劉 群,彭 斌,田長(zhǎng)彥,趙振勇,王 雷,王守樂
1 中國(guó)科學(xué)院新疆生態(tài)與地理研究所荒漠與綠洲生態(tài)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 烏魯木齊 830011 2 中國(guó)科學(xué)院大學(xué), 北京 100049
土地鹽漬化是全球共同面臨的生態(tài)問題。我國(guó)是鹽堿地大國(guó),鹽漬化土地面積約為3.67×107hm2[1]。新疆作為我國(guó)最嚴(yán)重的鹽漬化地區(qū)之一,鹽漬土地面積達(dá)2.33×106hm2占全疆灌區(qū)耕地面積的37.7%。南疆地區(qū)鹽漬化面積更是占到耕地面積的49.6%,其中27.68%為中度、重度鹽漬化[2—3],土地鹽漬化嚴(yán)重制約了當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展。
目前國(guó)內(nèi)外鹽漬土地的改良方法主要有化學(xué)、生物以及水利工程改良[4—5],大量研究表明培育和利用鹽生植物改良鹽漬土地是最經(jīng)濟(jì)有效的措施之一[6—9]。鹽生植物是一種天然具有抗逆功能的植物,具有較強(qiáng)的抗鹽、抗旱能力[10]。目前,用于鹽堿地改良的鹽生植物主要分為真鹽生植物和泌鹽植物兩種類型,前者的葉、同化枝或莖形成肉質(zhì)化,通過貯存大量水分稀釋吸收到體內(nèi)的鹽離子;而后者依賴于葉片或莖部的鹽腺或鹽囊泡將吸收到體內(nèi)的鹽分排出體外[11]。種子萌發(fā)時(shí)期是對(duì)逆境最敏感的時(shí)期[12—13],鹽生植物種子能否在鹽漬土地上健康發(fā)芽是決定其能成功種植的關(guān)鍵。不同鹽生植物萌發(fā)期對(duì)鹽度的耐受限度不同,同種植物在不同鹽度下的萌發(fā)率也不同。如尖葉鹽爪爪(K.cuspidatum)的種子在200 mmol/L下萌發(fā)率能達(dá)到45%,而K.sinicum在濃度為 300 mmol/L下萌發(fā)率幾乎為零[14]。Suaedamaritime的種子能在海水(約595 mmol/L NaCl)中萌發(fā)[15],Salicorniarubra的種子甚至在1000 mmol/L的NaCl溶液中仍能萌發(fā)[16]。Katembe[17]對(duì)比兩種藜科植物種子在NaCl和等滲濃度PEG溶液中的萌發(fā),發(fā)現(xiàn)NaCl處理更能抑制萌發(fā)。而楊景寧研究表明,輕度的NaCl脅迫對(duì)萌發(fā)具有一定的促進(jìn)作用,提高了高堿蓬和駝絨藜的發(fā)芽速度和整齊度[18];Glenn等通過對(duì)800多種鹽生植物的篩選,最終得到20余種耐鹽性較強(qiáng)的鹽生作物,其中鹽角草屬貝齊羅比(SalicorniabigeloviiTorr.)耐鹽能力最強(qiáng),但這種植物只適合在沿海灘涂地區(qū)種植[19]。
以往鹽漬地生物改良研究主要集中于沿海地區(qū)和北疆氯化物—硫酸鹽為主的鹽漬土地區(qū)[20—21],而對(duì)于南疆部分重度氯化物鹽漬土地的生物改良還少有報(bào)道[22],多種鹽生植物的萌發(fā)適宜閾值還未見有報(bào)道。因此,本試驗(yàn)以具有典型生物改良效果的8種鹽生植物種子為對(duì)象,擬探究單鹽NaCl脅迫對(duì)其種子萌發(fā)的影響,為新疆地區(qū)耐鹽種質(zhì)資源篩選和氯化物鹽漬化土地生物改良提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)以真鹽生植物種子:囊果堿蓬、鹽地堿蓬、高堿蓬、鹽角草、鹽爪爪,泌鹽植物種子:大葉補(bǔ)血草、耳葉補(bǔ)血草、黃花補(bǔ)血草為試驗(yàn)對(duì)象。