鈉鹽脅迫對藜科一年生草本植物種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

郭文婷，王國華，2，3，緱倩倩

（1. 山西師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030000；2. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院沙漠與沙漠化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州 730010；3. 中國科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院臨澤內(nèi)陸河流域研究站，甘肅 蘭州 730010）

一年生草本植物，作為荒漠生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分和恒有層片［1］，廣泛分布于沙質(zhì)、礫質(zhì)、鹽土等各種荒漠中。由于一年生草本植物具有生活史短暫、繁殖能力強(qiáng)、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［2］，加之其完善的生存策略，對荒漠生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力、物種多樣性和生態(tài)功能發(fā)揮著重要作用［3-4］。

種子萌發(fā)和幼苗生長時(shí)期，植物對外部環(huán)境最為敏感［5］，最易受到脅迫環(huán)境的影響［6］，是荒漠一年生植物生活史中和種群穩(wěn)定、延續(xù)發(fā)展中的關(guān)鍵時(shí)期。因此，種子萌發(fā)和幼苗定植時(shí)期對環(huán)境脅迫的適應(yīng)機(jī)制一直是植物學(xué)研究的重點(diǎn)。影響荒漠一年生植物種子萌發(fā)和幼苗生長的環(huán)境因素主要有水分［7］、埋深［7-8］、溫度和光照［9］等。隨著干旱荒漠區(qū)土地荒漠化和鹽漬化的逐漸加劇，國內(nèi)外許多學(xué)者在鹽堿脅迫對梭梭（Haloxylon ammodendron）［10-11］、枸 杞（Lycium chinense）［12］、鹽 爪 爪（Kalidium foliatum）［13］、堿 蓬（Suaeda glauca）［13］、藜（Chenopodium album）和灰綠藜（Chenopodium glaucum）［14］等荒漠植物種子萌發(fā)和植株生長的影響方面展開了大量研究，證明了鹽堿脅迫對荒漠植物具有很強(qiáng)的致害作用。但已有研究多集中于灌木和多年生草本，而對鹽堿地生境下一年生草本植物的研究相對較少。

西北荒漠綠洲地區(qū)是我國重要的沙漠化防治區(qū)，受全球變暖、人口增加和人類活動加劇的影響，荒漠綠洲邊緣水分資源惡化，天然植被衰退［15］，為維持綠洲生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定，建立人工固沙植被成為主要的防風(fēng)固沙措施之一。然而近年來研究發(fā)現(xiàn)，人工固沙區(qū)深根系灌木的大面積、高密度種植會引起土壤水分失衡，造成土壤干燥化和鹽堿化，尤其是鹽分離子（Na+、Cl-、HCO3-、SO42-等）在土壤表層的大量積聚［16］，直接導(dǎo)致生物多樣性的喪失和生態(tài)服務(wù)功能下降，嚴(yán)重威脅人工固沙植被系統(tǒng)的穩(wěn)定和健康。一年生植物作為荒漠綠洲邊緣人工固沙植被系統(tǒng)的重要組成部分，對維持固沙植被系統(tǒng)生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定有不可替代的作用，受生活史策略、植物功能特征影響，對土壤鹽堿化相對更為敏感和脆弱［17］。目前，有關(guān)荒漠人工固沙植被研究多集中于深根系灌木對干旱［18］、鹽堿［12］、風(fēng)蝕和沙埋［19］的生理生態(tài)響應(yīng)方面，而針對人工林內(nèi)一年生植物對鹽堿脅迫的響應(yīng)研究還相對較少，這直接影響到我國西北荒漠綠洲人工固沙植被系統(tǒng)生物多樣性維持和固沙功能的穩(wěn)定性。而藜科一年生草本植物作為人工固沙林內(nèi)草本層的優(yōu)勢植物類群，能夠在雨季迅速生長并完成繁殖，具有良好的固沙抗旱能力［20］。然而目前關(guān)于藜科一年生草本植物的研究主要集中在群落結(jié)構(gòu)［21］、生理生態(tài)特性［22］、種子萌發(fā)特性［23］、構(gòu)件形態(tài)和生物量分配特征［24］等方面，而針對人工林鹽堿生境下，藜科植物種子萌發(fā)、形態(tài)特征和生理特性響應(yīng)研究還相對較少。

