景宇鵬，李躍進，藺亞莉，李煥春，李秀萍，莎 娜，栗燕芳

（1．內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學草原與資源環(huán)境學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010018；2．內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧業(yè)科學院資源環(huán)境與檢測技術研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010031；3．榆林市榆陽區(qū)巴拉素區(qū)域農(nóng)業(yè)技術推廣站，陜西 榆林 719000）

土壤鹽堿化是限制作物生長、降低作物產(chǎn)量的一個主要環(huán)境因子［1-2］。我國鹽堿地面積達3.6×107hm2，且土壤鹽堿化和次生鹽堿化不斷加重，已成為制約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、糧食產(chǎn)量和生態(tài)環(huán)境的重要因素，嚴重威脅農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展［3］，且不同地區(qū)土壤的鹽堿化類型差別較大，如在我國北方地區(qū)，鹽堿土按所含鹽分不同，可分為以氯化鈉和硫酸鈉等為主的中性鹽土和以碳酸鈉和碳酸氫鈉等堿性鹽為主的堿土［4］。土默川平原是中國鹽堿土集中分布區(qū)之一，也是內(nèi)蒙古糧食主產(chǎn)區(qū)之一，土壤鹽堿化類型主要以Na2CO3和NaHCO3為主的蘇打類堿土。鹽堿脅迫是影響植物生長、降低農(nóng)作物產(chǎn)量的主要因素，近年來因鹽堿危害對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)造成的影響日益凸顯。因此，如何提高植物的耐鹽性及其耐鹽機理、開發(fā)利用耐鹽植物資源以及增加在鹽脅迫下農(nóng)作物的產(chǎn)量一直是人們廣泛關注的焦點［5-7］。

玉米是內(nèi)蒙古重要的糧食、飼料、經(jīng)濟作物和工業(yè)原料［8］，也是土默川平原地區(qū)最主要的糧食作物，屬鹽分中度敏感作物，其耐鹽性相對較差［9］。近年來，隨著鹽堿土的開發(fā)利用，改良作物的耐鹽性和選育耐鹽品種是提高鹽堿地區(qū)作物產(chǎn)量最經(jīng)濟和有效的途徑之一［10］，也是生物改良鹽堿地的重要手段。萌發(fā)期和苗期是決定植物能否在鹽堿環(huán)境下生長最關鍵的時期［11-12］，也是作物整個生長周期的起點，其對鹽堿脅迫的反應決定植株的形態(tài)建成和后期的生長發(fā)育。國內(nèi)外對玉米耐鹽堿種質(zhì)資源、苗期耐鹽堿性鑒定等做了大量的研究［13-14］，且主要以 NaCl等中性鹽脅迫為主［15-20］，而有關在蘇打鹽堿土中以 Na2CO3為主的堿脅迫以及采用多個鑒定指標對玉米生長早期耐鹽堿性方面的研究鮮有報道。因此，本研究以土默川平原地區(qū)主要玉米品種為研究對象，用不同濃度的Na2CO3溶液模擬脅迫環(huán)境，比較堿性鹽脅迫下不同玉米品種萌發(fā)期的鹽害情況，篩選出萌發(fā)期和苗期耐堿性鹽的玉米品種，同時運用主成分分析法和模糊數(shù)學隸屬函數(shù)分析方法對與耐鹽堿性有關的多項指標進行綜合性評價，為進一步探討玉米耐鹽堿特性以及評價體系的建立提供理論依據(jù)；同時也為鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)上耐鹽堿玉米品種的選育以及土默川平原大面積鹽堿地的合理開發(fā)與利用提供理論依據(jù)和參考指標。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試玉米品種：玉龍2號、農(nóng)夫9號、東單969、吉單535、玉龍8號、南北1號。

