環(huán)境因子對無膜滴灌棉種萌發(fā)特性的影響

王洪博，楊瑩攀，高 陽，周 宇，孫文君，王興鵬

(1.塔里木大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，新疆阿拉爾 843300；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，河南新鄉(xiāng) 453002；3.塔里木大學(xué)植物科學(xué)學(xué)院，新疆阿拉爾 843300)

0 引 言

【研究意義】無膜直播的特早熟棉花新品種中棉619(無膜棉)，在新疆南疆阿克蘇地區(qū)沙雅縣進行了規(guī)?；痉稇?yīng)用[1]。無膜覆蓋栽培棉花新品種的成功培育，為解決南疆棉田殘膜污染問題提供了一條可供選擇的途徑和關(guān)鍵技術(shù)支撐。隨著無膜滴灌棉花的種植應(yīng)用，分析種子萌發(fā)適宜的水鹽以及溫度等環(huán)境因子改變，對無膜滴灌棉種萌發(fā)特性研究有實際意義。【前人研究進展】種子發(fā)芽期和幼苗生長期是植物生長過程中最重要的2個階段，其中種子發(fā)芽期是發(fā)育過程中最敏感的時期，決定著作物的生長以及產(chǎn)量[2-3]。植物生命周期中種子發(fā)芽和早期幼苗生長階段容易受環(huán)境因素的影響[4-5]。新疆南疆地區(qū)植物生長發(fā)育常受鹽、旱、高低溫、強光照等不利因素的影響[6-8]，顯著影響種子的萌發(fā)[9-10]。棉花具有一定耐鹽性，低濃度鹽脅迫可以促進種子發(fā)芽[11]，但棉花受較高鹽濃度的脅迫會嚴(yán)重影響種子萌發(fā)、生長、發(fā)育及生理生化代謝，造成不萌發(fā)、死苗及植株死亡[12]。水分不僅影響發(fā)芽開始時間，而且還決定發(fā)芽率、速率及其穩(wěn)定性[13]。溫度是調(diào)節(jié)種子發(fā)芽的重要環(huán)境因子，影響著酶活性及物質(zhì)代謝[14]，適宜的溫度條件是棉花高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的基礎(chǔ)[15]。【本研究切入點】聚乙二醇(Poly-ethylene glycol，簡稱PEG)溶液培養(yǎng)，是生產(chǎn)中進行植物滲透脅迫研究較理想的模擬干旱脅迫系統(tǒng)，常被用于研究種子的萌發(fā)及幼苗的生長情況[16-17]。研究水、鹽、溫及其交互作用等環(huán)境因子?！緮M解決的關(guān)鍵問題】基于正交試驗、隸屬函數(shù)法及聚類分析，以PEG模擬干旱脅迫、NaCl模擬土壤鹽分脅迫及用生化培養(yǎng)箱控制環(huán)境溫度，對無膜滴灌棉種中棉619萌發(fā)特性的影響，篩選出適合該棉種萌發(fā)的水鹽溫組合。

1 材料與方法

1.1 材 料

試驗于2019年2月在農(nóng)業(yè)農(nóng)村部作物需水與調(diào)控國家重點實驗室進行。供試棉花品種為T1：中棉619(無膜棉)及T2：新陸中37號。采用SPX-100B-Z型生化培養(yǎng)箱對供試棉花種子進行溫度及光照培養(yǎng)；由聚乙二醇(PEG-6000)模擬不同水平的干旱脅迫；以分析純NaCl模擬不同水平的鹽分脅迫。

1.2 方 法

1.2.1 種子處理

棉花種子表面消毒后，浸泡于雙蒸水中24 h，將種子從雙蒸水中取出，剝掉種皮[18]，挑選大小一致、籽粒飽滿的30粒種子播種于150℃高溫滅菌2 h，底部鋪有2層經(jīng)酒精浸泡風(fēng)干濾紙，直徑為9 cm的培養(yǎng)皿上[19]，加入5 mL 的處理液，以雙蒸水為空白對照組，置入不同溫度的生化培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，挑選新疆南疆主栽棉花品種新陸中37號作為對照試驗組。每天更換1次相應(yīng)的處理液保持質(zhì)量濃度不變[20]，自萌發(fā)第4 d進行光照條件，光照∶黑暗=12 h∶12 h。

