柳 雪，王西娜，李雪芳，郝雯悅，霍慶柱，譚軍利

（1.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

氯是植物生長必需的微量元素之一，在植物生長過程中必不可少[1]。大多數(shù)植物可以從降水及灌溉水中獲得足夠數(shù)量的氯，因此，生產(chǎn)中一般不需額外施用氯肥。西瓜（Citullus lanatus）是寧夏的主要經(jīng)濟(jì)作物之一，由于當(dāng)?shù)馗珊瞪儆?，農(nóng)民長期采用含氯30 mmol/L 左右的地下微咸水進(jìn)行補(bǔ)灌。在一定年限內(nèi)，微咸水補(bǔ)灌有效緩解了西瓜干旱缺水的狀況，促進(jìn)其生長，但長期灌溉會(huì)導(dǎo)致Cl-在土壤中大量累積，這必然影響忌氯作物西瓜的生長。因此，闡明氯對西瓜生長抑制的機(jī)制對于安全利用含氯微咸水具有重要意義。

根系對養(yǎng)分吸收利用意義重大，根系活力決定根系對養(yǎng)分的同化能力[2]，適量的氯能夠增加作物根系活力[3-4]，進(jìn)而增強(qiáng)根系與養(yǎng)分離子的親和力，促進(jìn)根系對養(yǎng)分離子的吸收，還有益于根細(xì)胞分裂，增加干物質(zhì)質(zhì)量及氮素利用效率[5]。但當(dāng)Cl-在植物中積累過多時(shí)則會(huì)對其生長產(chǎn)生不利影響[6]，原因是過量的氯會(huì)抑制根系對養(yǎng)分的吸收[7]，還會(huì)致使脂膜過氧化程度增加，通過造成Cl-毒害及養(yǎng)分離子的不平衡或缺乏來阻礙植物的正常生長[8-9]。

植物的生長狀況是評價(jià)其抗逆性的最直觀因素[10]。研究表明，玫瑰以NaCl 處理后植株正常生長代謝受到破壞，植株體內(nèi)營養(yǎng)元素缺乏，生物量和干物質(zhì)累積受到抑制，根冠比、根系活力和鉀含量下降[11]；白菜幼苗以中、高濃度氯處理后其生物量和根系活力以及N、P、K 在作物體內(nèi)累積均顯著降低[12]。鄭青松等[13]通過不同濃度外源氯處理番茄幼苗的研究發(fā)現(xiàn)，100 mmol/L 以下外源氯處理會(huì)促進(jìn)生物量的累積，明顯提高作物對P、K 的吸收量及氮素利用效率，200 mmol/L 以上外源氯處理幼苗干物質(zhì)累積量極顯著下降。Cl-處理能顯著提高植株體內(nèi)Cl-含量，而高濃度Cl-通過限制NO3-向地上部的轉(zhuǎn)運(yùn)以及Cl-在地上部液泡中占用NO3-的儲(chǔ)存空間而減少硝酸鹽含量，降低氮素利用效率[14-16]。同時(shí)，作物體內(nèi)Cl-含量的增加會(huì)造成氧化損失，導(dǎo)致丙二醛（MDA）含量增加[17-19]。也有研究發(fā)現(xiàn)，山核桃中MDA 含量隨NaCl 濃度的升高而升高，但在脅迫后期隨著時(shí)間的增加MDA 含量呈降低趨勢[20]。目前，大多研究都專注于氯濃度對作物生長發(fā)育的影響，而對與氯共同進(jìn)入生長環(huán)境的伴隨陽離子關(guān)注較少。因此，通過盆栽試驗(yàn)，研究不同品種氯鹽及其濃度對西瓜（Citullus lanatus）根系生長和活力的影響，探索外源氯對西瓜生長影響的生理機(jī)制及影響因素，為闡明西瓜氯毒害機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 材料

供試西瓜品種為金城5 號，采用寧夏當(dāng)?shù)仄毡槭褂玫哪瞎险枘荆ń鸪茄┓澹┘藿用邕M(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽試驗(yàn)于2021 年4－6 月在寧夏大學(xué)農(nóng)科實(shí)訓(xùn)基地日光溫室中進(jìn)行。以NaCl、NH4Cl、CaCl2、KCl為供試氯源，每個(gè)氯鹽品種設(shè)置低氯（0 mmol/L）、中氯（80 mmol/L）、高氯（160 mmol/L）3 個(gè)濃度水平，共9 個(gè)處理，每處理重復(fù)6 次，共54 盆，每盆3株。試驗(yàn)盆缽直徑18 cm、高12 cm。栽培基質(zhì)配比為V（石英砂）∶V（蛭石）=2∶1。營養(yǎng)液采用霍格蘭營養(yǎng)液，每隔2 d 澆灌一次，用0.5 mol/L H2SO4調(diào)節(jié)使pH值維持在6.0～6.5。

