王堽，於麗華，王宇光，劉鈺，耿貴

（1.黑龍江大學生命科學學院，哈爾濱 150080；2.黑龍江大學現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與生態(tài)環(huán)境學院，哈爾濱 150080）

0 引言

我國北方氣候以干旱和半干旱為主，在這樣的氣候條件下降雨量較少，強蒸發(fā)使深層地下水上升，伴隨著鹽分析出滯留在土地表層。在降雨量較少的情況下，滯留的鹽分不能被淋溶排走，使一些可溶性鹽慢慢地聚集在土壤表面導致鹽漬化土壤的形成[1]。這些可溶性鹽主要包括碳酸鈉、硫酸鈉、氯化鈉[2]。據(jù)我國有關部門不完全統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，每年有大面積的農(nóng)田用地因土壤次生鹽漬化而被迫撂荒。這些鹽漬化耕地主要分布在地勢平緩、河流滯緩、排水易匯集地段以及河流沖積的三角洲、沼澤和濕地等區(qū)域[3]。并且我國的鹽漬化土地面積及分布范圍在全球范圍都是最大的[4]，如甘肅河西走廊、寧夏銀川平原、新疆塔里木盆地和準噶爾盆地、吉林松嫩平原、黑龍江大慶濕地等。與此同時，為了推動農(nóng)業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展采取不當灌溉措施導致次生鹽漬化土壤的形成，鹽漬土面積的增加。因此，十分嚴峻的土壤鹽漬化給環(huán)境保護、土壤修復、農(nóng)業(yè)產(chǎn)值增長和經(jīng)濟發(fā)展帶來了較大的影響[5]。

在生態(tài)環(huán)境日益惡化、人口數(shù)量不斷增長、土地資源相對匱乏的形勢下，土壤鹽漬化程度的加劇使得土壤資源更加緊張。因此，如何采取有效措施來抑制土壤鹽漬化，修復現(xiàn)存的鹽漬耕地，已成為備受關注的熱點問題[5-7]。目前，對土壤鹽漬化修護尚未有高效可行的技術[8-9]。生產(chǎn)實踐對鹽堿土的改良方法主要有使用改良試劑法和覆蓋改良法，但這些方法實施起來成本高、難度大、耗時費力[10]。因而，采用化學物質調控植物生長發(fā)育，提高作物對鹽堿土的適應能力是緩解土地資源緊張的有效途徑之一。

甜菜（Beta vulgarisL.）是重要的糖料兼用型經(jīng)濟作物，除用于制糖之外，其副產(chǎn)物有較高的綜合利用價值，在再生資源開發(fā)、生物乙醇、氫氣、糖類等高附加值產(chǎn)品生產(chǎn)方面具有潛在優(yōu)勢[11-12]。甜菜是一種耐鹽較強的作物，低鹽水平對甜菜生長具有促進作用，但是生境含鹽水平過高會導致甜菜各項生長、生理指標受到抑制[13-15]。研究發(fā)現(xiàn)，甜菜在低Na+環(huán)境中，外源添加3 mmol/L K+不僅直接增加甜菜幼苗生物量、促進光合作用，還促進Na+、K+的滲透調節(jié)作用，減少有機滲透調節(jié)的作用，進而間接提高光合產(chǎn)物的利用率，促進幼苗生長[15]。水培法測定280 mmol/L Na+脅迫條件下，噴施0.25 mmol/L 外源亞精胺后，耐鹽型甜菜對N、P、K 養(yǎng)分的吸收顯著提高，脅迫狀態(tài)得到恢復[16]。本研究通過測定甜菜幼苗的株高、葉片的干鮮重、相對含水量以及凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、胞間CO2濃度（Ci）等光合生理指標，分析不同鹽度處理條件下，施用鈣營養(yǎng)對甜菜幼苗生長及各項光合生理指標的影響，從而研究甜菜幼苗在不同濃度鹽處理下施加鈣營養(yǎng)的生長狀況和光合特性變化規(guī)律，進而找出適合甜菜鹽漬土生長的最佳鈣營養(yǎng)調節(jié)范圍，為下一步甜菜在鹽堿地種植施用鈣營養(yǎng)提供重要的理論基礎，同時為甜菜鹽堿地栽培以及鹽漬土壤改良奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料及培養(yǎng)條件

