寒地粳稻耐堿鑒定指標篩選與評價

孫興榮，卞景陽，劉琳帥，劉 凱，李 杰，來永才

(1.黑龍江省農業科學院大慶分院，黑龍江大慶 163319； 2.國家耐鹽堿水稻技術創新中心東北分中心，黑龍江哈爾濱 163316；3.黑龍江省農業科學院，黑龍江哈爾濱 163316)

東北松嫩鹽堿土是世界上三大蘇打鹽堿土之一，松嫩平原鹽堿土壤面積在343萬hm2左右[1]，其中黑龍江省鹽堿地面積為187萬hm2左右，寒地粳稻鹽堿土壤種植面積在6.7萬hm2左右，由于水資源和水利工程的高效利用，蘇打堿土寒地粳稻面積逐年增加。蘇打鹽堿土壤生態環境，不同于濱海鹽堿土壤，蘇打鹽堿土壤中主成分碳酸鈉和碳酸氫鈉，對寒地粳稻生長發育的影響主要是堿性。前人進行了相關研究，在土壤改良方面，主要采用以水洗堿、以水壓堿等技術措施進行蘇打堿土的改良[2]，以水改良土壤存在堿水污染周邊生態環境等問題。在耐鹽堿研究和種質篩選方面，其中耐鹽研究較多[3-5]，主要在種子萌發和苗期鑒定。孟麗君等在苗期耐鹽和耐堿方面，以吉粳88為基礎，利用不同類型的水稻親本，進行育種資源的鑒定[6]。潘世駒等對多份粳稻苗期進行耐鹽篩選，認為對水稻幼苗的抑制作用主要表現為根長>芽長>根數[7]。馮鐘慧等對多份粳稻進行耐鹽篩選，篩選出東稻4號、長白21號等多個耐堿品種資源[8]。雖然眾多學者開展了大量的工作，但還存在很多問題，水稻不同時期的水稻耐堿性結論不相同[9-10]。目前對寒地粳稻對蘇打堿土的影響評價標準不一致，方法不統一[11]，研究蘇打鹽堿土使用的試劑模擬或盆栽環境，很少有大田試驗[12]。

因此，本研究以寒地粳稻品種為研究對象，利用pH值為7.5的稻田土作為對照，以pH值為8.5的蘇打鹽堿土為處理，對66份寒地粳稻進行本田種植，進行農業耐堿力的鑒定和綜合評價。利用多種分析方法進行寒地粳稻指標的篩選，旨在為水稻耐堿品種的選育及耐堿性評價提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

以黑龍江省審定的66份寒地粳稻品種和品系為供試品種(系)，供試水稻品種(品系)見表1。

表1 供試水稻品種(品系)材料

1.2 試驗設計

本試驗2021年在黑龍江省農業科學院大慶分院紅旗泡水稻試驗基地進行，4月20日播種，采用旱育苗方式，3葉1心時插秧。基地位于黑龍江省西部松嫩平原腹地，天然形成不同堿度的土壤，試驗田塊分為對照田塊、處理田塊，對照田塊屬于弱堿田塊，pH值為7.5，試驗田塊為天然蘇打堿土分布均勻的中度鹽堿田塊，pH值為8.5，土壤基本理化性質見表2，不同水稻品種(品系)分別于對照田塊、處理田塊插秧20株，插秧規格為30.0 cm×13.2 cm，水肥管理措施與常規水田管理相同。

表2 參試土壤基本性質

1.3 測定項目與方法

于水稻成熟期(10月5日)進行相關指標的測量，每份材料選取長勢基本一致的10穴，置于通風陰涼處風干。參考《水稻種質資源描述規范和數據標準》[13]進行考種，考種指標包括株高、穗長、穗數、實粒數、癟粒數、株總粒數、單株粒質量、 穗質量、千粒質量，并計算空秕率、秸稈質量、經濟系數。

1.4 數據處理及統計分析

采用Excel 2007進行數據整理及描述性分析，采用SPSS 17.0軟件系統進行數據處理和統計分析，包括主成分分析和相關分析等，相關指標計算方法參考戴海芳等的方法[14]。

