鹽脅迫下14種綠肥植物種子萌發(fā)特性及耐鹽性評價

潘香逾，李瑜婷，劉立軍，董翔宇，張鑫鋒，王秀華，趙 巖

(1.山東農(nóng)業(yè)大學 農(nóng)學院/作物生物學國家重點實驗室，山東 泰安 271018； 2.山東農(nóng)業(yè)大學 資源與環(huán)境學院，山東 泰安 271018； 3.山東無棣金土地開發(fā)建設(shè)有限公司，山東 無棣 251900)

土地鹽堿化是影響生態(tài)環(huán)境和制約農(nóng)業(yè)發(fā)展的全球性問題。我國各類鹽堿地的總面積約為0.99億hm2，約占國土面積的1/3[1]，主要分布在東北、華北、西北內(nèi)陸地區(qū)以及長江以北沿海地帶，僅海涂面積就占海岸總面積的17.35%，已成為僅次于干旱的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)第二大非生物脅迫因素。隨著灌溉農(nóng)業(yè)的發(fā)展和化肥的不斷使用，次生鹽堿地面積還在逐漸擴大[2-4]。同時，鹽堿地具有光熱資源豐富的自然稟賦，有待開發(fā)利用。

綠肥是用綠色植物體直接翻壓或者經(jīng)堆漚后制成的優(yōu)質(zhì)有機肥料[4]。綠肥植物在鹽堿地種植能有效利用鹽堿地的光熱和土地資源[5]，替代部分化肥培肥土壤，防止水土流失。我國綠肥資源豐富、分布廣泛，已發(fā)現(xiàn)98種適應不同耕作制度及自然條件的綠肥品種和種類，其中栽培面積較大的有6科20屬32種[6]。

關(guān)于綠肥植物的耐鹽性，目前研究較少；而萌發(fā)期的耐鹽性高低直接決定了其在鹽堿地能否順利萌發(fā)。試驗目的在于采用NaCl模擬鹽脅迫的方法，對14種綠肥植物的萌發(fā)特性進行研究，探究耐鹽評價方法，并篩選耐鹽綠肥植物，從而為鹽堿地綠色開發(fā)和水土保持提供適宜的綠肥種質(zhì)資源。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試綠肥材料有14份，除鼠茅草、小黑麥、紫花苜蓿、箭筈豌豆和光葉紫花苕為課題組培育和搜集外，其他來源于北京正道生態(tài)科技有限公司，其中品種名未標注的為野生資源(表1)。NaCl由國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)，分析純。

表1 14種綠肥植物

1.2 研究方法

試驗于2018年4～6月在山東農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院實驗室進行。選取籽粒飽滿的綠肥植物種子，利用智能型光照培養(yǎng)箱(GXZ-280B，寧波江南儀器廠)進行種子萌發(fā)試驗，采用發(fā)芽盒(15 cm×11 cm)紙上發(fā)芽。用NaCl溶液模擬鹽脅迫，設(shè)50、100、150和200 mmol/L 4個濃度，分別模擬低度、中度、高度和重度鹽堿地。以蒸餾水作為對照，將綠肥種子均勻擺放在加有15 mL的4種NaCl溶液和蒸餾水的發(fā)芽盒中，3次重復，每重復50粒。試驗過程中用蒸餾水等量補充其消耗的水分，保證NaCl溶液的濃度不變。培養(yǎng)條件為光照16 h，25℃；黑暗8 h，20℃。

1.3 調(diào)查及測定項目

發(fā)芽標準為胚根與種子等長，苗高為種子長的1/2。根據(jù)牧草種子檢驗規(guī)程(GB/T-2930.4-2001)確定初、末次發(fā)芽數(shù)的計數(shù)時間(表2)。根據(jù)統(tǒng)計的初、末次的發(fā)芽數(shù)，計算發(fā)芽勢(GP)、發(fā)芽率(GR)；末次計數(shù)的當天從各重復中隨機挑取10株正常發(fā)芽的幼苗，測量根長(RL)，即從種子胚到最長根根尖的長度，苗高(SH)，即從種子胚到葉尖的長度，計算根長苗高比(RRS)。

表2 14種綠肥植物種子初末次計數(shù)時間

1.4 計算方法

發(fā)芽勢(%)=(初次計數(shù)發(fā)芽數(shù)/50)×100%

(1)

發(fā)芽率(%)=(末次計數(shù)發(fā)芽數(shù)/50)×100%

(2)

