鹽分脅迫對紫花苜蓿發(fā)芽特性的影響

程 貝，樊文娜，劉家齊，趙世玉，張丹璐，韓如冰

(河南科技大學 動物科技學院，河南 洛陽 471003)

近年來，草產(chǎn)業(yè)在我國蓬勃發(fā)展，苜蓿以其適應(yīng)性廣、再生能力強而成為世界上廣泛種植的一種多年生優(yōu)質(zhì)豆科牧草,有“牧草之王”的美譽[1]。我國存在土地的鹽堿化、荒漠化等問題，使畜牧業(yè)發(fā)展受到一定程度的制約[2]。苜蓿作為青綠飼料的代表，不僅能夠促進畜牧業(yè)的發(fā)展,對生態(tài)環(huán)境進行改善,還可以推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鹽堿地的存在對此造成了不可忽視的影響[3]，據(jù)不完全統(tǒng)計，我國大約存在9913萬hm2的鹽堿地,嚴重影響著我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn),在我國的西北地區(qū),問題尤其突出,要解決這些問題,除了改良土壤外,還要研究苜蓿的耐鹽性，選育出抗鹽的品種，進一步擴大種植范圍[4]。WL系列種子具有包衣，能防病蟲害、促進田間成苗率高、幼苗生長快等優(yōu)點，在農(nóng)業(yè)種植中被用來應(yīng)對環(huán)境的不利條件[5-8]。

苜蓿適宜生長在中性稍微偏堿性的土地，pH值約為7.5，但是不耐強酸或強堿[9-15]，苜蓿可以使種植地區(qū)的鹽分降低。據(jù)研究表明：紫花苜蓿在鹽堿土壤種植5年以上，0～30 mm的含鹽量降低40.62%，30～60 mm土壤的含鹽量降低75%以上，同時堿性也有所降低。紫花苜蓿的抗寒性強，屬于強光合作用植物，其需水量較大，但因為其根系粗壯發(fā)達，深入土層，能夠利用到土層深處的地下水，因而抗旱性也強[16]。苜蓿中含有動物生長所需的蛋白質(zhì)、脂肪、礦物質(zhì)和維生素等營養(yǎng)物質(zhì)[17]，處于相同的生長條件下，苜蓿收獲所獲得的粗蛋白質(zhì)含量是禾本科植物的3倍。苜蓿干物質(zhì)中的必需氨基酸含量是玉米的5.7倍。紫花苜蓿在我們生活中已不再僅僅作為一種豆科牧草,它還被廣泛應(yīng)用于蜜源植物、水土保持和土壤改良等多個方面，并已發(fā)揮出了巨大的作用[18-19]。21世紀以來，中國加快調(diào)整和優(yōu)化農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)，農(nóng)業(yè)進行積極的轉(zhuǎn)型，乳業(yè)作為畜牧業(yè)發(fā)展的重點也隨之開始蓬勃發(fā)展，苜蓿的種植一定會被進一步推廣[20]。紫花苜蓿葉片具有排鹽功能,在豆科中的耐鹽性較強。主要分布于我國西北、華北、東北及江淮流域等地,呈栽培或半野生狀態(tài)[21]，其各個生長發(fā)育階段都會受到鹽脅迫的影響,其中對鹽脅迫最為敏感的時期為種子萌發(fā)期,因而對苜蓿種子萌發(fā)期受鹽脅迫的研究對耐鹽性苜蓿的選擇和培育至關(guān)重要[22]。苜蓿種子在鹽度大于1.5%的條件下萌發(fā)率顯著降低[23]。苜蓿對鹽脅迫最敏感時期就是種子萌發(fā)期,這個時期也是判定該苜蓿能否在鹽堿環(huán)境下生長的關(guān)鍵階段,不僅影響種子本身的播種品質(zhì),也可能影響到作物整個生長季的正常發(fā)育。很多科學家已經(jīng)對耐鹽品種進行了研究，而且已有許多相關(guān)的研究報道。