本研究以河西走廊荒漠綠洲邊緣典型藜科一年生草本植物霧冰藜（Bassia dasyphylla，BD）、刺沙蓬（Salsola ruthenica，SR）和白莖鹽生草（Halogeton arachnoideus，HA）為對象，研究不同濃度鹽分（中性鹽NaCl 和堿性鹽NaHCO3）脅迫對3 種植物種子萌發(fā)、幼苗生長和生理的影響，分析藜科一年生草本植物種子萌發(fā)和幼苗生長階段在不同鈉鹽脅迫下的變化特征，探明藜科一年生草本植物對鈉鹽脅迫的響應(yīng)機(jī)制，以期為人工固沙植被的恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅河西走廊典型荒漠綠洲邊緣地帶（39°21＇ N，100°07＇ E，海拔1367 m），氣候?qū)儆跍貛Щ哪箨懶詺夂?，年均降水?17.1 mm，年均蒸發(fā)量2337.6 mm；年均溫7.6 ℃，最高氣溫約為39.1 ℃，最低氣溫約為-27.0 ℃，無霜期約為105 d；年平均風(fēng)速3.2 m·s-1，風(fēng)沙活動主要集中在3-5 月，主風(fēng)向?yàn)槲鞅憋L(fēng)；土壤類型以風(fēng)沙土和灰棕漠土為主。綠洲邊緣種植了大量人工固沙植被，優(yōu)勢種是梭梭，伴生種主要有天然生長的泡泡刺（Nitraria sphaerocarpa）、沙拐棗（Calligonum mongolicum）、紅砂（Reaumuria songarica）等灌木半灌木樹種，人工林下存在大量一年生草本植物，其中霧冰藜、刺沙蓬、白莖鹽生草等藜科一年生草本植物分布廣泛，是人工固沙植被草本層的優(yōu)勢植物種，在防止近地表風(fēng)蝕中發(fā)揮著不可忽略的作用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 脅迫處理 試驗(yàn)所用的霧冰藜、刺沙蓬和白莖鹽生草種子采集于中國科學(xué)院臨澤內(nèi)陸河流域研究站（荒漠綠洲邊緣）附近的鹽堿地，每種植物隨機(jī)選擇10 株不同大小植株，采集完好成熟的種子，干燥后備用。依據(jù)蘇永中等［16］和呂彪等［25］關(guān)于河西走廊荒漠綠洲過渡帶土壤鹽分組成的研究，選取中性鹽NaCl 和堿性鹽NaHCO3進(jìn)行鹽脅迫試驗(yàn)。參考Flowers 等［26］關(guān)于鹽生植物的定義以及李辛等［27］的鹽脅迫試驗(yàn)，設(shè)置4 個(gè)水平的鹽脅迫梯度，分別為對照（0 mmol·L-1）、輕度（50 mmol·L-1）、中度（100、150 mmol·L-1）和重度（200 mmol·L-1）鹽分脅迫。

參照朱教君等［28］的研究方法進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)，時(shí)間為2021年3 月15 日-4 月15 日。在用蒸餾水洗凈并烘干的帶蓋培養(yǎng)皿底部放入兩層濾紙，分別加入不同濃度的NaCl 和NaHCO3溶液各10 mL，并以等量的蒸餾水為對照。每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)放入飽滿、大小一致的50 粒種子，3 個(gè)重復(fù)。將培養(yǎng)皿放入人工氣候箱中，溫度（23±2）℃，12 h 光照，每2 d 更換一次濾紙和鹽溶液。以胚根突破種皮0.2 cm 作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)［14］，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽個(gè)數(shù)，連續(xù)3 d萌發(fā)粒數(shù)不變時(shí)結(jié)束萌發(fā)試驗(yàn)。

復(fù)萌試驗(yàn)于萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行，時(shí)間為2021年4 月16 日-5 月16 日。萌發(fā)結(jié)束后，將沒有萌發(fā)的種子用蒸餾水沖洗3 次，轉(zhuǎn)至底部放入雙層濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行復(fù)萌試驗(yàn)，濾紙用蒸餾水浸濕，每天以稱重法添加蒸餾水以補(bǔ)充損失的水分，每2 d 統(tǒng)計(jì)一次發(fā)芽數(shù)。

幼苗盆栽培植試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行，時(shí)間為2021年5 月1 日-6 月10 日。參照李辛等［27］的試驗(yàn)方法，花盆直徑和深度均為20 cm，花盆內(nèi)盛裝洗凈的細(xì)河沙和蛭石，3 種植物每種處理3 盆為3 個(gè)重復(fù)。以含有相應(yīng)濃度的NaCl 和NaHCO3溶液為處理液，每盆800 mL 分4 次澆透花盆，對照組分4 次澆灌等量蒸餾水。所有花盆以相應(yīng)濃度鹽溶液澆透后開始進(jìn)行播種，選取籽粒飽滿、大小基本一致且無病蟲的3 種植物種子，每種單獨(dú)播種于花盆內(nèi)，每種植物播種27 盆，共81 盆，每盆均勻播種20 粒，播深2 cm。為防止系統(tǒng)誤差，所有花盆隨機(jī)擺放并用標(biāo)簽紙進(jìn)行標(biāo)記。播種次日起以稱重法補(bǔ)充蒸餾水，為防止盆內(nèi)土壤鹽分隨水分流失，花盆底下均放置托盤，以將流出的溶液重新倒回盆內(nèi)。試驗(yàn)期間控制實(shí)驗(yàn)室溫度，白天溫度在23 ℃左右，晚上保持在15 ℃左右。在停止出苗3 d 后，每盆保留10 株長勢良好，生長狀態(tài)相似的幼株，繼續(xù)脅迫14 d 后對幼苗生長和生理指標(biāo)進(jìn)行采樣分析。

