李俊萍，王秀萍，劉素娟，魯雪林，吳 哲

（1河北省容城縣農業(yè)農村局，河北保定 071700；2河北省鹽堿地綠化技術創(chuàng)新中心，河北唐山 0632993；3河北省農林科學院濱海農業(yè)研究所，河北唐山 063299；4河北省種子管理總站，石家莊 050051）

0 引言

玉米是中國重要的糧飼兼用作物，常年播種面積2500萬hm2左右，約占世界總面積的17.2%[1]。玉米對鹽分中度敏感，鹽脅迫下玉米的生長發(fā)育受到明顯的抑制，是對鹽分中等敏感的禾本科作物[2-3]。土壤鹽漬化是影響作物生產的重要非生物脅迫因素，在實踐生產上制約著農業(yè)的發(fā)展。而玉米作為一種易種植，好管理，適應性強的糧飼兼用作物，如果能被合理種植于鹽漬化土地，并產生經濟效益，對促進鹽堿地農業(yè)產業(yè)發(fā)展具有重要意義[3]。

發(fā)展鹽堿地玉米產業(yè)的有效的方法是選擇具有耐鹽性好的玉米品種資源，而通過耐鹽鑒定手段評估玉米耐鹽性，對鹽堿地玉米增產及耐鹽育種至關重要[4-6]。苗期和芽期是玉米鹽脅迫的關鍵期，研究表明，生長初期耐鹽性強的品種在生長后期也會表現(xiàn)出一定的耐鹽性[7]。楊書華等[8]比較了14個吉林省種植面較廣的玉米雜交種的鹽堿耐性，發(fā)現(xiàn)大田鑒定結果與苗期耐鹽堿能力綜合評價分級基本吻合。玉米生長初期鑒定耐鹽性具有快速、穩(wěn)定、能代表后期的生長發(fā)育等優(yōu)點，因此目前研究玉米的耐鹽性多選擇在萌發(fā)期或苗期采用NaCl水培法或沙土盆栽鹽水過飽和灌溉法[7]。然而這些方法未考慮到土壤質地、通透性或鹽分積累等因素對玉米的影響[9-10]。

由于不同玉米品種對鹽脅迫反應不同，采用不同的方法和不同評價指標所得的結果不同，因此玉米耐鹽鑒定指標篩選及評價標準很難統(tǒng)一[6]。現(xiàn)有研究已經表明一定程度的鹽脅迫對玉米的形態(tài)學指標、光合系統(tǒng)、酶系統(tǒng)及滲透調節(jié)等相關的理化指標有顯著影響。因此多指標綜合評判玉米耐鹽性已經成為共識[1]。然而在指標選擇及評價標準上依然沒有統(tǒng)一的行業(yè)鑒定標準。因此本研究旨在從濱海地區(qū)鹽堿地土壤實際狀況出發(fā)，研究不同玉米品種的苗期耐鹽性，為制定農業(yè)行業(yè)的玉米耐鹽堿鑒定評價技術規(guī)程提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2020年7月在河北省農林科學院濱海農業(yè)研究所試驗基地防雨棚中進行。試驗材料共10份，為華北地區(qū)推廣的玉米品種，分別為‘浚單20’、‘農華101’、‘農大108’、‘京單38’、‘先玉335’、‘鄭單958’、‘京科665’、‘京科968’、‘NK815’、‘京農科728’，品種來源為豐南種業(yè)科技有限公司。共設6個鹽處理濃度(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.8%、1.0%)和一個正常生長環(huán)境對照（淡水處理），每個處理10次重復。

