寒地粳稻耐堿鑒定指標(biāo)篩選與評價(jià)

孫興榮，卞景陽，劉琳帥，劉 凱，李 杰，來永才

(1.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大慶分院，黑龍江大慶 163319； 2.國家耐鹽堿水稻技術(shù)創(chuàng)新中心東北分中心，黑龍江哈爾濱 163316；3.黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院，黑龍江哈爾濱 163316)

東北松嫩鹽堿土是世界上三大蘇打鹽堿土之一，松嫩平原鹽堿土壤面積在343萬hm2左右[1]，其中黑龍江省鹽堿地面積為187萬hm2左右，寒地粳稻鹽堿土壤種植面積在6.7萬hm2左右，由于水資源和水利工程的高效利用，蘇打堿土寒地粳稻面積逐年增加。蘇打鹽堿土壤生態(tài)環(huán)境，不同于濱海鹽堿土壤，蘇打鹽堿土壤中主成分碳酸鈉和碳酸氫鈉，對寒地粳稻生長發(fā)育的影響主要是堿性。前人進(jìn)行了相關(guān)研究，在土壤改良方面，主要采用以水洗堿、以水壓堿等技術(shù)措施進(jìn)行蘇打堿土的改良[2]，以水改良土壤存在堿水污染周邊生態(tài)環(huán)境等問題。在耐鹽堿研究和種質(zhì)篩選方面，其中耐鹽研究較多[3-5]，主要在種子萌發(fā)和苗期鑒定。孟麗君等在苗期耐鹽和耐堿方面，以吉粳88為基礎(chǔ)，利用不同類型的水稻親本，進(jìn)行育種資源的鑒定[6]。潘世駒等對多份粳稻苗期進(jìn)行耐鹽篩選，認(rèn)為對水稻幼苗的抑制作用主要表現(xiàn)為根長>芽長>根數(shù)[7]。馮鐘慧等對多份粳稻進(jìn)行耐鹽篩選，篩選出東稻4號、長白21號等多個(gè)耐堿品種資源[8]。雖然眾多學(xué)者開展了大量的工作，但還存在很多問題，水稻不同時(shí)期的水稻耐堿性結(jié)論不相同[9-10]。目前對寒地粳稻對蘇打堿土的影響評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)不一致，方法不統(tǒng)一[11]，研究蘇打鹽堿土使用的試劑模擬或盆栽環(huán)境，很少有大田試驗(yàn)[12]。

因此，本研究以寒地粳稻品種為研究對象，利用pH值為7.5的稻田土作為對照，以pH值為8.5的蘇打鹽堿土為處理，對66份寒地粳稻進(jìn)行本田種植，進(jìn)行農(nóng)業(yè)耐堿力的鑒定和綜合評價(jià)。利用多種分析方法進(jìn)行寒地粳稻指標(biāo)的篩選，旨在為水稻耐堿品種的選育及耐堿性評價(jià)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

以黑龍江省審定的66份寒地粳稻品種和品系為供試品種(系)，供試水稻品種(品系)見表1。

表1 供試水稻品種(品系)材料

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)2021年在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院大慶分院紅旗泡水稻試驗(yàn)基地進(jìn)行，4月20日播種，采用旱育苗方式，3葉1心時(shí)插秧。基地位于黑龍江省西部松嫩平原腹地，天然形成不同堿度的土壤，試驗(yàn)田塊分為對照田塊、處理田塊，對照田塊屬于弱堿田塊，pH值為7.5，試驗(yàn)田塊為天然蘇打堿土分布均勻的中度鹽堿田塊，pH值為8.5，土壤基本理化性質(zhì)見表2，不同水稻品種(品系)分別于對照田塊、處理田塊插秧20株，插秧規(guī)格為30.0 cm×13.2 cm，水肥管理措施與常規(guī)水田管理相同。

表2 參試土壤基本性質(zhì)

