鹽堿脅迫對甜高粱種子萌發及幼苗生長的影響1)

何 磊 陸兆華

(中國礦業大學，北京，100083)

管 博

(中國科學院煙臺海岸帶研究所濱海濕地生態實驗室)

趙艷云

(濱州學院)

王睿彤 劉 洋

(中國礦業大學)

黃河三角洲是我國三大河口三角洲之一，其經濟開發潛力之大，被譽為“金三角”地帶，是我國重點經濟開發區。但近年來由于黃河斷流、海水侵蝕、氣候變暖以及人為等因素使黃河三角洲地表鹽分不斷積累，形成了典型的濱海鹽堿地。目前面積達到44.29 萬 hm2，占全區耕地總面積的52.5%［1］。

土壤鹽堿化是限制植物生長和生產的重要因素［2］，但由于鹽、堿脅迫機制的區別，有些學者把鹽堿脅迫細化為鹽脅迫和堿脅迫。土壤鹽脅迫包括滲透脅迫和離子毒害作用，而堿脅迫不僅包括前兩者，還包括高pH值脅迫作用［3］。近幾年，關于作物對鹽脅迫的響應機制已做了大量的研究［4－9］，但是關于作物對鹽堿脅迫以及混合鹽堿脅迫的響應研究還比較少［10－12］。特別是作物對黃河三角洲鹽堿地區的適應機制的研究更是少之又少。

甜高粱(Sorghum bicolor(L.)Moench)是禾本科高粱屬植物，是綠色能源的佼佼者，它屬于C4植物，具有很高的光合速率，是目前世界上生物量最高的作物之一，故有“高能作物”之稱［13］。甜高粱因具有高能、高光效、抗旱、耐澇、耐鹽堿、高生物產量、高含糖量等特點，被認為是最具開發潛力的能源植物之一［14－16］。甜高粱對土地的適應能力很強，pH 值從5.6 ～8.5均能正常生長［17］。甜高粱已在黃河三角洲的濱州市種植獲得了成功，2005年種植甜高粱面積857 hm2，2006年全市種植甜高粱面積約3500 hm2［18］。因此，種植甜高粱對于開發利用鹽堿化地區的土地資源，擴大高粱的種植面積及其緩解能源危機具有重要的意義。

在植物生長的各個階段中，耐鹽堿性具有一定差異，種子萌發期是植物生長發育過程中的初始階段，萌發期的耐鹽堿性對于植物在鹽堿地的存活與生長發育至關重要［19－20］。因此，探討種子萌發期在鹽堿脅迫條件下的響應對于物種能否成功定居并生存具有重要意義。文中通過對不同混合鹽堿脅迫下甜高粱種子的萌發率，萌發指數，相對鹽害率，幼根、幼芽生長情況及生物量等進行了研究，以期為黃河三角洲鹽堿地的開發利用及生物質能源作物的選育提供理論依據。

1 材料與方法

處理液配置:將廣泛存在于黃河三角洲鹽堿土壤中的 NaCl、Na2SO4和 NaHCO3按不同質量比混合，以堿性鹽所占比例由小到大的順序分成3個處理組依次標為 A、B、C 組，pH 值分別為 7.08、8.78、9.04。NaCl、Na2SO4、NaHCO3質量比依次為 A 組:W(NaCl)∶W(Na2SO4)∶W(NaHCO3)=2∶1∶0;B組:W(NaCl)∶W(Na2SO4)∶W(NaHCO3)=2∶1∶1;C組:W(NaCl)∶W(Na2SO4)∶W(NaHCO3)=2∶1∶2。各組的鹽濃度均設置 100、200、300、400、500 mmol·L－15個水平，共組成15個處理組合，以蒸餾水處理作為對照(CK，0 mmol·L－1)。

萌發試驗:選擇飽滿、整齊的種子，用10%過氧化氫消毒10 min，蒸餾水反復沖洗干凈，空氣中風干。置于微電腦控制人工萊福生化培養箱內培養，光照周期為12 h/12 h(晝/夜)，溫度為25℃/15℃(晝/夜)。采用紙上發芽法，選用帶蓋培養皿(直徑90 mm)，內置2層濾紙，每皿25粒種子，4個重復。皿中加入相應的處理液10 mL，用石蠟膜封口以防止水分蒸發，每天同一時間開蓋觀察記錄萌發情況。以種皮裂口視為發芽，統計發芽的種子數。連續觀察8d(即3d沒有新種子萌發視為發芽結束)。

