鹽堿復合脅迫對白莖鹽生草種子萌發的影響

趙廣興，李王成,2,3，賈振江，申曉晶,2,3，肖 讓

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川 750021；2.寧夏節水灌溉與水資源調控工程技術研究中心，寧夏銀川 750021；3. 旱區現代農業水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；4. 河西學院土木工程學院，甘肅 張掖 734000）

土壤鹽堿化通常不利于植物的生長和發育[1]，土壤鹽堿化問題已成為全球性問題[2]。有研究發現，在未來的幾十年里有許多土地會因鹽堿化而撂荒，所以人們越來越重視土壤鹽堿化問題[3]。在干旱半干旱地區由于降水少且土壤蒸發強烈，通常會出現鹽分表聚現象，這不利于植物的生存[4]。土壤中的鹽分通常不是單一的鹽分，而是多種鹽分混合存在的。鹽堿復合脅迫對植物的危害大于單一的鹽脅迫和堿脅迫[5]，但堿脅迫的危害大于鹽脅迫[6]。研究發現，鹽堿脅迫會對植物細胞結構、體內細胞滲透壓的穩定和植物營養機制造成傷害[7-8]，還會降低農作物產量并造成土壤結構問題[9]。

目前關于鹽堿脅迫對植物種子萌發影響的研究較多，主要集中在農作物如小麥(Triticum aestivum)[10]、高粱(Sorghum bicolor)[11]、水稻(Oryza sativa)[12]等，鹽生植物如梭梭(Haloxylon ammodendron)[13]、堿蓬(Suaeda glauca)[14]、霧冰藜(Bassia dasyphylla)[15]等，其他一年生植物如芥菜(Brassica juncea)[16]、黑麥草(Lolium perenne)[17]等。種子萌發期是決定植物建種和生存的最為敏感的階段[18]，鹽分對植物種子萌發和幼苗生長具有較大的影響[19]，甚至導致植物產量下降。白莖鹽生草(Halogeton arachnoideus)為藜科鹽生草屬一年生鹽生植物，對其相關研究主要集中在種群分布特征[20]、基因轉錄組[21-22]、對鹽堿地及重金屬污染地的修復作用[23]和種子萌發[24-25]等方面，而關于種子萌發方面的研究多傾向于單一的鹽脅迫或堿脅迫[26]，關于鹽堿復合脅迫條件對種子萌發影響的研究還較少。白莖鹽生草作為一種耐鹽先鋒植物，耐鹽、耐旱能力強，對改善鹽堿地和干旱區生態具有積極意義。因此，本研究選取白莖鹽生草為試驗對象，研究鹽堿復合脅迫對白莖鹽生草種子萌發的影響，得出白莖鹽生草種子在鹽堿復合脅迫下的耐受程度，以期為西北干旱半干旱區生態恢復和鹽堿地改良積累理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用白莖鹽生草種子于2019年11月采集于寧夏香山，選取成熟飽滿、大小一致的種子用于萌發試驗。

1.2 試驗設計

本試驗選擇NaCl、Na2SO4兩種中性鹽和NaHCO3、Na2CO3兩種堿性鹽按照不同比例混合[14]，以蒸餾水培養作為對照(CK)，以鹽分種類和鹽濃度為控制因素，每個處理4個重復，每個重復50粒種子。按照NaCl ? Na2SO4? NaHCO3? Na2CO3的順序分為A (1?1?0?0)、B(1?2?1?0)、C(1?9?9?1)、D(1 ?1?1 ?1)、E (9?1?1?9)5個組別，每個組別濃度分為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7 mol·L?1，共30個處理水平。

1.3 試驗方法

采用紙上培養法進行種子萌發試驗，種子置于發芽床前先用15% NaClO進行消毒，然后用蒸餾水沖洗5遍。在每個培養皿中鋪兩層濾紙，參考文獻[27]，設定萌發條件為溫度25℃，12 h 光照和12 h 黑暗交替。在每個培養皿中加入5 mL 對應鹽溶液，CK 中加入5 mL 蒸餾水，每天20:00記錄種子萌發情況，并將已萌發的種子移出培養皿，采用每天定時稱重補水的方法保持培養液濃度的一致性。當種子胚根長度≥2 mm 時，視為種子萌發。在第10天后，將未萌發的種子轉移到蒸餾水中繼續進行觀察，當種子萌發數連續3 d 為0時，視為種子萌發結束。

1.4 萌發指標計算

1.5 數據分析

采用SPSS 25進行種子萌發指標的統計分析，對不同鹽堿復合脅迫下種子萌發特性指標運用Duncan’s法進行多重比較(P<0.05)；種子萌發指標采用平均值± 標準誤表示。采用Origin 2018進行聚類分析及繪圖，使用Excel 2019進行回歸分析。

