯一標(biāo)準(zhǔn)過于片面，綜合評價各指標(biāo)是必要的，這與張毅等[29]、曹俊梅等[30]觀點一致。

研究結(jié)果表明，0.5%和1.0%濃度下披堿草耐鹽性最好，1.0%和2.0%濃度下甘草耐鹽性最好。不同鹽濃度下評價結(jié)果亦不同，故采用多個濃度進(jìn)項綜合評價較為全面。但在實際生產(chǎn)中，也可根據(jù)土壤含鹽量的不同，更準(zhǔn)確地進(jìn)行植物選取。

4 結(jié) 論

12種植物最終耐鹽性得分排名是根據(jù)隸屬函數(shù)公式分別計算4個濃度下各植物相對發(fā)芽率、相對發(fā)芽指數(shù)、相對發(fā)芽勢、相對傷害率和相對根芽比5個生長指標(biāo)。相對值的選取消除了各植物間種質(zhì)的差異，更加公平客觀的篩選出耐鹽堿的植物。根據(jù)4個濃度梯度下12種牧草種子總得分排名：甘草>高冰草>堿茅>披堿草>苦豆子>扁穗冰草>紫花苜蓿>紅豆草>草木樨>無芒雀麥>沙打旺>狗牙根。鹽堿地生態(tài)修復(fù)中可以優(yōu)先考慮甘草、高冰草、堿茅、披堿草、苦豆子、扁穗冰草、紫花苜蓿等多年生草本植物。