Na2CO3鹽脅迫對10個苜蓿品種生長初期地下指標的影響

王運濤， 于林清， 遠 婷， 王曉杰， 解繼紅

(1. 張家口學院， 河北 張家口 075000；2. 中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

苜蓿(Medicagosativa.)是一種優(yōu)良的豆科牧草，具有營養(yǎng)價值高、適口性好、栽培范圍廣等特點，被人們冠以“牧草之王”的美稱[1]。我國苜蓿栽培面積約133萬hm2[2-3]，在草食畜牧業(yè)發(fā)展中占有重要的地位[4]。

我國有鹽堿地670萬hm2，約占全國耕地面積的7%左右[5]。土壤鹽漬化已成為當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展所面臨的重要問題[6]。在鹽堿地土壤中，農(nóng)作物產(chǎn)量很低，甚至無法耕種。利用耐鹽、抗鹽植物是進行鹽堿地改良經(jīng)濟有效的措施[7]。而苜蓿具有一定的耐鹽堿能力，在中性土壤或輕度鹽堿土壤中生長良好[8]，但其品種間的耐鹽性差異較大[9-10]。對苜蓿品種的耐鹽性鑒定是苜蓿品種選育的基礎(chǔ)。因此，深入研究苜蓿的耐鹽性，加速苜蓿的耐鹽育種，克服土壤鹽漬化對苜蓿栽培的制約，不僅可以有效改良鹽堿地，還可以生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的蛋白質(zhì)飼料，為我國畜牧業(yè)的發(fā)展奠定基礎(chǔ)[11]。而根系是植物從土壤中吸收水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的主要器官，根系特征是牧草水分和養(yǎng)分管理、刈割和放牧利用的基本依據(jù)，亦與土壤耕作及作物種植制度密切相關(guān)[12]，其生長發(fā)育狀況直接影響著地上生物量[13]。不同品種植物的根系在不同環(huán)境條件下表現(xiàn)出不同的特點，也表現(xiàn)出各自的根系發(fā)育特性[14-15]。植物根據(jù)主根是否發(fā)達分為直根系和須根系，而苜蓿多屬于直根系。根頸是由真葉以下的胚軸發(fā)育而成，其上能夠形成大量的芽，是產(chǎn)生分枝的重要部位，同時也是吸收、運輸、儲存養(yǎng)分和水分的重要器官，根頸直接影響著苜蓿的生產(chǎn)性能和可持續(xù)利用[16-17]。側(cè)根是由主根生長到一定長度，在一定部位上側(cè)向地從內(nèi)部生出許多支根，側(cè)根一般是由和原生質(zhì)部鄰接的中柱鞘的細胞形成的。側(cè)根對于固定植株和從土壤中吸收水分具有重要作用。根系可以通過不同生理或形態(tài)變化來響應逆境脅迫信號[18]。鹽分積聚可使根際環(huán)境的滲透勢升高，造成根系對水分和礦質(zhì)營養(yǎng)吸收困難，從而嚴重影響根系的構(gòu)建和發(fā)育。本研究通過對10個苜蓿品種在盆栽情況下進行Na2CO3鹽脅迫處理，對他們生長初期的地下指標進行比較分析，以便篩選出在堿性鹽脅迫下根系發(fā)育好的苜蓿品種，為鹽堿地苜蓿人工草地的開發(fā)奠定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2015年5月-8月在張家口學院進行，試驗材料均由中國農(nóng)業(yè)科學院草原研究所提供, 選擇來源國內(nèi)外的 10個苜蓿種質(zhì)材料，種子名錄及來源如表1所示。

表1 苜蓿種子材料名錄及來源Table 1 Sources of different alfalfa cultivars

1.2 試驗方法

試驗于2015年5月28日開始，采用無孔的朔料花盆150個，口徑23 cm×15 cm。在花盆中放入2.0 kg土壤(土壤的Na2CO3濃度梯度為0.0%(CK)，0.3%，0.6%，0.9%和1.2%)。然后將各苜蓿種子(25粒)置于花盆土壤表面，并撒上一層土。每個處理設置3次重復。定期澆水，保持土壤濕潤。待花盆中種子全部發(fā)芽后，間苗。每盆保留15株。于生長期內(nèi)測定相關(guān)指標。

1.3 指標測定

供試苜蓿品種于播種當年的8月初進行指標測定，每個處理選取長勢均勻的10棵植株。測定指標如下：

根頸指標：根頸直徑是指主莖與主根相連處的膨大部位的直徑；根頸入土深度是指從地表到根頸上端的距離[19]。

根系指標：主根直徑是指距離根頸1 cm處的主根直徑；側(cè)根位置是指主根上面距離根頸最近的且直徑大于1 mm的側(cè)根與根頸之間的距離，側(cè)根直徑是指第一條靠近主根處側(cè)根的直徑[20]。