1.2.2 試驗設(shè)計

試驗選擇水分、鹽分及溫度脅迫3個主要環(huán)境因子，每個因子設(shè)置5個水平。參考6因素5水平的L25(56)的正交表設(shè)計。表1，表2

表2 正交試驗Table 2 Orthogonal table

1.2.3 測定指標(biāo)

種子連續(xù)萌發(fā)8 d，期間每天記錄發(fā)芽種子數(shù)，以胚根突破種皮長度達到種子長度的一半作為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)[21]。

發(fā)芽勢(%)=前3 d正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽率(%)=前7 d正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)=Σ(Gt/Dt)，其中Gt為t時間數(shù)的發(fā)芽率，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)；

萌發(fā)指數(shù)PI = (1.00)nd2+ (0.75)nd4+ (0.50)nd6+ (0.25)nd8。nd2、nd4、nd6、nd8分別指第2、4、6、8 d種子的發(fā)芽率；

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)=水分脅迫下的萌發(fā)指數(shù)(PIS) /對照種子萌發(fā)指數(shù)(PIC)；

發(fā)芽率耐鹽系數(shù)=處理值/對照值×100%；

胚根長度及干鮮重；

活力指數(shù)=萌發(fā)指數(shù)×胚根鮮重。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)處理及繪圖，并用DPS16.05進行正交試驗及聚類分析，采用Duncan新復(fù)極差法進行方差分析和差異性檢驗(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同環(huán)境因子對棉種發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)的影響

研究表明，溫度對中棉619棉種發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)的影響達極顯著水平(P<0.01)，且隨著溫度的增加而增加。溫度上升到19℃時，棉種發(fā)芽勢和發(fā)芽率達到最大值；萌發(fā)指數(shù)略有延遲，在22℃時達到最大值；而發(fā)芽指數(shù)在25℃達到最大值。鹽分對棉種發(fā)芽勢的影響較小，而棉種發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)隨著鹽分的增加而減小，鹽分濃度為0.8%時達到最低值，較0.1%分別減少了41.00%、24.78%和18.62%。水分、水鹽交互、水溫交互及鹽溫交互環(huán)境因子對棉種發(fā)芽勢的影響較小，而發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)呈波動變化，但發(fā)芽指數(shù)和萌發(fā)指數(shù)較發(fā)芽率變化幅度小。而新陸中37號隨溫度、鹽分、水分及交互作用的變化趨勢與中棉619相同，新陸中37號發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)等指標(biāo)均低于中棉619。圖1

圖1 棉種發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)的因子效應(yīng)Fig.1 Factor effect diagram of cotton seed germination potential, germination rate, germination index and germination index

2.2 不同環(huán)境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長的直觀

研究表明，不同環(huán)境因子對棉種抗旱、耐鹽及生長的影響程度略有差異。中棉619棉種，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為22～25℃時，萌發(fā)抗旱指數(shù)達到最大值，而發(fā)芽率耐鹽系數(shù)在溫度為19℃時已達最大值；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%～0.4%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃時棉種活力指數(shù)和胚根長度達到最大；而單根干重受水分及鹽分影響較小，溫度為19～25℃時，單根干重較大。新陸中37號棉種，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，萌發(fā)抗旱指數(shù)較大，而發(fā)芽率耐鹽系數(shù)在溫度為19～22℃時達最大值；水分含量為12.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大，當(dāng)水分含量為7.5%時，活力指數(shù)較大，而胚根長度在水分含量為10%時達到最大值；棉種根系單根干重受溫度、鹽分及水分影響較小。表3

表3 棉種萌發(fā)指標(biāo)的極差Table 3 Range analysis of cotton seed germination indicators

2.3 不同環(huán)境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長萌發(fā)指標(biāo)的模糊

利用隸屬函數(shù)計算棉種抗旱、耐鹽及生長的綜合得分，依據(jù)綜合得分進行組合優(yōu)劣判斷，確定最優(yōu)因素水平組合。計算如下：

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化運用模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法對萌發(fā)指標(biāo)進行標(biāo)準(zhǔn)化，如公式(1)和(2)：

(1)

(2)

權(quán)重處理采用標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)法，計算標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)Vj，歸一化后得到各個萌發(fā)指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)Wj，如公式(3)。

(3)

綜合評價值棉種抗旱、耐鹽及生長綜合評價D值的計算，如公式(4)：

(4)