所需種子于2019年10月采集自新疆維吾爾自治區(qū)克拉瑪依農(nóng)業(yè)開發(fā)區(qū)鹽生植物園(東經(jīng)85°0′27″,北緯45°26′14″)。取樣地點(diǎn)土壤鹽分主要為氯化物-硫酸鹽(表1)。種子成熟后用牛皮紙信封取回并置于4℃冰箱保存?zhèn)溆?。前人?bào)道,部分鹽生植物為應(yīng)對(duì)嚴(yán)酷或不可預(yù)測(cè)環(huán)境進(jìn)化出了多種種子形態(tài),不同形態(tài)的種子萌發(fā)率不同[23]。如相同生境下,鹽角草有翅狀附屬物的大種子萌發(fā)率是無附屬物小種子的3—4倍[24—25];高鹽度下,鹽地堿蓬棕色種子萌發(fā)率是黑色種子的2—3倍[26—27]。本試驗(yàn)中均選擇鹽生植物耐鹽性較強(qiáng)的種子,即鹽地堿蓬、高堿蓬選擇棕色種子,鹽角草選擇有翅狀附屬物的大種子。為避免發(fā)霉對(duì)試驗(yàn)造成影響,試驗(yàn)前除去雜質(zhì),后用75%酒精消毒10 s,用蒸餾水反復(fù)沖洗后實(shí)驗(yàn)。
表1 8種鹽生植物取樣地點(diǎn)土壤鹽分構(gòu)成Table 1 Soil salt composition at sampling sites of eight halophytes
以單鹽NaCl為鹽脅迫條件,設(shè)50、100、150、200、250、300、400、500、600、700、800、900、1000 mmol/L 13個(gè)濃度梯度,以蒸餾水為對(duì)照(CK)。選取大小一致、形態(tài)相似且飽滿的種子,將雙層濾紙平鋪于內(nèi)徑90 mm的培養(yǎng)皿底部。每皿均勻放置種子25粒,設(shè)置4次重復(fù)。每皿加入7 mL NaCl溶液,蓋上培養(yǎng)皿蓋后用封口膜(Parafilm)封口以防止水分蒸發(fā)。將培養(yǎng)皿置于25℃光照14 h、10℃黑暗10 h的人工氣候培養(yǎng)箱中培養(yǎng),相對(duì)濕度控制在60%。于每日16:00—19:00統(tǒng)計(jì)種子萌發(fā)數(shù)(以胚根伸出長(zhǎng)度不小于種子長(zhǎng)度1/2為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)),并將已萌發(fā)種子移除,連續(xù)記錄16 d后結(jié)束。
發(fā)芽率=萌發(fā)數(shù)/供試種子數(shù)×100%
發(fā)芽勢(shì)=前6天種子發(fā)芽總數(shù)/供試種子數(shù)×100%[12]
萌發(fā)指數(shù)=∑(第t天種子發(fā)芽數(shù)/相應(yīng)的萌發(fā)天數(shù)t)
相對(duì)鹽害率=(CK發(fā)芽率—處理發(fā)芽率)/CK發(fā)芽率×100%
耐鹽適宜濃度:發(fā)芽率達(dá)對(duì)照發(fā)芽率75%時(shí)的鹽濃度
耐鹽半致死濃度:發(fā)芽率達(dá)對(duì)照發(fā)芽率50%的鹽濃度
耐鹽極限濃度:發(fā)芽率達(dá)對(duì)照發(fā)芽率10%的鹽濃度[28]
發(fā)芽速率:∑(Gi/Ti)
(Gi表示第i天種子發(fā)芽率,Ti表示萌發(fā)統(tǒng)計(jì)的第i天)[29]
試驗(yàn)數(shù)據(jù)用Excel 2016軟件整理統(tǒng)計(jì),取4次重復(fù)數(shù)據(jù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)差,計(jì)算相應(yīng)指標(biāo)。利用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析和差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05),Duncan法多重比較(P<0.05);GraphPad Prism 8.0軟件制圖。