1.2.2 指標(biāo)測定 種子萌發(fā)指標(biāo)測定：

式中：Gt為td 內(nèi)的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

生長指標(biāo)測定：試驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)處理隨機(jī)選取3 株植株，測定生長指標(biāo)，取3 個(gè)重復(fù)的平均值。將每株植物以根和莖的分節(jié)點(diǎn)分割為地上和地下部分，用精確到0.01 cm 的直尺測量每株植物的株高（plant height，H）（根部以上部分）和主根長（main root length，M），用精確到0.01 g 的天平分別測量地上和地下部分鮮重，并依據(jù)以下公式計(jì)算總鮮重和根冠比：

生理指標(biāo)測定：試驗(yàn)結(jié)束后，每個(gè)處理隨機(jī)選取3 株植株，將每株植株的地上部分分為上、中、下3 部分，每部分各取5 片鮮葉，混合均勻后進(jìn)行各項(xiàng)生理指標(biāo)的測定，測定結(jié)束后取3 個(gè)重復(fù)的平均值。采用80%丙酮法測定葉綠素（chlorophyll，C）含量；采用蒽酮比色法測定可溶性糖（soluble sugar，S）含量；采用酸性茚三酮法測定游離脯氨酸（free proline，F(xiàn)）含量；采用硫代巴比妥酸法測定丙二醛（malondialdehyde，MDA）含量［29］。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用模糊隸屬函數(shù)法對3 種藜科植物萌發(fā)期和苗期的抗鹽性進(jìn)行綜合評價(jià)，計(jì)算公式為：

式中：Xu為指標(biāo)測定值，Xmin和Xmax為所有試樣中該指標(biāo)的最小值和最大值。若測定指標(biāo)與耐鹽性呈正相關(guān)則用（8）式計(jì)算，呈負(fù)相關(guān)則用（9）式計(jì)算。最后將各試樣的每個(gè)指標(biāo)隸屬函數(shù)值進(jìn)行累加，取平均值。

利用Excel 2007 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和統(tǒng)計(jì)分析，利用SPSS 21.0 進(jìn)行單因素方差分析、雙因素方差分析和主成分分析，利用Origin 2018 軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子萌發(fā)特征

鈉鹽脅迫下，3 種植物的萌發(fā)指標(biāo)隨鹽濃度的增加變化顯著（圖1）。NaCl 脅迫下，霧冰藜和白莖鹽生草的GR、GP 和GI 均呈顯著下降趨勢（圖1a～c），在150 和200 mmol·L-1濃度下較低；刺沙蓬的GR 呈顯著下降趨勢，200 mmol·L-1濃度下最低，而GP 和GI 則呈先升后降趨勢，分別在100 和50 mmol·L-1濃度下最高。NaHCO3脅迫下，霧冰藜和白莖鹽生草的GR、GP 和GI 均呈顯著下降趨勢（圖1e～g），在200 mmol·L-1濃度下最低；刺沙蓬的GR 和GP 呈顯著下降趨勢，200 mmol·L-1濃度下最低，而GI 則呈先升后降趨勢，50 mmol·L-1濃度下最高。3種植物種子萌發(fā)期的相對鹽害率隨鹽濃度增加均呈顯著上升趨勢，在150 和200 mmol·L-1濃度下較高（圖1d，h）。鈉鹽脅迫解除后，3 種植物的復(fù)萌率在不同濃度鹽處理間差異顯著（圖2），均在200 mmol·L-1NaCl 和NaHCO3處理下最高。

圖1 不同NaCl 和NaHCO3濃度下3 種植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和相對鹽害率Fig. 1 Germination rate（GR），germination power（GP），germination index（GI）and relative salt injure rate of three plants under different concentrations of NaCl and NaHCO3a～d 為NaCl 脅迫，e～h 為NaHCO3 脅迫，P＜0.05 表示所有物種在不同濃度鹽脅迫下均差異顯著，下同。a-d is NaCl stress，e-h is NaHCO3 stress，and P＜0.05 indicated all species were significantly different under different salt stress concentrations，the same below.