1.3 測定項(xiàng)目與方法

于水稻成熟期(10月5日)進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)的測量，每份材料選取長勢基本一致的10穴，置于通風(fēng)陰涼處風(fēng)干。參考《水稻種質(zhì)資源描述規(guī)范和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)》[13]進(jìn)行考種，考種指標(biāo)包括株高、穗長、穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、癟粒數(shù)、株總粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、 穗質(zhì)量、千粒質(zhì)量，并計(jì)算空秕率、秸稈質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及描述性分析，采用SPSS 17.0軟件系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析，包括主成分分析和相關(guān)分析等，相關(guān)指標(biāo)計(jì)算方法參考戴海芳等的方法[14]。

1.4.1 耐堿系數(shù)( alkali tolerant coefficients，簡稱ATC) 為消除各試驗(yàn)材料和測量指標(biāo)之間存在的基礎(chǔ)差異，將全部水稻測定指標(biāo)統(tǒng)一計(jì)算耐堿系數(shù)，即使用各耐堿指標(biāo)的相對值進(jìn)行水稻耐堿性綜合分析。

ATC=堿迫下指標(biāo)值/對照指標(biāo)值。

(1)

1.4.2 綜合指標(biāo)值 綜合指標(biāo)值按以下公式計(jì)算：

(2)

式中：Zi為各參試材料第i個(gè)綜合指標(biāo)值；αi為第i個(gè)指標(biāo)特征值所對應(yīng)的特征向量；Xi為第i個(gè)指標(biāo)的相對值；n代表考察的指標(biāo)數(shù)。

1.4.3 隸屬函數(shù)分析 參試材料各主成分的隸屬函數(shù)值依據(jù)公式計(jì)算：

μ(Zi)=(Zi-Zmin)/(Zmax-Zmin)(i=1，2，3，…，n)。

(3)

式中：μ(Zi)為各參試材料第i個(gè)主成分的隸屬函數(shù)值；Zmin和Zmax分別為各參試材料綜合指標(biāo)的最小值和最大值。

1.4.4 各綜合指標(biāo)的權(quán)重 根據(jù)各主成分貢獻(xiàn)率按照公式計(jì)算各主成分的權(quán)重：

(4)

式中：Wi為各參試材料第i個(gè)綜合指標(biāo)的權(quán)重；Pi為各參試材料第i個(gè)綜合指標(biāo)的貢獻(xiàn)率。

1.4.5 參試材料的綜合耐鹽堿D值 根據(jù)公式計(jì)算各試驗(yàn)材料的綜合耐鹽堿D值：

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 耐堿性描述性分析和相關(guān)分析

試驗(yàn)對66個(gè)寒地粳稻材料的12個(gè)性狀的耐堿性進(jìn)行測定(表3)，所有性狀的耐堿系數(shù)平均值為0.885，平均耐堿系數(shù)值分布在0.754～1.020之間，株高、穗長、空秕率、癟粒數(shù)、實(shí)粒數(shù)、千粒質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)共7項(xiàng)指標(biāo)的平均耐堿系數(shù)大于0.9；穗數(shù)、株總粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、穗質(zhì)量、秸稈質(zhì)量共5項(xiàng)指標(biāo)的耐堿系數(shù)在0.8以下。從12個(gè)性狀的變異系數(shù)上看，變異系數(shù)最小的3個(gè)耐堿指標(biāo)依次是經(jīng)濟(jì)系數(shù)(8.00%)、穗長(8.51%)、株高(11.70%)；變異系數(shù)最大的3個(gè)耐堿指標(biāo)依次是癟粒數(shù)(39.58%)、空秕率(36.84%)、秸稈質(zhì)量(27.27%)。