1.2 試驗方法

種子萌發(fā)期試驗：采用室內(nèi)恒溫恒濕培養(yǎng)箱培養(yǎng)皿紙上發(fā)芽法進行萌發(fā)期試驗，晝/夜溫度控制在（25±0.5）℃，濕度為 75%。試驗設置 0.00%（對照）、0.05%、0.15%、0.20%、0.25%、0.50% Na2CO3溶液共6個鹽分濃度處理，每個品種每個處理重復3次。挑選出籽粒飽滿一致的種子用5%次氯酸鈉浸泡15 min消毒后，用蒸餾水沖洗晾干后置于培養(yǎng)皿中，每皿10 粒種子，黑暗培養(yǎng)7 d，為了保持各處理相對濃度不變，每隔一天用稱重法補存水分；在第3 d重新更換一次相應處理液，第7 d觀察種子發(fā)芽情況。

苗期沙培試驗：采用室外自然條件下石英沙培養(yǎng)試驗法，挑選出籽粒飽滿一致的種子播于石英砂塑料盆內(nèi)，再用不同濃度0.0%（對照）、0.05%、0.15%、0.20%、0.25%、0.50%的1/2 Hoagland鹽堿營養(yǎng)液進行脅迫處理，每盆播種7粒，每個品種每個處理3次重復，在第18 d觀測形態(tài)和取樣。為了保持各處理濃度不變，每天以2倍對應的處理液澆灌上次積余的鹽堿成分；為防止降水對脅迫濃度的影響，在其上面設置了隔雨棚，平時將其移除，在降水時將其蓋上。

1.3 測定指標與方法

種子發(fā)芽率、胚芽和胚根測定：鹽堿脅迫處理7 d后，以能夠形成正常胚的種子為種子發(fā)芽數(shù)，同時測定主胚根長與胚芽長。種子發(fā)芽率=處理7 d全部正常發(fā)芽種子數(shù)/供試總種子數(shù)×100%鹽害指數(shù)=［對照發(fā)芽率（CK）-處理發(fā)芽率］/對照發(fā)芽率（CK）×100%

株高、生物量測定：脅迫處理18 d后用直尺測定植株株高；地上部、地下部生物量采用烘干法測定，將各處理地上部和地下部分離，分別置于牛皮紙袋內(nèi)，105℃殺青15 min后，75℃烘至恒重。

植物生理指標測定：脅迫處理18 d后每處理各取相同部位葉片，稱重后置于滅菌后的硬質(zhì)塑料管內(nèi)，放在液氮灌后運回實驗室置于-78℃超低溫冰箱中用于測定生理指標。丙二醛含量采用硫代巴比妥酸法測定；游離脯氨酸含量采用磺基水楊酸法測定；超氧化物歧化酶活性采用四氮唑藍（NBT）法測定；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍G-250法測定［21-22］。

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2007整理后，采用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件進行多重方差檢驗、相關性分析與主成分分析。同時對主成分分析中得分系數(shù)較高的指標，采用隸屬函數(shù)法進行耐鹽堿性綜合評價，其計算方法如下：

隸屬函數(shù)值計算公式：

反隸屬函數(shù)值計算公式：

式中，Xi為各指標測定值；Xmin、Xmax為各測定指標的最小值和最大值。當某一指標與玉米的耐鹽性成正相關時，用公式（1）；當某一指標與玉米耐鹽性成負相關時，則用公式（2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 Na2CO3脅迫對玉米發(fā)芽率、鹽害指數(shù)的影響

從表1可以看出，隨脅迫濃度增大對種子發(fā)芽具有明顯的抑制作用，且各品種對Na2CO3脅迫的響應程度存在顯著差異，即隨脅迫濃度不斷增加各品種發(fā)芽率下降幅度逐漸增大。除吉單535 在0.05%濃度與對照差異不顯著（P＞0.05）外，其他品種在0.05%～0.50%濃度脅迫下種子發(fā)芽率均與對照差異顯著（P＜0.05），尤其當脅迫濃度達0.50%時種子發(fā)芽情況明顯變差。同時各品種耐鹽堿程度不同，即隨脅迫濃度增大鹽害指數(shù)逐漸增大，其中玉龍2號受鹽堿危害程度影響較大；當脅迫0.50%濃度時鹽害指數(shù)為零，玉龍2號種子均不發(fā)芽；而農(nóng)夫9號、吉單535、東單969受鹽堿危害較小。

