新疆棉花萌發期的耐鹽能力分析

關鍵詞：棉花；復合鹽；鹽脅迫；萌發；種子

新疆是我國棉花的主要種植區，2022年棉花種植面積占全國總種植面積的83.2%[1]。南疆地區具有日照時間長、晝夜溫差大、干旱少雨的獨特環境，為棉花生長提供了優勢條件，該區棉花種植面積超過新疆棉花種植總面積的2/3，形成了“中國棉花看新疆、新疆棉花看南疆”的格局[2]。然而，南疆地區鹽堿化耕地面積占總耕地面積的49.6%，其中27.68% 為中度、重度鹽堿化耕地[3]。土壤鹽堿化嚴重制約了南疆地區棉花產業的可持續發展。

棉花（Gossypium hirsutum L.）是中等耐鹽作物，已有的關于棉花耐鹽脅迫的研究主要集中在單一鹽（如NaCl）脅迫下，涉及種子萌發特性、幼苗生理特性和光合特性等方面[4-9]，而對混合鹽堿脅迫的研究鮮有報道。鹽堿土中的主要致害鹽分是中性鹽NaCl、Na2SO4 和堿性鹽NaHCO3、Na2CO3[8-12]。種子萌發是植物生長發育的重要時期，且對鹽堿敏感[13]。前人已對萌發期不同植物對鹽堿脅迫的耐受能力進行了研究，如鷹嘴紫云英、稗屬牧草、花生和燕麥[14-17]。然而，有關混合鹽堿脅迫對不同品種棉花種子萌發特性影響的研究有限[9]，且對于鹽堿脅迫下棉花種子萌發期耐鹽半致死濃度的報道較少。因此，本研究利用NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3按一定比例混合模擬南疆鹽堿土壤環境，并采用棉花萌發期耐鹽能力快速鑒定方法——雙層濾紙萌發法[4]，對南疆主栽棉花品種塔河2號和新陸中62號[18]開展種子萌發期耐鹽堿能力試驗，探討2個品種棉花在不同類型鹽堿脅迫下的萌發情況，估算不同鹽堿脅迫下的棉花發芽率的耐鹽半致死濃度，以期為南疆棉花種質的選育以及棉花萌發期評價耐鹽堿能力的重要指標提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為棉花品種塔河2 號和新陸中62號，均由塔河種業提供。其中，塔河2號種子為深棕色，千粒重87.55 g；新陸中62號種子為淺棕色，千粒重90.90 g。試驗所用NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3均為分析純，購自天津市鑫鉑特化工有限公司。

1.2 試驗設計

試驗于2023年2—6月在新疆農業科學院拜城農業實驗站人工氣候室進行，根據南疆試驗地土壤鹽分的組成及土壤鹽度和pH的變化進行人工模擬混合鹽堿脅迫試驗[17，19]。根據美國農業部（United States Department of Agriculture，USDA）實驗室標準，當土壤介質的電導率（eletricalconductivity，EC）高于4 dS·m?1（相當于40 mmol·L?1NaCl）時，達到土壤鹽堿化，并參照前人棉花種子萌發期所設鹽堿水平范圍[4]，將2種中性鹽（NaCl、Na2SO4）和2種堿性鹽（NaHCO3、Na2CO3）按照摩爾比1∶0∶0∶0（S1）、9∶1∶0∶0（S2）、0∶0∶9∶1（S3）、9∶1∶9∶1（S4）進行混合[17，19‐20]（表1），配置總鹽濃度分別為40、80、120、160和200 mmol·L?1的混合鹽堿處理液，共計20 種鹽脅迫處理。在40～200 mmol·L?1的鹽濃度范圍內，S1、S2、S3、S4處理的pH分別在7.0～7.2、7.0～7.5、9.0～9.5和9.0～9.1。S1混合鹽堿水平為40 mmol·L?1 記作S1-40，依此類推，以施用蒸餾水作為對照（CK）。

