不同青貯玉米大喇叭口期和成熟期耐鹽堿性綜合評價(jià)

張會(huì)麗，朱 林，許 興,2

(1．寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；3.寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，寧夏 銀川 750021)

青貯玉米在我國西北、華北及東北的鹽堿化地區(qū)種植非常廣泛[1]，鹽堿脅迫是制約青貯玉米產(chǎn)量提高的重要非生物脅迫因子之一，篩選耐鹽堿青貯玉米品種是解決土壤鹽堿脅迫的重要手段[2-3]。

目前，國內(nèi)外對玉米的耐鹽堿性研究主要集中在對苗期和萌發(fā)期等早期耐鹽堿性[4-6]篩選鑒定，對中、后期耐鹽堿性研究較少；對盆栽、營養(yǎng)液條件等模擬環(huán)境研究較多[7-8]，對大田環(huán)境研究少；關(guān)于生理生化指標(biāo)測定較多[9-10]，對光合氣體交換參數(shù)和產(chǎn)量等表型性狀綜合測定偏少；對生育期內(nèi)某單一時(shí)期的研究較多[11-12]，對不同生育期的耐鹽堿性綜合評價(jià)較少。

為了提高青貯玉米耐鹽堿性鑒定的精確性和準(zhǔn)確性，應(yīng)選用多個(gè)指標(biāo)[13]不同時(shí)期進(jìn)行綜合分析，進(jìn)而為生產(chǎn)實(shí)踐提供理論支撐。本試驗(yàn)利用大田鑒定方法，以不同基因型的青貯玉米品種為材料，采用隸屬函數(shù)法對25個(gè)玉米品種在大喇叭口期和成熟期的耐鹽堿表型性狀的鑒定和光合氣體交換參數(shù)進(jìn)行綜合評價(jià)，并對不同時(shí)期供試材料的耐鹽堿性進(jìn)行分類，篩選出各時(shí)期具有較強(qiáng)耐鹽堿性的青貯玉米品種，為我國鹽漬化土地的開發(fā)利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

以25個(gè)供試玉米品種為試驗(yàn)材料，供試材料由佰青源公司、中科院遺傳發(fā)育研究所提供，具體品種名稱見表1。

表1 供試青貯玉米雜交種

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年4-9月在寧夏銀川北部鹽堿地平羅縣進(jìn)行，試驗(yàn)地位于東經(jīng)106°31′28″，北緯38°57′15″。供試土壤為兩塊不同鹽分含量的鹽堿地，將土壤全鹽含量為2.337 g·kg-1的低鹽含量地塊設(shè)為對照田(CK)；土壤全鹽含量為6.935 g·kg-1高鹽含量地塊設(shè)為鹽堿脅迫地。土壤有機(jī)質(zhì)含量為18.760 g·kg-1，全磷含量2.970 g·kg-1，全氮含量0.9 g·kg-1，堿解氮含量25.228 mg·kg-1，速效磷含量5.020 mg·kg-1，速效鉀含量67.000 mg·kg-1。播種前精選每個(gè)品種子粒飽滿大小均勻的種子。試驗(yàn)按照隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積3 m×5 m，每個(gè)品種3個(gè)重復(fù)小區(qū)，均行種植，小區(qū)行長3.0 m，行距0.6 m，株距0.2 m，走道0.8 m，穴播(單粒播種，播種深度為3 cm左右)，播前整地耙平，施基肥。整個(gè)生長期內(nèi)統(tǒng)一管理，按時(shí)進(jìn)行中耕除草、灌水施肥。

1.3 測定項(xiàng)目及方法

農(nóng)藝性狀的測定：采用游標(biāo)卡尺測量地上莖基部的直徑為莖粗，單位為mm；植株在自然生長狀態(tài)下，用卷尺測得從根基部到最高葉尖的長度為株高，單位為cm，每個(gè)處理測定3次；用手持式葉綠素SPAD儀于大喇叭口期和成熟期測每個(gè)處理的穗位葉相對葉綠素含量，測定時(shí)避開葉脈，測量葉片中部，每個(gè)品種測3株；采用手持式冠層測溫儀，選擇晴朗的天氣測定各小區(qū)的CT值，即冠層溫度，每個(gè)小區(qū)每個(gè)方向重復(fù)測定3次，取其平均值作為該次測定的CT值。