根長苗高比=根長/苗高

(3)

耐鹽系數(shù)=鹽脅迫指標平均值/對照指標平均值

(4)

計算相對發(fā)芽勢(RGP)、相對發(fā)芽率(RGR)、相對根長(RRL)和相對苗高(RSH)，各相對指標即為耐鹽系數(shù)[7-8]。

(5)

(6)

(7)

(8)

1.5 耐鹽性綜合評價方法

用加權(quán)隸屬函數(shù)法對14種綠肥種子萌發(fā)期的耐鹽性進行綜合評價[7]。以供試材料的RGP、RGR、RRL、RSH、RRRS為依據(jù)，計算加權(quán)隸屬函數(shù)值(D值)[9]。

μ(Xi)=(Xi-Ximin)(Ximax-Ximin)

Wi=CVio(∑ni=1CVi)-1 (i=1,2,3,...,n)

D=∑ni=1[μ(Xi)oWi] (i=1,2,3,…n)

式中：Xi為各供試材料基于鑒定性狀i的耐鹽指數(shù)，Ximax、Ximin分別為供試材料中耐鹽指數(shù)Xi的最大值和最小值，μ(Xi)為各供試材料Xi的隸屬函數(shù)值，CVi為各供試材料μ(Xi)的變異系數(shù)，Wi表示各鑒定指標的權(quán)重。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Excel整理試驗數(shù)據(jù)，SPSS Statistics進行差異性分析(P<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 NaCl脅迫下綠肥植物種子萌發(fā)特性

14種綠肥植物種子經(jīng)NaCl脅迫處理后，與對照相比，萌發(fā)和幼苗生長均受到不同程度的抑制。其中，苗高在NaCl濃度為50 mmol/L時上升11.44%。不同鹽濃度對各鑒定指標的抑制程度不同，低鹽脅迫下受抑制最大的為根長，高鹽脅迫下受抑制最大的為發(fā)芽勢。從變異系數(shù)分析，隨著NaCl濃度的升高，變異系數(shù)都呈不同程度的增加，說明隨著鹽濃度的增加，作物間的耐鹽差異增大。

2.2 NaCl脅迫對綠肥種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率的影響

發(fā)芽勢可以表征種子萌發(fā)初期的發(fā)芽力，發(fā)芽勢越大則種子生活力強，發(fā)芽整齊，出苗一致。在NaCl濃度為50 mmol/L時，高羊茅、蕪菁甘藍、鴨茅和小黑麥等4種作物的相對發(fā)芽勢大于100%，說明低濃度鹽促進了他們的萌發(fā)。100 mmol/L時，小黑麥的相對發(fā)芽勢最大(103.25%)。150 mmol/L時，除蕪菁甘藍、小黑麥和鴨茅的相對發(fā)芽勢在80%以上，其他所有的綠肥植物種子的相對發(fā)芽率均顯著下降。200 mmol/L，蕪菁甘藍和小黑麥的相對發(fā)芽勢顯著高于其他品種；其余品種的相對發(fā)芽勢均下降到了32%之下，其中，沙打旺的相對發(fā)芽勢為0，在第4 d沒有萌發(fā)(表3)。

表3 NaCl脅迫處理下14種綠肥植物種子的相對發(fā)芽勢

注：同行不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05),下同

隨著NaCl脅迫濃度的增加，14種綠肥植物種子的相對發(fā)芽率均呈不斷下降的趨勢(表4)。綠肥植物種子的相對發(fā)芽率在各NaCl濃度下均存在明顯差異，在NaCl濃度為50 mmol/L時，畫眉草、蕪菁甘藍、蘿卜、鴨茅和小黑麥等的相對發(fā)芽率大于100%，說明低濃度的鹽分脅迫對其種子發(fā)芽具有促進作用。紫花苜蓿的相對發(fā)芽率最低(69.9%)，其次，是沙打旺(77.54%)和田菁(79.48%)，表明紫花苜蓿、沙打旺和田菁對鹽脅迫較敏感。當NaCl濃度為100 mmol/L時，有3種綠肥植物種子的相對發(fā)芽率大于100%，說明NaCl濃度對這3種綠肥植物種子發(fā)芽仍有促進作用。NaCl濃度升至150 mmol/L時，14種綠肥植物的相對發(fā)芽率均小于100%，即該脅迫濃度下所有參試綠肥植物種子萌發(fā)均表現(xiàn)為抑制。