從表2可以看出,不同鹽度對(duì)8種鹽生植物萌發(fā)大致表現(xiàn)為低濃度促進(jìn)高濃度抑制,抑制程度隨溶液濃度的升高而增大,但不同植物對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)程度不同。鹽度為50 mmol/L時(shí),8種植物萌發(fā)率均高于CK,且囊果堿蓬、高堿蓬、鹽爪爪、大葉補(bǔ)血草、耳葉補(bǔ)血草、黃花補(bǔ)血草在此鹽度下萌發(fā)率達(dá)到最高。鹽地堿蓬和鹽角草分別在100 mmol/L和300 mmol/L時(shí)萌發(fā)率達(dá)最高,相比CK分別高出14.5%和17.1%,差異顯著(P<0.05,下同)。說明低鹽度環(huán)境一定程度上能夠促進(jìn)真鹽生植物和泌鹽植物種子的萌發(fā);鹽度升至500 mmol/L時(shí),真鹽生植物鹽地堿蓬、高堿蓬和囊果堿蓬萌發(fā)率顯著降低,分別為CK的62.3%、52.2%和34.2%。而此濃度下3種泌鹽植物萌發(fā)率均已不足其對(duì)照的10%,差異極顯著,說明中高鹽度脅迫下真鹽生植物比泌鹽植物表現(xiàn)出更強(qiáng)的萌發(fā)耐鹽性。鹽度大于 250 mmol/L后,鹽角草的萌發(fā)率始終高于其他7種植物,甚至在1000 mmol/L鹽度下其萌發(fā)率仍能達(dá)到54.0%,而此鹽度下其他植物萌發(fā)率已接近零或已為零。
表2 不同鹽度NaCl脅迫對(duì)鹽生植物種子發(fā)芽率的影響/%Table 2 Effect of NaCl stress on germination rate of halophytes
發(fā)芽勢(shì)表示種子的生活力及發(fā)芽整齊度情況。由表3可知,鹽度在≤50 mmol/L時(shí),泌鹽植物耳葉補(bǔ)血草發(fā)芽勢(shì)最高。100 mmol/L鹽度下,3種泌鹽植物的發(fā)芽勢(shì)較CK均顯著降低。300 mmol/L時(shí),5種真鹽生植物發(fā)芽勢(shì)均在39%以上,鹽角草最高,達(dá)89%,而3種泌鹽植物發(fā)芽勢(shì)均已不足15%。500 mmol/L時(shí),真鹽生植物囊果堿蓬、鹽地堿蓬、高堿蓬和鹽角草發(fā)芽勢(shì)高于20%,鹽爪爪及泌鹽植物大葉補(bǔ)血草、耳葉補(bǔ)血草發(fā)芽勢(shì)已降為0。結(jié)果表明,中高鹽度下真鹽生植物的種子生活力要大于泌鹽植物,其中鹽地堿蓬、鹽角草種子的生活力更高,超高鹽度(>800 mmol/L)下僅有鹽角草耐受性較好,這一結(jié)果與發(fā)芽率結(jié)果相似。
表3 不同鹽度NaCl脅迫對(duì)鹽生植物種子發(fā)芽勢(shì)的影響/%Table 3 Effect of NaCl stress on seed germination potential of halophytes
萌發(fā)指數(shù)是種子的活力指標(biāo)。如表4所示,隨鹽度的升高,兩種類型種子萌發(fā)指數(shù)變化相似,但也有所差異。其中耳葉補(bǔ)血草、黃花補(bǔ)血草在鹽度為0時(shí)萌發(fā)指數(shù)最高,囊果堿蓬、鹽地堿蓬、大葉補(bǔ)血草在鹽度為50 mmol/L時(shí)達(dá)到最高,高堿蓬、鹽角草、鹽爪爪在100 mmol/L時(shí)達(dá)到最大值。相比于其他真鹽生植物,鹽角草種子發(fā)芽指數(shù)雖較低,但萌發(fā)持續(xù)而分散,說明其對(duì)中高鹽度有較好的適應(yīng)性和耐逆性。