表3 水稻品種(品系)耐堿系數(shù)的描述性分析

對試驗(yàn)材料的12個(gè)表型性狀的相關(guān)分析結(jié)果(表4)顯示，性狀間存在不同程度的相關(guān)性。其中，穗質(zhì)量耐堿系數(shù)與株高、穗數(shù)、株總粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、秸稈質(zhì)量的耐堿系數(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)；株總粒數(shù)耐堿系數(shù)與株高、穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、癟粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、穗質(zhì)量、秸稈質(zhì)量的耐堿系數(shù)呈顯著或極顯著正相關(guān)；千粒質(zhì)量的耐堿系數(shù)與穗長呈極顯著正相關(guān)，與每株實(shí)粒數(shù)、癟粒數(shù)、株總粒數(shù)、空秕率的耐堿系數(shù)呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。穗數(shù)的耐堿系數(shù)與每株實(shí)粒數(shù)的耐堿系數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)，與株高、株總粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、穗質(zhì)量、秸稈質(zhì)量呈顯著或極顯著正相關(guān)。水稻各性狀之間的相關(guān)性存在信息重疊，需要進(jìn)一步分析各性狀響應(yīng)堿害的真實(shí)性。

表4 不同水稻品種(品系)12個(gè)性狀耐堿系數(shù)的相關(guān)分析

2.2 耐堿性的主成分分析

試驗(yàn)材料耐堿性的主成分分析(表5)，得出5個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率(CCR)為87.768%，說明前5個(gè)主成分具有代表性。主成分特征值(E)均大于1，貢獻(xiàn)率(CR)分別為36.132%、19.344%、12.736%、10.746%、8.810%，即前5個(gè)相互獨(dú)立的主成分代表12個(gè)性狀87.768%的變異信息。第1主成分的貢獻(xiàn)率為36.132%，主成分中與產(chǎn)量相關(guān)的穗數(shù)(0.806)、株總粒數(shù)(0.943)、單株粒質(zhì)量(0.948)、穗質(zhì)量(0.957)的載荷較高，可將該主成分定為產(chǎn)量因子；第2主成分的貢獻(xiàn)率為19.344%，主成分中與籽粒結(jié)實(shí)相關(guān)的癟粒數(shù)(0.870)、空秕率(0.766)、千粒質(zhì)量(-0.773)的載荷較高，可將該主成分定為籽粒結(jié)實(shí)因子；第3主成分、第4主成分、第5主成分的貢獻(xiàn)率分別為12.736%、10.746%、8.810%，以經(jīng)濟(jì)系數(shù)(0.745)、每穗實(shí)粒數(shù)(-0.628)、穗長(0.619)的載荷較高，主成分可分別定為經(jīng)濟(jì)系數(shù)因子、實(shí)粒數(shù)因子、穗長因子。

表5 前5個(gè)主成分的特征向量載荷、E、CR及CCR

2.3 耐堿性綜合評價(jià)

依據(jù)公式計(jì)算各試驗(yàn)材料的綜合指標(biāo)值和隸屬函數(shù)值，根據(jù)主成分貢獻(xiàn)率的大小，計(jì)算5個(gè)主成分的權(quán)重，分別為0.412、0.220、0.145、0.122、0.100。利用公式對綜合指標(biāo)隸屬函數(shù)值、對應(yīng)權(quán)重進(jìn)行線性加權(quán)，最后計(jì)算出試驗(yàn)材料的綜合評價(jià)值(D)。由表6可知，66份試驗(yàn)材料D均值為0.387，分布在0.26～0.49區(qū)間內(nèi)。試驗(yàn)材料Y41、Y45、Y2的D最高，分別為0.49、0.45、0.45，是綜合評價(jià)值最高的3份耐堿材料。試驗(yàn)材料Y30、Y32、Y3的D最低，分別為0.26、0.28、0.29，是對堿性最敏感的3份粳稻材料。

表6 66個(gè)水稻品種(品系)的權(quán)重、隸屬函數(shù)值、D及耐堿性排序

表6(續(xù))

2.4 水稻耐鹽堿鑒定指標(biāo)的篩選

以耐堿性綜合評價(jià)值為自變量，各鑒定指標(biāo)的耐堿系數(shù)作為自變量，建立耐堿性評價(jià)的逐步回歸方程。去除X1和X11，使用剩余10個(gè)表型指標(biāo)建立回歸方程。方程為D=0.137+0.049X2-0.008X3+0.017X4+0.02X5+0.092X6+0.022X7+0.041X8+0.019X9+0.088X10-0.024X12。