圖2 不同NaCl 和NaHCO3濃度下3 種植物的復(fù)萌率Fig.2 Re-germination rates（RGR）of three plants under different concentrations of NaCl and NaHCO3不同小寫字母表示同一物種在不同濃度鹽脅迫下差異顯著（P＜0.05），下同。Different lowercase letters indicated that the same species had significant differences under different salt stress concentrations（P＜0.05），the same below.

鈉鹽脅迫處理下，GR、GP 和GI 隨鹽濃度增加總體呈下降趨勢，RGR 呈上升趨勢。在相同鹽分濃度處理下，萌發(fā)指標(biāo)變化主要受植物物種作用（P＜0.05）（表1），而受鹽分類型及其與植物種的共同作用不顯著，不同物種間，刺沙蓬的GR、GP、GI 和RGR 要高于其他兩種植物。

2.2 生長特征

不同濃度鈉鹽脅迫下，3 種植物的平均株高和主根長均呈顯著下降趨勢（P＜0.05）（圖3）。NaCl 脅迫下，霧冰藜（BD）和刺沙蓬（SR）的株高和主根長均在200 mmol·L-1濃度下最低，白莖鹽生草（HA）的株高和主根長分別在200 和150 mmol·L-1濃度下最低（圖3a，b）。NaHCO3脅迫下，BD 的株高和主根長均在200 mmol·L-1濃度下最低，SR 的株高和主根長分別在200 和100 mmol·L-1濃度下最低，HA 的株高和主根長均在150 mmol·L-1濃度下最低（圖3e，f）。3 種植物的植株鮮重隨鹽濃度增加均呈顯著下降趨勢，在150 和200 mmol·L-1濃度下較低，BD，SR 和HA 在NaCl 脅迫下分別比對照組降低38.6%～81.5%、4.6%～68.3% 和11.3%～54.8%（圖3c），NaHCO3脅迫下分別降低53.9%～84.0%、12.3%～79.4%和55.0%～62.5%（圖3g）。

根冠比是植物地上、地下生物量分配策略的體現(xiàn)，鈉鹽脅迫下，3 種植物的根冠比隨鹽濃度增加均呈顯著下降趨勢（圖3d，h），BD，SR 和HA 在NaCl 脅迫下分別比對照組下降38.3%～55.5%、16.6%～54.1%和22.7%～49.9%，NaHCO3脅迫下則下降38.3%～50.0%、25.0%～45.9%和18.1%～45.4%。

圖3 不同NaCl 和NaHCO3濃度下3 種植物的生長指標(biāo)Fig.3 The growth indexes of of three plants under different concentrations of NaCl and NaHCO3

鈉鹽脅迫處理下，植株株高、主根長和總鮮重隨鹽濃度增加總體呈下降趨勢。在相同鹽分濃度處理下，株高變化主要受鹽分類型作用，NaCl 脅迫下要高于NaHCO3脅迫（P＜0.01）（表1）；總鮮重變化同時(shí)受植物物種和鹽分類型作用（P＜0.01）（表1），NaCl 脅迫下較高，且SR 和HA 要高于BD。

表1 萌發(fā)指標(biāo)、生長指標(biāo)和生理指標(biāo)的雙因素方差分析Table 1 Two-way ANOVAs at 95% for germination indexes，growth indexes and physiological indexes

2.3 生理特征

鈉鹽脅迫下，3 種植物的葉綠素含量均呈顯著下降趨勢（圖4a，e），而丙二醛含量均呈顯著上升趨勢（圖4d，h）。葉綠素含量在150 和200 mmol·L-1濃度下較低，BD，SR 和HA 在NaCl 脅迫下分別比對照組降低5.7%～22.9%、7.1%～13.9% 和3.9%～15.6%，NaHCO3脅迫下分別降低4.9%～14.9%、3.1%～18.2% 和4.7%～15.9%。丙二醛含量在200 mmol·L-1濃度下最高，BD，SR 和HA 在NaCl 脅迫下分別比對照組增加38.8%、40.3%和61.0%，NaHCO3脅迫下分別比對照組增加51.4%、53.3%和61.0%。