本試驗選用抗性較強甜菜品種‘KWS1176’的丸?；路N子為試驗材料，在黑龍江大學光照培養(yǎng)室進行水培試驗。甜菜種子采用蛭石培養(yǎng)發(fā)芽，5 d后選擇長勢均勻的甜菜幼苗，移栽至半倍的改良Hoagland營養(yǎng)液中，光照輻射強度為460±15 μmol/(m2·s)，光照時間為6:00 至20:00，晝夜溫度分別控制在(20±2)℃和(25±2)℃，相對濕度65%～70%。培養(yǎng)過程中不間斷給營養(yǎng)液通入空氣，每天監(jiān)測各處理營養(yǎng)液中的Ca2+、Na+濃度及pH值，使處理間營養(yǎng)液的Ca2+、Na+濃度保持相對平衡，pH 維持在5.7±2范圍。

鈣營養(yǎng)設置4 個濃度梯度：0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L，選用無水CaCl2和Ca(NO3)2·4H2O 分析純（AR）試劑配制；Na+設置2 個梯度：3、280 mmol/L，選用NaCl AR 試劑配制。共8 個處理，每個處理重復6 次，具體設置體系如表1所示，其中氮元素用NH4NO3AR試劑補充。在培養(yǎng)初期通過配置半倍的改良低鈣Hoagland 營養(yǎng)液[0.3 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O，3 mmol/L NaCl，3.2 mmol/L NH4NO3]進行培養(yǎng)，待幼苗生長至第一對真葉完全展開時再更換培養(yǎng)液開始處理。處理1、2、3、4 分4 次調整Na+濃度到280 mmol/L，鈣營養(yǎng)在第一次調Na+濃度時就對應表1 直接加入。處理5、6、7、8 在配置營養(yǎng)液時按表1 方案進行改良。5 d 更換一次培養(yǎng)液，培養(yǎng)至第18天測定相關指標。

表1 Ca2+和Na+添加配方Table 1 Formula of Ca2+and Na+added

1.2 測定項目及方法

用直尺和游標卡尺測定甜菜幼苗株高（最長甜菜葉的葉柄基部至葉尖的距離）[17]。收獲后用分析天平，秤取甜菜整個葉片，稱鮮重后，放入水中，吸水24 h 后，吸干水分稱重，放入75 ℃烘箱中，烘至恒重后稱重。計算得到葉片相對含水量（RWC）[18]。

用CI-340 手持式光合作用測量系統(tǒng)（美國CID 公司）測定甜菜第二對真葉凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）和蒸騰速率（Tr）。

質膜透性的測定采用相對電導率（EC）法，具體操作參照引文[19]中的方法。

1.3 數(shù)據(jù)收集及分析

采用Microsoft Office Excel 2019 進行數(shù)據(jù)整理；用IBM SPSS Statistics20.0 專業(yè)軟件對數(shù)據(jù)進行方差和Duncan法顯著性檢驗（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜各農(nóng)藝性狀的雙因素分析

鈣營養(yǎng)和氯化鈉（NaCl）雙因素方差分析結果表明，鈣營養(yǎng)和NaCl處理顯著影響甜菜幼苗株高、干重和葉片RWC、EC、Pn、Tr、Gs、Ci；鈣營養(yǎng)和NaCl處理交互作用對幼苗株高、干重和葉片Gs的影響達極顯著水平(P＜0.01)，對葉片RWC和Tr的影響達顯著水平（P＜0.05），對EC、Pn和Ci無影響。