表4 不同鹽度NaCl脅迫對(duì)鹽生植物種子發(fā)芽指數(shù)的影響/%Table 4 Effect of NaCl stress on seed germination index of halophytes
萌發(fā)進(jìn)程和萌發(fā)速率可以衡量種子的受脅迫情況。圖1表明,NaCl對(duì)8種鹽生植物種子萌發(fā)進(jìn)程影響相似,隨鹽度的升高,初始萌發(fā)時(shí)間和萌發(fā)高峰時(shí)間均不同程度地向后推遲,濃度越高,萌發(fā)越困難。由圖2可知,低鹽度≤200 mmol/L時(shí),囊果堿蓬的萌發(fā)占據(jù)優(yōu)勢(shì),其萌發(fā)速率大于其他植物且差異顯著。中鹽度400 mmol/L左右時(shí),鹽地堿蓬和鹽角草萌發(fā)最快,二者無顯著差異。鹽度≥600 mmol/L時(shí),鹽角草萌發(fā)速率較快,相比其他植物差異顯著。同一物種不同鹽度下比較結(jié)果表明,8種植物萌發(fā)速率大致表現(xiàn)為隨鹽度增大而下降。鹽度≤400 mmol/L時(shí),鹽地堿蓬、鹽角草萌發(fā)速率與CK相比無顯著差異,600 mmol/L時(shí),除鹽角草之外的7種植物萌發(fā)速率均顯著降低。
圖1 不同鹽度NaCl脅迫對(duì)鹽生植物種子萌發(fā)進(jìn)程的影響Fig.1 Effects of NaCl stress with different salinity on seed germination progress of halophytesCK: 對(duì)照
圖3表明,兩種耐鹽類型植物種子在不同鹽度下受害率不同。200 mmol/L時(shí),對(duì)鹽地堿蓬、高堿蓬、鹽角草、鹽爪爪相對(duì)鹽害率影響不顯著,而此濃度下大葉補(bǔ)血草、耳葉補(bǔ)血草、黃花補(bǔ)血草的相對(duì)鹽害率分別達(dá)到41.6%、60.42%和51.22%,差異顯著。400 mmol/L時(shí),5種真鹽生植物的相對(duì)鹽害率分別達(dá)到62.03%、13.43%、13.04%、-8.82%和50%;而3種泌鹽植物的鹽害率已分別達(dá)86.11%、92.71%、90.24%,差異極顯著;鹽度800 mmol/L時(shí),僅有鹽角草表現(xiàn)出了較強(qiáng)的抗逆能力,受害率為15.79%,其余4種真鹽生植物受到的鹽害率均已大于70%,3種泌鹽植物已受到完全的脅迫抑制而未能萌發(fā)。
圖3 不同濃度NaCl對(duì)鹽生植物種子相對(duì)鹽害率的影響Fig.3 Effects of NaCl stress at different concentrations on relative salt damage rate of halophyte seeds
基于NaCl濃度和種子發(fā)芽率建立的線性回歸方程表明:除鹽角草外,7種植物萌發(fā)率和NaCl濃度均表現(xiàn)出顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系,即萌發(fā)率隨NaCl濃度的升高而降低(表5)。兩種耐鹽類型的植物種子耐鹽閾值有所差異, 5種真鹽生植物的耐鹽適宜濃度、耐鹽半致死濃度、耐鹽極限濃度均高于3種泌鹽植物,綜合比較得出8種植物萌發(fā)期耐鹽能力:鹽角草>鹽地堿蓬>高堿蓬>囊果堿蓬>鹽爪爪>大葉補(bǔ)血草>黃花補(bǔ)血草>耳葉補(bǔ)血草。
表5 8種鹽生植物種子發(fā)芽率與NaCl鹽度相關(guān)性分析Table 5 Correlation analysis between seed germination rate and NaCl Salinity of 8 Halophytes