單項指標耐鹽系數(shù)=(不同濃度處理下平均測定值/對照測定值)×100%

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行基本處理，再用SAS 8.1統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行方差分析，結(jié)果用平均值的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫下供試苜蓿品種根頸指標差異比較

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的根頸直徑具有明顯差異，如表2所示。在對照中，‘中草3號’的根頸直徑最大，為6.78 mm；‘YL702’的根頸直徑較小，為4.83 mm，兩者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為0.9%時，‘馴鹿’的根頸最粗，直徑為5.75 mm；‘龍牧801’次之；‘YL702’的根頸最小，僅為4.32 mm，且與前兩者差異顯著(P<0.05)，其余品種居中。在鹽濃度為1.2%時：同樣是‘馴鹿’的根頸最粗，為6.78 mm；‘中苜1號’次之；‘YL80’的根頸最細，僅為3.74 mm，且與前兩者差異顯著(P<0.05)。各苜蓿品種的根頸直徑隨著鹽濃度梯度的變化情況如下：‘巨能’、‘YL604’和‘YL702’的根頸直徑在不同鹽濃度下差異不顯著；而其他品種的根頸直徑在不同鹽濃度下差異顯著(P<0.05)，就均值來看，供試苜蓿品種的根頸直徑隨鹽濃度的增加呈逐漸變小的趨勢。

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種間的根頸入土深度具有顯著差異，如表2所示。在對照中，‘龍牧801’的根頸入土較深，為0.80 cm；‘YL604’次之，兩者差異不顯著；‘阿爾岡金’根頸入土較淺，為0.30 cm，與前者差異顯著(P<0.05)。鹽濃度為0.9%時同樣為‘龍牧801’的根頸離地面最遠，為0.90 cm；‘皇冠’的根頸離地面次之；‘阿爾岡金’的根頸離地面最近，僅為0.52 cm，且他與前兩者的差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為1.2%時，‘巨能’的根頸入土較深為1.08 cm；‘中草3號’次之，兩者差異不顯著；‘皇冠’的根頸入土較淺為0.44 cm，其與前者差異顯著(P<0.05)。各苜蓿品種的根頸入土深度隨鹽濃度梯度的變化如下：‘中苜1號’、‘YL604’、‘YL80’、‘YL702’和‘馴鹿’的根頸入土深度在不同鹽濃度下差異顯著(P<0.05)，就均值來看，供試苜蓿品種的根頸入土深度在不同鹽濃度下差異不顯著，而其他品種的根頸入土深度隨鹽濃度的增加呈逐漸增大的趨勢。

表2 鹽脅迫下供試苜蓿品種根頸指標間的差異比較Table 2 Comparison of crown indexes of different alfalfa cultivars under salt stress

2.2 鹽脅迫下供試苜蓿品種主根直徑的差異比較

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的主根直徑具有明顯差異，如表3所示。在對照中，‘中草3號’的主根較粗大，達6.46 mm；‘中苜1號’次之，兩者差異不顯著；‘YL702’的主根直徑較小，僅為4.15 mm，與前者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為0.9%時，‘馴鹿’的主根較粗大，為4.70 mm；‘中苜1號’次之，兩者差異不顯著；‘阿爾岡金’主根較細，為3.52 mm，與前者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為1.2%時，‘馴鹿’的主根直徑最大，為4.79 mm；‘中草3號’的次之；‘阿爾岡金’的主根最細，僅為3.06 mm，與前兩者差異顯著(P<0.05)。各苜蓿品種的主根直徑隨鹽濃度梯度的變化情況如下：不同鹽濃度下‘YL702’和‘馴鹿’的主根直徑差異不顯著,其他品種的主根直徑在不同濃度下差異顯著(P<0.05),就均值來看，供試苜蓿品種的主根直徑隨鹽濃度的增加呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢。

表3 鹽脅迫下供試苜蓿品種主根直徑的差異比較Table 3 Comparison of taproot diameter of different alfalfa cultivars under salt stress