2.2 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜幼苗株高的影響

由圖1可知，在3 mmol/L NaCl處理下，隨著鈣供應濃度（0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L）的增加，甜菜株高呈現(xiàn)先升后降的趨勢。1.5、3.5、7.5 mmol/L鈣營養(yǎng)分別較0.3 mmol/L時增加2.3%、41.6%和19.5%，鈣營養(yǎng)增加到3.5 mmol/L 時甜菜株高達到最高，繼續(xù)增加到7.5 mmol/L時甜菜株高呈現(xiàn)降低趨勢，在3.5、7.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)水平下，植株高度差異顯著。在280 mmol/L NaCl 處理下，隨鈣供應水平的提高，3.5、7.5 mmol/L 與1.5 mmol/L 鈣濃度處理間差異顯著（P<0.05）。當鈣營養(yǎng)水平至3.5、7.5 mmol/L 時，植株高度分別較0.3 mmol/L下降了13.3%、17.9%，且在3.5、7.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)水平下植株高度差異不顯著。因此，在3 mmol/L NaCl處理下，低濃度的鈣營養(yǎng)對甜菜株高起到促進作用，但隨著鈣營養(yǎng)水平的增加促進效果顯著降低；在280 mmol/L NaCl處理下，隨著鈣營養(yǎng)水平的增加植株高度降低，其原因可能是280 mmol/L鹽脅迫下鈉、鈣元素對甜菜株高具有負交互作用或者鈉替代鈣效率的結果。

圖1 鹽處理下施用鈣營養(yǎng)對甜菜幼苗株高的影響Fig.1 Effect of calcium nutrition on plant height of sugar beet seedlings under salt treatment

2.3 鈣營養(yǎng)對鹽處理甜菜葉片鮮重和植株干重的影響

圖2 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜葉片鮮重（A）和植株干重（B）的影響Fig.2 Effect of calcium nutrition on leaf fresh weight(A)and plant dry weight(B)of sugar beet under salt treatment

由圖2A、B可知，在3 mmol/L鹽處理下，隨著鈣供應水平（0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L）的增加，甜菜葉片鮮重和植株干重呈現(xiàn)先升后降的趨勢，3.5 mmol/L鈣營養(yǎng)植株干重達到最大，單株幼苗葉片鮮重較0.3 mmol/L增加45.3%，單株干重較0.3 mmol/L增加33.4%；單株幼苗葉片鮮重分別較1.5 mmol/L增加42.5%，單株干重較1.5 mmol/L 增加30.2%。當鈣營養(yǎng)供應水平提高到7.5 mmol/L 時幼苗葉片鮮重和單株干重有所下降，但與3.5 mmol/L水平時葉片鮮重和單株干重差異不顯著。在280 mmol/L Na+處理下，隨著鈣營養(yǎng)水平的提高，幼苗葉片鮮重和單株干重逐漸降低，3.5和7.5 mmol/L分別較1.5 mmol/L單株葉片鮮重降低了6.5%、12.0%；單株干重降低了6.3%、9.7%，且與1.5 mmol/L達到差異顯著水平。因此，在3 mmol/L 鹽處理下，3.5 mmol/L鈣營養(yǎng)對甜菜葉片鮮重和單株干重起到促進作用，但隨著鈣營養(yǎng)水平的增加促進效果降低；在280 mmol/L鹽處理下，隨著鈣營養(yǎng)水平的增加植株葉片鮮重顯著降低，1.5 mmol/L鈣營養(yǎng)對甜菜葉片鮮重和單株干重起到促進作用。高鹽脅迫下，在幼苗葉片鮮重和單株干重亦表現(xiàn)出鈉、鈣元素的負交互作用或者鈉替代鈣效率的結果。