鹽分對苜蓿的影響分為原初鹽害和次生傷害。首先，土壤中存在過多的鹽分會使苜蓿的細胞和外部形成濃度差，導致自身失水嚴重、葉綠素被破壞、正常的生理活動受到影響、光合作用受抑制。葉綠素合成受阻、氣孔關(guān)閉,使光合速率下降。呼吸作用的改變，蛋白質(zhì)合成受抑制和有毒物質(zhì)的積累，鹽脅迫使苜蓿體內(nèi)積累有毒的代謝產(chǎn)物[24]。次生傷害的持續(xù)時間會更長并會持續(xù)作用于植物體，水分虧缺、土壤鹽分過多使苜蓿根際土壤溶液滲透勢降低,植物處于水逆境,導致吸水困難,處于生理干旱狀態(tài)。苜蓿處于缺水和鹽分流失的情形下，苜蓿的外部形態(tài)特征會處于病態(tài)。同時多余的鹽分也會導致離子吸收不平衡,主要是由于苜蓿在吸收礦質(zhì)元素的過程中鹽與各種營養(yǎng)元素相互競爭,從而阻止苜蓿對一些礦質(zhì)元素的吸收而造成的。最常見的就是由NaCl所引起的缺K+現(xiàn)象[25]。據(jù)聯(lián)合國教科文組織和糧農(nóng)組織的不完全估計,世界上的鹽堿地廣泛分布于100多個國家[26],我國主要分布于華北、東北、西北和東北等內(nèi)陸干旱和半干旱地帶，我國東北松遼盆地的中部區(qū)域一帶有大面積的鹽堿地[27-30]，并逐漸擴展到我國東部沿海一帶，對于我國種植業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了不利的影響。本次試驗的主要目的是篩選在鹽堿地種植時生長較好的苜蓿品種，為紫花苜蓿在鹽堿地的有效種植利用提供科學依據(jù)。

1 試驗材料

1.1 試驗種子

試驗采用WL系列的紫花苜蓿品種，分別為：WL903、WL168HQ、WL343HQ、WL353LH、WL363HQ，具體的品種介紹見表1。

表1 不同紫花苜蓿品種的特性

1.2 試驗試劑和儀器

試驗試劑：NaCl分析純配制溶液。

試驗儀器：人工氣候培養(yǎng)箱、0.0001感量的天平、250 mL容量瓶、小燒杯、培養(yǎng)皿105個、直徑9 mm濾紙、試劑瓶、游標卡尺等。

1.3 試驗設(shè)計

試驗采用5種WL系列的紫花苜蓿種子，在對培養(yǎng)皿進行充分消毒晾干后，對各個品種的苜蓿進行隨機取樣，去除包衣不完整的種子。試驗設(shè)置0、20、40、60、80、100、120 mmol/L共7個濃度，3組重復試驗。

試驗采用濾紙發(fā)芽法，將選取的苜蓿種子均勻平放于鋪有單層濾紙的9 mm玻璃培養(yǎng)皿中，每皿50粒。對應(yīng)不同品種分別加入各濃度梯度的鹽溶液，每個培養(yǎng)皿中滴加溶液要等量，至濾紙濕潤即可。然后室內(nèi)放置12 h后于次日早晨7：00放入人工氣候箱中進行培養(yǎng)。以0的蒸餾水為對照組，進行3次重復試驗，采用單因素設(shè)計。

人工氣候箱中的溫度設(shè)置為光照25 ℃、黑暗時為22 ℃；每天13 h的光照時間，11 h的黑暗時間；箱內(nèi)相對濕度65%、光照強度8000 lx。培養(yǎng)時間周期為10 d,試驗期間，根據(jù)培養(yǎng)皿內(nèi)每天所失水分，加對應(yīng)等量的相應(yīng)鹽溶液，以保持苜蓿苗期生長環(huán)境的所需水分。