為防止高濃度鹽刺激，營養(yǎng)液的氯濃度處理采用逐漸遞增的方式，即從20 mmol/L 開始，每次增加20 mmol/L，每2 d 增加1 次，當(dāng)所有處理達(dá)到設(shè)定濃度時(shí)，繼續(xù)培養(yǎng)7 d，然后進(jìn)行第1次樣品采集，此后每隔7 d取1次樣，共取5次。

1.3 測定指標(biāo)與方法

生物量：將西瓜植株采集洗凈之后，迅速吸干外部水分，稱鮮質(zhì)量，然后在105 ℃殺青30 min，最后調(diào)節(jié)到75 ℃烘干，稱量干質(zhì)量；采用硫代巴比妥酸法[21]測定MDA 含量；采用TTC 還原法[21]測定根系活力；采用水楊酸法[21]測定NO3-含量；采用莫爾法[22]測定Cl-含量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

利用Excel 2010和DPS 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析，Origin 2019作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜生物量及根冠比的影響

氯鹽品種及其濃度對西瓜地上和地下部鮮質(zhì)量的交互效應(yīng)和單獨(dú)效應(yīng)均達(dá)到顯著水平，對地上部、地下部干質(zhì)量累積和根冠比的交互效應(yīng)不顯著（表1）。氯濃度極顯著影響西瓜生物量和根冠比，中、高濃度NaCl 處理時(shí)，地上和地下部鮮質(zhì)量與不施氯對照相比分別顯著降低57.78%和44.73%、72.13%和67.38%，干質(zhì)量分別比對照顯著降低36.73%和27.54%、66.81%和34.78%，高氯濃度下根冠比顯著增加100%；NH4Cl處理時(shí)，中、高氯處理比對照地上和地下部鮮質(zhì)量顯著降低46.19% 和39.25%、57.28%和49.35%，根系干質(zhì)量顯著降低53.62%、56.52%，高氯處理地上部干質(zhì)量顯著降低50.88%，中氯處理的根冠比顯著降低33.33%；CaCl2處理時(shí)，中、高氯處理的地上和地下部鮮質(zhì)量分別比對照降低55.30%和34.05%、70.81%和64.65%，高氯處理的地上部干質(zhì)量較對照顯著降低42.70%，不同濃度氯處理對根系干質(zhì)量累積和根冠比不存在顯著影響；與對照相比，中、高濃度KCl 處理可顯著降低地上和地下部鮮質(zhì)量41.39%和31.31%、66.34%和61.04%，中濃度KCl顯著降低根系干質(zhì)量30.43%，高濃度KCl 顯著降低地上部干質(zhì)量37.83%，中高氯處理均不會(huì)對根冠比造成顯著影響?？梢姡?、高濃度外源氯處理會(huì)對西瓜幼苗產(chǎn)生毒害，降低其生物量累積，增加根冠比。氯鹽品種極顯著影響根冠比、鮮質(zhì)量和地下部干質(zhì)量累積。氯濃度在80 mmol/L 時(shí)，各氯源處理的地下部鮮質(zhì)量和地上部干質(zhì)量均未表現(xiàn)出顯著差異，KCl處理的地上部鮮質(zhì)量較NaCl 處理顯著提高38.82%，CaCl2處理的地下部干質(zhì)量比NaCl、NH4Cl、KCl 處理顯著提高36.00%、112.50%、41.67%，NaCl和CaCl2處理的根冠比較NH4Cl 處理均顯著增加80.00%，較KCl 處理均顯著增加38.46%；氯濃度在160 mmol/L 時(shí)，KCl 處理的地上和地下部鮮質(zhì)量顯著高于NaCl 處理20.79%和19.47%，其他處理間無差異，CaCl2和KCl 處理時(shí)，地上部、地下部干質(zhì)量較NaCl 處理顯著增加72.67%和87.33%、37.78%和35.56%，NaCl 處理的根冠比較NH4Cl 處理顯著增加114.29%，其他氯鹽處理間不存在顯著差異。表明CaCl2和KCl 作為氯鹽處理時(shí)西瓜生物量比NaCl 和NH4Cl處理的大，其對西瓜生長的氯毒害作用較小。

