環境因子對無膜滴灌棉種萌發特性的影響

王洪博，楊瑩攀，高 陽，周 宇，孫文君，王興鵬

(1.塔里木大學水利與建筑工程學院，新疆阿拉爾 843300；2.中國農業科學院農田灌溉研究所，河南新鄉 453002；3.塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】無膜直播的特早熟棉花新品種中棉619(無膜棉)，在新疆南疆阿克蘇地區沙雅縣進行了規模化示范應用[1]。無膜覆蓋栽培棉花新品種的成功培育，為解決南疆棉田殘膜污染問題提供了一條可供選擇的途徑和關鍵技術支撐。隨著無膜滴灌棉花的種植應用，分析種子萌發適宜的水鹽以及溫度等環境因子改變，對無膜滴灌棉種萌發特性研究有實際意義。【前人研究進展】種子發芽期和幼苗生長期是植物生長過程中最重要的2個階段，其中種子發芽期是發育過程中最敏感的時期，決定著作物的生長以及產量[2-3]。植物生命周期中種子發芽和早期幼苗生長階段容易受環境因素的影響[4-5]。新疆南疆地區植物生長發育常受鹽、旱、高低溫、強光照等不利因素的影響[6-8]，顯著影響種子的萌發[9-10]。棉花具有一定耐鹽性，低濃度鹽脅迫可以促進種子發芽[11]，但棉花受較高鹽濃度的脅迫會嚴重影響種子萌發、生長、發育及生理生化代謝，造成不萌發、死苗及植株死亡[12]。水分不僅影響發芽開始時間，而且還決定發芽率、速率及其穩定性[13]。溫度是調節種子發芽的重要環境因子，影響著酶活性及物質代謝[14]，適宜的溫度條件是棉花高產穩產的基礎[15]。【本研究切入點】聚乙二醇(Poly-ethylene glycol，簡稱PEG)溶液培養，是生產中進行植物滲透脅迫研究較理想的模擬干旱脅迫系統，常被用于研究種子的萌發及幼苗的生長情況[16-17]。研究水、鹽、溫及其交互作用等環境因子。【擬解決的關鍵問題】基于正交試驗、隸屬函數法及聚類分析，以PEG模擬干旱脅迫、NaCl模擬土壤鹽分脅迫及用生化培養箱控制環境溫度，對無膜滴灌棉種中棉619萌發特性的影響，篩選出適合該棉種萌發的水鹽溫組合。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年2月在農業農村部作物需水與調控國家重點實驗室進行。供試棉花品種為T1：中棉619(無膜棉)及T2：新陸中37號。采用SPX-100B-Z型生化培養箱對供試棉花種子進行溫度及光照培養；由聚乙二醇(PEG-6000)模擬不同水平的干旱脅迫；以分析純NaCl模擬不同水平的鹽分脅迫。

1.2 方 法

1.2.1 種子處理

棉花種子表面消毒后，浸泡于雙蒸水中24 h，將種子從雙蒸水中取出，剝掉種皮[18]，挑選大小一致、籽粒飽滿的30粒種子播種于150℃高溫滅菌2 h，底部鋪有2層經酒精浸泡風干濾紙，直徑為9 cm的培養皿上[19]，加入5 mL 的處理液，以雙蒸水為空白對照組，置入不同溫度的生化培養箱中培養，挑選新疆南疆主栽棉花品種新陸中37號作為對照試驗組。每天更換1次相應的處理液保持質量濃度不變[20]，自萌發第4 d進行光照條件，光照∶黑暗=12 h∶12 h。

1.2.2 試驗設計

試驗選擇水分、鹽分及溫度脅迫3個主要環境因子，每個因子設置5個水平。參考6因素5水平的L25(56)的正交表設計。表1，表2

表2 正交試驗Table 2 Orthogonal table

1.2.3 測定指標

種子連續萌發8 d，期間每天記錄發芽種子數，以胚根突破種皮長度達到種子長度的一半作為萌發標準[21]。

發芽勢(%)=前3 d正常發芽的種子數/供試種子數×100%；

發芽率(%)=前7 d正常發芽的種子數/供試種子數×100%；

發芽指數=Σ(Gt/Dt)，其中Gt為t時間數的發芽率，Dt為相應的發芽天數；

萌發指數PI = (1.00)nd2+ (0.75)nd4+ (0.50)nd6+ (0.25)nd8。nd2、nd4、nd6、nd8分別指第2、4、6、8 d種子的發芽率；

種子萌發抗旱指數=水分脅迫下的萌發指數(PIS) /對照種子萌發指數(PIC)；

發芽率耐鹽系數=處理值/對照值×100%；

胚根長度及干鮮重；

活力指數=萌發指數×胚根鮮重。

1.3 數據處理

采用Microsoft Excel 2010進行數據處理及繪圖，并用DPS16.05進行正交試驗及聚類分析，采用Duncan新復極差法進行方差分析和差異性檢驗(α=0.05)。