1.4 測定指標

根據(jù)相應(yīng)的《GB/T 3543─1995農(nóng)作物種子檢驗規(guī)程》的試驗要求。從種子放入培養(yǎng)箱中的第2天開始，每天定時察看并記錄種子發(fā)芽和幼苗生長的情況(當胚根伸出種皮發(fā)時即為芽)。確保種子處于正常的試驗運作之中，試驗于第4天統(tǒng)計發(fā)芽勢，發(fā)芽率第10天計算，對種子的鮮重，根長進行測定和記錄，試驗的數(shù)據(jù)處理公式如下:

發(fā)芽率(GR)/%=∑Gt/T×100%

發(fā)芽勢(GP)/%=∑Gt′/T×100%

發(fā)芽指數(shù)(GI)=∑Gt/Dt

活力指數(shù)(VI)=GI×S

在公式中，Gt是10 d內(nèi)的種子發(fā)芽數(shù)，T是試驗種子數(shù)，Gt′是4 d內(nèi)的種子發(fā)芽數(shù)，Dt是發(fā)芽的天數(shù)，S是單株幼苗的平均鮮重。

根長:試驗第10天時，在每個培養(yǎng)皿中隨機取出10株苜蓿幼苗，用游標卡尺測定并記錄。

鮮重:試驗第10天時，在每個培養(yǎng)皿中隨機取出10株苜蓿幼苗，于分析天平上稱量并記錄幼苗的重量，然后計算單株幼苗的鮮重。

2 樣品與數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)使用Excel 2007進行基本處理后，采用中文版SPSS 20.0數(shù)據(jù)處理軟件進行方差分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 鹽溶液對5種紫花苜蓿種子發(fā)芽勢的影響

由表2可知，在不同的鹽溶液脅迫下，苜蓿所受的影響存在一定差異。各個品種在120 mmol/L時的發(fā)芽勢與0～100 mmol/L之間存在顯著性差異(P<0.05)。WL353LH在濃度0～40 mmol/L與60～100 mmol/L之間差異性顯著(P<0.05)；WL363HQ品種在濃度0～20 mmol/L與40～100 mmol/L之間差異性顯著(P<0.05)；WL168HQ在濃度0～60 mmol/L與80～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL903品種在濃度0～40 mmol/L與60～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL343HQ在濃度0～60 mmol/L與80～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；5個品種在濃度0～20 mmol/L均不存在顯著差異(P>0.05)。

表2 鹽溶液對不同紫花苜蓿種子發(fā)芽勢的影響 %

3.2 鹽溶液對5種紫花苜蓿種子發(fā)芽率的影響

由表3可知，各個品種在濃度為120 mmol/L時的發(fā)芽率與0～100 mmol/L之間存在顯著性差異。WL353LH品種在濃度0～40 mmol/L與60～100 mmol/L之間存在顯著性差異(P<0.05)；WL363HQ在濃度0～20 mmol/L與80～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL168HQ在濃度0～80 mmol/L與100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL903在濃度0～40 mmol/L與80～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL343HQ在濃度0～20 mmol/L與40～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；各個品種在濃度為0～20 mmol/L時的發(fā)芽率差異性均不顯著。

3.3 鹽溶液對5種紫花苜蓿單株鮮重的影響

由表4可知，5個品種紫花苜蓿在鹽濃度為120 mmol/L和0～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)。WL903系列種子在pH值為2的溶液培養(yǎng)下表現(xiàn)較好(平均單株鮮重0.0229 g)。各個品種的苜蓿在鹽濃度為120 mmol/L時與濃度在0～100 mmol/L的單株鮮重存在顯著性差異(P<0.05)；WL363HQ、WL353LH、WL168HQ和WL343HQ幾個品種在鹽濃度為0～100 mmol/L時的差異性不顯著(P>0.05);WL903品種在鹽濃度為0～80 mmol/L與100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)。溶液的濃度在20 mmol/L時，各個品種的苜蓿的鮮重均大于蒸餾水時，在弱鹽的條件下會促進苜蓿的生長。

