鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的影響1)

何 磊 陸兆華

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，北京，100083)

管 博

(中國(guó)科學(xué)院煙臺(tái)海岸帶研究所濱海濕地生態(tài)實(shí)驗(yàn)室)

趙艷云

(濱州學(xué)院)

王睿彤 劉 洋

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué))

黃河三角洲是我國(guó)三大河口三角洲之一，其經(jīng)濟(jì)開發(fā)潛力之大，被譽(yù)為“金三角”地帶，是我國(guó)重點(diǎn)經(jīng)濟(jì)開發(fā)區(qū)。但近年來(lái)由于黃河斷流、海水侵蝕、氣候變暖以及人為等因素使黃河三角洲地表鹽分不斷積累，形成了典型的濱海鹽堿地。目前面積達(dá)到44.29 萬(wàn) hm2，占全區(qū)耕地總面積的52.5%［1］。

土壤鹽堿化是限制植物生長(zhǎng)和生產(chǎn)的重要因素［2］，但由于鹽、堿脅迫機(jī)制的區(qū)別，有些學(xué)者把鹽堿脅迫細(xì)化為鹽脅迫和堿脅迫。土壤鹽脅迫包括滲透脅迫和離子毒害作用，而堿脅迫不僅包括前兩者，還包括高pH值脅迫作用［3］。近幾年，關(guān)于作物對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)機(jī)制已做了大量的研究［4－9］，但是關(guān)于作物對(duì)鹽堿脅迫以及混合鹽堿脅迫的響應(yīng)研究還比較少［10－12］。特別是作物對(duì)黃河三角洲鹽堿地區(qū)的適應(yīng)機(jī)制的研究更是少之又少。

甜高粱(Sorghum bicolor(L.)Moench)是禾本科高粱屬植物，是綠色能源的佼佼者，它屬于C4植物，具有很高的光合速率，是目前世界上生物量最高的作物之一，故有“高能作物”之稱［13］。甜高粱因具有高能、高光效、抗旱、耐澇、耐鹽堿、高生物產(chǎn)量、高含糖量等特點(diǎn)，被認(rèn)為是最具開發(fā)潛力的能源植物之一［14－16］。甜高粱對(duì)土地的適應(yīng)能力很強(qiáng)，pH 值從5.6 ～8.5均能正常生長(zhǎng)［17］。甜高粱已在黃河三角洲的濱州市種植獲得了成功，2005年種植甜高粱面積857 hm2，2006年全市種植甜高粱面積約3500 hm2［18］。因此，種植甜高粱對(duì)于開發(fā)利用鹽堿化地區(qū)的土地資源，擴(kuò)大高粱的種植面積及其緩解能源危機(jī)具有重要的意義。

在植物生長(zhǎng)的各個(gè)階段中，耐鹽堿性具有一定差異，種子萌發(fā)期是植物生長(zhǎng)發(fā)育過程中的初始階段，萌發(fā)期的耐鹽堿性對(duì)于植物在鹽堿地的存活與生長(zhǎng)發(fā)育至關(guān)重要［19－20］。因此，探討種子萌發(fā)期在鹽堿脅迫條件下的響應(yīng)對(duì)于物種能否成功定居并生存具有重要意義。文中通過對(duì)不同混合鹽堿脅迫下甜高粱種子的萌發(fā)率，萌發(fā)指數(shù)，相對(duì)鹽害率，幼根、幼芽生長(zhǎng)情況及生物量等進(jìn)行了研究，以期為黃河三角洲鹽堿地的開發(fā)利用及生物質(zhì)能源作物的選育提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

處理液配置:將廣泛存在于黃河三角洲鹽堿土壤中的 NaCl、Na2SO4和 NaHCO3按不同質(zhì)量比混合，以堿性鹽所占比例由小到大的順序分成3個(gè)處理組依次標(biāo)為 A、B、C 組，pH 值分別為 7.08、8.78、9.04。NaCl、Na2SO4、NaHCO3質(zhì)量比依次為 A 組:W(NaCl)∶W(Na2SO4)∶W(NaHCO3)=2∶1∶0;B組:W(NaCl)∶W(Na2SO4)∶W(NaHCO3)=2∶1∶1;C組:W(NaCl)∶W(Na2SO4)∶W(NaHCO3)=2∶1∶2。各組的鹽濃度均設(shè)置 100、200、300、400、500 mmol·L－15個(gè)水平，共組成15個(gè)處理組合，以蒸餾水處理作為對(duì)照(CK，0 mmol·L－1)。