2 結果與分析

2.1 不同環境因子對棉種發芽勢、發芽率、發芽指數及萌發指數的影響

研究表明，溫度對中棉619棉種發芽勢、發芽率、發芽指數及萌發指數的影響達極顯著水平(P<0.01)，且隨著溫度的增加而增加。溫度上升到19℃時，棉種發芽勢和發芽率達到最大值；萌發指數略有延遲，在22℃時達到最大值；而發芽指數在25℃達到最大值。鹽分對棉種發芽勢的影響較小，而棉種發芽率、發芽指數及萌發指數隨著鹽分的增加而減小，鹽分濃度為0.8%時達到最低值，較0.1%分別減少了41.00%、24.78%和18.62%。水分、水鹽交互、水溫交互及鹽溫交互環境因子對棉種發芽勢的影響較小，而發芽率、發芽指數及萌發指數呈波動變化，但發芽指數和萌發指數較發芽率變化幅度小。而新陸中37號隨溫度、鹽分、水分及交互作用的變化趨勢與中棉619相同，新陸中37號發芽勢、發芽率、發芽指數及萌發指數等指標均低于中棉619。圖1

圖1 棉種發芽勢、發芽率、發芽指數及萌發指數的因子效應Fig.1 Factor effect diagram of cotton seed germination potential, germination rate, germination index and germination index

2.2 不同環境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長的直觀

研究表明，不同環境因子對棉種抗旱、耐鹽及生長的影響程度略有差異。中棉619棉種，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為22～25℃時，萌發抗旱指數達到最大值，而發芽率耐鹽系數在溫度為19℃時已達最大值；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%～0.4%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃時棉種活力指數和胚根長度達到最大；而單根干重受水分及鹽分影響較小，溫度為19～25℃時，單根干重較大。新陸中37號棉種，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，萌發抗旱指數較大，而發芽率耐鹽系數在溫度為19～22℃時達最大值；水分含量為12.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大，當水分含量為7.5%時，活力指數較大，而胚根長度在水分含量為10%時達到最大值；棉種根系單根干重受溫度、鹽分及水分影響較小。表3

表3 棉種萌發指標的極差Table 3 Range analysis of cotton seed germination indicators

2.3 不同環境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長萌發指標的模糊

利用隸屬函數計算棉種抗旱、耐鹽及生長的綜合得分，依據綜合得分進行組合優劣判斷，確定最優因素水平組合。計算如下：

數據標準化運用模糊數學隸屬函數法對萌發指標進行標準化，如公式(1)和(2)：

(1)

(2)

權重處理采用標準差系數法，計算標準差系數Vj，歸一化后得到各個萌發指標的權重系數Wj，如公式(3)。

(3)

綜合評價值棉種抗旱、耐鹽及生長綜合評價D值的計算，如公式(4)：

(4)

式中：X(ij)表示i種類j指標的隸屬值；Xij表示i種類j指標的測定值；Xjmax、Xjmin分別表示指標的最大值和最小值；Vj表示標準差系數。

以萌發抗旱指數、發芽率耐鹽系數、單根鮮重、單根干重、活力指數及胚根長度等萌發指標為依據，通過隸屬函數法計算2個棉種萌發指標的綜合得分，綜合評價值越大，種子萌發能力越強。對中棉619而言，最優環境因子組合是水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃，其次是水分含量為7.5%、鹽分含量為0.4%及溫度為25℃，再次是水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃，得分分別為0.98、0.96及0.87。新陸中37號棉種最優環境因子組合是水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃；其次是水分含量為12.5%、鹽分含量為0.6%及溫度為25℃；再次是水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為19℃，得分分別為0.98、0.87及0.78。表4

表4 棉種抗旱、耐鹽及生長指標的隸屬函數值及綜合評價Table 4 Membership function value and comprehensive evaluation of cotton seed drought resistance, salt tolerance and growth index

2.4 不同環境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長萌發指標綜合得分方差

研究表明，不同因子的效應大小排序為C>B>A，即溫度>鹽分>水分。溫度達到極顯著水平(P<0.01)，鹽分達到顯著水平(P<0.05)，水分及交互作用未達顯著水平。表5

表5 棉種抗旱、耐鹽及生長指標綜合得分方差Table 5 Analysis of variance for comprehensive scores of drought resistance, salt tolerance and growth indicators of cotton seeds

2.5 不同環境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長萌發指標的聚類

研究表明，在距離為4時可將中棉所619棉種的25個處理分為三大類。水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃、水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃和水分含量為7.5%、鹽分含量為0.4%及溫度為25℃為同一類，該類群萌發指標的相對值較高；水分含量為12.5%、鹽分含量為0.6%及溫度為25℃、水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為19℃和水分含量為5%、鹽分含量為0.8%及溫度為25℃為一類，該類群萌發指標的相對值居中；其余組合為一類，該類群萌發指標的相對值較低。圖2