式中：X(ij)表示i種類j指標(biāo)的隸屬值；Xij表示i種類j指標(biāo)的測定值；Xjmax、Xjmin分別表示指標(biāo)的最大值和最小值；Vj表示標(biāo)準(zhǔn)差系數(shù)。

以萌發(fā)抗旱指數(shù)、發(fā)芽率耐鹽系數(shù)、單根鮮重、單根干重、活力指數(shù)及胚根長度等萌發(fā)指標(biāo)為依據(jù)，通過隸屬函數(shù)法計算2個棉種萌發(fā)指標(biāo)的綜合得分，綜合評價值越大，種子萌發(fā)能力越強。對中棉619而言，最優(yōu)環(huán)境因子組合是水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃，其次是水分含量為7.5%、鹽分含量為0.4%及溫度為25℃，再次是水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃，得分分別為0.98、0.96及0.87。新陸中37號棉種最優(yōu)環(huán)境因子組合是水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃；其次是水分含量為12.5%、鹽分含量為0.6%及溫度為25℃；再次是水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為19℃，得分分別為0.98、0.87及0.78。表4

表4 棉種抗旱、耐鹽及生長指標(biāo)的隸屬函數(shù)值及綜合評價Table 4 Membership function value and comprehensive evaluation of cotton seed drought resistance, salt tolerance and growth index

2.4 不同環(huán)境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長萌發(fā)指標(biāo)綜合得分方差

研究表明，不同因子的效應(yīng)大小排序為C>B>A，即溫度>鹽分>水分。溫度達到極顯著水平(P<0.01)，鹽分達到顯著水平(P<0.05)，水分及交互作用未達顯著水平。表5

表5 棉種抗旱、耐鹽及生長指標(biāo)綜合得分方差Table 5 Analysis of variance for comprehensive scores of drought resistance, salt tolerance and growth indicators of cotton seeds

2.5 不同環(huán)境因子下棉種抗旱、耐鹽及生長萌發(fā)指標(biāo)的聚類

研究表明，在距離為4時可將中棉所619棉種的25個處理分為三大類。水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃、水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃和水分含量為7.5%、鹽分含量為0.4%及溫度為25℃為同一類，該類群萌發(fā)指標(biāo)的相對值較高；水分含量為12.5%、鹽分含量為0.6%及溫度為25℃、水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為19℃和水分含量為5%、鹽分含量為0.8%及溫度為25℃為一類，該類群萌發(fā)指標(biāo)的相對值居中；其余組合為一類，該類群萌發(fā)指標(biāo)的相對值較低。圖2

圖2 棉種抗旱、耐鹽及生長萌發(fā)指標(biāo)的聚類Fig.2 Cluster analysis of drought resistance, salt tolerance and growth and germination indicators of cotton seeds

3 討 論

研究發(fā)現(xiàn)2個棉種的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)隨著溫度的增加而增加，發(fā)芽勢受水分、鹽分及交互作用的影響較小。而發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)隨著鹽分的增加而減小，隨著水分及交互作用呈波動變化。適宜的溫度能夠促進種子吸水，加強酶促過程和呼吸作用，使貯藏的養(yǎng)分很快變成胚能利用的可溶性狀態(tài)，而較低的溫度造成發(fā)芽和出苗不良，且子葉或胚乳營養(yǎng)物質(zhì)發(fā)生泄漏，為適應(yīng)低溫的病菌提供了養(yǎng)分[22-23]；鹽分過高導(dǎo)致大多數(shù)植物生長受到抑制和產(chǎn)量的下降[24-25]，會降低種子發(fā)芽率，延遲萌發(fā)過程[26]；水分是種子萌發(fā)的先決條件，種子吸水后才會萌動及發(fā)芽，水分過少達不到萌發(fā)的需水量[27]。種子萌發(fā)指標(biāo)隨著水分的增加而增加[17]，研究與之略有不同。這是因為在適宜的溫度條件下，干旱脅迫對種子發(fā)芽的抑制強度低于亞適溫和超適溫條件，通過激活體內(nèi)酶保護機制，累積滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)用以抵御水分脅迫，維持正常的生理代謝，緩解干旱對種子發(fā)芽的不利影響[28]，保證種子的正常發(fā)芽和幼苗生長[29]。新陸中37號棉種發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及萌發(fā)指數(shù)等指標(biāo)均低于中棉619，中棉619的抗旱、耐鹽及耐低溫性能優(yōu)于新陸中37號，適合無膜種植。