萌發(fā)試驗(yàn):選擇飽滿、整齊的種子，用10%過氧化氫消毒10 min，蒸餾水反復(fù)沖洗干凈，空氣中風(fēng)干。置于微電腦控制人工萊福生化培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，光照周期為12 h/12 h(晝/夜)，溫度為25℃/15℃(晝/夜)。采用紙上發(fā)芽法，選用帶蓋培養(yǎng)皿(直徑90 mm)，內(nèi)置2層濾紙，每皿25粒種子，4個(gè)重復(fù)。皿中加入相應(yīng)的處理液10 mL，用石蠟?zāi)し饪谝苑乐顾终舭l(fā)，每天同一時(shí)間開蓋觀察記錄萌發(fā)情況。以種皮裂口視為發(fā)芽，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽的種子數(shù)。連續(xù)觀察8d(即3d沒有新種子萌發(fā)視為發(fā)芽結(jié)束)。

幼苗形態(tài)指標(biāo):在萌發(fā)結(jié)束時(shí)，從各個(gè)處理中隨機(jī)取出10株幼苗，分別量取幼根長(zhǎng)及幼芽長(zhǎng)并測(cè)量其干、鮮質(zhì)量。各處理液的pH值用pH計(jì)測(cè)量。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 13.0進(jìn)行分析，考慮95%置信水平，應(yīng)用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 混合鹽脅迫對(duì)甜高粱種子萌發(fā)的生理響應(yīng)

在鹽堿環(huán)境下，種子能否萌發(fā)是植物正常生長(zhǎng)發(fā)育的前提條件。種子生活力的表征指標(biāo)主要有萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)等。萌發(fā)率反映種子的發(fā)芽能力;萌發(fā)指數(shù)在一定程度上可以反映種子發(fā)芽速度，種子發(fā)芽所需時(shí)間越短，發(fā)芽指數(shù)就越大［20］。

不同混合鹽堿脅迫處理下的甜高粱的累積萌發(fā)率如圖1所示，A、B、C三組的累積萌發(fā)率曲線趨勢(shì)相似，隨著鹽堿濃度的增加，各組的累積萌發(fā)率均下降;另外，隨著pH值的增大，累積萌發(fā)率下降明顯。當(dāng) pH 值為 8.78，鹽濃度為 500 mmol·L－1時(shí)，萌發(fā)率降至13%，而當(dāng) pH值為9.04，鹽濃度為 500 mmol·L－1時(shí)，萌發(fā)率僅達(dá)到5%，說明甜高粱種子萌發(fā)受到嚴(yán)重的高鹽濃度脅迫和pH值脅迫抑制。

圖1 不同脅迫處理下甜高粱種子的累積萌發(fā)率

如圖1 所示，A1、A2、A3、B1、B2、C1、C2 組的甜高粱種子均在第1 d發(fā)芽，說明甜高粱種子可以耐受較低的鹽堿脅迫，而隨著鹽堿脅迫的增強(qiáng)，種子的起始發(fā)芽時(shí)間推遲，并且鹽濃度和pH值越大，對(duì)種子的發(fā)芽抑制作用越大。

由表1可以看出，甜高粱種子的萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)均隨著鹽濃度的升高而降低。A1、A2、A3、B1處理組的萌發(fā)率與對(duì)照相比均無(wú)顯著性差異，說明在一定的pH值范圍內(nèi)，低鹽濃度對(duì)甜高粱種子的萌發(fā)沒有明顯抑制作用。但隨著鹽濃度與pH值的增大，萌發(fā)率快速下降，當(dāng)pH值為9.04，鹽濃度為500 mmol·L－1時(shí)，萌發(fā)率比對(duì)照下降了92%，說明在高鹽強(qiáng)堿的環(huán)境下，甜高粱種子的發(fā)芽能力減弱，發(fā)芽速度和幼苗生長(zhǎng)速度減弱，這是由于鹽分的大量積累，種子體內(nèi)難以獲得萌發(fā)所需的水分，從而降低了發(fā)芽率。表1表明，各處理組的萌發(fā)指數(shù)與對(duì)照相比，有顯著性差異，下降幅度最大的為B5、C5，萌發(fā)指數(shù)分別下降了96.46%、97.95%;下降幅度最小的為 A1、B1，萌發(fā)指數(shù)分別下降了13.13%、18.53%，說明在高鹽強(qiáng)堿下，甜高粱種子在前期發(fā)芽較少較慢，而在低鹽堿下，甜高粱種子在前期發(fā)芽較多較快。