2.4 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜葉片相對含水量的影響

葉片相對含水量是植物水分虧缺或水分分布狀況較直接的生理指標之一。鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜植株RWC 的影響如圖3A 所示，結果表明，在3 mmol/L 鹽處理下，甜菜幼苗葉片相對含水量隨著鈣營養(yǎng)供應水平的提高而顯著增加（P<0.05）。鈣營養(yǎng)供應到3.5 mmol/L 水平時較1.5 mmol/L 提高了12.5 個百分點；鈣營養(yǎng)供應到7.5 mmol/L時達到處理間的最大值（95.1%），比1.5 mmol/L增加了15.7 個百分點，較0.3 mmol/L提高了12.9個百分點。在280 mmol/L鹽脅迫下，隨著鈣營養(yǎng)供應水平的提高甜菜葉片相對含水量呈現(xiàn)顯著下降趨勢。在1.5 mmol/L鈣營養(yǎng)下，葉片相對含水量為57.5%；鈣供應水平提高到3.5、7.5 mmol/L 時葉片相對含水量分別下降到了43.6%、26.5%，比0.3 mmol/L分別下降16.1 和33.2 個百分點。以上結果說明甜菜幼苗在3 mmol/L 鹽處理下鈉、鈣元素對葉片相對含水量表現(xiàn)為正向作用；而280 mmol/L 的高鹽處理下則表現(xiàn)為負向作用。

圖3 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜葉片相對含水量（A）和電導率（B）的影響Fig.3 Effect of calcium nutrition on RWC(A)and conductivity(B)of leaves in sugar beet under salt treatment

2.5 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜葉片質膜透性的影響

細胞膜透性是指示作物受到脅迫后細胞膜損傷程度的重要生理指標之一。通過葉片相對電導率來衡量細胞膜損傷程度，電導率越高說明質膜透性強、受損程度嚴重，反之則說明質膜完整性好。鈣營養(yǎng)在鹽處理下甜菜葉片電導率的變化如圖3B 所示。在3 mmol/L 鹽處理下，隨著鈣營養(yǎng)水平的提高甜菜葉片電導率呈現(xiàn)顯著降低趨勢。在1.5、3.5、7.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)水平時，甜菜幼苗葉片電導率分別為11.33%、10.63%、8.99%，7.5 mmol/L電導率最低，比0.3 mmol/L 處理低4.4 個百分點，鈣營養(yǎng)水平7.5 mmol/L與0.3、1.5 mmol/L 之間電導率差異顯著（P<0.05）。在280 mmol/L 鹽脅迫下，隨著鈣營養(yǎng)供應水平的提高甜菜葉片電導率顯著提高（P<0.05）。在1.5 mmol/L鈣營養(yǎng)水平時葉片電導率為33.61%，3.5、7.5 mmol/L鈣營養(yǎng)水平分別較1.5 mmol/L鈣營養(yǎng)水平時葉片電導率提高了13.6和17.9個百分點。以上結果說明甜菜幼苗在3 mmol/L鹽處理下鈉、鈣元素對葉片細胞質膜的破壞程度小，甚至7.5 mmol/L 濃度鈣元素還有一定的修護作用；而高鹽脅迫下鈉離子對葉片細胞質膜的破壞程度增大，且隨著營養(yǎng)液鈣元素濃度的增加其破壞程度加重。

2.6 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜幼苗光合特性的影響

圖4 鈣營養(yǎng)對鹽處理下甜菜幼苗Pn（A）、Tr（B）、Gs（C）、Ci（D）的影響Fig.4 Effect of calcium nutrition on Pn(A),Tr(B),Gs(C)and Ci(D)of sugar beet seedlings under salt treatment