表1 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜生物量和根冠比的影響Tab.1 Effects of chloride varieties and concentration on biomass and root/shoot of watermelon

2.2 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜植株根系活力的影響

如圖1 所示，氯鹽品種及其濃度對西瓜根系活力影響的單獨(dú)效應(yīng)和交互作用均達(dá)極顯著水平。不同氯鹽品種對西瓜根系活力的影響不同，氯濃度在80 mmol/L 時(shí)，CaCl2處理的根系活力比NaCl、NH4Cl、KCl 處 理 分 別 增 加104.17%、48.48%、41.18%，且與NaCl 處理間的差異達(dá)顯著水平；氯濃度在160 mmol/L 時(shí)，西瓜根系活力亦以CaCl2處理最高，與NH4Cl 處理無顯著差異，但比NaCl、KCl 處理顯著增加71.43%、188.00%。相同氯鹽處理下不同的Cl-濃度也會(huì)影響西瓜的根系活力。與對照相比，中、高濃度NaCl 處理時(shí)，根系活力顯著降低63.07%、35.38%；NH4Cl和CaCl2處理時(shí)，中氯處理顯著降低49.23%和24.62%，高氯處理的根系活力比對照有所增加但均未達(dá)到顯著水平；KCl 處理時(shí)，中、高氯處理比對照根系活力顯著降低47.69%和61.54%?？梢?，添加NaCl和KCl、中濃度的NH4Cl和CaCl2均會(huì)顯著降低西瓜根系活力，而高濃度NH4Cl和CaCl2則對根系活力無顯著影響，同一Cl-水平下CaCl2為氯源時(shí)西瓜根系活力均高于其他氯源處理。

圖1 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜根系活力的影響Fig.1 Effects of chlorine source varieties and concentration on watermelon root activity

2.3 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜植株根系MDA含量的影響

根系中MDA 是活性氧對作物細(xì)胞造成破壞形成的細(xì)胞脂質(zhì)過氧化產(chǎn)物，具有細(xì)胞毒性，其含量可以代表植物遭受逆境傷害的程度[23]。從圖2 可知，氯鹽品種及其濃度對根系MDA含量影響的單獨(dú)效應(yīng)均達(dá)到極顯著水平，交互效應(yīng)達(dá)顯著水平。從品種來看，氯濃度在80 mmol/L 時(shí)，CaCl2處理根系MDA 含量最低，比NaCl 處理顯著降低35.06%，比NH4Cl 和KCl 處理降低7.41%和19.35%，但不存在顯著差異；氯濃度在160 mmol/L 時(shí)，NaCl 處理根系MDA 含 量 比NH4Cl、CaCl2、KCl 處 理 顯 著 增 加58.82%、63.63%、66.15%。從濃度來看，高濃度NaCl 處理較不施氯對照增加了根系MDA 含量，增幅達(dá)18.68%；NH4Cl、CaCl2、KCl 為氯源時(shí)，中濃度和高濃度氯處理導(dǎo)致根系MDA 含量分別比對照顯著降低40.66%和25.27%、45.05%和27.47%、31.87%和28.57%?？梢?，NH4Cl、CaCl2和KCl處理有利于降低MDA 含量，緩解細(xì)胞膜的損害，而高濃度NaCl 則會(huì)增加MDA含量，增加對細(xì)胞膜的損害程度。但對所有氯鹽而言，氯濃度過高均表現(xiàn)出增加MDA含量的趨勢。

圖2 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜根系MDA含量的影響Fig.2 Effects of chlorine source varieties and concentration on malondialdehyde content in watermelon roots

2.4 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜植株根系Cl-含量的影響

通過雙因素方差分析可以看出，氯鹽品種及其濃度對西瓜根系Cl-含量的單獨(dú)效應(yīng)分別達(dá)到顯著和極顯著水平，而交互效應(yīng)不顯著（圖3）。相同濃度時(shí)，各氯鹽品種之間對根系Cl-含量無顯著影響，但不同濃度之間的差異較為顯著。與對照相比，中、高濃度NaCl 處理的根系Cl-含量分別增加0.74倍 和1.24 倍，NH4Cl 處 理 增 加1.34 倍 和1.86 倍，CaCl2處理增加0.71 倍和1.29 倍，KCl 處理增加0.84倍和1.43倍?？梢?，添加外源氯會(huì)增加西瓜根系Cl-含量，且隨濃度增加而增加，與其他氯鹽相比，NH4Cl處理增加幅度最大，NH4+對Cl-吸收具有促進(jìn)作用。