2 結果

2.1 鹽堿脅迫對種子萌發特性的影響

2.1.1 鹽堿脅迫對種子發芽率和最終發芽率的影響

隨著鹽分濃度的增大，不同處理下A ?E 的種子發芽率呈減小趨勢，當濃度大于0.5 mol·L?1時，種子發芽率迅速減少至10%以下(圖1)。CK 處理時種子發芽率為96%且平均萌發時間為1.11 d，用時短、出芽整齊、種子活力高。A 組中，0.1 mol·L?1處理下的發芽率最高，為94%，0.7 mol·L?1下無種子萌發，說明該濃度已經超出了白莖鹽生草種子可以耐受的極限值。與CK 相比，A ?E組中，0.1 mol·L?1處理的發芽率分別降低0.53%、1.59%、10.05%、1.06%、17.46%；0.3 mol·L?1處理的發芽率分別降低44.97%、65.61%、36.51%、51.32%、88.89%；0.5 mol·L?1處理的發芽率分別降低92.06%、95.24%、99.47%、98.94%、99.47%。當濃度為0.7 mol·L?1時種子發芽率基本為0，表明鹽溶液濃度已經超出了種子萌發的耐鹽極限值，顯著抑制了種子的萌發；0.7 mol·L?1時A?E的發芽率顯著低于低濃度下的發芽率(P<0.05)。

將未萌發的種子轉移到蒸餾水中繼續觀察，發現鹽堿脅迫對種子萌發造成了一定影響，但并沒有完全傷害種子，有一部分種子仍然可以恢復萌發。0.1 mol·L?1時A 和B的最終發芽率無明顯變化，其他處理的最終發芽率有較小的漲幅(圖1)。當濃度大于等于0.4 mol·L?1時，種子在鹽堿脅迫下的發芽率較低，轉移到蒸餾水中后最終發芽率明顯升高。A ?E 組中，0.4 mol·L?1處理的發芽率從12%、20%、3.5%、8%、4%恢復到54%、56.5%、27.5%、32.5%、16%。0.7 mol·L?1處理的發芽率從0.5%、0、0、0.5%、0恢復到24%、58.5%、25%、13%、10.5%，尤其是該濃度B組的最終發芽率顯著高于同濃度其他組(P<0.05)，其余組之間差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同鹽分種類及濃度下白莖鹽生草種子的發芽率和最終發芽率Figure 1 Germination rate and final germination rate of Halogeton arachnoideus seeds under different salt types and concentrations

2.1.2 鹽堿脅迫對種子發芽勢和發芽指數的影響

CK 的 發 芽 勢 為94.5%，0.1 mol·L?1處 理A 和E 組發芽勢分別為92.5%和73.5%，該濃度下，A ?E各處理的發芽勢均為最高(圖2)，C組處理，0.1、0.2和0.3 mol·L?1對 應 的 發 芽 勢 分 別 為81.50%、52%和43.50%，當鹽溶液濃度大于0.3 mol·L?1時發芽勢急劇下降，0.4、0.5和0.7 mol·L?1的發芽勢分別為2.5%、0.5%和0。從濃度方面來說，當濃度大于0.5 mol·L?1時各處理的發芽勢較小，均在15%以下。隨著鹽分濃度的增加，發芽勢呈減小的趨勢。C ?E處理下當鹽濃度大于0.5 mol·L?1時，發芽勢均接近于0。同一濃度下不同鹽分種類對應的發芽勢間差異較小，不同濃度下發芽勢間差異顯著。

圖2 不同鹽分種類及濃度下白莖鹽生草種子的發芽勢和發芽指數Figure2 Germination potential and germination index of Halogeton arachnoideus seeds under different salt types and concentrations

發芽指數是衡量一年生植物種子萌發的重要指標，發芽指數越大說明種子萌發速度越快，出芽越整齊。CK 的發芽指數最大，為90.34；A 組中，0.1 mol·L?1處理下的發芽指數在各處理中最大，為80.58，與CK 比較接近；0.4、0.5和0.7 mol·L?1處理下的發芽指數均在10以下(圖2)。E組中，0.1 mol·L?1處理下的發芽指數為54.78，0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L?1處理下的發芽指數分別為3.9、1.75、0和0。A ?E處理下當鹽濃度為0.1 mol·L?1時發芽勢均為各鹽分種類下的最大值，0.7 mol·L?1時發芽勢均為最小值，基本為0。高濃度鹽堿脅迫顯著抑制種子萌發進程。綜合鹽堿復合脅迫對種子萌發特性的影響得出，鹽分濃度比鹽分種類對白莖鹽生草種子萌發的影響更大。

2.2 白莖鹽生草種子萌發的耐鹽閾值與極限值

2.2.1 用回歸方程求解種子萌發閾值及極限值

以鹽濃度為自變量，發芽率為因變量。在Excel 2019中進行回歸分析，得出線性回歸的相關系數較小，因此選用對數函數，得出回歸方程(表1)。令發芽率(y)為50%和0，求出相應的鹽濃度(x)，得出白莖鹽生草種子在不同種類鹽分條件下的耐受程度。鹽分種類為A 時其耐鹽閾值為0.26 mol·L?1，耐鹽極限值為0.65 mol·L?1，為各鹽分種類中的最大值；當鹽分種類為E時白莖鹽生草種子萌發的耐鹽閾值為0.16 mol·L?1，耐鹽極限值為0.52 mol·L?1；E 組處理的耐鹽閾值和耐鹽極限值較A 組均有不同程度的下降。