表1 Na2CO3脅迫對種子發(fā)芽率、鹽害指數(shù)的影響

2.2 Na2CO3脅迫對各玉米胚根、胚芽的影響

從圖1可以看出，隨脅迫濃度增大各品種胚根、胚芽均呈下降的變化趨勢，且不同脅迫濃度與對照差異達顯著水平（P＜0.05）；當脅迫濃度達0.05%時，胚根、胚芽降幅最大；同時鹽堿脅迫對胚芽的抑制作用較胚根大。整體來看，東單969、吉單535、農(nóng)夫9號胚生長受鹽堿危害較小。

圖1 Na2CO3脅迫對胚根、胚芽的影響

2.3 Na2CO3脅迫對株高的影響

從圖2可以看出，Na2CO3脅迫均在一定程度上抑制了幼苗的生長，且脅迫濃度對幼苗生長的影響程度各不相同；但各品種株高均表現(xiàn)為隨脅迫濃度升高而逐漸降低的變化趨勢。各品種不同脅迫濃度均與對照差異顯著（P＜0.05），且0.25%濃度與低濃度處理差異均達極顯著水平（P＜0.01）；農(nóng)夫9號和玉龍2號在0.25%～0.50%濃度受鹽堿脅迫的影響高于其他品種；同時從植株生長的形態(tài)特征來看，在0.25%～0.50%濃度時各品種葉片基本卷曲，葉尖葉緣枯焦，幼苗不能正常生長。

2.4 Na2CO3脅迫對相對生物量的影響

從圖3可以看出，除玉龍2號外，其他品種均表現(xiàn)為隨脅迫濃度增大幼苗地上部、地下部相對生物量顯著降低，均在0.25%脅迫濃度時相對生物量下降速率最大；當脅迫濃度達0.50%時各品種地上部相對生物量分別較對照下降83.33%、84.62%、88.37%、82.65%、85.06%、84.38%，地下部相對生物量分別較對照下降81.08%、74.55%、85.92%、69.09%、75.93%、70.97%。除玉龍2號、玉龍8號地上部相對生物量分布在0.05%～0.20%、0.20%～0.25%濃度間以及玉龍2號和玉龍8號地下部相對生物量在0.20%～0.25%濃度間差異不顯著外，其他各品種地上部、地下部相對生物量不同脅迫濃度間差異均達顯著水平（P＜0.05）。

圖2 Na2CO3脅迫對株高的影響

圖3 Na2CO3脅迫對相對生物量的影響

2.5 Na2CO3脅迫對玉米幼葉生理指標的影響

從圖4可以看出，在 Na2CO3脅迫下各品種幼苗葉片中4種生理指標的變化程度各不相同。隨脅迫強度增大各品種幼葉丙二醛、脯氨酸活性含量均呈逐漸增大的變化趨勢；除農(nóng)夫9號外，其他各品種幼葉中SOD活性含量均表現(xiàn)為隨脅迫強度增大逐漸增加，且3種生理指標均在0.50%脅迫濃度時達最大；而可溶性蛋白除吉單535外，其他品種均表現(xiàn)為隨脅迫強度增大而降低，且在0.05%濃度時可溶性蛋白降幅最大。各品種（東單969、吉單535、農(nóng)夫9號、玉龍2號、玉龍8號、南北1號）幼葉在0.50%濃度游離脯氨酸活性分別為對照的4.00、2.11、4.46、3.03、3.27、3.5倍；0.50% 濃度丙二醛含量分別為對照的 7.96、7.39、6.24、6.91、8.61、8.19倍；0.50%濃度SOD活性分別為對照的1.13、1.19、1.51、2.34、1.76、1.78倍；可溶性蛋白含量在0.50%濃度分別較對照降低了95.22%、96.46%、93.35%、85.03%、92.97%、91.50%。同時各品種在不同脅迫濃度下4種生理指標均與對照達顯著水平（P＜0.05），且品種間4種生理指標也達顯著水平（P＜0.05）。