表3 鹽溶液對不同紫花苜蓿種子發(fā)芽率的影響 %

表4 鹽溶液對不同紫花苜蓿幼苗單株鮮重的影響 g

3.4 鹽溶液對5種紫花苜蓿根長的影響

由表5可知，相同鹽溶液脅迫下，所選參與試驗的WL系列紫花苜蓿幼苗根長均受到不同影響。5個品種紫花苜蓿的根長在鹽濃度為120 mmol/L和0～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)。WL353LH品種在濃度為0～120 mmol/L與80～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL363HQ品種在濃度為0～20 、60～100、40 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL168HQ品種在濃度為0～20 mmol/L與40～80 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL903品種在濃度為0～40 mmol/L與60～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)；WL343HQ品種在濃度為0～60 mmol/L與80～100 mmol/L之間存在差異性顯著(P<0.05)。

表5 鹽溶液對不同紫花苜蓿幼苗根長的影響 mm

3.5 鹽溶液對5種紫花苜蓿種子發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)的影響

由圖1可知，在不同程度的鹽脅迫下，不同品種的紫花苜蓿種子的發(fā)芽指數(shù)均受到不同程度的影響。當溶液的鹽濃度達到120 mmol/L時，苜蓿的發(fā)芽指數(shù)顯著降低，鹽濃度在0～60 mmol/L這一區(qū)間有較高的發(fā)芽指數(shù)，處于平緩狀態(tài)。當鹽濃度處于較低時(20～80 mmol/L)苜蓿的能夠生長正常，濃度較高時(120 mmol/L)苜蓿生長受到嚴重抑制。在鹽濃度達到20 mmol/L是苜蓿中的發(fā)芽指數(shù)處于最大值，隨著鹽濃度的不斷增大，種子的發(fā)芽指數(shù)不斷減小在鹽濃度為100 mmol/L和120 mmol/L時，WL903的發(fā)芽指數(shù)均明顯大于其他幾個品種，表明該品種的抗鹽性要好于其他品種。

由圖2可知，在不同程度的鹽脅迫下，不同品種的紫花苜蓿種子的活力指數(shù)均受到不同程度的影響。當溶液的鹽濃度達到120 mmol/L時，苜蓿的活力指數(shù)顯著降低，鹽濃度在0～60 mmol/L這一區(qū)間有較高的活力指數(shù)，處于平緩狀態(tài)。當鹽濃度處于較低時(20～80 mmol/L)苜蓿的能夠生長正常，濃度較高時(120 mmol/L)苜蓿生長受到嚴重抑制。種子的活力指數(shù)不斷減小；在鹽濃度為100～120 mmol/L時WL903的發(fā)芽指數(shù)均明顯大于其他幾個品種，表明該品種的抗鹽性要好于其他品種；溶液的濃度在20 mmol/L時，各個品種的苜蓿的鮮重均大于蒸餾水時，弱鹽的條件下會促進苜蓿種子的生長。

圖1 不同的鹽濃度對紫花苜蓿幼苗的發(fā)芽指數(shù)的影響

圖2 不同的鹽濃度對紫花苜蓿幼苗活力指數(shù)的影響

4 討論與小結(jié)

苜蓿種子的發(fā)芽和生長指標是衡量紫花苜蓿種子品質(zhì)的關(guān)鍵，在NaCl溶液脅迫試驗中，紫花苜蓿不同品種在相同溶液中種子發(fā)芽率的差異表明著它們對鹽性環(huán)境的耐受性差異的不同。