光合氣體交換參數(shù)的測定：采用便攜式光合作用測量系統(tǒng)(LI-6400，LI-COR公司，美國)，選擇晴天9∶00—12∶00點(diǎn)及14∶00—18∶00，對不同小區(qū)玉米植株的光合生理指標(biāo)進(jìn)行測定，測定時(shí)設(shè)定人工光源光強(qiáng)為1 400 μmol·m-2·s-1。測量指標(biāo)主要包括凈光合速率(Pn, μmol·m-2·s-1)、蒸騰速率(Tr, mmol·m-2·s-1)、氣孔導(dǎo)度(Gs, mol·m-2·s-1)及葉溫(TL, ℃)等。被測作物均需要在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)選取，選取葉片時(shí)需要選“棒三葉”的全展葉，并測定5個(gè)重復(fù)，自然光下待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后保存3個(gè)數(shù)據(jù)，取其平均值。

產(chǎn)量性狀的測定：從各個(gè)小區(qū)中取植株鮮樣并稱其鮮重，帶回室內(nèi)置于烘箱中于105℃殺青30 min，然后80℃烘干至恒重，稱其干重。植株含水量=(鮮重-干重)/鮮重×100%

應(yīng)用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對不同玉米品種大喇叭口期和成熟期的耐鹽堿性進(jìn)行綜合評價(jià)[14-15]。

首先，利用公式計(jì)算：

U(Xj)=(Xj-Xmin)/(Xmax-Xmin)

(j=1，2，3，…，n)

式中，Xj為性狀指標(biāo)的測定值，Xmin、Xmax分別為25個(gè)供試材料某一性狀指標(biāo)的最小值和最大值。

其次，根據(jù)性狀相對重要性賦予一定的權(quán)重，權(quán)重：

式中，Wj表示第j個(gè)公因子在所有公因子中的主要程度；Pj為各材料第j個(gè)指標(biāo)與耐鹽堿系數(shù)間的相關(guān)系數(shù)，表示各品種第j個(gè)公因子的貢獻(xiàn)率。

最后，把每份材料各項(xiàng)指標(biāo)隸屬函數(shù)值累加，取其平均值為綜合評價(jià)值。綜合評價(jià)值：

式中，D值為供試材料在鹽堿脅迫條件下用綜合指標(biāo)評價(jià)所得的耐鹽堿性綜合評價(jià)值。根據(jù)各材料綜合評價(jià)值大小確定其耐鹽堿性強(qiáng)弱，D值越大耐鹽堿性越強(qiáng)，反之，耐鹽堿性越弱。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

采用Microsoft Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用 DPS 7.05進(jìn)行顯著性分析及相關(guān)分析，采用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件完成數(shù)據(jù)的主成分分析、聚類分析，所有的數(shù)值均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”來表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫條件下不同玉米品種農(nóng)藝性狀變化

不同玉米品種處于大喇叭口期時(shí)的各農(nóng)藝性狀表現(xiàn)不同，如表2所示。鹽堿地脅迫下的株高、莖粗等農(nóng)藝性狀指標(biāo)明顯受到不同程度的抑制，表現(xiàn)為顯著下降(P<0.05)，而鹽堿地條件下的冠層溫度較對照田高(P<0.05)。對于株高而言，鹽堿脅迫時(shí)A3/H237、1421/1522相對較高，桂青貯1號和科多8號相對較低；對照田中的1421/1522最高，科多8號最低。對于莖粗，兩種環(huán)境下均表現(xiàn)為A49/1522最粗，鹽堿脅迫時(shí)TY1最細(xì)，對照田中科多8號最細(xì)。對于SPAD值，兩種環(huán)境下均表現(xiàn)為TY1最小，鹽堿脅迫時(shí)寧3-2/1528的SPAD值最大，對照田中H237/1519最小。對于冠層溫度，鹽堿脅迫下H14/1528最高，A18/1506最低；對照田中A3/H237最高，北21/1520最低。

成熟期時(shí)鹽堿地中各品種的株高、莖粗明顯小于對照田，且差異達(dá)顯著水平(P<0.05)(表3)，而冠層溫度和SPAD值的變化沒有明顯趨勢。對于株高，鹽堿脅迫時(shí)寧3-2/1528最高，TY1最低；對照田中133-2/1528最高，H237/A18最低。對于莖粗，鹽堿脅迫時(shí)A18/1506最粗，桂青貯1號最細(xì)；對照田中寧3-1/1528最粗，A3/H237最細(xì)。對于SPAD值，鹽堿脅迫時(shí)133-2/1528最大，H237/A26最??；對照田中H242/1522最大，H14/A18最小。對于冠層溫度，鹽堿脅迫時(shí)H14/1528最高，寧3-2/1528最低；對照田中A3高/A18最高，H237/A18最低。