鈣營養(yǎng)對鹽脅迫下甜菜幼苗葉片凈光合速率（Pn）、蒸騰速率（Tr）、氣孔導度（Gs）、胞間二氧化碳濃度（Ci）變化趨勢的影響如圖4 所示。在3 mmol/L Na+水平下，隨著鈣營養(yǎng)供應水平的增加甜菜幼苗葉片Pn、Tr、Gs和Ci光合參數(shù)呈現(xiàn)明顯先升后降趨勢，在3.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)水平時各項參數(shù)指標達到測定值的最大，Pn、Tr、Gs 和Ci 分別比0.3 mmol/L 提高22.3%、7.9%、18.2%和14.7%；在鈣營養(yǎng)7.5 mmol/L 水平時，甜菜幼苗葉片Pn、Tr、Gs 和Ci 有下降趨勢，但與3.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)水平之間Pn、Gs 差異不顯著（P<0.05）。280 mmol/L鹽脅迫下，隨著鈣營養(yǎng)供應水平的提高甜菜葉片Pn、Tr、Gs 和Ci呈現(xiàn)顯著下降趨勢。通過光合參數(shù)結果分析顯示，甜菜幼苗在3 mmol/L 鹽處理下鈉、鈣元素對葉片的Pn、Tr、Gs和Ci具有促進作用，其中在3.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)水平，促進效果最明顯；而高鹽脅迫下鈣營養(yǎng)對葉片的Pn、Tr、Gs 和Ci 光合參數(shù)起到抑制作用，隨著營養(yǎng)液鈣元素濃度的增加其抑制程度加重。

3 討論

研究表明，施用鈣元素可以促進作物的生長，提高產(chǎn)量[20]。植物葉片相對含水量是反映葉片的保水能力，以及柵欄組織和保衛(wèi)組織活力的重要生理指標[21]。研究發(fā)現(xiàn)西蘭花在受到硫酸鹽脅迫時，施用鈣營養(yǎng)能顯著提高硫代葡萄糖苷含量來適應鹽脅迫[22]。在豇豆幼苗耐鹽脅迫研究中發(fā)現(xiàn)，外源施加低鈣營養(yǎng)能緩減鹽脅迫傷害、促進植株生長；高鹽脅迫下施用鈣營養(yǎng)其調節(jié)作用顯著降低[23]。本研究中，在3、280 mmol/L Na+條件下培養(yǎng)甜菜幼苗時，分別施用了0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L鈣營養(yǎng)，結果顯示在3 mmol/L Na+濃度下，隨著鈣營養(yǎng)供應水平的提升，甜菜幼苗株高、植株干重、葉片鮮重呈現(xiàn)先升后降趨勢，葉片相對含水量呈現(xiàn)增加趨勢，7.5 mmol/L 較3.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)水平下幼苗株高、植株干重、葉片鮮重稍有下降。表明3 mmol/L Na+作用下施用外源鈣營養(yǎng)會促進甜菜幼苗生長和干物質的積累，維持甜菜葉片細胞的活力。另外，細胞質膜受損率在3 mmol/L Na+處理下隨著施用鈣營養(yǎng)供應水平的提高呈現(xiàn)顯著下降趨勢，表明在甜菜幼苗期3 mmol/L Na+濃度下施用低濃度的鈣營養(yǎng)能提高甜菜葉片細胞的抗性，維持幼苗的生長。在280 mmol/L 鹽脅迫下甜菜幼苗株高、植株干重和葉片鮮重、相對含水量隨著鈣營養(yǎng)供應水平的提高呈現(xiàn)降低趨勢，細胞質膜受損率則顯著上升。表明在280 mmol/L 鹽脅迫下隨著鈣營養(yǎng)水平的供應，甜菜幼苗植株生長受到抑制，葉片相對含水量降低，葉肉細胞滲透調節(jié)受損率增大。