表1 不同脅迫處理下甜高粱種子的萌發(fā)情況比較

2.2 混合鹽脅迫對(duì)甜高粱種子萌發(fā)的抑制作用

相對(duì)鹽害率的大小反應(yīng)了鹽溶液對(duì)甜高粱種子發(fā)芽的影響程度。相對(duì)鹽害率的數(shù)值越大，說明甜高粱種子受到的傷害越重，越不易發(fā)芽和生長(zhǎng)［21］。

從表2中可看出，隨著鹽濃度的升高，相對(duì)鹽害率增大，即鹽濃度越大，甜高粱種子越不易發(fā)芽和生長(zhǎng)。隨著鹽濃度的升高，A、B、C組的相對(duì)鹽害率分別從1.04%上升到 37.13%、1.00%上升到 86.63%、13.46%上升到94.88%。當(dāng)鹽濃度為500 mmol·L－1時(shí)，A5 的相對(duì)鹽害率僅為 37.13%，B5、C5 的相對(duì)鹽害率達(dá)到了86.63%和94.88%。這說明甜高粱種子在較低堿度范圍的環(huán)境下能較好地萌發(fā)。

表2 不同脅迫處理下甜高粱種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)指標(biāo)

2.3 混合鹽脅迫對(duì)甜高粱胚生長(zhǎng)及生物量的影響

由表2知，甜高粱種子的幼芽長(zhǎng)和幼根長(zhǎng)均在鹽濃度為 0 mmol·L－1時(shí)最大，分別為 6.7、11.09 cm，隨著混合鹽濃度的升高，幼芽、幼根長(zhǎng)顯著降低。A1、A2、A3、A4、A5 的幼芽長(zhǎng)與對(duì)照相比分別下降了33.28%、61.19%、83.28%、94.48%、95.37%。A1、A2、A3、A4、A5 的幼根長(zhǎng)與對(duì)照相比分別下降了44.15%、72.50%、89.81%、93.78%、96.93%，其中根長(zhǎng)的下降趨勢(shì)更加明顯，這是因?yàn)橹参锩劝l(fā)過程中，根部是吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的最直接的器官，也是受滲透脅迫和離子毒害作用最明顯的部位。隨著pH值的增大，幼根、幼芽長(zhǎng)同樣顯著下降，當(dāng)混合鹽濃度為 500 mmol·L－1、pH 值≥8.78 時(shí)，甜高粱幼根的生長(zhǎng)受到完全抑制，甚至出現(xiàn)了無(wú)根畸形苗。

由表2可知，A、B、C組的幼芽長(zhǎng)與幼根長(zhǎng)均在混合鹽處理液為500 mmol·L－1時(shí)受抑制作用最大，幼芽長(zhǎng)與對(duì)照相比，分別下降了94.48%、98.06%、98.51%，幼根長(zhǎng)與對(duì)照相比，分別下降了96.93%、100%、100%。結(jié)果表明，高鹽脅迫下甜高粱早期幼苗無(wú)法正常生長(zhǎng)。

由表2可知，隨著鹽濃度的提高，幼苗的鮮、干質(zhì)量受到明顯的抑制作用，呈下降趨勢(shì)。當(dāng)混合鹽溶液 pH 值≥8.78，鹽濃度＞300 mmol·L－1時(shí)，幼苗受到的抑制作用最大，與對(duì)照相比，抑制作用達(dá)到100%。A1、B1組，幼苗受到的抑制作用最小，與對(duì)照相比，鮮質(zhì)量分別下降了45.76%、42.93%;干質(zhì)量分別下降了 48.46%、43.08%。