幼苗形態指標:在萌發結束時，從各個處理中隨機取出10株幼苗，分別量取幼根長及幼芽長并測量其干、鮮質量。各處理液的pH值用pH計測量。

試驗數據采用統計分析軟件SPSS 13.0進行分析，考慮95%置信水平，應用最小顯著差異法(LSD)進行單因素方差分析。

2 結果與分析

2.1 混合鹽脅迫對甜高粱種子萌發的生理響應

在鹽堿環境下，種子能否萌發是植物正常生長發育的前提條件。種子生活力的表征指標主要有萌發率、萌發指數等。萌發率反映種子的發芽能力;萌發指數在一定程度上可以反映種子發芽速度，種子發芽所需時間越短，發芽指數就越大［20］。

不同混合鹽堿脅迫處理下的甜高粱的累積萌發率如圖1所示，A、B、C三組的累積萌發率曲線趨勢相似，隨著鹽堿濃度的增加，各組的累積萌發率均下降;另外，隨著pH值的增大，累積萌發率下降明顯。當 pH 值為 8.78，鹽濃度為 500 mmol·L－1時，萌發率降至13%，而當 pH值為9.04，鹽濃度為 500 mmol·L－1時，萌發率僅達到5%，說明甜高粱種子萌發受到嚴重的高鹽濃度脅迫和pH值脅迫抑制。

圖1 不同脅迫處理下甜高粱種子的累積萌發率

如圖1 所示，A1、A2、A3、B1、B2、C1、C2 組的甜高粱種子均在第1 d發芽，說明甜高粱種子可以耐受較低的鹽堿脅迫，而隨著鹽堿脅迫的增強，種子的起始發芽時間推遲，并且鹽濃度和pH值越大，對種子的發芽抑制作用越大。

由表1可以看出，甜高粱種子的萌發率、萌發指數均隨著鹽濃度的升高而降低。A1、A2、A3、B1處理組的萌發率與對照相比均無顯著性差異，說明在一定的pH值范圍內，低鹽濃度對甜高粱種子的萌發沒有明顯抑制作用。但隨著鹽濃度與pH值的增大，萌發率快速下降，當pH值為9.04，鹽濃度為500 mmol·L－1時，萌發率比對照下降了92%，說明在高鹽強堿的環境下，甜高粱種子的發芽能力減弱，發芽速度和幼苗生長速度減弱，這是由于鹽分的大量積累，種子體內難以獲得萌發所需的水分，從而降低了發芽率。表1表明，各處理組的萌發指數與對照相比，有顯著性差異，下降幅度最大的為B5、C5，萌發指數分別下降了96.46%、97.95%;下降幅度最小的為 A1、B1，萌發指數分別下降了13.13%、18.53%，說明在高鹽強堿下，甜高粱種子在前期發芽較少較慢，而在低鹽堿下，甜高粱種子在前期發芽較多較快。

表1 不同脅迫處理下甜高粱種子的萌發情況比較

2.2 混合鹽脅迫對甜高粱種子萌發的抑制作用

相對鹽害率的大小反應了鹽溶液對甜高粱種子發芽的影響程度。相對鹽害率的數值越大，說明甜高粱種子受到的傷害越重，越不易發芽和生長［21］。

從表2中可看出，隨著鹽濃度的升高，相對鹽害率增大，即鹽濃度越大，甜高粱種子越不易發芽和生長。隨著鹽濃度的升高，A、B、C組的相對鹽害率分別從1.04%上升到 37.13%、1.00%上升到 86.63%、13.46%上升到94.88%。當鹽濃度為500 mmol·L－1時，A5 的相對鹽害率僅為 37.13%，B5、C5 的相對鹽害率達到了86.63%和94.88%。這說明甜高粱種子在較低堿度范圍的環境下能較好地萌發。

表2 不同脅迫處理下甜高粱種子萌發及幼苗生長指標

2.3 混合鹽脅迫對甜高粱胚生長及生物量的影響

由表2知，甜高粱種子的幼芽長和幼根長均在鹽濃度為 0 mmol·L－1時最大，分別為 6.7、11.09 cm，隨著混合鹽濃度的升高，幼芽、幼根長顯著降低。A1、A2、A3、A4、A5 的幼芽長與對照相比分別下降了33.28%、61.19%、83.28%、94.48%、95.37%。A1、A2、A3、A4、A5 的幼根長與對照相比分別下降了44.15%、72.50%、89.81%、93.78%、96.93%，其中根長的下降趨勢更加明顯，這是因為植物萌發過程中，根部是吸收水分和礦質營養的最直接的器官，也是受滲透脅迫和離子毒害作用最明顯的部位。隨著pH值的增大，幼根、幼芽長同樣顯著下降，當混合鹽濃度為 500 mmol·L－1、pH 值≥8.78 時，甜高粱幼根的生長受到完全抑制，甚至出現了無根畸形苗。