2.3 鹽脅迫下供試苜蓿品種側(cè)根指標間的差異比較

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的側(cè)根直徑具有明顯差異，如表4所示。在對照中，‘阿爾岡金’的側(cè)根直徑較大為1.84 mm；‘中草3號’次之，與前者差異不顯著；‘YL702’較細，為1.03 mm，與前者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為0.9%時，‘YL604’的側(cè)根直徑最大為1.90 mm；‘中草3號’的次之；‘YL702’的側(cè)根最細，僅為1.09 mm，與‘YL604’差異顯著(P<0.05)，與‘中草3號’的差異不顯著。在鹽濃度為1.2%時,‘馴鹿’的側(cè)根最粗大，為1.97 mm；‘YL80’的次之；‘YL604’和‘阿爾岡金’的側(cè)根最細，均為1.03 mm，均與‘馴鹿’差異顯著(P<0.05)，與‘YL80’差異不顯著。但隨著鹽濃度梯度的增加，各苜蓿品種的側(cè)根直徑變化趨勢不是很明顯。

表4 鹽脅迫下供試苜蓿品種側(cè)根指標間的差異比較Table 4 Comparison of lateral root indexes of different alfalfa cultivars under salt stresses

在相同鹽濃度脅迫下，不同苜蓿品種的側(cè)根位置具有明顯差異，如表4所示。在對照中，‘YL702’的側(cè)根離根頸較遠，為1.20 cm；‘阿爾岡金’次之；‘中草3號’的側(cè)根離根頸較遠，為0.52 cm，與‘YL702’差異顯著(P<0.05)，與‘阿爾岡金’差異不顯著。在鹽濃度為0.9%時，‘阿爾岡金’的側(cè)根離根頸最遠，為1.60 cm；‘YL80’的次之；‘巨能’的側(cè)根離根頸最近，僅為0.56 cm，且與前兩者差異顯著(P<0.05)。在鹽濃度為1.2%時，同樣為‘阿爾岡金’的側(cè)根離根頸最遠，為1.92 cm；‘龍牧801’的次之；‘中草3號’的側(cè)根離根頸最近，為0.88 cm，與‘阿爾岡金’差異顯著(P<0.05)，與‘中草3號’差異不顯著。各苜蓿品種的側(cè)根位置隨鹽濃度梯度的變化情況如下：‘中苜1號’、‘中草3號’、‘巨能’、‘YL80’、‘YL702’、‘馴鹿’和‘皇冠’的側(cè)根位置，在不同鹽濃度梯度下無顯著差異，其他品種的側(cè)根位置在不同濃度下具有顯著差異(P<0.05)，就均值來看，供試苜蓿品種側(cè)根位置隨鹽濃度梯度的增加呈逐漸增大的趨勢(P<0.05)。

2.4 供試苜蓿品種的耐鹽性評價

由表5可知，鹽脅迫處理后苜蓿根系各指標變化各不相同。根頸直徑和主根直徑變小，根頸入土深度和側(cè)根位置變大，側(cè)根直徑變化趨勢不明顯。因此鹽脅迫對苜蓿的影響是復雜的，不能用某一個指標來評價苜蓿品種的耐鹽性強弱。綜合0.9%和1.2%Na2CO3鹽脅迫下的根系發(fā)育狀況，綜合各指標評價處于生長初期的苜蓿品種的耐鹽性(表6)，結(jié)果表明：耐鹽性由強到弱依次為：‘馴鹿’>‘中苜1號’>‘中草3號’=‘巨能’>‘龍牧801’>‘皇冠’>‘YL702’>‘YL604’>‘YL80’>‘阿爾岡金’。

表5 供試苜蓿品種的耐鹽系數(shù)Table 5 Salt tolerance value of different alfalfa cultivars

表6 供試苜蓿品種的耐鹽性評價Table 6 Salt tolerance evaluation of different alfalfa cultivars

3 討論

植物根系生長在土壤中，他將從土壤中吸收的各種營養(yǎng)成分通過根的維管組織運輸?shù)降厣喜糠?，而葉片將制造的有機物運送回根部，促進其生長發(fā)育。根系作為聯(lián)系地上與地下的重要紐帶，其形態(tài)結(jié)構(gòu)不僅能反映植物根系的生長狀況，也能在很大程度上體現(xiàn)地上部分的生長狀況[21]。植物最先感受地下逆境脅迫的器官也是根系，逆境脅迫下根系形態(tài)上的變化是最直觀的，但根系恰恰又是最不為人們所了解的植物器官。土壤中可溶性鹽過多會降低土壤的水勢，使植物的根系吸水能力下降，甚至導致根系內(nèi)的水分外滲，對鹽離子的吸收不均衡，導致植物營養(yǎng)失調(diào)，生長發(fā)育受到抑制，嚴重時還會發(fā)生單鹽毒害作用，從而影響植物根系的正常發(fā)育[22]。