選取顆粒飽滿、大小一致的供試棉花種子，用0.4%高錳酸鉀溶液消毒15 min，蒸餾水沖洗5次，并晾24 h后備用。在直徑為90 mm的墊有雙層濾紙的培養皿中加入5 mL各處理液，每個處理均設置3次重復。再將20粒棉花種子整齊置于培養皿中，置于25 ℃恒溫人工氣候室中進行試驗（相對濕度設定為50%、12 h 光照/12 h 黑暗、光照強度為284 μmol·m?2·s?1）。試驗過程中，每2 d更換1次處理液及濾紙。

1.3 測定項目及方法

在種子萌發過程中，每24 h觀察并記錄1次種子萌發情況，以胚芽突破種皮且超過種子本身長度1/2作為萌發標準[12]，每重復中有1粒種子萌發即為該處理的初始萌發時間，于第3天統計發芽勢，第7天統計發芽率[5，12]，計算萌發速率[3]。種子萌發指標計算公式如下。

式中，Gi為第i 天的發芽率，Di為統計萌發的第i 天。

生長8 d后，從各處理樣品中選取長勢一致的棉花幼苗，剝去包裹幼苗的種皮，用萬分之一天平稱取鮮重；然后裝入信封袋中置入烘箱105 ℃殺青30 min，80 ℃烘干至恒重，并稱其干重。

通過擬合濃度?發芽率關系計算棉花種子發芽率耐鹽半致死濃度，耐鹽半致死濃度為對照發芽率降低50%的鹽濃度[6，21]。

1.4 數據處理

用Excel 2010處理數據，用SPSS 26進行方差分析，用Duncan’s 檢驗法進行差異顯著性（Plt;0.05）分析。用Origin 2018進行線性擬合（Logistic）和繪圖。用R語言進行相關性分析和主成分分析并進行繪圖。所有結果均用平均值±標準差表示，3次生物學重復。

2 結果與分析

2.1 4 種鹽脅迫對棉花種子發芽勢和發芽率的影響

由圖1和圖2可知，在4種鹽脅迫下，塔河2號和新陸中62號棉花種子的發芽勢均隨著鹽水平的升高呈下降趨勢。由圖1可知，各水平下塔河2號在S4處理的發芽勢均顯著高于其他處理。在鹽水平為40 mmol·L?1時，S1、S2和S3處理發芽勢顯著低于CK，S4處理發芽勢與CK無顯著差異，S1～S4 處理間存在顯著差異。在鹽水平為80 和120 mmol·L?1時，發芽勢大小為S4gt;S3gt;S2、S1。在鹽水平為160和200 mmol·L?1時，S1、S2和S3處理之間無顯著差異。

由圖2 可知，在鹽水平為40 和80 mmol·L?1時，S1～S4處理下新陸中62號種子的發芽勢均顯著低于CK，S1～S4處理之間無顯著差異。鹽水平≥80 mmol·L?1 時，同一鹽水平下S4 處理新陸中62號發芽勢均顯著高于其他處理，與塔河2號發芽勢類似。S1、S2和S3處理下，塔河2號分別在120、200和160 mmol·L?1鹽水平時失去發芽能力；而新陸中62號均在160 mmol·L?1鹽水平時失去發芽能力。200 mmol·L?1鹽水平的S4處理下，塔河2 號和新陸中62 號的發芽勢分別為33.33% 和10.00%。同一鹽水平下，塔河2號和新陸中62號對S4鹽脅迫的耐受能力較強，且塔河2號比新陸中62號對S4鹽脅迫的耐受能力強。

從發芽率來看，在鹽水平40 mmol·L?1 時，塔河2 號和新陸中62 號的發芽率與CK 差異不顯著，且S1～S4 處理之間無顯著差異。在鹽水平80 mmol·L?1時，塔河2號4 個處理間的發芽率差異不顯著；新陸中62號的發芽率表現為S2顯著大于S3，而與S1、S4處理間差異不顯著。在鹽水平160 mmol·L?1 時，塔河2號和新陸中62號發芽率均表現為S4處理顯著高于其他處理。在鹽水平200 mmol·L?1 時，塔河2號和新陸中62號的發芽率均表現為S4 和S2 處理顯著高于S1 和S3處理。