種子萌發(fā)是植物生長(zhǎng)過程中最重要的階段,也是植物對(duì)逆境反應(yīng)最敏感的時(shí)期,種子能正常萌發(fā)是鹽生植物完成自身生活史、建立種群的關(guān)鍵[12,25]。 NaCl作為氯化物鹽漬土中的主要鹽分,對(duì)種子萌發(fā)的抑制作用既有離子毒害,又有滲透脅迫效應(yīng)[30]。Khalid和Huang等研究發(fā)現(xiàn),高濃度的鹽脅迫能夠誘導(dǎo)鷹嘴豆、梭梭種子休眠,抑制了種子萌發(fā)[31—32];也有研究發(fā)現(xiàn)低濃度的鹽處理能促進(jìn)部分植物種子的萌發(fā)[12]。本研究通過測(cè)定兩種不同耐鹽機(jī)制的8種鹽生植物種子在不同NaCl鹽度脅迫下的萌發(fā)特性,發(fā)現(xiàn)低鹽度(NaCl濃度≤100 mmol/L)下鹽生植物萌發(fā)差異不大,隨著鹽度的上升,萌發(fā)率表現(xiàn)出真鹽生植物高于泌鹽植物。通過線性回歸分析表明,真鹽生植物萌發(fā)受抑制的閾值要高于泌鹽植物,其耐鹽適宜性和耐鹽極限程度均大于泌鹽植物,這一結(jié)果與趙可夫等在鹽地堿蓬、濱藜、獐毛等植物的研究結(jié)果相似[33]。推測(cè)這是由于兩種植物適應(yīng)逆境的方式不同,泌鹽植物萌發(fā)階段未分化出莖、葉等排鹽器官,不能將多余鹽分有效排出體外。而另5種真鹽生植物適應(yīng)脅迫的手段主要是通過液泡吸鹽、積累鹽分進(jìn)行滲透調(diào)節(jié),無需“排鹽”器官,故其耐鹽能力表現(xiàn)要大于泌鹽植物。另外,Khan等先前在鹽角草和鹽穗木的種皮中發(fā)現(xiàn)了離子的區(qū)隔化[34]現(xiàn)象,這也是其適應(yīng)鹽漬環(huán)境的重要機(jī)制,而這種機(jī)制在泌鹽植物中還尚未有見報(bào)道。本研究中,鹽角草表現(xiàn)出了極強(qiáng)的耐鹽能力,在鹽度1000 mmol/L時(shí),其發(fā)芽率仍能達(dá)到54%左右,且具有發(fā)芽指數(shù)低,萌發(fā)持續(xù)而分散的特點(diǎn),這是由于其種皮的離子區(qū)隔化作用[34]和液泡特殊的Na+多區(qū)室化機(jī)制[35]使其具有高耐鹽性。
當(dāng)鹽度大于300 mmol/L時(shí),隨鹽度的上升,除鹽角草外的7種鹽生植物的發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽指數(shù)均顯著降低,說明7種植物種子萌發(fā)分別受到了不同程度的鹽脅迫傷害,推測(cè)這是由于過高濃度的NaCl溶液導(dǎo)致細(xì)胞滲透作用過強(qiáng),細(xì)胞質(zhì)膜遭到破壞,導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)離子失調(diào)、失水過多,進(jìn)而使得種子萌發(fā)受到抑制[18]。高奔等[36]以盆栽澆灌的方法研究囊果堿蓬出苗對(duì)不同濃度NaCl的響應(yīng),結(jié)果發(fā)現(xiàn)在NaCl濃度為200 mmol/L時(shí)出苗率最高,為74%,而本研究相同鹽度下萌發(fā)率僅為59%,推測(cè)認(rèn)為這是由于單鹽條件下NaCl加大了離子毒害效應(yīng),復(fù)合鹽或鹽漬土壤環(huán)境中對(duì)種子萌發(fā)的危害要小于單鹽[37]。