研究以萌發(fā)抗旱指數(shù)、發(fā)芽率耐鹽系數(shù)、單根鮮重、單根干重、活力指數(shù)及胚根長度萌發(fā)指標(biāo)為依據(jù)，進行極差分析得出中棉619不同萌發(fā)指標(biāo)的優(yōu)組合分別是，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為22～25℃時，萌發(fā)抗旱指數(shù)達到最大值，而發(fā)芽率耐鹽系數(shù)在溫度為19℃時已達最大值；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.1%～0.4%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大；水分含量為7.5%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃時棉種活力指數(shù)和胚根長度達到最大；而單根干重受水分及鹽分影響較小，溫度為19～25℃時，單根干重較大。新陸中37號不同萌發(fā)指標(biāo)的優(yōu)組合分別是，水分含量為5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，萌發(fā)抗旱指數(shù)較大，而發(fā)芽率耐鹽系數(shù)在溫度為19～22℃時達最大值；水分含量為12.5%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃時，棉種根系單根鮮重較大，當(dāng)水分含量為7.5%時，活力指數(shù)較大，而胚根長度在水分含量為10%時達到最大值；棉種根系單根干重受溫度、鹽分及水分影響較小。不同品種及萌發(fā)指標(biāo)的優(yōu)組合不盡相同，棉花對水分、鹽分、溫度脅迫的響應(yīng)包含著極其復(fù)雜的生理變化，單一指標(biāo)或者少量指標(biāo)難以全面準(zhǔn)確地反映棉花萌發(fā)特性，為了避免單一指標(biāo)的片面性[30-31]，全面準(zhǔn)確的評價棉花的萌發(fā)能力，必須利用與萌發(fā)特性有關(guān)的多項指標(biāo)進行綜合定量評價。通過隸屬函數(shù)法計算萌發(fā)指標(biāo)的綜合得分，進行隸屬函數(shù)值比較，依據(jù)綜合得分進行組合優(yōu)劣判斷，綜合評價值越大，種子萌發(fā)能力越強。中棉619萌發(fā)的最優(yōu)組合是水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃，新陸中37號萌發(fā)的最優(yōu)組合是水分含量為10%、鹽分含量為0.1%及溫度為25℃，2個棉花品種適宜溫度均為25℃，但中棉619的耐鹽及抗旱性優(yōu)于新陸中37號。

聚類分析作為一種無管理模式的識別方法，可將相同或相似的一類進行劃分，其所得結(jié)果很大程度上取決于方法所采用的距離、類間距等參數(shù)[32]。研究將萌發(fā)抗旱指數(shù)、發(fā)芽率耐鹽系數(shù)、單根鮮重、單根干重、活力指數(shù)及胚根長度萌發(fā)指標(biāo)進行聚類分析，中棉619聚類結(jié)果同隸屬函數(shù)排序第一的歸為一類的有：水分含量為7.5%，鹽分含量為0.1%和溫度為25℃、水分含量為15%，鹽分含量為0.2%和溫度為25℃及水分含量為7.5%，鹽分含量為0.4%和溫度為25℃，為萌發(fā)指標(biāo)的相對值較高一類，這一類處理組合對種子的萌發(fā)有較好的效果?？衫镁垲惙治鼋Y(jié)果與隸屬函數(shù)排序第一這一類控制條件的范圍，即溫度為25℃，鹽分為0.1%～0.4%，水分為7.5%和15%當(dāng)做中棉619在受到脅迫條件下萌發(fā)的調(diào)控條件，即通過在這個范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水分、溫度及鹽分來提高種子在脅迫條件下的萌發(fā)力，提高種子的萌發(fā)率和發(fā)芽質(zhì)量。

4 結(jié) 論

4.1 無膜滴灌棉種中棉619耐鹽及抗旱性優(yōu)于膜下滴灌棉種，但兩者均對溫度有較高的要求。

4.2 水分、鹽分、溫度及交互作用等環(huán)境因子中，溫度對于棉種萌發(fā)的影響達到極顯著水平(P<0.01)，鹽分達到顯著水平(P<0.05)，而水分及交互作用未達到顯著水平。

4.3 適宜無膜滴灌棉種中棉619萌發(fā)的環(huán)境因子范圍是溫度為25℃，鹽分為0.1%～0.4%，水分為7.5%和15%，且最優(yōu)組合為水分含量為15%、鹽分含量為0.2%及溫度為25℃。