綜上可知，在40 mmol·L?1時4種鹽脅迫對棉花種子萌發抑制的程度較小，隨著鹽水平的增加，4 種鹽脅迫對棉花種子發芽勢的影響強于發芽率。

2.2 4 種鹽脅迫對棉花種子萌發進程的影響

由圖3可知，在4種鹽脅迫處理下，塔河2號和新陸中62號的初始萌發時間均隨著鹽水平的升高逐漸延后。2個棉花品種在CK處理下的初始萌發時間相同，均為第1天。在40 mmol·L?1鹽水平時，2 個品種棉花在S1～S4 處理下的初始萌發時間均推遲了1 d。鹽水平≥80 mmol·L?1 時，2個品種棉花的初始萌發時間存在差別，其中，80mmol·L?1 鹽水平時塔河2號在S1和S2處理的初始萌發時間均推遲了2 d，在S3和S4處理均推遲了1 d；新陸中62 號在S1 和S4 處理的初始萌發時間均推遲了1 d，在S2和S3處理均推遲了2 d。120 mmol·L?1鹽水平時，塔河2號在S1～S4處理的初始萌發時間推遲了1～3 d；而新陸中62號均推遲了2 d。160 mmol·L?1鹽水平的S1、S2、S3和S4處理下，塔河2號的初始萌發時間分別推遲了4、2、 5 和1 d；新陸中62號除了在S3處理始終未萌發外，在S1、S2和S4處理分別推遲了3、3和2 d。當鹽水平高達200 mmol·L-1 時，2 個品種棉花種子在S3 處理下始終未萌發，在S1、S2 和S4 處理下，塔河2號的初始萌發時間分別推遲了6、3和1 d，新陸中62號的初始萌發時間分別推遲了3、3和2 d。以上結果表明，4種鹽脅迫延長了2個品種棉花種子的初始萌發時間，鹽水平40 mmol·L?1時，4種鹽脅迫推遲棉花種子的初始萌發時間相同；鹽水平高于40 mmol·L?1時，鹽脅迫推遲棉花種子初始萌發時間因棉花品種、鹽堿類型和水平而異。

2.3 4 種鹽脅迫對棉花種子萌發速率的影響

由圖4 和圖5 可知，4 種鹽脅迫處理下塔河2號和新陸中62號的萌發速率隨著鹽水平的升高呈顯著下降趨勢。同一鹽水平下，塔河2號均在S4處理的萌發速率最高，且顯著高于其他處理，其中，40和80 mmol·L?1鹽水平時，S1與S2間無顯著差異；在鹽水平≥120 mmol·L?1 時。S1 與S3 間無顯著差異。在40和80 mmol·L?1鹽水平時，新陸中62號的萌發速率在S1～S4處理之間無顯著差異；當鹽水平為120 和160 mmol·L?1時，同一鹽水平下新陸中62號萌發速率表現為S4gt;S1、S2gt;S3，S1與S2間無顯著差異；當鹽水平為200 mmol·L?1時，新陸中62號萌發速率表現為S4gt;S2gt;S1、S3，S1與S3間無顯著差異。以上結果表明，4種鹽脅迫處理均降低了萌發速率。

2.4 4 種鹽脅迫對棉花幼苗鮮重和干重的影響

由圖6 可知，在40 mmol·L?1 鹽水平時，S1 處理提高了新陸中62 號幼苗的鮮重，較CK 增加6.86%，S3鹽處理提高了塔河2號幼苗的鮮重，較CK 增加6.25%；與CK 相比，S2 和S4 處理均降低了2 個品種棉花幼苗的鮮重。當鹽水平超過40 mmol·L?1 時，與CK相比，S1～S4處理均降低了2 個品種棉花幼苗的鮮重。當鹽水平高達200 mmol·L?1時，S3處理下2個品種棉花種子均失去了發芽能力，與CK相比，在S1、S2和S4處理下塔河2號幼苗鮮重降幅分別為56.41%、32.07%和35.45%，新陸中62 號幼苗鮮重降幅分別為27.01%、28.05%和9.77%。