圖4 Na2CO3脅迫對幼苗葉片生理指標的影響

2.6 耐鹽堿特性綜合評價

2.6.1 各指標相關性分析

對不同脅迫處理下的6個品種11項指標進行相關性分析，由表2可知，除地上部、地下部生物量與發(fā)芽率、鹽害指數(shù)、株高及4種生理指標間相關性小，且差異不顯著外，其他指標之間均達到顯著或極顯著水平。整體來看，植物的生長指標和生理指標二者具有明顯的相關性，但各指標在植物耐鹽堿中所起的作用不同，如果僅直接利用其中某一指標分析，就會忽視其他指標評價植物的耐鹽堿特性的作用，因此，必須將二者聯(lián)合起來進行綜合評價。

2.6.2 主成分分析

表2 各個指標間相關系數(shù)矩陣

不同脅迫處理下的6個品種11項生長及生理指標（發(fā)芽率、鹽害指數(shù)、胚根長、胚芽長、株高、地上部生物量、地下部生物量、脯氨酸、丙二醛、超氧化物歧化酶、可溶性蛋白）進行主成分分析，確定幾個具有代表性的因子來綜合評價其耐Na2CO3脅迫能力。按照累計貢獻率大于85%、特征值大于1來確定主成分個數(shù)。結(jié)果（表3）表明，前2個主成分累計貢獻率85.959%，解釋了原11個變量的信息中的絕大部分，損失量僅為14.041%。第一主成分特征值7.994，方差貢獻率61.493%；與第一主成分密切相關的是丙二醛、可溶性蛋白、胚根、胚芽、株高，這5個性狀的得分系數(shù)差別不大，分別為-0.119、0.119、0.117、0.117、0.113，除丙二醛得分系數(shù)為負值外，其他4個性狀的得分系數(shù)均為正值，且與脅迫濃度差異達極顯著水平，說明第一主成分值越大，這5個指標的得分系數(shù)絕對值越大，耐Na2CO3脅迫能力越強，故第一主成分替代了11個原始因子中的丙二醛、可溶性蛋白、胚根、胚芽、株高5個因子的作用，可綜合反映出種子在Na2CO3脅迫下的種子萌發(fā)、幼苗生長狀況以及在逆境條件下的適應能力。第二主成分特征值3.181，方差貢獻率24.466%；其中地上部生物量與地下部生物量在第二主成分因子變量中具有較其他變量更高的載荷，得分系數(shù)均為0.295，故第二主成分替代了11個原始因子中的地上部生物量、地下部生物量2個因子的作用，代表玉米受鹽堿脅迫時植株生物量累計狀況。因此，可將種子萌發(fā)時胚生長、株高、植株生物量、幼葉中丙二醛、可溶性蛋白含量作為玉米耐Na2CO3脅迫評價的特征因子。

表3 主成分因子的載荷矩陣和得分系數(shù)矩陣

2.6.3 隸屬函數(shù)分析

以上結(jié)果表明，不同品種各指標對鹽堿脅迫的響應程度差別很大，很難用某一指標評價其耐鹽堿性。因此，根據(jù)主成分分析對原11項指標篩選出貢獻率較大胚根、胚芽、株高、植株生物量（地上、地下）、幼葉中丙二醛、可溶性蛋白含量7項指標進行隸屬函數(shù)分析，求其平均值，對6個玉米品種進行耐鹽堿性綜合評價，其結(jié)果（表4）表明，6個玉米品種耐Na2CO3能力由強到弱的順序為：吉單535、玉龍8號、東單969、南北1號、農(nóng)夫9號、玉龍2號。

表4 鹽脅迫條件下玉米隸屬函數(shù)值

3 討論

植物種子能夠在鹽堿逆境條件下萌發(fā)出苗，是保證植株生長發(fā)育的前提［23］；同時鹽堿脅迫直接抑制組織和器官的生長及植物形態(tài)的變化，被認為是評價植物耐鹽堿能力應用最廣泛、最直接、最直觀的鑒定指標［24-26］。本研究表明：隨脅迫濃度增強各玉米品種種子發(fā)芽率、胚根、胚芽、株高、生物量均顯著降低，且不同品種受脅迫影響的程度不同，這與前人的研究結(jié)果相一致。6個玉米品種種子發(fā)芽率、株高、生物量在0.25%濃度與0.50%濃度間達極顯著水平，且在0.25%脅迫下玉米品種間差異顯著。所以在本試驗設定的鹽堿脅迫梯度中，0.25%可作為玉米萌發(fā)期和苗期耐鹽堿性篩選的最適濃度。