緱鋒利[31]的研究結(jié)果表明,當NaCl質(zhì)量分數(shù)小等0.42%時使苜蓿種子正常萌發(fā),而其耐鹽的臨度可能在0.6%～0.9%,所以苜蓿是具有較強的耐鹽性。楊光[32]等的研究指出：植物萌發(fā)期和幼苗期對鹽脅迫比較敏感其他生長發(fā)育階段對鹽濃度相對不敏感,植物生長發(fā)育早期是進行耐鹽性研究的適宜時期。因此,在種子萌發(fā)期進行耐鹽性鑒定和評價具有重要意義。彭湖[33]對于多品種的苜蓿研究發(fā)現(xiàn)低濃度(50 mmol/L)鹽處理對紫花苜蓿的萌發(fā)和生長具有促進作用;隨著鹽濃度(85、120、170 mmol/L)的升高,紫花苜蓿的發(fā)芽率和生長受到明顯抑制,表現(xiàn)為相對發(fā)芽率、相對幼根長、相對幼苗高以及相對單株鮮質(zhì)量隨著鹽濃度的升高而明顯下降。Bouzid等[34]發(fā)現(xiàn)苜蓿種子可以在高鹽濃度中萌發(fā)。然而，在低鹽分中獲得了最高的發(fā)芽率。發(fā)芽的最佳溫度為15～25 ℃，而低溫和高溫顯著抑制了所有NaCl濃度的種子萌發(fā)。在較高的熱周期中，與較低的熱周期相比，萌發(fā)率明顯較低。黃婷等[35]通過研究在不同pH值的H2SO4與HNO3混合而成的模擬酸雨對紫花苜蓿種子生理生化特性的影響。對試驗結(jié)果進行分析比較后發(fā)現(xiàn)，在弱酸條件下(pH值在4.0以上)的苜蓿種子可以正常發(fā)芽生長,這說明紫花苜蓿對酸也具有一定的耐受性[36]。候振安等[37]認為把發(fā)芽指數(shù)活力指數(shù)、發(fā)芽勢、發(fā)芽率等結(jié)合起來進行綜合行的評價更加合理，考慮了種子的發(fā)芽數(shù)目，生長的活力，種子發(fā)芽的整齊度和萌發(fā)速度，本試驗增加了根長、莖長、根重和鮮重等指標。馬亞麗等[38]等研究發(fā)現(xiàn)同等鹽濃度下NaCl的脅迫作用要明顯于Na2SO4，單鹽的毒性大于復鹽，劉卓等[39]發(fā)現(xiàn)我國大部分的鹽堿地是氯化物，結(jié)合兩項結(jié)論本試驗采用NaCl溶液。試驗結(jié)果表明，鹽脅迫對包衣紫花苜蓿種子萌發(fā)影響是否顯著取決于鹽濃度大小。劉卓等[39]的試驗得出濃度為0.8%和1%的NaCl溶液對苜蓿的生長有較強的抑制作用，本試驗中當NaCl溶液的濃度達到120 mmol/L時，紫花苜蓿種子萌發(fā)和生長收到極強的抑制，WL系列5個品種的紫花苜蓿種子的發(fā)芽率均低于60%。在鹽濃度為20～80 mmol/L區(qū)間中，紫花苜蓿的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、根長、莖長等數(shù)據(jù)處于平緩的趨勢，各生長數(shù)據(jù)沒有明顯的波動，說明苜蓿在弱鹽條件下也可正常生長，具有一定的耐鹽性的[40]。本試驗中，低濃度的鹽溶液條件下，種子的發(fā)芽特性要優(yōu)于蒸餾水中，與王玉民等[41]研究表明：“低濃度的鹽溶液對苜蓿的萌發(fā)和生長有一定的促進作用”是一致的。

試驗證明，紫花苜蓿種子在低鹽環(huán)境(20～60 mmol/L)下的生長發(fā)育優(yōu)于蒸餾水中的，能夠正常的進行萌發(fā)和生長，包衣紫花苜蓿種子具有一定的耐鹽性，但是在高鹽環(huán)境(120 mmol/L)中紫花苜蓿種子的萌發(fā)受到了明顯的抑制，發(fā)芽和生長受到嚴重阻礙。

對紫花苜蓿種子發(fā)芽率，發(fā)芽勢，幼苗單株鮮重，幼苗根長，根重，發(fā)芽指數(shù)，活力指數(shù)等數(shù)據(jù)進行測定分析后發(fā)現(xiàn)：

(1)在20～60 mmol/L的鹽溶液中紫花苜蓿種子的萌發(fā)良好，說明紫花苜蓿種子能夠在弱鹽環(huán)境中正常發(fā)芽。

(2)5種紫花苜蓿種子對鹽的耐受性由高到低表現(xiàn)為：WL903>WL168HQ>WL343HQ>WL353LH>WL363HQ。