圖3 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜根系Cl-含量的影響Fig.3 Effects of chlorine source varieties and concentration on Cl-content in watermelon roots

2.5 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜植株根系NO3-含量的影響

NO3-與Cl-因都帶負(fù)電荷而具有相互抑制的作用。圖4 顯示，氯鹽品種及其濃度對西瓜NO3-含量的影響具有極顯著的交互作用，且氯鹽品種對NO3-含量的影響達(dá)到極顯著水平，而濃度的影響不顯著。氯濃度在80 mmol/L 時(shí)，各氯源處理間NO3-含量無差異。氯濃度在160 mmol/L 時(shí)，KCl 處理的根系NO3-含量比NaCl 處理顯著降低21.31%，比NH4Cl和CaCl2處理分別降低11.00%、6.62%，但差異不顯著。在以NaCl、NH4Cl、CaCl2為氯源時(shí)，根系NO3-含量表現(xiàn)為隨Cl-濃度的增加呈先降后升的趨勢；而KCl 處理表現(xiàn)為隨Cl-濃度的增加呈降低的趨勢。與對照相比，各氯鹽品種中濃度和高濃度處理的根系NO3-含量均顯著降低，NaCl、NH4Cl、CaCl2、KCl 處理分別降低44.16%和35.96%、44.16%和43.40%、47.95%和45.98%、44.92%和49.62%。說明外源氯會(huì)顯著降低根系NO3-濃度，降低幅度為KCl＞CaCl2＞NH4Cl＞NaCl。

圖4 不同氯鹽品種及其濃度對西瓜根系NO3-含量的影響Fig.4 Effects of chlorine source varieties and concentration on NO3-content in watermelon roots

2.6 不同氯鹽品種及其濃度下西瓜植株生長及根系指標(biāo)的相關(guān)分析

由圖5 可知，植株鮮質(zhì)量和干質(zhì)量與Cl-含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與NO3-含量呈正相關(guān)，即隨Cl-含量增加生物量累積均降低，隨NO3-含量增加鮮質(zhì)量和干質(zhì)量累積量增加；根系活力隨NO3-含量增加呈增加趨勢；Cl-含量與NO3-含量具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨Cl-含量增加NO3-含量降低。

圖5 西瓜植株生長及根系指標(biāo)的相關(guān)性分析Fig.5 Correlation analysis of watermelon growth and root indexes

3 結(jié)論與討論

3.1 不同氯鹽濃度對西瓜根系活力的影響

氯作為植物的必需營養(yǎng)元素，具有特定的生理生化作用，參與作物生長發(fā)育，許多植物的含氯量高于其他微量元素[24]。一般認(rèn)為，當(dāng)氯濃度低于0.03～0.17 mmol/L 時(shí)植物會(huì)出現(xiàn)缺氯癥狀，葉片減少和枯萎，隨后黃化直至死亡；根系發(fā)育不良，側(cè)根生長受到抑制[25]。氯敏感植物Cl-的毒性閾值為4～7 mg/g，當(dāng)Cl-含量過高時(shí)，對植物造成毒害，隨氯脅迫時(shí)間的延長，造成能量過多損失，根系受到損傷，根系活力下降，作物生長減緩或滯停[26]。本研究發(fā)現(xiàn)，添加中高濃度外源氯會(huì)顯著增加西瓜根系Cl-含量，降低西瓜根系活力；另外，中高濃度氯也會(huì)降低西瓜的NO3-含量，這可能是因?yàn)镃l-和NO3-具有相似的物理性質(zhì)與轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制[27]，導(dǎo)致根系中NO3-與高含量的Cl-產(chǎn)生了競爭性抑制[28-29]，同時(shí)，隨著根系活力的降低，根系與養(yǎng)分離子的親和力減弱。可見，根系對Cl-的吸收和累積不利于高等植物體內(nèi)NO3-的積累，這可能是造成外源氯抑制根系鮮質(zhì)量與干質(zhì)量累積的原因之一。MDA 是脂質(zhì)氧化的最終產(chǎn)物，間接反映植物膜系統(tǒng)的損傷程度，其在植物體內(nèi)的含量是判斷植物衰老及脂膜氧化程度的重要指標(biāo)[30-31]。本研究結(jié)果表明，外源氯會(huì)降低根系MDA含量，而濃度過高時(shí)則會(huì)表現(xiàn)出增高趨勢，這與王小媚等[32]在番木瓜上的研究結(jié)果一致。此次研究還發(fā)現(xiàn)，中高濃度氯處理的根冠比基本上高于不施氯，這種分配模式有助于植物根系在逆境中增加對水分和養(yǎng)分的獲取，增強(qiáng)根莖的生長能力，也稀釋了細(xì)胞內(nèi)的鹽分，從而加強(qiáng)植物的抗脅迫能力[33]。