2.4 混合鹽脅迫特點(diǎn)分析

根據(jù)雙因素方差分析表明，鹽濃度、pH值、鹽濃度與pH值的相互作用對(duì)甜高粱種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)和相對(duì)鹽害率均有極顯著性影響(P＜0.01)，且鹽濃度對(duì)其的影響力最大;鹽濃度和鹽濃度與pH值的交互作用對(duì)甜高粱種子的幼芽長(zhǎng)的生長(zhǎng)有極顯著性影響(P＜0.01);而鹽濃度與pH值的相互作用對(duì)甜高粱種子的幼根長(zhǎng)的生長(zhǎng)有極顯著性影響(P＜0.01)，鹽濃度對(duì)其具有顯著性影響(P＜0.05)。

表3 鹽濃度、pH值及兩者相互作用對(duì)甜高粱種子萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)的雙因素分析

3 結(jié)論與討論

國(guó)內(nèi)關(guān)于混合鹽堿脅迫對(duì)種子萌發(fā)的影響已做了大量的研究［22－25］，楊小環(huán)等［26］對(duì) NaCl脅迫下高粱種子的萌發(fā)結(jié)果研究發(fā)現(xiàn)，隨著鹽脅迫的增強(qiáng)，高粱種子的出苗時(shí)間均明顯延遲，出苗率和成苗率下降，幼苗生長(zhǎng)受到抑制，物質(zhì)積累減少。本研究表明，甜高粱的萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)均是在蒸餾水中為最高且在低鹽濃度下，甜高粱的萌發(fā)率與對(duì)照無(wú)顯著性差異。高鹽高堿情況下甜高粱種子不但發(fā)芽率低而且發(fā)芽延遲，而在低鹽低堿情況下，發(fā)芽率高且發(fā)芽速率快，能在短時(shí)間內(nèi)迅速發(fā)芽。

甜高粱種子萌發(fā)在重度鹽堿脅迫下受到嚴(yán)重抑制，但在 pH 值為 7.08，鹽濃度為 500 mmol·L－1時(shí)，種子萌發(fā)率仍能達(dá)到61.00%，說明甜高粱能在低鹽度、低pH值的鹽堿地正常生長(zhǎng)，同樣能夠在低堿性高鹽度的鹽堿地生存。

相對(duì)鹽害率可比較同一植物對(duì)不同鹽濃度的耐鹽能力，本研究中的相對(duì)鹽害率反應(yīng)了鹽溶液對(duì)甜高粱種子發(fā)芽的影響程度，隨著鹽濃度的升高，相對(duì)鹽害率增大，鹽濃度越大，甜高粱種子越不易發(fā)芽和生長(zhǎng)。當(dāng)鹽濃度為500 mmol·L－1時(shí)，A5的相對(duì)鹽害率僅為37.13%，這說明甜高粱種子在一定堿度范圍的環(huán)境下能較好地萌發(fā)。本研究結(jié)果與苗昊翠［27］和喬海龍［28］等對(duì)錦雞兒種子和大麥種子的相對(duì)鹽害率研究一致。

甜高粱種子的幼芽長(zhǎng)和幼根長(zhǎng)均是在蒸餾水中時(shí)最大，且長(zhǎng)勢(shì)良好。與各個(gè)混合鹽溶液處理下的幼芽長(zhǎng)和幼根長(zhǎng)有顯著性的差異。但隨著混合鹽濃度的升高、pH值的升高，幼苗、幼根長(zhǎng)逐漸減小。鹽堿脅迫對(duì)甜高粱種子的幼根抑制作用大于幼芽，這是因?yàn)橹参锩劝l(fā)過程中，根部是吸收水分和礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的最直接器官，也是受滲透脅迫和離子毒害作用最明顯的部位。隨著鹽濃度的升高，幼苗的鮮、干質(zhì)量受到明顯的抑制作用，呈下降趨勢(shì)。這說明，鹽堿脅迫對(duì)甜高粱幼苗的生長(zhǎng)有一定抑制作用。

通過鹽度、pH值及兩者相互作用的雙因素分析表明鹽度對(duì)甜高粱萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)、相對(duì)鹽害率影響最為顯著，鹽度與pH值兩者的相互作用對(duì)幼芽、幼根長(zhǎng)的影響最為顯著。整體研究表明，此甜高粱品種適宜在黃河三角洲低鹽度濱海鹽堿地種植。

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