鈉鹽脅迫下，3 種植物的可溶性糖和游離脯氨酸含量變化具有差異性。NaCl 脅迫下，BD 和HA 的可溶性糖含量均呈先升后降的趨勢（圖4b），100 mmol·L-1濃度下最高，而SR 變化不顯著；NaHCO3脅迫下，3 種植物均呈先升后降的趨勢（圖4f），分別在100（BD）、100（SR）和150 mmol·L-1（HA）濃度下最高。NaCl 脅迫下，HA 的游離脯氨酸含量呈先升后降的趨勢（圖4c），100 mmol·L-1濃度下最高，而BD 和SR 變化不顯著；NaHCO3脅迫下，BD 呈先升后降的趨勢（圖4g），100 mmol·L-1濃度下最高，SR 呈波動上升趨勢，200 mmol·L-1濃度下最高，而HA變化不顯著。

圖4 不同NaCl 和NaHCO3濃度下3 種植物的生理指標(biāo)Fig.4 The physiological indexes of three plants under different concentrations of NaCl and NaHCO3

鈉鹽脅迫下，葉綠素含量隨鹽濃度增加而下降，丙二醛含量則增加，可溶性糖和游離脯氨酸含量則先增后減。在相同鹽分濃度處理下，除丙二醛外，各生理指標(biāo)變化主要受植物物種作用（P＜0.05）（表1），而受鹽分類型及其與植物種的共同作用不顯著，不同物種間，SR 的葉綠素和可溶性糖含量較高，而HA 的游離脯氨酸含量較高。

2.4 生長、生理指標(biāo)相關(guān)性分析

鈉鹽脅迫下，與3 種植物生長指標(biāo)（株高、主根長和總鮮重）呈顯著相關(guān)的生理指標(biāo)為葉綠素和丙二醛（表2）。3 種植物的葉綠素含量與生長指標(biāo)主要呈顯著、極顯著正相關(guān)，而丙二醛含量與生長指標(biāo)呈顯著、極顯著負(fù)相關(guān)。生理指標(biāo)相關(guān)性分析中（表3），NaCl 脅迫下，葉綠素與可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，與丙二醛含量呈顯著負(fù)相關(guān)，NaHCO3脅迫下，葉綠素與可溶性糖含量呈極顯著正相關(guān)，其他生理指標(biāo)間不相關(guān)。

表2 鈉鹽脅迫下3 種植物生長與生理指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis of growth and physiological indexes of three plants under sodium salt stress

表3 鈉鹽脅迫下藜科一年生草本植物生理指標(biāo)間的相關(guān)性分析Table 3 Correlation analysis of physiological indexes of Chenopodiaceae annuals under sodium salt stress

2.5 耐鹽性分析

對鈉鹽脅迫因素與3 種植物萌發(fā)期和幼苗期的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，除葉綠素、可溶性糖、游離脯氨酸和丙二醛外，其他指標(biāo)均與NaCl 和NaHCO3呈極顯著負(fù)相關(guān)（表4），而丙二醛與鈉鹽脅迫因素呈極顯著正相關(guān)，葉綠素、可溶性糖、游離脯氨酸與鈉鹽脅迫因素?zé)o顯著相關(guān)關(guān)系。

表4 鹽脅迫因素與藜科一年生草本植物各項(xiàng)指標(biāo)的相關(guān)性分析Table 4 Correlation coefficients between salt stress factors and indicators of Chneopodiaceae annuals

對3 種植物的10 個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，NaCl 和NaHCO3脅迫下以特征值大于1 為標(biāo)準(zhǔn)均提取出3 個(gè)主成分（表5）。NaCl 脅迫下，第I 主成分貢獻(xiàn)率為53.80%，數(shù)量較大的指標(biāo)為株高和發(fā)芽勢，反映的是萌發(fā)和生長因子；第II 主成分貢獻(xiàn)率為15.72%，數(shù)量較大的指標(biāo)為游離脯氨酸和總鮮重，反映的是生長和滲透調(diào)節(jié)因子；第III 主成分貢獻(xiàn)率為11.83%，數(shù)量較大的指標(biāo)為可溶性糖和游離脯氨酸，反映的是滲透調(diào)節(jié)因子；前3 個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到81.35%。NaHCO3脅迫下，第I 主成分貢獻(xiàn)率為52.38%，數(shù)量較大的指標(biāo)為株高和發(fā)芽勢，反映的是萌發(fā)和生長因子；第II 主成分貢獻(xiàn)率為15.01%，數(shù)量較大的指標(biāo)為可溶性糖和葉綠素，反映的是滲透調(diào)節(jié)和光合因子；第III 主成分貢獻(xiàn)率為10.03%，數(shù)量較大的指標(biāo)為游離脯氨酸和主根長，反映的是生長和滲透調(diào)節(jié)因子；前3 個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率達(dá)到77.42%。

表5 耐鹽性評價(jià)指標(biāo)的主成分分析Table 5 Principal component analysis of salt tolerance evaluation indexes