2.2 鹽堿脅迫條件下不同玉米品種光合氣體交換參數(shù)

不同品種在大喇叭口期的光合氣體交換參數(shù)均有差異，如表4所示。鹽堿處理下各品種的凈光合速率顯著低于對照田中相對應(yīng)品種的凈光合速率(P<0.05)，其他參數(shù)的變化不明顯。對于凈光合速率(Pn)，鹽堿脅迫下桂青貯1號、科多8號和TY1相對較高，它們與其他品種間達(dá)到顯著差異(P<0.05)，A3高/A18最低；對照田中1517/旬11最高，桂青貯1號最低。對于蒸騰速率(Tr)，脅迫時(shí)TY1最高，北21/1522最低；對照田中A49/1522最高，A3/H237最低。對于氣孔導(dǎo)度(Gs)，脅迫時(shí)TY1最大，北21/1522最??；對照田中H242/1522最大，1517/旬11最小。對于葉片溫度(TL)，脅迫時(shí)H242/1522最大，北21/1522最小；對照田中北21/1522最大，北21/1520最小。

成熟期脅迫下H237/A18Pn最大，科多8號最小(表5)；對照田中A18/1506最大，寧3-2/1528最小。對于Tr和Gs，脅迫下均表現(xiàn)為H14/A18最高，且與其他品種達(dá)顯著差異(P<0.05)，科多8號最低；對照田中A3高/A18最高，H237/1519最低。對于TL，脅迫時(shí)TY1最高，H242/1522最低，均與其他品種達(dá)顯著差異(P<0.05)；對照田中H237/A26最高，1517/旬11最低，后者與其它品種也達(dá)到顯著性差異(P<0.05)。

2.3 鹽堿脅迫條件下不同時(shí)期各品種間農(nóng)藝性狀、光合指標(biāo)及產(chǎn)量的相關(guān)性

鹽堿脅迫條件下不同時(shí)期各品種間農(nóng)藝性狀、光合指標(biāo)及產(chǎn)量的相關(guān)性見表6(大喇叭口期)和表7(成熟期)。大喇叭口期：株高與SPAD值呈顯著正相關(guān)，與Gs呈顯著負(fù)相關(guān)，與Pn呈極顯著負(fù)相關(guān)；莖粗與SPAD值呈顯著正相關(guān)，與Pn呈顯著負(fù)相關(guān)，與Tr、Gs呈極顯著負(fù)相關(guān)；SPAD值與公頃鮮重呈顯著正相關(guān)；Pn與Tr呈顯著正相關(guān)，與Gs呈極顯著正相關(guān)；Tr與Gs、TL均呈極顯著正相關(guān)；Gs與TL呈顯著正相關(guān)；植株含水量與公頃干重呈極顯著負(fù)相關(guān)；公頃鮮重與公頃干重呈極顯著正相關(guān)。

成熟期：株高與SPAD值呈顯著正相關(guān)，與公頃鮮重、干重均呈極顯著正相關(guān)；莖粗與冠層溫度呈極顯著正相關(guān)；冠層溫度與SPAD值呈顯著負(fù)相關(guān)，與公頃鮮重、干重呈極顯著負(fù)相關(guān)；SPAD值與公頃干重呈顯著正相關(guān)，與公頃鮮重呈極顯著正相關(guān)；Pn與Tr、Gs呈極顯著正相關(guān)；Tr與TL呈顯著正相關(guān)，與Gs呈極顯著正相關(guān)；公頃干重與植株含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，與公頃鮮重呈極顯著正相關(guān)。

2.4 鹽堿脅迫下不同時(shí)期各品種的耐鹽堿性比較

通過對大喇叭口期和成熟期25個(gè)品種的農(nóng)藝性狀(株高、莖粗、SPAD值和冠層溫度)、光合氣體交換參數(shù)(Pn、Tr、Gs和TL)及產(chǎn)量性狀(植株含水量、公頃鮮重和公頃干重)等11個(gè)指標(biāo)進(jìn)行測定分析，利用主成分分析和隸屬函數(shù)法對不同時(shí)期各品種的耐鹽堿性綜合評價(jià)，結(jié)果如表8所示。對大喇叭口期和成熟期11個(gè)指標(biāo)分別進(jìn)行主成分分析，重新整合成11個(gè)主成分，從特征值來看，2個(gè)時(shí)期的前4個(gè)主成分特征值均大于1，所以保留前4個(gè)主成分。從方差的累計(jì)貢獻(xiàn)率可知，大喇叭口期和成熟期第一主成分的貢獻(xiàn)率分別為32.202%、37.552%，第二主成分的貢獻(xiàn)率分別為52.798%、57.068%，第三主成分的貢獻(xiàn)率為64.695%、68.919%，第四主成分的貢獻(xiàn)率分別為74.210%、79.643%，前4個(gè)成分的累積貢獻(xiàn)率大于80%，可考慮保留。通過利用隸屬函數(shù)法進(jìn)一步對主成分分析的結(jié)果進(jìn)行綜合分析，25個(gè)雜交種材料在不同時(shí)期的耐鹽堿性排序不同，其中大喇叭口期耐鹽堿性最強(qiáng)的品種是科多8號，成熟期耐鹽堿性最強(qiáng)的品種是H14/A18。