3.2 不同氯鹽品種對西瓜根系活力的影響

非鹽生植物的耐鹽性主要取決于根系限制對Na+的吸收，維持低水平的Na+/K+值[34-35]，施加外源NaCl會(huì)增加Na+含量，導(dǎo)致離子穩(wěn)態(tài)失衡，同時(shí)高濃度Na+對Ca2+吸收具有拮抗效應(yīng)且會(huì)降低Ca2+的離子活度，Na+置換膜系統(tǒng)結(jié)合的Ca2+（Ca2+是植物細(xì)胞膜的構(gòu)成成分，有利于維持細(xì)胞壁和質(zhì)膜的完整性）[36]，使細(xì)胞膜透性加大，細(xì)胞膜受到損害。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，NaCl 處理會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞氧化加重，根系MDA 含量增加，而NH4Cl、CaCl2和KCl 等氯源處理有利于降低MDA 含量，緩解細(xì)胞膜的損害，各氯源處理均會(huì)顯著增加根系中Cl-含量，降低根系NO3-含量，且NH4+促進(jìn)Cl-吸收，KCl 降低NO3-含量幅度最大；K+是作物必需的微量營養(yǎng)元素之一，參與植物滲透調(diào)節(jié)、蛋白質(zhì)合成及同化產(chǎn)物轉(zhuǎn)運(yùn)等生理生化過程[37]，KCl 處理會(huì)大幅度降低NO3-含量，可能與NO3-在根部被還原為NH4+，參與根系干物質(zhì)合成有關(guān)[38]，因此，高濃度KCl處理會(huì)使西瓜保持較高的生物量累積。由于Cl-的毒害作用，添加NaCl和NH4Cl均會(huì)顯著降低西瓜根系活力與干物質(zhì)，而Ca2+作為植物細(xì)胞內(nèi)傳遞逆境信號的第二信使，可與膜磷脂上的極性頭部相連接，發(fā)生交聯(lián)作用，從而使脂膜上的蛋白質(zhì)與磷脂緊密結(jié)合，有防止膜損傷，穩(wěn)定細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)，維持細(xì)胞膜完整性的作用[39]，能提高保護(hù)系統(tǒng)活性，抵抗植物的多種環(huán)境脅迫[40]，因此施加CaCl2對根系活力與干物質(zhì)無顯著影響。可見，伴隨陽離子不同，Cl-對西瓜根系活力和生長生理的影響程度不同，相關(guān)機(jī)制還需進(jìn)一步研究。

綜上，施加外源氯會(huì)顯著影響西瓜根系生長。隨外源Cl-濃度增加，西瓜根系NO3-含量、MDA 含量、根系活力呈先降低后增加的趨勢。外源氯降低根系MDA含量，增加西瓜根冠比，增強(qiáng)了根系生長，但因帶負(fù)電荷降低NO3-含量，增加Cl-含量，對根系生長造成毒害，西瓜根系活力降低，根系與養(yǎng)分離子的親和力降低，生物量降低。相同氯濃度處理下，各氯鹽處理顯著降低NO3-含量，增加根系Cl-含量，造成離子毒害，NaCl 處理中MDA 含量增加，加重細(xì)胞膜的損害，NH4Cl 處理中NH4+會(huì)促進(jìn)根系對Cl-的吸收，氯毒害作用加強(qiáng)，CaCl2處理中Ca2+可維持細(xì)胞膜完整性，抵抗外界脅迫，KCl處理中K+參與植物滲透調(diào)節(jié)和蛋白質(zhì)合成，一定程度緩解了氯毒害。因此，以CaCl2和KCl作氯鹽處理對西瓜根系生長的毒害作用小于NaCl和NH4Cl處理。