1.4.1 耐堿系數( alkali tolerant coefficients，簡稱ATC) 為消除各試驗材料和測量指標之間存在的基礎差異，將全部水稻測定指標統一計算耐堿系數，即使用各耐堿指標的相對值進行水稻耐堿性綜合分析。

ATC=堿迫下指標值/對照指標值。

(1)

1.4.2 綜合指標值 綜合指標值按以下公式計算：

(2)

式中：Zi為各參試材料第i個綜合指標值；αi為第i個指標特征值所對應的特征向量；Xi為第i個指標的相對值；n代表考察的指標數。

1.4.3 隸屬函數分析 參試材料各主成分的隸屬函數值依據公式計算：

μ(Zi)=(Zi-Zmin)/(Zmax-Zmin)(i=1，2，3，…，n)。

(3)

式中：μ(Zi)為各參試材料第i個主成分的隸屬函數值；Zmin和Zmax分別為各參試材料綜合指標的最小值和最大值。

1.4.4 各綜合指標的權重 根據各主成分貢獻率按照公式計算各主成分的權重：

(4)

式中：Wi為各參試材料第i個綜合指標的權重；Pi為各參試材料第i個綜合指標的貢獻率。

1.4.5 參試材料的綜合耐鹽堿D值 根據公式計算各試驗材料的綜合耐鹽堿D值：

(5)

2 結果與分析

2.1 耐堿性描述性分析和相關分析

試驗對66個寒地粳稻材料的12個性狀的耐堿性進行測定(表3)，所有性狀的耐堿系數平均值為0.885，平均耐堿系數值分布在0.754～1.020之間，株高、穗長、空秕率、癟粒數、實粒數、千粒質量、經濟系數共7項指標的平均耐堿系數大于0.9；穗數、株總粒數、單株粒質量、穗質量、秸稈質量共5項指標的耐堿系數在0.8以下。從12個性狀的變異系數上看，變異系數最小的3個耐堿指標依次是經濟系數(8.00%)、穗長(8.51%)、株高(11.70%)；變異系數最大的3個耐堿指標依次是癟粒數(39.58%)、空秕率(36.84%)、秸稈質量(27.27%)。

表3 水稻品種(品系)耐堿系數的描述性分析

對試驗材料的12個表型性狀的相關分析結果(表4)顯示，性狀間存在不同程度的相關性。其中，穗質量耐堿系數與株高、穗數、株總粒數、單株粒質量、秸稈質量的耐堿系數呈顯著或極顯著正相關；株總粒數耐堿系數與株高、穗數、實粒數、癟粒數、單株粒質量、穗質量、秸稈質量的耐堿系數呈顯著或極顯著正相關；千粒質量的耐堿系數與穗長呈極顯著正相關，與每株實粒數、癟粒數、株總粒數、空秕率的耐堿系數呈顯著或極顯著負相關。穗數的耐堿系數與每株實粒數的耐堿系數呈顯著負相關，與株高、株總粒數、單株粒質量、穗質量、秸稈質量呈顯著或極顯著正相關。水稻各性狀之間的相關性存在信息重疊，需要進一步分析各性狀響應堿害的真實性。

表4 不同水稻品種(品系)12個性狀耐堿系數的相關分析

2.2 耐堿性的主成分分析

試驗材料耐堿性的主成分分析(表5)，得出5個主成分的累計貢獻率(CCR)為87.768%，說明前5個主成分具有代表性。主成分特征值(E)均大于1，貢獻率(CR)分別為36.132%、19.344%、12.736%、10.746%、8.810%，即前5個相互獨立的主成分代表12個性狀87.768%的變異信息。第1主成分的貢獻率為36.132%，主成分中與產量相關的穗數(0.806)、株總粒數(0.943)、單株粒質量(0.948)、穗質量(0.957)的載荷較高，可將該主成分定為產量因子；第2主成分的貢獻率為19.344%，主成分中與籽粒結實相關的癟粒數(0.870)、空秕率(0.766)、千粒質量(-0.773)的載荷較高，可將該主成分定為籽粒結實因子；第3主成分、第4主成分、第5主成分的貢獻率分別為12.736%、10.746%、8.810%，以經濟系數(0.745)、每穗實粒數(-0.628)、穗長(0.619)的載荷較高，主成分可分別定為經濟系數因子、實粒數因子、穗長因子。