由表2可知，A、B、C組的幼芽長與幼根長均在混合鹽處理液為500 mmol·L－1時受抑制作用最大，幼芽長與對照相比，分別下降了94.48%、98.06%、98.51%，幼根長與對照相比，分別下降了96.93%、100%、100%。結果表明，高鹽脅迫下甜高粱早期幼苗無法正常生長。

由表2可知，隨著鹽濃度的提高，幼苗的鮮、干質量受到明顯的抑制作用，呈下降趨勢。當混合鹽溶液 pH 值≥8.78，鹽濃度＞300 mmol·L－1時，幼苗受到的抑制作用最大，與對照相比，抑制作用達到100%。A1、B1組，幼苗受到的抑制作用最小，與對照相比，鮮質量分別下降了45.76%、42.93%;干質量分別下降了 48.46%、43.08%。

2.4 混合鹽脅迫特點分析

根據雙因素方差分析表明，鹽濃度、pH值、鹽濃度與pH值的相互作用對甜高粱種子萌發率、萌發指數和相對鹽害率均有極顯著性影響(P＜0.01)，且鹽濃度對其的影響力最大;鹽濃度和鹽濃度與pH值的交互作用對甜高粱種子的幼芽長的生長有極顯著性影響(P＜0.01);而鹽濃度與pH值的相互作用對甜高粱種子的幼根長的生長有極顯著性影響(P＜0.01)，鹽濃度對其具有顯著性影響(P＜0.05)。

表3 鹽濃度、pH值及兩者相互作用對甜高粱種子萌發及幼苗生長的雙因素分析

3 結論與討論

國內關于混合鹽堿脅迫對種子萌發的影響已做了大量的研究［22－25］，楊小環等［26］對 NaCl脅迫下高粱種子的萌發結果研究發現，隨著鹽脅迫的增強，高粱種子的出苗時間均明顯延遲，出苗率和成苗率下降，幼苗生長受到抑制，物質積累減少。本研究表明，甜高粱的萌發率、萌發指數均是在蒸餾水中為最高且在低鹽濃度下，甜高粱的萌發率與對照無顯著性差異。高鹽高堿情況下甜高粱種子不但發芽率低而且發芽延遲，而在低鹽低堿情況下，發芽率高且發芽速率快，能在短時間內迅速發芽。

甜高粱種子萌發在重度鹽堿脅迫下受到嚴重抑制，但在 pH 值為 7.08，鹽濃度為 500 mmol·L－1時，種子萌發率仍能達到61.00%，說明甜高粱能在低鹽度、低pH值的鹽堿地正常生長，同樣能夠在低堿性高鹽度的鹽堿地生存。

相對鹽害率可比較同一植物對不同鹽濃度的耐鹽能力，本研究中的相對鹽害率反應了鹽溶液對甜高粱種子發芽的影響程度，隨著鹽濃度的升高，相對鹽害率增大，鹽濃度越大，甜高粱種子越不易發芽和生長。當鹽濃度為500 mmol·L－1時，A5的相對鹽害率僅為37.13%，這說明甜高粱種子在一定堿度范圍的環境下能較好地萌發。本研究結果與苗昊翠［27］和喬海龍［28］等對錦雞兒種子和大麥種子的相對鹽害率研究一致。

甜高粱種子的幼芽長和幼根長均是在蒸餾水中時最大，且長勢良好。與各個混合鹽溶液處理下的幼芽長和幼根長有顯著性的差異。但隨著混合鹽濃度的升高、pH值的升高，幼苗、幼根長逐漸減小。鹽堿脅迫對甜高粱種子的幼根抑制作用大于幼芽，這是因為植物萌發過程中，根部是吸收水分和礦質營養的最直接器官，也是受滲透脅迫和離子毒害作用最明顯的部位。隨著鹽濃度的升高，幼苗的鮮、干質量受到明顯的抑制作用，呈下降趨勢。這說明，鹽堿脅迫對甜高粱幼苗的生長有一定抑制作用。

通過鹽度、pH值及兩者相互作用的雙因素分析表明鹽度對甜高粱萌發率、萌發指數、相對鹽害率影響最為顯著，鹽度與pH值兩者的相互作用對幼芽、幼根長的影響最為顯著。整體研究表明，此甜高粱品種適宜在黃河三角洲低鹽度濱海鹽堿地種植。

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