在40 mmol·L?1鹽水平時，S1處理提高了新陸中62號幼苗的干重，較CK增加1.81%；S2處理提高了塔河2號幼苗的干重，較CK增加3.47%；而S3和S4處理均較CK降低了2個品種棉花幼苗的干重。在80 mmol·L?1鹽水平時，S2處理提高了塔河2號幼苗的干重，較CK增加1.83%。當鹽水平超過80 mmol·L?1時，S1～S4處理均較CK降低了2個品種棉花幼苗的干重，當鹽水平高達200 mmol·L?1時，與CK相比，在S1、S2和S4鹽處理下塔河2號幼苗干重的降幅分別為13.89%、5.67%和9.77%，新陸中62號幼苗干重的降幅分別為11.25%、30.49%和11.62%。

綜上可知，40 mmol·L?1的S1、S2和S3處理可促進棉花幼苗生物量的積累，而S4處理各水平均抑制了棉花幼苗生物量的積累。

2.5 4 種鹽脅迫對棉花種子各項指標的綜合影響

對4 種鹽脅迫下2 個棉花品種的發芽勢、發芽率、萌發速率、幼苗鮮重和干重進行相關性分析（圖7A、B）。可以看出，各指標之間呈正相關關系，且發芽率與其他指標之間存在顯著相關性（Plt;0.01）。然而，2 個棉花品種的各指標之間的相關程度存在一定差異，塔河2號的發芽勢與幼苗干重間沒有顯著相關性，而新陸中62號的各項指標之間均顯著相關（Plt;0.05）。

為綜合評價不同處理對2 個棉花品種的影響，進行主成分分析（圖7C、D）。以特征值gt;1為原則，提取出2個主成分，在主成分雙標圖中，距離越近表示相似程度越高。對于塔河2號，第1主成分解釋了總方差的78.5%，第2 主成分解釋了總方差的17.9%，二者共解釋了96.4% 的方差。對于新陸中62 號，第1 主成分解釋了總方差的78.1%，第2主成分解釋了總方差的18.7%，二者共解釋了96.8%的方差。2個品種的主成分分析結果均顯示：①發芽勢、發芽率和萌發速率在同一象限，鮮重和干重在同一象限；發芽率對第1主成分（PC1）的貢獻最大；②CK處理與指標發芽勢、發芽率和萌發速率在相同的象限；③S3-160 和S3-200 處理與其他處理在主成分空間中距離較遠。綜上可知，發芽率是評價棉花萌發期耐鹽堿能力的重要指標。

2.6 4 種鹽脅迫下棉花種子發芽率的耐鹽半致死濃度

通過棉花種子發芽率來模擬分析4種鹽處理對棉花種子萌發的影響（圖8）。種子發芽率的耐鹽半致死濃度是指發芽率降低50%時所對應的鹽濃度，根據擬合曲線得到塔河2號種子在S1、S2和S3 脅迫下發芽率的耐鹽半致死濃度分別為109.62 、145.34 、103.64 mmol·L?1，而在試驗所設水平范圍內未達到塔河2號種子在S4鹽脅迫下發芽率的耐鹽半致死濃度。新陸中62號種子對S1、S2、S3和S4鹽脅迫下發芽率的耐鹽半致死濃度分別115.99 、137.12 、92.54 和186.13 mmol·L?1。比較2個品種棉花在4種鹽脅迫下發芽率的耐鹽半致死濃度表明，塔河2 號和新陸中62 號種子在4種鹽處理下耐鹽能力由強到弱依次為S4gt;S2gt;S1gt;S3；在S1處理下，塔河2號lt;新陸中62號；在S2、S3和S4鹽脅迫下，塔河2號gt;新陸中62號。說明同一作物對不同類型鹽脅迫的耐受能力不同，且同一作物不同品種對相同類型鹽脅迫的耐受能力存在差異。