表5 前5個主成分的特征向量載荷、E、CR及CCR

2.3 耐堿性綜合評價

依據公式計算各試驗材料的綜合指標值和隸屬函數值，根據主成分貢獻率的大小，計算5個主成分的權重，分別為0.412、0.220、0.145、0.122、0.100。利用公式對綜合指標隸屬函數值、對應權重進行線性加權，最后計算出試驗材料的綜合評價值(D)。由表6可知，66份試驗材料D均值為0.387，分布在0.26～0.49區間內。試驗材料Y41、Y45、Y2的D最高，分別為0.49、0.45、0.45，是綜合評價值最高的3份耐堿材料。試驗材料Y30、Y32、Y3的D最低，分別為0.26、0.28、0.29，是對堿性最敏感的3份粳稻材料。

表6 66個水稻品種(品系)的權重、隸屬函數值、D及耐堿性排序

表6(續)

2.4 水稻耐鹽堿鑒定指標的篩選

以耐堿性綜合評價值為自變量，各鑒定指標的耐堿系數作為自變量，建立耐堿性評價的逐步回歸方程。去除X1和X11，使用剩余10個表型指標建立回歸方程。方程為D=0.137+0.049X2-0.008X3+0.017X4+0.02X5+0.092X6+0.022X7+0.041X8+0.019X9+0.088X10-0.024X12。

式中：X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X12分別代表穗數、穗長、實粒數、癟粒數、株總粒數、空秕率、單株粒質量、千粒質量、穗質量、經濟系數。

回歸方程的F值為2 122.368，說明方程達到顯著水平。通過耐堿性綜合評價值與12個性狀的耐堿系數相關分析結果得出，D與株高、穗數、實粒數、癟粒數、株總粒數、空秕率、單株粒質量、穗質量、秸稈質量共9個性狀指標呈顯著相關。進一步分析得出株高、穗數、株總粒數、單株粒質量、穗質量共5個指標的耐堿系數相互顯著相關，選擇與D最密切的單株粒質量作為耐堿鑒定指標。癟粒數和空秕率2個指標的耐堿性系數相互顯著相關，選擇空秕率作為耐堿鑒定指標。所以，將單株粒質量、空秕率、秸稈質量、實粒數共4個指標作為寒地粳稻本田耐堿鑒定評價指標。

3 討論與結論

水稻耐鹽堿鑒定條件。鹽堿脅迫對水稻的研究，主要集中在鹽對水稻生長的影響，多在芽期、苗期，采用試劑配制溶液模擬鹽堿環境的方法，這種條件有利于控制試驗，精確度高。如杜志強等均采用過這種方法[15-19]進行研究。關于內陸蘇打堿土對水稻的影響研究較少，并多是利用盆栽方式。在大田的研究中，由于蘇打堿土大田的鹽漬化程度不好控制，大田蘇打堿土的土壤性質，鹽漬化的程度與水分、耕作條件等存在很大的相關性。為了利于水稻材料的鑒定，確保水稻材料綜合脅迫環境更符合自然條件。應多采用不同鹽漬化程度的大田進行試驗。

水稻耐鹽堿篩選指標。不同的研究結果存在一定的差異，李紅宇等認為，結實率、產量、生物量、經濟系數、根直徑等指標可作為水稻耐鹽堿評價指標[20]。徐晨等認為，地上鮮質量、根系鮮質量、葉片的光合速率、氣孔導度等指標可作為水稻耐鹽堿評價指標[21]。王秋菊等認為，死葉率可以作為水稻耐鹽堿評價指標[22]。本研究得出單株粒質量、空秕率、秸稈質量、實粒數共4個指標作為寒地粳稻本田耐堿鑒定評價指標。各項耐堿指標的確定存在一定的差異，主要是試驗條件和測定指標均存在差異。

本研究結果表明，堿脅迫抑制了寒地水稻生長，測定的12項指標中，單株粒質量、空秕率、秸稈質量、實粒數4個指標可作為寒地粳稻本田耐堿鑒定評價指標。從66份寒地粳稻中篩選出3份耐鹽堿材料，分別為龍稻21、龍稻16、松粳3號；敏感寒地粳稻資源3份，分別為慶401、D132、廣稻1號。