表1 耐鹽閾值及極限值的求解Table 1 Solution of salt tolerancethreshold and limit value

2.2.2 聚類分析求解

聚類結果表明：鹽分種類為A、C和D時，0.1、0.2和0.3 mol·L?1為第一類，0.4、0.5和0.7 mol·L?1為第二類；得出A、C和D的耐鹽臨界濃度為0.3 mol·L?1(圖3)。B條件下0.1和0.2 mol·L?1為第一類，0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L?1為第二類；得出B的耐鹽臨界濃度為0.2 mol·L?1。E條件下0.1mol·L?1為第一類，0.2、0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L?1為第二類；得出E的耐鹽臨界濃度為0.1 mol·L?1。說明隨著堿性鹽占比的增大，白莖鹽生草種子萌發的臨界耐受濃度降低，堿性鹽較中性鹽對種子萌發的危害更大。

圖3 不同鹽分種類下的聚類分析Figure3 Cluster analysis for different salt types

對聚類分析與回歸分析的結果取均值，得出鹽堿復合脅迫下0.234 mol·L?1為種子萌發的耐鹽濃度分界點，即此水平下有50%的白莖鹽生草種子可以萌發；在鹽濃度低于0.234 mol·L?1的鹽堿環境下，白莖鹽生草種子萌發特性保持較高的水平，而鹽濃度高于0.234 mol·L?1時發芽率、發芽指數、發芽勢等下降趨勢加快。

3 討論與結論

鹽堿脅迫對植物種子的傷害不會使之完全喪失活力，鹽溶液中未萌發的種子轉移到蒸餾水中后仍有部分種子可以恢復萌發。本研究中，高濃度鹽堿脅迫對白莖鹽生草種子萌發造成了較大影響，且復水后種子最終發芽率較低。發芽率、發芽指數、發芽勢、最終發芽率均隨著鹽濃度的增大呈下降趨勢，但下降的幅度取決于鹽分種類。種子發芽率越低，說明鹽堿脅迫對種子萌發的危害程度越大。CK 的種子發芽率最高，為96%，0.1 mol·L?1對應的發芽率均為各濃度下的最大值，鹽分種類為A、B、C時種子萌發在不同鹽濃度下的差異較小，D、E 兩種堿性鹽占比較高的鹽溶液對種子萌發的影響較大。0.5 mol·L?1處理A、B、D和E的發芽率分別為7.5%、4.5%、1%和0.5%。以上說明堿性鹽對白莖鹽生草種子萌發的危害更大，白莖鹽生草更耐受中性鹽環境。

通過回歸分析，得到A ?E 的耐鹽閾值依次為0.26、0.24、0.23、0.25、0.16 mol·L?1。聚類分析顯示A ?E 的耐鹽閾值依次為0.3、0.2、0.3、0.3、0.1 mol·L?1。兩種分析的結果較接近，說明對不同種類鹽溶液及濃度下白莖鹽生草種子萌發耐鹽閾值的分析是可信的。本研究得出的結論與程龍等[28]對白莖鹽生草種子萌發在單鹽NaCl 作用下的耐鹽閾值和耐鹽極限值較為接近。綜合聚類分析與回歸分析結果得出：鹽堿復合脅迫下白莖鹽生草種子萌發的耐鹽閾值為0.234 mol·L?1，耐鹽極限值為0.602 mol·L?1。

本研究中高濃度鹽溶液強烈抑制了種子萌發，種子最終發芽率平均在10%以下，很大程度損壞了植物的生理代謝及活力，與Bajji等[29]對海濱藜(Atriplex halimus)的研究結果相似。將鹽溶液中未萌發的種子轉移到蒸餾水中后，A ?E 的種子有不同程度的恢復，堿性鹽占比大的處理的種子最終發芽率較小，這與劉庚等[30]對唐古特白刺(Nitraria tangutorum)的研究結果相似。本研究發現，高濃度鹽溶液中白莖鹽生草種子平均萌發時間增長、萌發整齊度低、發芽勢小、種子活力低，且鹽濃度超過耐鹽閾值時種子萌發時間顯著增長、萌發數量??；而低濃度鹽溶液中種子萌發迅速且整齊、平均萌發時間短，主要集中在前4 d；這與Li 等[31]對互花米草(Spartina alterniflora)的研究結果相似。

綜上，本研究結果表明：1)隨著鹽堿濃度的增大，種子發芽率、發芽勢、發芽指數、最終發芽率均呈下降趨勢，鹽分濃度對白莖鹽生草種子萌發的影響大于鹽分種類。隨著堿性鹽比例的增大，白莖鹽生草種子萌發耐鹽閾值和耐鹽極限值呈減小的趨勢。2)對聚類分析與回歸分析結果取均值得出，鹽堿復合脅迫下0.234 mol·L?1為白莖鹽生草種子萌發的耐鹽閾值，當濃度低于0.234 mol·L?1時種子萌發特性差異較?。荒望}極限值為0.602 mol·L?1。相較于堿性鹽，白莖鹽生草更耐受中性鹽環境。