對3 種植物不同生長時(shí)期的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行隸屬函數(shù)值計(jì)算及排序，平均值越大則耐鹽性越強(qiáng)，反之越弱。種子萌發(fā)期，NaCl 脅迫下BD、SR 和HA 的指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值分別為0.62、0.51 和0.71，NaHCO3脅迫下為0.70、0.49 和0.72（表6），抗鹽性排序均為HA＞BD＞SR。幼苗期，NaCl 脅迫下BD、SR 和HA的指標(biāo)平均隸屬函數(shù)值分別為0.53、0.49 和0.49（表7），BD 的抗鹽性最大，NaHCO3脅迫下為0.51、0.52和0.52，三者抗鹽性相近。不同生長時(shí)期，NaCl 脅迫下3 種植物萌發(fā)期的抗鹽性強(qiáng)于幼苗期，NaHCO3脅迫下BD 和HA 萌發(fā)期的抗鹽性較強(qiáng)，而SR 幼苗期的抗鹽性較強(qiáng)。

表6 種子萌發(fā)期耐鹽性指標(biāo)隸屬函數(shù)值及排序Table 6 Membership function values and ranking of salt tolerance indexes in seed germination stage

表7 幼苗期耐鹽性指標(biāo)隸屬函數(shù)值及排序Table 7 Membership function values and ranking of salt tolerance indexes in seedling stage

3 討論

3.1 鈉鹽脅迫對3 種藜科一年生草本植物種子萌發(fā)和復(fù)萌的影響

鹽堿環(huán)境中，植物能否生存首先取決于種子能否發(fā)芽，發(fā)芽率及發(fā)芽速度的高低［30］。發(fā)芽指數(shù)和發(fā)芽勢反映了種子萌發(fā)的速度和整齊程度，相對鹽害率則反映了種子萌發(fā)期受鹽堿脅迫傷害的程度［31］。鹽分對植物種子萌發(fā)主要有滲透脅迫和離子毒害兩方面影響，低鹽堿脅迫環(huán)境中，土壤鹽分濃度增加造成的低水勢使種子吸收水分困難，影響萌發(fā)，而高鹽堿脅迫環(huán)境下，種子內(nèi)部細(xì)胞的離子積累達(dá)到高濃度時(shí)會產(chǎn)生離子毒性作用，使種子失去活性［32-33］。

本研究發(fā)現(xiàn)，3 種植物種子萌發(fā)在鈉鹽脅迫下受到明顯抑制，且受鹽分迫害程度隨鹽濃度增加不斷加深。NaCl 和NaHCO3脅迫下，霧冰藜和白莖鹽生草的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)均低于對照組，這與一年生草本堿蓬、濱藜（Atriplex patens）和海篷子（Salicornia europaea）種子萌發(fā)對鹽堿脅迫的響應(yīng)的研究結(jié)果一致［34］。刺沙蓬的發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)在輕度、中度鹽脅迫下（50 和100 mmol·L-1）較高，而發(fā)芽率卻遠(yuǎn)低于對照組，表明輕度和中度鹽脅迫雖然可以在一定程度上提高刺沙蓬種子的萌發(fā)速度和整齊度，但對萌發(fā)率仍然表現(xiàn)為抑制作用。

鈉鹽脅迫解除后，3 種植物種子均可恢復(fù)萌發(fā)，表明200 mmol·L-1濃度內(nèi)的鹽分脅迫會對3 種植物種子造成滲透脅迫，但不會產(chǎn)生離子毒害?；哪参锓N子往往具有萌發(fā)適應(yīng)性，能夠在時(shí)間上把萌發(fā)過程中可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)分散開［35］，通過休眠機(jī)制來躲避惡劣環(huán)境條件，在相對適宜的環(huán)境下萌發(fā)［36］。鹽脅迫發(fā)生后，Na+的積累和激素平衡變化能夠誘發(fā)種子休眠［37］，高鹽脅迫下的種子萌發(fā)較少，當(dāng)降水發(fā)生后，鹽脅迫得到緩解，未萌發(fā)的種子恢復(fù)萌發(fā)。對于干旱荒漠生態(tài)系統(tǒng)的一年生植物來說，種子分?jǐn)傦L(fēng)險(xiǎn)的萌發(fā)機(jī)制能夠在環(huán)境突然惡化時(shí)避免一個(gè)物種的滅絕，而休眠種子的存在則是一種重要的環(huán)境適應(yīng)性表現(xiàn)［33］。