表6 鹽堿脅迫條件下玉米大喇叭口期各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

注：*和**分別表示在0.05和0.01水平上相關(guān)性顯著。X1:株高；X2:莖粗；X3:冠層溫度；X4:葉綠素相對值；X5:凈光合速率；X6:蒸騰速率；X7:氣孔導(dǎo)度；X8:葉片溫度；X9:植株含水量；X10:公頃鮮重；X11:公頃干重。下同。

Note: * and ** indicate significance of correlations at 0.05 and 0.01 probability levels, respectively. X1: plant height; X2: stem diameter; X3: canopy temperature; X4: SPAD values; X5: net photosynthetic rate; X6: transpiration rate; X7: stomatal conductance; X8: leaf temperature; X9: plant moisture content; X10: Ha fresh weight; X11: Ha dry weight. The same below.

表7 鹽堿脅迫條件下玉米成熟期各指標(biāo)的相關(guān)系數(shù)

表8鹽堿脅迫條件下各品種于不同時(shí)期的綜合評價(jià)值及耐鹽堿性排序

Table 8 D-value of comprehensive evaluation and the ranks of saline-alkali-tolerance of maize cultivars in different stages

品種名稱Variety大喇叭口期V14 stageD值 D values排序Order成熟期Mature stageD值 D values排序OrderH242/15220.412130.43615A49/15220.325200.45813A49/15280.43990.5295A3高/1519A3 gao/15190.45660.4899H237/A260.422110.5344A18/15060.378160.26024133-2/15280.61430.5893H242/15230.372170.41418A3/H2370.323210.49971421/15220.392140.41616H237/15190.431100.47411北21/1520Bei 21/15200.261240.34222寧3-1/1528Ning 3-1/15280.420120.4928H14/15280.140250.15525北21/1522Bei 21/15220.343180.38020寧3-2/1528Ning 3-2/15280.45470.41617A3高/A18A3 gao/A180.319220.32423H237/A30.264230.43914H237/A180.379150.50261517/旬111517/xun 110.44480.41119旬11/1517Xun 11/15170.54250.47212H14/A180.340190.7611桂青貯1號Guiqingchu 10.70520.7282科多8號Keduo 80.77010.37421TY10.59440.47910

3 討 論

鹽堿脅迫最明顯的效應(yīng)表現(xiàn)為植株生長受抑制[16]，而受抑程度取決于作物耐鹽堿的能力和鹽堿脅迫的強(qiáng)度[17]，因此，生長狀況是評價(jià)植株是否耐鹽堿的重要參考指標(biāo)之一。本試驗(yàn)表明，在鹽堿脅迫條件下同一品種不同鑒定指標(biāo)及同一指標(biāo)不同玉米品種都存在明顯差異，不同青貯玉米品種對鹽堿脅迫的耐受能力不同[11]。Huang等[18]研究表明，作物的株高和莖粗是衡量植株生長強(qiáng)弱最直接的反映，它們能夠間接地表明植株的生長狀況與水肥供給情況，而產(chǎn)量是耐鹽堿評價(jià)中最直觀、可靠的證據(jù)。本研究表明，鹽堿脅迫處理時(shí)各品種的株高、莖粗等表型性狀均嚴(yán)重受到阻礙(P<0.05)。這與姚正培等[19]、鄭飛等[20]和許興[21]的研究結(jié)果吻合，說明鹽堿脅迫條件下，不同玉米品種大喇叭口期和成熟期各性狀指標(biāo)均受到不同程度的抑制。可能是玉米在遭受鹽堿脅迫時(shí)，細(xì)胞不能正常地分裂和擴(kuò)張，為了保證能夠發(fā)揮正常的功能，細(xì)胞必須要維持離子平衡，并降低其原生質(zhì)中Na+或其他離子的濃度，使其低于周圍介質(zhì)環(huán)境。因此，必定會(huì)消耗對作物生長發(fā)揮有效作用的能量，導(dǎo)致植株生長受到抑制[22]。也可能是因?yàn)辂}堿脅迫抑制了根系對無機(jī)離子和水分的吸收，導(dǎo)致了作物生長發(fā)育減緩[23]。本研究結(jié)果顯示，鹽堿脅迫下植物葉片葉綠素相對值(SPAD)會(huì)隨著外界環(huán)境的變化而改變，SPAD值與株高、地上部植株產(chǎn)量達(dá)到顯著正相關(guān)(P<0.05)，與崔世友等[24]和曹保華[25]對大豆的研究結(jié)果類似。而且SPAD值能夠在大田中無損、快速、定量的檢測，因此，可將其作為逆境生理研究中的重要指標(biāo)之一[26]。