玉米是對鹽中度敏感的作物，其耐鹽堿性種間差異較大，鹽堿脅迫必然會對植物的生理指標產(chǎn)生重要的影響。有研究表明，鹽堿脅迫通常會破壞植物細胞膜透性和完整性，引起脂膜過氧化和膜透性增大［27-28］。本研究中6個玉米品種丙二醛隨脅迫濃度增加而增大，吉單535、東單969、玉龍8號的變化幅度較小，說明這3個品種膜質(zhì)過氧化程度和細胞膜受損傷程度小于其他品種；此外鹽堿脅迫導致植物體內(nèi)產(chǎn)生過量的活性氧，使得蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)受損，阻礙蛋白質(zhì)的合成［29］，本研究中6個玉米品種的可溶性蛋白隨脅迫濃度增加而降低，這與王婧澤等［30］研究的結(jié)論一致；同時隨脅迫濃度增加SOD活性顯著下降，清除活性氧能力降低，這與曲元剛等［31］研究結(jié)果相似，這可能是由于隨堿性鹽脅迫濃度的增加葉片的細胞膜結(jié)構(gòu)和功能受到傷害的程度逐漸增大，產(chǎn)生的自由基清除活性氧的能力下降，不能正常激活酶的活性。但目前有關植物體內(nèi)脯氨酸積累的原因還存在爭議，一部分人認為脯氨酸積累是植物耐鹽堿的主要征兆，也有人認為脯氨酸積累是鹽脅迫的偶然性結(jié)果。本文研究表明6個玉米品種玉米幼葉中游離脯氨酸含量隨脅迫濃度升高而增加，其最終原因還有待于進一步深入研究。

作物耐鹽堿性是一個多基因控制的數(shù)量性狀或多種因素作用的結(jié)果［32］，即使是同一作物，但不同品種其耐鹽堿能力各不相同，故不能采用單一指標來準確反映和評價植物的耐鹽堿能力。因此，必須采用一系列的綜合指標來評價其耐鹽堿能力。劉春榮等［33］采用主成分分析和隸屬函數(shù)法對玉米苗期的生長指標進行耐鹽堿性評價；王婧澤等［30］通過主成分分析將鹽堿脅迫下11 項指標轉(zhuǎn)換成 9個彼此獨立的指標，通過隸屬函數(shù)分析得其耐鹽堿性能力；張會麗等［34］利用隸屬函數(shù)值法對玉米成熟期耐鹽性進行綜合評價。本研究首先充分利用多個指標將萌發(fā)期種子發(fā)芽率、鹽害指數(shù)、胚生長、苗期株高、生物量及生理等11項指標進行主成分分析，最終篩選出胚根、胚芽、株高等9 個指標，然后采用模糊數(shù)學隸屬函數(shù)分析法對品種進行耐鹽堿性綜合評價。

4 結(jié)論

在Na2CO3脅迫下，各品種萌發(fā)期的發(fā)芽率、胚根長、胚芽長均較對照降低，而鹽害指數(shù)較對照增加；各品種苗期的株高、地上部生物量、地下部生物量、MDA含量、脯氨酸含量、SOD活性較對照降低，而可溶性蛋白含量較對照有所增加，不同品種對鹽脅迫的反應程度不同。通過對 6個玉米品種的11項指標進行耐鹽性綜合評價，得出其耐鹽性大小順序為吉單535＞玉龍8號＞東單969＞南北1號＞農(nóng)夫9號＞玉龍2號。該研究對土默川平原鹽堿區(qū)耐鹽堿玉米選擇與應用具有一定的指導意義。