式中：X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X12分別代表穗數(shù)、穗長、實(shí)粒數(shù)、癟粒數(shù)、株總粒數(shù)、空秕率、單株粒質(zhì)量、千粒質(zhì)量、穗質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)。

回歸方程的F值為2 122.368，說明方程達(dá)到顯著水平。通過耐堿性綜合評價(jià)值與12個(gè)性狀的耐堿系數(shù)相關(guān)分析結(jié)果得出，D與株高、穗數(shù)、實(shí)粒數(shù)、癟粒數(shù)、株總粒數(shù)、空秕率、單株粒質(zhì)量、穗質(zhì)量、秸稈質(zhì)量共9個(gè)性狀指標(biāo)呈顯著相關(guān)。進(jìn)一步分析得出株高、穗數(shù)、株總粒數(shù)、單株粒質(zhì)量、穗質(zhì)量共5個(gè)指標(biāo)的耐堿系數(shù)相互顯著相關(guān)，選擇與D最密切的單株粒質(zhì)量作為耐堿鑒定指標(biāo)。癟粒數(shù)和空秕率2個(gè)指標(biāo)的耐堿性系數(shù)相互顯著相關(guān)，選擇空秕率作為耐堿鑒定指標(biāo)。所以，將單株粒質(zhì)量、空秕率、秸稈質(zhì)量、實(shí)粒數(shù)共4個(gè)指標(biāo)作為寒地粳稻本田耐堿鑒定評價(jià)指標(biāo)。

3 討論與結(jié)論

水稻耐鹽堿鑒定條件。鹽堿脅迫對水稻的研究，主要集中在鹽對水稻生長的影響，多在芽期、苗期，采用試劑配制溶液模擬鹽堿環(huán)境的方法，這種條件有利于控制試驗(yàn)，精確度高。如杜志強(qiáng)等均采用過這種方法[15-19]進(jìn)行研究。關(guān)于內(nèi)陸蘇打堿土對水稻的影響研究較少，并多是利用盆栽方式。在大田的研究中，由于蘇打堿土大田的鹽漬化程度不好控制，大田蘇打堿土的土壤性質(zhì)，鹽漬化的程度與水分、耕作條件等存在很大的相關(guān)性。為了利于水稻材料的鑒定，確保水稻材料綜合脅迫環(huán)境更符合自然條件。應(yīng)多采用不同鹽漬化程度的大田進(jìn)行試驗(yàn)。

水稻耐鹽堿篩選指標(biāo)。不同的研究結(jié)果存在一定的差異，李紅宇等認(rèn)為，結(jié)實(shí)率、產(chǎn)量、生物量、經(jīng)濟(jì)系數(shù)、根直徑等指標(biāo)可作為水稻耐鹽堿評價(jià)指標(biāo)[20]。徐晨等認(rèn)為，地上鮮質(zhì)量、根系鮮質(zhì)量、葉片的光合速率、氣孔導(dǎo)度等指標(biāo)可作為水稻耐鹽堿評價(jià)指標(biāo)[21]。王秋菊等認(rèn)為，死葉率可以作為水稻耐鹽堿評價(jià)指標(biāo)[22]。本研究得出單株粒質(zhì)量、空秕率、秸稈質(zhì)量、實(shí)粒數(shù)共4個(gè)指標(biāo)作為寒地粳稻本田耐堿鑒定評價(jià)指標(biāo)。各項(xiàng)耐堿指標(biāo)的確定存在一定的差異，主要是試驗(yàn)條件和測定指標(biāo)均存在差異。

本研究結(jié)果表明，堿脅迫抑制了寒地水稻生長，測定的12項(xiàng)指標(biāo)中，單株粒質(zhì)量、空秕率、秸稈質(zhì)量、實(shí)粒數(shù)4個(gè)指標(biāo)可作為寒地粳稻本田耐堿鑒定評價(jià)指標(biāo)。從66份寒地粳稻中篩選出3份耐鹽堿材料，分別為龍稻21、龍稻16、松粳3號；敏感寒地粳稻資源3份，分別為慶401、D132、廣稻1號。