植物維持生命活動(dòng)的基礎(chǔ)是通過光合作用來實(shí)現(xiàn)的，本研究不同青貯玉米品種在鹽堿脅迫下，凈光合速率明顯降低，氣孔導(dǎo)度也有所下降，產(chǎn)量顯著低于對照田(P<0.05)。這與王麗燕等[27]、劉志偉等[28]的報(bào)道一致，可能是因?yàn)辂}堿脅迫使光合系統(tǒng)受到損害，葉綠素遭到破壞，而葉綠素作為光合作用正常進(jìn)行的主要色素，它被破壞會(huì)引起一系列生理反應(yīng)，并使自身光合作用受阻，植株體內(nèi)生理代謝紊亂，最終導(dǎo)致減產(chǎn)甚至絕收[29]。也可能是由于自身存在的因素(如氣孔部分關(guān)閉等)，引起葉片光合效率下降[30]。

不同青貯玉米品種的形態(tài)學(xué)指標(biāo)和光合氣體交換參數(shù)對鹽堿脅迫的反應(yīng)有很大差別，鹽堿脅迫對玉米植株生長的影響是綜合且復(fù)雜多樣的過程，用某一單項(xiàng)指標(biāo)來評價(jià)其耐鹽堿性強(qiáng)弱過于片面、存在局限性，為了彌補(bǔ)單項(xiàng)指標(biāo)評價(jià)耐鹽性的不足，可利用主成分分析客觀準(zhǔn)確地對供試玉米種質(zhì)資源大喇叭口期和成熟期耐鹽性進(jìn)行深入綜合的評價(jià)，利用綜合評價(jià)值來對耐鹽性材料進(jìn)行歸類。本試驗(yàn)采用主成分分析和隸屬函數(shù)法對參試青貯玉米品種大喇叭口期和成熟期的各個(gè)指標(biāo)進(jìn)行綜合評價(jià)，按照隸屬函數(shù)值(D值)大小將其耐鹽堿性分級：D值大于0.6為強(qiáng)耐鹽堿性材料；D值在0.2～0.6之間為中耐鹽堿性材料；D值低于0.2為敏鹽堿性材料。25個(gè)青貯玉米品種在生長中期(大喇叭口期)和后期(成熟期)耐鹽堿性鑒定結(jié)果不一致，在大喇叭口期時(shí)具有強(qiáng)耐鹽堿性的材料有：科多8號、桂青貯1號和133-2/1528；在成熟期時(shí)具有較強(qiáng)耐鹽堿性的材料有：H14/A18和桂青貯1號；同時(shí)表現(xiàn)為敏鹽性的材料為H14/1528，這與邱念偉等[31]關(guān)于大白菜的研究結(jié)果類似，可能是由于耐鹽堿性基因的遺傳調(diào)控受時(shí)空誘導(dǎo)表達(dá)的影響。本研究充分說明玉米耐鹽堿性具有明顯的發(fā)育階段特異性，大喇叭口期與成熟期兩者間的耐鹽堿性不存在明顯的相關(guān)性，此種遺傳特性已在水稻中得到證實(shí)[32]。由此可知，在試驗(yàn)研究中不能通過作物某一生育階段的耐鹽堿性來斷定其耐性強(qiáng)弱，要根據(jù)最終所需來選取種植的材料，如若為了獲得最終青貯產(chǎn)量，應(yīng)以成熟期篩選結(jié)果為主。通過表型鑒定和光合指標(biāo)綜合分析不同品種的耐鹽堿性，篩選出的耐鹽堿和鹽堿敏感的玉米種質(zhì)資源，為青貯玉米在鹽堿地條件下的栽培和生產(chǎn)提供技術(shù)依據(jù)。