在NaCl濃度為200 mmol/L時，除蕪菁甘藍，黑麥草和小黑麥的相對發(fā)芽率較高(大于80%)之外，其余11種綠肥植物種子的相對發(fā)芽率均顯著降低，但均在0以上。

表4 NaCl脅迫處理下14種綠肥植物種子的相對發(fā)芽率

2.3 NaCl脅迫對綠肥植物種子萌發(fā)期根長、苗高的影響

隨著NaCl濃度的升高，大部分綠肥植物種子的根長均呈持續(xù)降低的趨勢，但各作物間根長降低的程度不同(表5)。當NaCl濃度為50 mmol/L時，紫花苜蓿、沙打旺和小黑麥等3種綠肥植物的相對根長大于100%，即低脅迫水平促進其根的伸長。100 mmol/L時，菊苣和蘿卜的相對根長有所增長。200 mmol/L時，小黑麥、畫眉草和黑麥草的相對根長較大，均在40%。其中，光葉紫花苕，鼠茅草和箭筈豌豆的相對根長在各NaCl濃度下均較低。

隨著NaCl濃度的升高，大部分綠肥植物種子的苗高呈先升高后降低的趨勢(表6)，不同綠肥植物的相對苗高差異明顯。當NaCl濃度為50 mmol/L時，蕪菁甘藍、菊苣、鴨茅、箭筈豌豆、沙打旺、紫花苜蓿、蘿卜、光葉紫花苕和黑麥草等的相對苗高大于100%，其中蕪菁甘藍的相對苗高最大，為201.87%，其次，菊苣(182.84%)和鴨茅(155.28%)。100 mmol/L時，蕪菁甘藍、菊苣、鴨茅、箭筈豌豆、畫眉草、紫花苜蓿和蘿卜的相對苗高大于100%。150 mmol/L時，蕪菁甘藍、箭筈豌豆和菊苣的相對苗高仍大于100%，說明該脅迫濃度對這3種綠肥植物萌發(fā)期苗的伸長仍有促進作用。200 mmol/L時，所有綠肥植物品種的相對苗高均小于100%，其中，箭筈豌豆等4種綠肥植物的相對苗高較大(大于70%)，說明這4種綠肥植物萌發(fā)期的幼苗具有較強的耐鹽性。

表5 NaCl脅迫處理下14種綠肥植物種子相對根長

表6 NaCl脅迫處理下14種綠肥植物種子的相對苗高

2.4 綠肥植物萌發(fā)期耐鹽性綜合評價

種子萌發(fā)期耐鹽性的強弱是受多因素綜合作用的結(jié)果，因此，需要多項指標進行綜合評價，以提高植物耐鹽性評價的準確性和可靠性。采用加權(quán)隸屬函數(shù)法，對供試的14種綠肥植物在4個鹽脅迫濃度(50、100、150、200 mmol/L)下的相對發(fā)芽勢、相對發(fā)芽率、相對根長、相對苗高4項指標進行耐鹽隸屬函數(shù)值計算，得到14種綠肥植物4個濃度下耐鹽性的綜合評價值(表7)。14種綠肥植物4個鹽脅迫濃度下耐鹽性的綜合評價值差異較大，綜合評價值越大，表明其耐鹽能力越強。將各濃度下綜合評價值大于0.5的綠肥植物歸為該鹽濃度模擬鹽堿程度的推薦植物。輕度鹽堿地(50 mmol/L)綠肥植物有9種，畫眉草、鼠茅草、紫花苜蓿、田菁、光葉紫花苕、黑麥草、高羊茅、蘿卜和小黑麥。中度鹽堿地(100 mmol/L)綠肥植物有5種，畫眉草、小黑麥、蘿卜、菊苣和沙打旺。高度鹽堿地(150 mmol/L)綠肥植物有6種，黑麥草、蕪菁甘藍、蘿卜、小黑麥、鴨茅和菊苣。重度鹽堿地(200 mmol/L)綠肥植物有4種，小黑麥、黑麥草、蕪菁甘藍和菊苣。