3 討論

本研究所選2個品種棉花種子在蒸餾水處理下初始萌發時間為第1 天，發芽率均高于95%，說明供試材料萌發用時短、出芽整齊、種子活力高。40 mmol·L?1的4種鹽處理下2個品種棉花種子的發芽率均與CK無顯著差異，且各處理間無顯著差異，其初始萌發時間均較CK推遲1 d。此外，在2個品種棉花主成分分析個體和向量雙標圖中，40 mmol·L?1的S1～S4處理均與CK處理在同一象限且距離較近， 說明2 個品種棉花種子對40 mmol·L?1的4種鹽處理具有一定的耐受能力。隨著鹽水平的升高，2個品種棉花種子發芽勢、發芽率、萌發速率均呈下降趨勢，初始萌發時間推遲，這與已有的研究[6，9，22]相似。種子發芽率越低，說明鹽脅迫對種子萌發的危害程度越大。本研究結果表明，在40 和80 mmol·L?1鹽水平時，同一品種棉花在中性單鹽NaCl（S1）和中性復鹽（S2）的發芽率和萌發速率差異較小，萌發速率表現為S1gt;S2；80 mmol·L?1 鹽水平時，S1lt;S2。隨著鹽水平的增加，同一鹽水平下，2 個品種棉花的發芽勢、發芽率和萌發速率均表現為S1小于S2，表明在中性鹽里單鹽的危害大于復鹽。

研究表明，堿性鹽脅迫下，在鹽水平較低時HCO-3 和CO23 -對種子萌發的影響較小，而在鹽水平較高時，除了具有與中性鹽相同的鹽害（滲透脅迫和離子毒害）外，還有高pH產生的負面影響，即相同鹽水平條件下堿性鹽較中性鹽對種子萌發危害更大[7，19-21，23]。在本研究中，在堿性復鹽（S3）水平為0～120 mmol·L?1 時，塔河2號和新陸中62號均有萌發，在本研究所設最高水平200 mmol·L?1時，S3脅迫下2個品種棉花種子失去發芽能力，而同水平的S1、S2和S4鹽脅迫下2個品種棉花種子均有萌發。并且S3脅迫下棉花根系受到的損傷更嚴重，出現了胚根腐爛現象。孫文君[19]對棉花幼苗新陸中37在正常環境下生長至2葉1心后進行中性復鹽、堿性復鹽、鹽堿混合脅迫處理，結果表明，150 mmol·L?1鹽水平時，3種鹽脅迫對棉花幼苗的鹽害程度依次是鹽堿混合脅迫gt;堿性復鹽gt;中性復鹽。本研究結果與孫文君[19]存在差異，160 mmol·L?1鹽水平時，從種子的發芽率、萌發速率和幼苗的鮮重、干重來看，4種鹽脅迫對2個品種棉花種子萌發期的鹽害程度依次是堿性復鹽（S3）gt;中性單鹽（S1）gt;中性復鹽（S2）gt;鹽堿混合（S4）脅迫，這可能與試驗材料、生育期和試驗方法等不同有關。

作物耐鹽堿性是個復雜的特征，通過相關性分析可知2個品種棉花的發芽率均與其他各項指標存在顯著相關。楊淑萍等[6]研究表明，棉花種子發芽率的耐鹽半致死濃度能夠判定其耐鹽能力。本研究通過擬合曲線得到塔河2號和新陸中62號種子在S1脅迫下發芽率的耐鹽半致死濃度分別為109.62和115.99 mmol·L?1，該結果與楊淑萍等[6]的研究結果較為接近。同一作物不同品種在不同類型鹽脅迫下的耐鹽能力存在差異[6，9，22]。本研究結果證實了該觀點，通過擬合曲線得到塔河2號在S2和S3脅迫下發芽率的耐鹽半致死濃度分別為145.34 和103.64 mmol·L?1，新陸中62號在S2、S3和S4脅迫下發芽率的耐鹽半致死濃度為137.12 、92.54和186.13 mmol·L?1。對2個品種棉花種子發芽率的耐鹽半致死濃度比較表明，新陸中62號對S1脅迫表現出更強的耐受性，塔河2號對S2、S3和S4表現出更強的耐受性。該研究僅在室內對種子萌發期耐鹽性進行了評價，不同階段棉花耐鹽性存在差異，其他階段的耐鹽性還有待進一步研究。