種子的萌發(fā)類型主要有冒險(xiǎn)型、機(jī)會型和穩(wěn)定型3 類［38］。鈉鹽脅迫下，刺沙蓬在萌發(fā)開始后的相同時(shí)間內(nèi)具有較高的發(fā)芽率和復(fù)萌率，絕大多數(shù)種子均可萌發(fā)，屬于冒險(xiǎn)型；霧冰藜和白莖鹽生草雖然在不同鹽分濃度下均有萌發(fā)，且脅迫解除后也可復(fù)萌，但總體萌發(fā)率較低，屬于穩(wěn)定型。同時(shí)，種子不同程度的休眠性對種子萌發(fā)也具有一定影響［23］，在未消除種子內(nèi)在休眠情況下，鹽堿脅迫環(huán)境中，發(fā)芽率和復(fù)萌率較高的刺沙蓬種子的內(nèi)在休眠表現(xiàn)較弱，而發(fā)芽率和復(fù)萌率較低的霧冰藜和白莖鹽生草種子的內(nèi)在休眠表現(xiàn)相對較強(qiáng)。

3.2 鈉鹽脅迫對3 種藜科一年生草本植物幼苗生長和生理的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿環(huán)境會對3 種藜科一年生草本植物產(chǎn)生不利影響，但同時(shí)3 種植物也會對鹽堿環(huán)境做出適應(yīng)性變化，涉及個(gè)體生長和生理代謝等方面。3 種植物的幼苗生長和生理變化受植物種與鹽分類型的共同作用不顯著，在相同鹽分濃度處理下，幼苗形態(tài)生長變化主要受不同鹽分類型作用，而幼苗生理變化主要受不同物種類型作用。

生長影響上，鈉鹽脅迫對3 種植物幼苗生長均有明顯的抑制作用，植株株高、主根長和鮮重積累受抑制程度都隨鹽濃度增加而增大。這是由于中低鹽分脅迫能夠降低植物生長介質(zhì)的水勢，高鹽分脅迫下會產(chǎn)生離子毒害，引起養(yǎng)分離子失衡等，嚴(yán)重時(shí)可引起植物死亡［10，31］。生理代謝影響上，葉綠素作為植物重要的光合物質(zhì)，很大程度上決定了植物光合作用的強(qiáng)弱［39］，其含量變化能直接體現(xiàn)幼苗生長所受鹽害程度。本研究中，鈉鹽脅迫下3 種植物的葉綠素含量顯著降低，這主要是由于較高的鹽分濃度會使植物水分、養(yǎng)分吸收利用不足，導(dǎo)致葉綠素含量下降。3 種植物的葉綠素含量與株高、主根長主要呈顯著或極顯著正相關(guān)，這說明葉綠素是鹽脅迫下影響3 種植物生長發(fā)育的重要因素。同時(shí)，3 種植物在鈉鹽脅迫下會產(chǎn)生大量的丙二醛，其中高鹽脅迫組（200 mmol·L-1）丙二醛含量高于對照組38.8%～61.0%，且3 種植物的丙二醛含量與株高、主根長主要呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)。這主要是由于在鹽堿脅迫環(huán)境中，水分吸收下降會導(dǎo)致植物細(xì)胞內(nèi)合成酶類活性降低，水解酶類和某些氧化還原酶類活性提高，體內(nèi)抗氧化酶保護(hù)系統(tǒng)功能減弱，質(zhì)膜發(fā)生變化，形成膜脂過氧化產(chǎn)物丙二醛［40］，對細(xì)胞膜系統(tǒng)造成傷害；鹽分濃度越高，膜脂過氧化作用越強(qiáng)，丙二醛含量積累越多，會加重細(xì)胞膜損傷程度甚至導(dǎo)致細(xì)胞死亡［41］。

個(gè)體形態(tài)調(diào)節(jié)上，3 種植物的生物量分配均表現(xiàn)出一定的可塑性，根冠比隨鹽濃度的增加逐漸減小，選擇將有限的生長資源優(yōu)先分配給地上部分，這與一年生草本堿蓬和鹽角草（Salicornia europaea）生長對鹽堿脅迫的響應(yīng)研究結(jié)果一致［42］。植物根系是暴露于鹽堿環(huán)境中的首要組織，根系生長資源分配的降低能減少根系的鹽分吸收和向地上部的鹽分輸送，來提高植物在鹽堿環(huán)境下的生存適合度。生理代謝調(diào)節(jié)上，3 種植物的可溶性糖和游離脯氨酸含量在鹽分處理下增加，尤其是在中、低鹽脅迫組（50～150 mmol·L-1）增加較多，比對照組高5.2%～53.3%。這主要是由于鹽堿脅迫環(huán)境中，植物為緩解滲透脅迫會通過有效溶質(zhì)（可溶性糖和游離脯氨酸）的積累，來維持膨壓和降低滲透勢，增強(qiáng)其吸水和抗脫水能力［40，43］，保證植物體內(nèi)水分平衡，進(jìn)而維持正常的生理和生長活動。因此，植物細(xì)胞的滲透調(diào)節(jié)是藜科一年生草本植物在鹽堿環(huán)境中的重要生理適應(yīng)策略。