表7 不同NaCl濃度下14種綠肥植物耐鹽性的綜合評價

3 討論

3.1 NaCl脅迫下14種綠肥植物種子萌發(fā)特性

種子萌發(fā)期和幼苗期是植物生長周期中最脆弱但十分重要的時期，為評價耐鹽性強弱的關(guān)鍵時期[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)低濃度的NaCl(50 mmol/L)對某些綠肥植物種子的發(fā)芽勢(4種)或發(fā)芽率(5種)會有促進作用，高濃度的NaCl(≥150 mmol/L)會抑制綠肥植物種子的萌發(fā)，抑制程度隨脅迫濃度的增加而增加，這與研究者對鹽脅迫下苜蓿萌發(fā)期的研究觀點一致[11-13]。劉欣對高羊茅萌發(fā)期耐鹽性研究中得到了同一濃度下不同綠肥植物種子的發(fā)芽勢具有顯著性差異。研究表明，發(fā)芽率和發(fā)芽勢與萌發(fā)期的耐鹽性最為相關(guān)，發(fā)芽率比發(fā)芽勢表現(xiàn)更為穩(wěn)定，是判定種子萌發(fā)期間耐鹽強弱的重要指標[17-19]，這為篩選耐鹽資源從理論上提供了依據(jù)。

3.2 NaCl脅迫下14種綠肥植物幼苗生長特性

幼苗的根長和苗高能反映幼苗的生長情況，可作為綠肥植物耐鹽能力評價指標[12,14]。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度NaCl脅迫會促進部分綠肥植物根(3種)和苗(9種)的生長，但隨著NaCl濃度的升高，各綠肥植物根和苗的生長均受到不同程度的抑制，這與劉香軍等[15]對苜蓿耐鹽性的研究結(jié)果一致。結(jié)果表明，鹽脅迫對各綠肥植物根和苗生長的影響有差異，整體分析鹽脅迫對根生長的抑制大于苗，而且隨NaCl脅迫濃度的升高，耐鹽性較弱的綠肥植物根長降幅更大，而苗高的降幅則無明顯差異，前人對苜蓿和扁蓿豆的研究也符合這一觀點[8,14]，這也說明了根系在耐鹽研究中的重要性。

3.3 14種綠肥植物萌發(fā)期耐鹽性綜合評價

前人對植物萌發(fā)期的耐鹽性研究中，常使用發(fā)芽勢或發(fā)芽率的耐鹽臨界值來判斷植物萌發(fā)期的耐鹽性，但單一指標并不能全面準確地表示作物的耐鹽性[20-21]，根和苗的長度能直接反應幼苗的生長狀況，荷載著植物萌發(fā)期耐鹽性的大量信息[22]。研究采用發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長和苗高4項指標，計算出各鑒定指標的耐鹽系數(shù)，并進行差異性分析，結(jié)果表明，不同綠肥作物各鑒定指標的耐鹽系數(shù)存在顯著差異(P<0.05)，進一步說明各鑒定指標對耐鹽性的貢獻并不是均等的，故不能用單一鑒定指標或單一鑒定指標的耐鹽系數(shù)來表示作物品種的耐鹽性強弱。

加權(quán)隸屬函數(shù)值法可以確定各鑒定指標的變異系數(shù)及權(quán)重，與單一指標相比，更能全面、準確地評價種質(zhì)的耐鹽性[7,14,16]。試驗通過對4個鑒定指標以及其耐鹽系數(shù)的隸屬函數(shù)值進行加權(quán)分析，得到加權(quán)隸屬函數(shù)值(D值)，根據(jù)D值的大小確定各綠肥植物的耐鹽性強弱。將各濃度下綜合評價值大于0.5的綠肥植物歸為該鹽濃度模擬鹽堿程度的推薦植物，可為不同程度鹽堿地開發(fā)中選用綠肥植物提供參考。

4 結(jié)論

50 mmol/L低鹽脅迫對多數(shù)綠肥植物種子的萌發(fā)和幼苗生長有一定的促進作用，≥150 mmol/L高鹽脅迫對14種綠肥植物的萌發(fā)和幼苗的生長均有抑制作用；鹽脅迫對根的抑制大于苗。

根據(jù)加權(quán)隸屬函數(shù)法可以綜合評價綠肥植物萌發(fā)期的耐鹽性，根據(jù)加權(quán)隸屬函數(shù)值對參試綠肥植物進行了綜合評價。推薦輕度鹽堿地種植畫眉草、鼠茅草、紫花苜蓿等9種綠肥植物；中度鹽堿地推薦種植畫眉草、小黑麥、蘿卜等5種綠肥植物；高度鹽堿地推薦種植黑麥草、蕪菁甘藍、蘿卜等6種綠肥植物；重度鹽堿地推薦種植小黑麥、黑麥草、蕪菁甘藍和菊苣4種綠肥植物。