苜蓿根頸是產(chǎn)生分枝的重要部位，同樣也是冬季植物體的最上部休眠器官，為凍害的最敏感部位，對苜蓿越冬和春季返青時的萌芽發(fā)枝至關(guān)重要，直接影響苜蓿生產(chǎn)性能和可持續(xù)利用，如再生性、耐寒性、抗旱性和抗病蟲害性等都與其密切相關(guān)。有研究表明苜蓿品種間根頸特性有明顯的差異[23]，本試驗中的對照也證實了這一點。在相同Na2CO3濃度脅迫下，供試苜蓿品種的根頸直徑和根頸入土深度均存在顯著差異；隨著鹽濃度梯度的增加，各苜蓿品種的根頸直徑逐漸變小，根頸入土深度逐漸增大。這說明鹽脅迫對根頸的發(fā)育具有一定的抑制作用。在鹽脅迫下，苜蓿生長不良，根頸變細與入土加深可能是一種補償機制，是對逆境的一種適應[24]。

大部分苜蓿栽培品種的根系為直根型，由主根和側(cè)根組成[25]。苜蓿根系發(fā)育狀況可以反映其利用土壤中營養(yǎng)物質(zhì)，水分和微量元素的能力強弱。根系直徑的大小直接影響著根系體積和根系生物量，根系體積越大，所接觸的土壤面積越大，地下空間占有量越大，越有利于植物大范圍吸收土壤水分、養(yǎng)分。側(cè)根在主根上的發(fā)生部位，可以反映植物利用土壤水分、養(yǎng)分和微量元素的立體分異性。在鹽脅迫下，根系的總長度、表面積、平均直徑、總體積、根尖數(shù)、鮮重和干重均會受到抑制。堿性鹽對植物的毒害主要是鹽脅迫和高pH脅迫及這兩種因素的相互作用產(chǎn)生的復合毒害，這比單獨的鹽脅迫危害更大。在鹽堿條件下，細胞間質(zhì)的pH升高，阻礙細胞壁的疏松，進而阻礙細胞延伸，影響植物生長。高pH會抑制根毛發(fā)生，進而影響植物對水分和養(yǎng)分的吸收以及植物正常的生長發(fā)育[26]。尤其是根際的PH改變可以從多方面影響植物的根際環(huán)境，諸如根際土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的化學和生物學有效性、根系對營養(yǎng)元素的吸收利用、根系細胞膜的透性、根系的生長狀況以及根際酶的活性等[27]。本研究發(fā)現(xiàn)，在相同濃度鹽脅迫下，供試苜蓿品種間主根直徑、側(cè)根直徑和側(cè)根發(fā)生部位均差異顯著；且隨著鹽濃度的增加，供試苜蓿品種的主根直徑均呈現(xiàn)逐漸減小、側(cè)根位置離根頸距離逐漸增大的趨勢，說明鹽脅迫可以抑制根系直徑的發(fā)育和側(cè)根的發(fā)生，且濃度越高抑制效果越明顯。韓清芳等[28]、王征宏等[29]認為低鹽濃度會促進苜蓿根的生長，高鹽濃度才會抑制根系發(fā)育。但本試驗只表現(xiàn)出了抑制作用，這可能與本試驗選取的鹽的種類或鹽濃度梯度有關(guān)。而且各指標在脅迫下的變化幅度各不相同，若用不同指標評價苜蓿的耐鹽性，其結(jié)果會有所不同[30]。因此評價苜蓿的耐鹽性強弱應該將多個指標綜合起來進行評價，使結(jié)果更加準確和全面。

由于試驗條件的限制，對于苜蓿堿性鹽脅迫下的根系空間分布、體積、表面積、走向以及根系自身對鹽堿的調(diào)節(jié)能力還有待于進一步研究。

4 結(jié)論

在相同Na2CO3濃度脅迫下，供試苜蓿品種間生長初期的根系指標均差異顯著。隨著Na2CO3濃度梯度的變化，同一品種的根系指標變化具有一定的規(guī)律性：根頸直徑和主根直徑呈逐漸變小的趨勢，根頸入土深度和側(cè)根位置呈逐漸變大的趨勢,但側(cè)根直徑變化趨勢不明顯。

在生長初期,供試的10種苜蓿材料耐鹽性強弱存在種間差異。綜合0.9%和1.2%Na2CO3脅迫下的根系指標發(fā)育狀況可知，供試苜蓿品種的耐鹽性強弱依次為‘馴鹿’>‘中苜1號’>‘中草3號’=‘巨能’>‘龍牧801’>‘皇冠’>‘YL702’>‘YL604’>‘YL80’>‘阿爾岡金’。因此在堿性鹽較為嚴重的區(qū)域種植苜蓿時，應對苜蓿的品種具有選擇性，如‘馴鹿’和‘中苜1號’的耐鹽性較強，可在適當?shù)貐^(qū)推廣種植。