光合作用是作物產(chǎn)量的基礎，鹽脅迫既可直接影響作物的生長，也可通過影響凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和胞間二氧化碳濃度等光合特性影響因子來間接改變作物產(chǎn)量[13，24-25]。在鹽脅迫下影響植物光合效率的因素主要有由于氣孔的部分關閉導致的氣孔限制和葉肉細胞光合活性下降導致的非氣孔限制兩類，即氣孔因素和非氣孔因素。氣孔因素使胞間二氧化碳濃度降低，非氣孔因素則使胞間二氧化碳濃度增加[26]。有關玉米在不同鹽脅迫下施用鈣營養(yǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)，低鹽處理下（100 mmol/L NaCl）隨著鈣營養(yǎng)供應的增加可以減輕鹽對玉米生長的影響，而高鹽處理下（200 mmol/L NaCl），提高鈣營養(yǎng)加重了玉米鹽害[27]。本研究中，在3 mmol/L Na+水平下，甜菜幼苗葉片的蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率和胞間二氧化碳濃度，隨著鈣營養(yǎng)供應水平的增加呈現(xiàn)先升后降趨勢，在3.5 mmol/L 鈣營養(yǎng)濃度時各項指標達到最大值，鈣營養(yǎng)7.5 mmol/L 時各項指標稍有下降。由此可以推測，在3 mmol/L Na+處理下，鈉、鈣協(xié)同作用促進了甜菜幼苗葉片細胞膜穩(wěn)定，從而提高葉片的光合速率，進而提高幼苗生物量。在280 mmol/L Na+脅迫下甜菜幼苗葉片的蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率和胞間二氧化碳濃度隨著鈣營養(yǎng)供應水平的增加呈現(xiàn)下升趨勢。說明高鹽脅迫下，鈉、鈣拮抗作用導致葉肉細胞活性降低，以非氣孔因素為主導限制了甜菜幼苗葉肉細胞光合作用。植物的耐鹽性是一個由多基因控制的數(shù)量性狀，這也決定了耐鹽機理的復雜性。

此外，鈉、鉀、鈣等金屬元素作為植物生理代謝必須元素，對植物生長起著重要的作用。在之前的研究中發(fā)現(xiàn)，甜菜幼苗生長在缺鉀、低鉀環(huán)境中鈉離子可以對鉀離子起到一定生理效應的補充[14,28]。但是這種效果的潛力是有限的，研究證實了在缺鉀條件下生長的瑞士甜菜幼苗中加入NaCl，能有效將缺鉀引起的損害降至最低，并使植物的生長保持在與對照條件相當?shù)乃絒29]。在本次研究中3 mmol/L的NaCl 作用下，隨著鈣營養(yǎng)水平的提高甜菜幼苗在生物量的積累和光合特征上都起到了明顯的促進作用，而在280 mmol/L高鹽處理下著，隨著鈣營養(yǎng)的增加這些指標呈現(xiàn)了下降趨勢。說明3 mmol/L NaCl作用下，Na+和Ca+對甜菜植株的生長起到促進作用。因此，當鈣營養(yǎng)低于3.5 mmol/L時對鈉離子起到了一定的補充。280 mmol/L高鹽處理下鈉離子高滲作用抑制甜菜幼苗生長，鈣營養(yǎng)的增加加劇了滲透脅迫，因此對鈣營養(yǎng)的需求量明顯降低。

本次試驗僅研究了鈣營養(yǎng)調控對兩個梯度鹽處理下甜菜生長和基礎光合特性的影響，還不能夠充分解釋鈣離子對甜菜耐鹽脅迫程度的影響，至于其他相關因素的影響作用還有待于進一步研究。

4 結論

通過初步試驗結果分析可以看出，在不同鹽濃度的處理下施加鈣營養(yǎng)甜菜的各項生理指標會發(fā)生差異性的變化。（1）在正常鹽分條件下（3 mmol/L Na+），甜菜幼苗葉片的鮮重及相對含水量會增加，之后隨著鈣營養(yǎng)濃度增加葉片鮮重等會逐漸降低，3.5 mmol/L的鈣營養(yǎng)水平最佳，促進甜菜生長，0.3、1.5 mmol/L較低鈣營養(yǎng)水平均不利甜菜生長。（2）在高鹽脅迫（280 mmol/L Na+）下，甜菜幼苗葉片的蒸騰速率、氣孔導度、凈光合速率和細胞間二氧化碳濃度，隨鈣營養(yǎng)供應水平的增加呈現(xiàn)下降趨勢；0.3、1.5 mmol/L 較低鈣營養(yǎng)水平更有利于甜菜幼苗生長，提高甜菜幼苗耐鹽脅迫能力水平。（3）NaCl脅迫與鈣營養(yǎng)在甜菜幼苗株高、植株干重、葉片相對含水量以及表觀光合作用方面存在著負交互作用。