本研究還發(fā)現(xiàn)，可溶性糖和葉綠素含量在NaCl 和NaHCO3脅迫下均呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01），暗示可溶性糖含量的增加可能會促進(jìn)葉綠素積累。相反，丙二醛和葉綠素含量在NaCl 脅迫下顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05），暗示植物體內(nèi)活性氧的積累引起的膜脂過氧化能夠加速光合色素的分解，而NaHCO3脅迫下二者關(guān)系不顯著，說明不同鹽分脅迫下這種加速分解作用不同，具體影響機(jī)制有待進(jìn)一步研究。本研究中，鈉鹽脅迫下3 種植物的生理和生長指標(biāo)，以及生理指標(biāo)間存在多種相關(guān)關(guān)系，涉及鹽脅迫下生理代謝變化對個(gè)體生長發(fā)育的直接影響，也暗含間接影響。其中，葉綠素作為植物光合作用的重要色素，其含量變化對植物生長有直接的影響，丙二醛則能通過破壞細(xì)胞膜系統(tǒng)來抑制植物生長。同時(shí)，丙二醛和可溶性糖含量變化可能會通過引起葉綠素含量變化，進(jìn)而間接影響植物光合速率和個(gè)體生長（圖5）。

圖5 鈉鹽脅迫下3 種藜科一年生草本植物生長和生理關(guān)系概念框架Fig. 5 The conceptual framework of relationship between growth and physiological indexes of three Chenopodiaceae annuals under sodium salt stress

3.3 3 種藜科一年生草本植物的耐鹽性評價(jià)

相關(guān)系數(shù)絕對值的大小可以反映鹽脅迫對植物耐鹽性指標(biāo)影響的強(qiáng)弱［44］，本研究中，相關(guān)分析中有60%表現(xiàn)為NaHCO3的脅迫作用大于NaCl，表明堿性鹽NaHCO3對3 種藜科植物的脅迫作用強(qiáng)于中性鹽NaCl，這與對禾本科虎尾草（Chloris virgata）的研究結(jié)果一致［45］。堿性鹽對植物除了有滲透脅迫和離子毒害作用外，還有高pH 值及明顯降低礦質(zhì)元素的可利用性等方面，破壞強(qiáng)于中性鹽，其中高pH 值是首要的［45］。NaHCO3脅迫下，3 種藜科植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)比NaCl 脅迫下降低1.9%～100.0%，株高、根長和植株鮮重則降低0.7%～49.2%。

隸屬函數(shù)法分析得出，種子萌發(fā)期以白莖鹽生草抗鹽性最強(qiáng)，刺沙蓬最弱，幼苗期抗鹽性相近。主成分分析結(jié)果表明，發(fā)芽勢、株高、游離脯氨酸、可溶性糖和葉綠素含量可作為藜科草本植物耐鹽性篩選與評價(jià)的主要參考指標(biāo)，其中發(fā)芽勢和株高為首要因素。一年生草本植物作為機(jī)會主義者，種子的快速萌發(fā)對群落更新和演替具有重大影響，尤其是在脅迫環(huán)境下；同時(shí)，一年生草本植物大多聚集分布，株高的快速生長能夠在種群競爭中提高個(gè)體的光能獲取能力。

4 結(jié)論

3 種藜科一年生草本植物的種子萌發(fā)在鈉鹽脅迫下均受到顯著抑制，但高鹽脅迫解除后均有不同程度的復(fù)萌。幼苗一方面通過降低生長和增加地上莖葉的資源分配來適應(yīng)鹽分脅迫，另一方面通過增加滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來提高持水能力，維持滲透壓。輕度和中度鹽脅迫下，游離脯氨酸和可溶性糖的滲透調(diào)節(jié)作用達(dá)到極致，同時(shí)可溶糖含量的增加可能會在一定程度上促進(jìn)葉綠素含量的積累，維持植物生長；重度鹽脅迫下，丙二醛含量迅速增加到最高值，葉綠素分解加速，滲透調(diào)節(jié)作用在達(dá)到極致后開始減弱，充分抑制植物的有效生長，株高、根長以及根系資源投入降到最低。3 種藜科一年生草本植物對堿性鹽NaHCO3脅迫更為敏感，其種子萌發(fā)和幼苗生長均受到更為強(qiáng)烈的影響。