除此之外,試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在鹽度為50 mmol/L時(shí)8種鹽生植物種子萌發(fā)率均大于CK,說明較低濃度的NaCl脅迫促進(jìn)了鹽生植物種子的萌發(fā),這一結(jié)果與李志萍[12]、楊景寧[18]、Orlovsky[25]等在栓皮櫟、堿蓬、鹽角草等植物的研究結(jié)果相似,這由于植物種子從NaCl溶液中吸收Cl—或Na+,增加了細(xì)胞液濃度,降低了細(xì)胞水勢(shì),使種子吸水能力提升,形成補(bǔ)償效應(yīng)[38]從而促進(jìn)了種子萌發(fā),亦是微量Na+對(duì)呼吸酶有一定刺激作用,從而加速了種子萌發(fā)[39]。
隨著鹽度的升高,8種鹽生植物的初始萌發(fā)和萌發(fā)高峰時(shí)間均推遲,其萌發(fā)策略大致分為 “快速型”和“緩慢型”兩種。如囊果堿蓬、高堿蓬、鹽角草、黃花補(bǔ)血草僅在4—6天就完成了萌發(fā),而鹽地堿蓬、鹽爪爪、耳葉補(bǔ)血草、大葉補(bǔ)血草在8—12天才完成萌發(fā)。前者快速的萌發(fā)機(jī)制使得其在降水量極為有限的荒漠或極端鹽堿生境中,種子能夠把握住有限時(shí)間快速萌發(fā),扎根生存,從而維持種群的繁衍,相似機(jī)制在豬毛菜中有過報(bào)道,豬毛菜的異型性大種子甚至可以在吸漲后的0.5小時(shí)內(nèi)萌發(fā)[40,41];而后者鹽爪爪、大葉補(bǔ)血草等植物則是采用均衡且緩慢的“謹(jǐn)慎型”策略,10天左右完成萌發(fā)。此種萌發(fā)方式可以防止種子在逆境中一次萌發(fā)全部受害,減小種群滅絕的風(fēng)險(xiǎn),逐漸為種群爭(zhēng)取生存的機(jī)會(huì),此種策略與異子蓬黑色種子[42]、角果堿蓬[43]黑色種子的“低風(fēng)險(xiǎn)萌發(fā)策略”相似。萌發(fā)策略也與本研究下該物種異型性種子的選擇有關(guān)[24,26]。
鹽生植物的種植對(duì)鹽堿地改良有著積極作用,確保改良物種適合鹽漬地的環(huán)境有利于改良物種潛能的發(fā)揮。Wang等在北疆克拉瑪依三年大田實(shí)驗(yàn)表明,鹽地堿蓬的種植顯著降低了鹽漬土中Na+和Cl—含量[8];另有研究發(fā)現(xiàn)鹽地堿蓬能有效吸收硫酸鹽或氯化物-硫酸鹽鹽漬土中的SO42—[44];通過鹽生植物和棉花間作不僅減少了鹽堿地中的鹽分積累,還能提高土壤理化性質(zhì)和作物生產(chǎn)力[45]。目前新疆鹽漬化耕地除克拉瑪依呈下降趨勢(shì)外,其余各地區(qū)仍呈增長(zhǎng)趨勢(shì)[2],南疆地區(qū)以氯化物為主的中度(含鹽1%—2%)、重度(含鹽2%—3%)鹽漬化土地較多[2,22]。本試驗(yàn)通過對(duì)典型鹽生植物的萌發(fā)耐鹽篩選,發(fā)現(xiàn)鹽角草耐鹽適宜濃度大于900 mmol/L(氯化鈉鹽5.26%),具有重度鹽漬土種植和改良潛力;鹽地堿蓬、高堿蓬耐鹽適宜濃度大于400 mmol/L(氯化鈉鹽2.34%),具有中度鹽漬土種植和改良潛力;囊果堿蓬、鹽爪爪大于190 mmol/L(氯化鈉鹽1.11%),具有輕度鹽漬土改良潛力;大葉補(bǔ)血草、耳葉補(bǔ)血草、黃花補(bǔ)血草大于80 mmol/L(氯化鈉鹽0.47%)適合更為輕微的鹽漬土地種植。對(duì)南疆地區(qū)以氯化物為主的鹽漬土地生物改良具有一定指導(dǎo)意義,但本研究不能完全代表大田種植實(shí)際情況,還有待于進(jìn)一步進(jìn)行大田耐鹽種植試驗(yàn)。
綜上所述,8種鹽生植物對(duì)NaCl鹽均有一定抵抗能力,一定濃度的鹽分對(duì)萌發(fā)有促進(jìn)作用;真鹽生植物萌發(fā)階段的耐鹽性強(qiáng)于泌鹽植物;逆境下鹽生植物大致通過“快速型”和“緩慢型”兩種萌發(fā)策略延續(xù)生存;8種鹽生植物均有作為氯化物為主鹽漬土生物改良材料的潛力。