圖2 棉種抗旱、耐鹽及生長萌發指標的聚類Fig.2 Cluster analysis of drought resistance, salt tolerance and growth and germination indicators of cotton seeds

3 討 論

研究發現2個棉種的發芽勢、發芽率、發芽指數及萌發指數隨著溫度的增加而增加，發芽勢受水分、鹽分及交互作用的影響較小。而發芽率、發芽指數及萌發指數隨著鹽分的增加而減小，隨著水分及交互作用呈波動變化。適宜的溫度能夠促進種子吸水，加強酶促過程和呼吸作用，使貯藏的養分很快變成胚能利用的可溶性狀態，而較低的溫度造成發芽和出苗不良，且子葉或胚乳營養物質發生泄漏，為適應低溫的病菌提供了養分[22-23]；鹽分過高導致大多數植物生長受到抑制和產量的下降[24-25]，會降低種子發芽率，延遲萌發過程[26]；水分是種子萌發的先決條件，種子吸水后才會萌動及發芽，水分過少達不到萌發的需水量[27]。種子萌發指標隨著水分的增加而增加[17]，研究與之略有不同。這是因為在適宜的溫度條件下，干旱脅迫對種子發芽的抑制強度低于亞適溫和超適溫條件，通過激活體內酶保護機制，累積滲透調節物質用以抵御水分脅迫，維持正常的生理代謝，緩解干旱對種子發芽的不利影響[28]，保證種子的正常發芽和幼苗生長[29]。新陸中37號棉種發芽勢、發芽率、發芽指數及萌發指數等指標均低于中棉619，中棉619的抗旱、耐鹽及耐低溫性能優于新陸中37號，適合無膜種植。

研究以萌發抗旱指數、發芽率耐鹽系數、單根鮮重、單根干重、活力指數及胚根長度萌發指標為依據，進行極差分析得出中棉619不同萌發指標的優組合分別是，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為22～25℃時，萌發抗旱指數達到最大值，而發芽率耐鹽系數在溫度為19℃時已達最大值；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%～0.4%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃時棉種活力指數和胚根長度達到最大；而單根干重受水分及鹽分影響較小，溫度為19～25℃時，單根干重較大。新陸中37號不同萌發指標的優組合分別是，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，萌發抗旱指數較大，而發芽率耐鹽系數在溫度為19～22℃時達最大值；水分含量為12.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大，當水分含量為7.5%時，活力指數較大，而胚根長度在水分含量為10%時達到最大值；棉種根系單根干重受溫度、鹽分及水分影響較小。不同品種及萌發指標的優組合不盡相同，棉花對水分、鹽分、溫度脅迫的響應包含著極其復雜的生理變化，單一指標或者少量指標難以全面準確地反映棉花萌發特性，為了避免單一指標的片面性[30-31]，全面準確的評價棉花的萌發能力，必須利用與萌發特性有關的多項指標進行綜合定量評價。通過隸屬函數法計算萌發指標的綜合得分，進行隸屬函數值比較，依據綜合得分進行組合優劣判斷，綜合評價值越大，種子萌發能力越強。中棉619萌發的最優組合是水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃，新陸中37號萌發的最優組合是水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃，2個棉花品種適宜溫度均為25℃，但中棉619的耐鹽及抗旱性優于新陸中37號。

聚類分析作為一種無管理模式的識別方法，可將相同或相似的一類進行劃分，其所得結果很大程度上取決于方法所采用的距離、類間距等參數[32]。研究將萌發抗旱指數、發芽率耐鹽系數、單根鮮重、單根干重、活力指數及胚根長度萌發指標進行聚類分析，中棉619聚類結果同隸屬函數排序第一的歸為一類的有：水分含量為7.5%，鹽分含量為0.1%和溫度為25℃、水分含量為15%，鹽分含量為0.2%和溫度為25℃及水分含量為7.5%，鹽分含量為0.4%和溫度為25℃，為萌發指標的相對值較高一類，這一類處理組合對種子的萌發有較好的效果。可利用聚類分析結果與隸屬函數排序第一這一類控制條件的范圍，即溫度為25℃，鹽分為0.1%～0.4%，水分為7.5%和15%當做中棉619在受到脅迫條件下萌發的調控條件，即通過在這個范圍內調節水分、溫度及鹽分來提高種子在脅迫條件下的萌發力，提高種子的萌發率和發芽質量。

4 結 論

4.1 無膜滴灌棉種中棉619耐鹽及抗旱性優于膜下滴灌棉種，但兩者均對溫度有較高的要求。

4.2 水分、鹽分、溫度及交互作用等環境因子中，溫度對于棉種萌發的影響達到極顯著水平(P<0.01)，鹽分達到顯著水平(P<0.05)，而水分及交互作用未達到顯著水平。

4.3 適宜無膜滴灌棉種中棉619萌發的環境因子范圍是溫度為25℃，鹽分為0.1%～0.4%，水分為7.5%和15%，且最優組合為水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃。