鹽堿復合脅迫對白莖鹽生草種子萌發(fā)的影響

趙廣興，李王成,2,3，賈振江，申曉晶,2,3，肖 讓

（1.寧夏大學土木與水利工程學院，寧夏銀川 750021；2.寧夏節(jié)水灌溉與水資源調(diào)控工程技術研究中心，寧夏銀川 750021；3. 旱區(qū)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)水資源高效利用教育部工程研究中心，寧夏 銀川 750021；4. 河西學院土木工程學院，甘肅 張掖 734000）

土壤鹽堿化通常不利于植物的生長和發(fā)育[1]，土壤鹽堿化問題已成為全球性問題[2]。有研究發(fā)現(xiàn)，在未來的幾十年里有許多土地會因鹽堿化而撂荒，所以人們越來越重視土壤鹽堿化問題[3]。在干旱半干旱地區(qū)由于降水少且土壤蒸發(fā)強烈，通常會出現(xiàn)鹽分表聚現(xiàn)象，這不利于植物的生存[4]。土壤中的鹽分通常不是單一的鹽分，而是多種鹽分混合存在的。鹽堿復合脅迫對植物的危害大于單一的鹽脅迫和堿脅迫[5]，但堿脅迫的危害大于鹽脅迫[6]。研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫會對植物細胞結構、體內(nèi)細胞滲透壓的穩(wěn)定和植物營養(yǎng)機制造成傷害[7-8]，還會降低農(nóng)作物產(chǎn)量并造成土壤結構問題[9]。

目前關于鹽堿脅迫對植物種子萌發(fā)影響的研究較多，主要集中在農(nóng)作物如小麥(Triticum aestivum)[10]、高粱(Sorghum bicolor)[11]、水稻(Oryza sativa)[12]等，鹽生植物如梭梭(Haloxylon ammodendron)[13]、堿蓬(Suaeda glauca)[14]、霧冰藜(Bassia dasyphylla)[15]等，其他一年生植物如芥菜(Brassica juncea)[16]、黑麥草(Lolium perenne)[17]等。種子萌發(fā)期是決定植物建種和生存的最為敏感的階段[18]，鹽分對植物種子萌發(fā)和幼苗生長具有較大的影響[19]，甚至導致植物產(chǎn)量下降。白莖鹽生草(Halogeton arachnoideus)為藜科鹽生草屬一年生鹽生植物，對其相關研究主要集中在種群分布特征[20]、基因轉錄組[21-22]、對鹽堿地及重金屬污染地的修復作用[23]和種子萌發(fā)[24-25]等方面，而關于種子萌發(fā)方面的研究多傾向于單一的鹽脅迫或堿脅迫[26]，關于鹽堿復合脅迫條件對種子萌發(fā)影響的研究還較少。白莖鹽生草作為一種耐鹽先鋒植物，耐鹽、耐旱能力強，對改善鹽堿地和干旱區(qū)生態(tài)具有積極意義。因此，本研究選取白莖鹽生草為試驗對象，研究鹽堿復合脅迫對白莖鹽生草種子萌發(fā)的影響，得出白莖鹽生草種子在鹽堿復合脅迫下的耐受程度，以期為西北干旱半干旱區(qū)生態(tài)恢復和鹽堿地改良積累理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗所用白莖鹽生草種子于2019年11月采集于寧夏香山，選取成熟飽滿、大小一致的種子用于萌發(fā)試驗。

1.2 試驗設計

本試驗選擇NaCl、Na2SO4兩種中性鹽和NaHCO3、Na2CO3兩種堿性鹽按照不同比例混合[14]，以蒸餾水培養(yǎng)作為對照(CK)，以鹽分種類和鹽濃度為控制因素，每個處理4個重復，每個重復50粒種子。按照NaCl ? Na2SO4? NaHCO3? Na2CO3的順序分為A (1?1?0?0)、B(1?2?1?0)、C(1?9?9?1)、D(1 ?1?1 ?1)、E (9?1?1?9)5個組別，每個組別濃度分為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7 mol·L?1，共30個處理水平。

1.3 試驗方法

采用紙上培養(yǎng)法進行種子萌發(fā)試驗，種子置于發(fā)芽床前先用15% NaClO進行消毒，然后用蒸餾水沖洗5遍。在每個培養(yǎng)皿中鋪兩層濾紙，參考文獻[27]，設定萌發(fā)條件為溫度25℃，12 h 光照和12 h 黑暗交替。在每個培養(yǎng)皿中加入5 mL 對應鹽溶液，CK 中加入5 mL 蒸餾水，每天20:00記錄種子萌發(fā)情況，并將已萌發(fā)的種子移出培養(yǎng)皿，采用每天定時稱重補水的方法保持培養(yǎng)液濃度的一致性。當種子胚根長度≥2 mm 時，視為種子萌發(fā)。在第10天后，將未萌發(fā)的種子轉移到蒸餾水中繼續(xù)進行觀察，當種子萌發(fā)數(shù)連續(xù)3 d 為0時，視為種子萌發(fā)結束。

1.4 萌發(fā)指標計算

1.5 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 25進行種子萌發(fā)指標的統(tǒng)計分析，對不同鹽堿復合脅迫下種子萌發(fā)特性指標運用Duncan’s法進行多重比較(P<0.05)；種子萌發(fā)指標采用平均值± 標準誤表示。采用Origin 2018進行聚類分析及繪圖，使用Excel 2019進行回歸分析。

2 結果

2.1 鹽堿脅迫對種子萌發(fā)特性的影響

2.1.1 鹽堿脅迫對種子發(fā)芽率和最終發(fā)芽率的影響

隨著鹽分濃度的增大，不同處理下A ?E 的種子發(fā)芽率呈減小趨勢，當濃度大于0.5 mol·L?1時，種子發(fā)芽率迅速減少至10%以下(圖1)。CK 處理時種子發(fā)芽率為96%且平均萌發(fā)時間為1.11 d，用時短、出芽整齊、種子活力高。A 組中，0.1 mol·L?1處理下的發(fā)芽率最高，為94%，0.7 mol·L?1下無種子萌發(fā)，說明該濃度已經(jīng)超出了白莖鹽生草種子可以耐受的極限值。與CK 相比，A ?E組中，0.1 mol·L?1處理的發(fā)芽率分別降低0.53%、1.59%、10.05%、1.06%、17.46%；0.3 mol·L?1處理的發(fā)芽率分別降低44.97%、65.61%、36.51%、51.32%、88.89%；0.5 mol·L?1處理的發(fā)芽率分別降低92.06%、95.24%、99.47%、98.94%、99.47%。當濃度為0.7 mol·L?1時種子發(fā)芽率基本為0，表明鹽溶液濃度已經(jīng)超出了種子萌發(fā)的耐鹽極限值，顯著抑制了種子的萌發(fā)；0.7 mol·L?1時A?E的發(fā)芽率顯著低于低濃度下的發(fā)芽率(P<0.05)。

將未萌發(fā)的種子轉移到蒸餾水中繼續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)鹽堿脅迫對種子萌發(fā)造成了一定影響，但并沒有完全傷害種子，有一部分種子仍然可以恢復萌發(fā)。0.1 mol·L?1時A 和B的最終發(fā)芽率無明顯變化，其他處理的最終發(fā)芽率有較小的漲幅(圖1)。當濃度大于等于0.4 mol·L?1時，種子在鹽堿脅迫下的發(fā)芽率較低，轉移到蒸餾水中后最終發(fā)芽率明顯升高。A ?E 組中，0.4 mol·L?1處理的發(fā)芽率從12%、20%、3.5%、8%、4%恢復到54%、56.5%、27.5%、32.5%、16%。0.7 mol·L?1處理的發(fā)芽率從0.5%、0、0、0.5%、0恢復到24%、58.5%、25%、13%、10.5%，尤其是該濃度B組的最終發(fā)芽率顯著高于同濃度其他組(P<0.05)，其余組之間差異不顯著(P>0.05)。

圖1 不同鹽分種類及濃度下白莖鹽生草種子的發(fā)芽率和最終發(fā)芽率Figure 1 Germination rate and final germination rate of Halogeton arachnoideus seeds under different salt types and concentrations

2.1.2 鹽堿脅迫對種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)的影響

CK 的 發(fā) 芽 勢 為94.5%，0.1 mol·L?1處 理A 和E 組發(fā)芽勢分別為92.5%和73.5%，該濃度下，A ?E各處理的發(fā)芽勢均為最高(圖2)，C組處理，0.1、0.2和0.3 mol·L?1對 應 的 發(fā) 芽 勢 分 別 為81.50%、52%和43.50%，當鹽溶液濃度大于0.3 mol·L?1時發(fā)芽勢急劇下降，0.4、0.5和0.7 mol·L?1的發(fā)芽勢分別為2.5%、0.5%和0。從濃度方面來說，當濃度大于0.5 mol·L?1時各處理的發(fā)芽勢較小，均在15%以下。隨著鹽分濃度的增加，發(fā)芽勢呈減小的趨勢。C ?E處理下當鹽濃度大于0.5 mol·L?1時，發(fā)芽勢均接近于0。同一濃度下不同鹽分種類對應的發(fā)芽勢間差異較小，不同濃度下發(fā)芽勢間差異顯著。

圖2 不同鹽分種類及濃度下白莖鹽生草種子的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)Figure2 Germination potential and germination index of Halogeton arachnoideus seeds under different salt types and concentrations

發(fā)芽指數(shù)是衡量一年生植物種子萌發(fā)的重要指標，發(fā)芽指數(shù)越大說明種子萌發(fā)速度越快，出芽越整齊。CK 的發(fā)芽指數(shù)最大，為90.34；A 組中，0.1 mol·L?1處理下的發(fā)芽指數(shù)在各處理中最大，為80.58，與CK 比較接近；0.4、0.5和0.7 mol·L?1處理下的發(fā)芽指數(shù)均在10以下(圖2)。E組中，0.1 mol·L?1處理下的發(fā)芽指數(shù)為54.78，0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L?1處理下的發(fā)芽指數(shù)分別為3.9、1.75、0和0。A ?E處理下當鹽濃度為0.1 mol·L?1時發(fā)芽勢均為各鹽分種類下的最大值，0.7 mol·L?1時發(fā)芽勢均為最小值，基本為0。高濃度鹽堿脅迫顯著抑制種子萌發(fā)進程。綜合鹽堿復合脅迫對種子萌發(fā)特性的影響得出，鹽分濃度比鹽分種類對白莖鹽生草種子萌發(fā)的影響更大。

2.2 白莖鹽生草種子萌發(fā)的耐鹽閾值與極限值

2.2.1 用回歸方程求解種子萌發(fā)閾值及極限值

以鹽濃度為自變量，發(fā)芽率為因變量。在Excel 2019中進行回歸分析，得出線性回歸的相關系數(shù)較小，因此選用對數(shù)函數(shù)，得出回歸方程(表1)。令發(fā)芽率(y)為50%和0，求出相應的鹽濃度(x)，得出白莖鹽生草種子在不同種類鹽分條件下的耐受程度。鹽分種類為A 時其耐鹽閾值為0.26 mol·L?1，耐鹽極限值為0.65 mol·L?1，為各鹽分種類中的最大值；當鹽分種類為E時白莖鹽生草種子萌發(fā)的耐鹽閾值為0.16 mol·L?1，耐鹽極限值為0.52 mol·L?1；E 組處理的耐鹽閾值和耐鹽極限值較A 組均有不同程度的下降。

表1 耐鹽閾值及極限值的求解Table 1 Solution of salt tolerancethreshold and limit value

2.2.2 聚類分析求解

聚類結果表明：鹽分種類為A、C和D時，0.1、0.2和0.3 mol·L?1為第一類，0.4、0.5和0.7 mol·L?1為第二類；得出A、C和D的耐鹽臨界濃度為0.3 mol·L?1(圖3)。B條件下0.1和0.2 mol·L?1為第一類，0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L?1為第二類；得出B的耐鹽臨界濃度為0.2 mol·L?1。E條件下0.1mol·L?1為第一類，0.2、0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L?1為第二類；得出E的耐鹽臨界濃度為0.1 mol·L?1。說明隨著堿性鹽占比的增大，白莖鹽生草種子萌發(fā)的臨界耐受濃度降低，堿性鹽較中性鹽對種子萌發(fā)的危害更大。

圖3 不同鹽分種類下的聚類分析Figure3 Cluster analysis for different salt types

對聚類分析與回歸分析的結果取均值，得出鹽堿復合脅迫下0.234 mol·L?1為種子萌發(fā)的耐鹽濃度分界點，即此水平下有50%的白莖鹽生草種子可以萌發(fā)；在鹽濃度低于0.234 mol·L?1的鹽堿環(huán)境下，白莖鹽生草種子萌發(fā)特性保持較高的水平，而鹽濃度高于0.234 mol·L?1時發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢等下降趨勢加快。

3 討論與結論

鹽堿脅迫對植物種子的傷害不會使之完全喪失活力，鹽溶液中未萌發(fā)的種子轉移到蒸餾水中后仍有部分種子可以恢復萌發(fā)。本研究中，高濃度鹽堿脅迫對白莖鹽生草種子萌發(fā)造成了較大影響，且復水后種子最終發(fā)芽率較低。發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、發(fā)芽勢、最終發(fā)芽率均隨著鹽濃度的增大呈下降趨勢，但下降的幅度取決于鹽分種類。種子發(fā)芽率越低，說明鹽堿脅迫對種子萌發(fā)的危害程度越大。CK 的種子發(fā)芽率最高，為96%，0.1 mol·L?1對應的發(fā)芽率均為各濃度下的最大值，鹽分種類為A、B、C時種子萌發(fā)在不同鹽濃度下的差異較小，D、E 兩種堿性鹽占比較高的鹽溶液對種子萌發(fā)的影響較大。0.5 mol·L?1處理A、B、D和E的發(fā)芽率分別為7.5%、4.5%、1%和0.5%。以上說明堿性鹽對白莖鹽生草種子萌發(fā)的危害更大，白莖鹽生草更耐受中性鹽環(huán)境。

通過回歸分析，得到A ?E 的耐鹽閾值依次為0.26、0.24、0.23、0.25、0.16 mol·L?1。聚類分析顯示A ?E 的耐鹽閾值依次為0.3、0.2、0.3、0.3、0.1 mol·L?1。兩種分析的結果較接近，說明對不同種類鹽溶液及濃度下白莖鹽生草種子萌發(fā)耐鹽閾值的分析是可信的。本研究得出的結論與程龍等[28]對白莖鹽生草種子萌發(fā)在單鹽NaCl 作用下的耐鹽閾值和耐鹽極限值較為接近。綜合聚類分析與回歸分析結果得出：鹽堿復合脅迫下白莖鹽生草種子萌發(fā)的耐鹽閾值為0.234 mol·L?1，耐鹽極限值為0.602 mol·L?1。

本研究中高濃度鹽溶液強烈抑制了種子萌發(fā)，種子最終發(fā)芽率平均在10%以下，很大程度損壞了植物的生理代謝及活力，與Bajji等[29]對海濱藜(Atriplex halimus)的研究結果相似。將鹽溶液中未萌發(fā)的種子轉移到蒸餾水中后，A ?E 的種子有不同程度的恢復，堿性鹽占比大的處理的種子最終發(fā)芽率較小，這與劉庚等[30]對唐古特白刺(Nitraria tangutorum)的研究結果相似。本研究發(fā)現(xiàn)，高濃度鹽溶液中白莖鹽生草種子平均萌發(fā)時間增長、萌發(fā)整齊度低、發(fā)芽勢小、種子活力低，且鹽濃度超過耐鹽閾值時種子萌發(fā)時間顯著增長、萌發(fā)數(shù)量?。欢蜐舛塞}溶液中種子萌發(fā)迅速且整齊、平均萌發(fā)時間短，主要集中在前4 d；這與Li 等[31]對互花米草(Spartina alterniflora)的研究結果相似。

綜上，本研究結果表明：1)隨著鹽堿濃度的增大，種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、最終發(fā)芽率均呈下降趨勢，鹽分濃度對白莖鹽生草種子萌發(fā)的影響大于鹽分種類。隨著堿性鹽比例的增大，白莖鹽生草種子萌發(fā)耐鹽閾值和耐鹽極限值呈減小的趨勢。2)對聚類分析與回歸分析結果取均值得出，鹽堿復合脅迫下0.234 mol·L?1為白莖鹽生草種子萌發(fā)的耐鹽閾值，當濃度低于0.234 mol·L?1時種子萌發(fā)特性差異較??；耐鹽極限值為0.602 mol·L?1。相較于堿性鹽，白莖鹽生草更耐受中性鹽環(huán)境。