1.2 試驗管理及調查

試驗采用研發(fā)的自吸水耐鹽鑒定處理方法[11]，由花盆和鹽池構成，其中鹽堿池長3 m，寬2 m，填充淡水，水面距離盆底2 cm，上下由直徑5 mm棉繩連接，參見示意圖（圖1）?；ㄅ鑳忍钛b鹽漬土，其中50%為人工基質（草炭：蛭石：珍珠巖=2:1:1），其余50%為鹽漬土。利用濱海地區(qū)鹽堿原土（鹽度＞1.2%）與非鹽堿土（鹽度＜0.1%）調配成設定的鹽處理濃度。花盆添加調配好的鹽漬土后置于鹽池架子上，每個鹽處理包含10個花盆作為10次重復，于7月12日播種，每個花盆播種10粒，第4天和第7天調查出苗率，以平均值作為最終的出苗率，隨后每個花盆間苗保留3棵長勢一致的苗，第16天調查花盆里每株玉米苗的葉片數(shù)、葉長、葉寬、株高、直徑等形態(tài)指標，由于玉米苗莖稈呈扁圓形，因此短邊直徑記為“短徑”，長邊直徑記為“長徑”。試驗期間每3天采用淋噴方式保持土壤表面濕潤，防止表層蒸發(fā)出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象。

圖1 自吸水耐鹽鑒定裝置

1.3 統(tǒng)計分析

首先將各鹽處理下的調查指標原始數(shù)據轉換為耐鹽系數(shù)，并基于耐鹽系數(shù)進一步評價各性狀對鹽脅迫的響應。本研究中的耐鹽系數(shù)定義為實際測定值與對照測定值的比值。利用中位數(shù)評估各處理數(shù)據的總體情況，結合四分位差評估數(shù)據的分布情況和確定合理的鹽脅迫濃度。最后利用SPSS 16.0軟件進行主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類分析及逐步回歸等多元統(tǒng)計分析[1,12]。

在進行主成分分析時，采用最大方差法，結合累積貢獻率及碎石圖等分析，以特征值大于0.9和累計貢獻率大于80%標準提取主成分，將各主成分與調查性狀耐鹽系數(shù)建立回歸方程，評估各玉米品種的主成分得分。隨后結合隸屬函數(shù)公式，將主成分值轉化為隸屬函數(shù)耐鹽性綜合評價值（D值）。耐鹽性綜合評價值(Di)、隸屬函數(shù)值(U(Xji))和權重系數(shù)(Wj)的計算分別見公式(1)(2)和(3)。

式中Di表示第i個玉米品種在鹽脅迫條件下由主成分-隸屬函數(shù)值確定的耐鹽性綜合評價值；U(Xji)為將所有參試玉米品種主成分值轉換的隸屬函數(shù)值；Wj表示第j個主成分在所有主成分中的主要程度，即權重系數(shù)；Xji為第i個玉米品種的第j個主成分值；Xjmin和Xjmax為所有參試材料中第j個主成分的最小值和最大值；Pj為各品種第j個主成分的貢獻率。

最后根據D值，采用歐式距離，組間平均連接法對10份玉米品種耐鹽性進行分類。逐步回歸模型的構建過程中，把耐鹽性綜合評價值D值作因變量，把各單項指標的耐鹽系數(shù)作自變量進行逐步回歸分析，以顯著性水平0.05作為各性狀耐鹽系數(shù)移入標準。

2 結果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計分析

玉米苗期田間農藝性狀的耐鹽系數(shù)描述性統(tǒng)計分析和變化趨勢見圖2和表2。根據偏度和峰度判斷數(shù)據分布的正態(tài)性，結果表明隨著鹽處理濃度的提高，各性狀的耐鹽系數(shù)多數(shù)呈現(xiàn)偏態(tài)分布，因此本研究中利用中位數(shù)描述數(shù)據的平均表現(xiàn)。隨著鹽處理濃度的增加，除了直徑的耐鹽系數(shù)的中位數(shù)呈現(xiàn)先升后降趨勢外，其余性狀均表現(xiàn)均逐漸降低，表明高鹽脅迫不利于玉米生長。四分位差可描述數(shù)據的離散程度，結果發(fā)現(xiàn)四分位差總體上隨濃度增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢。在0.5%鹽處理濃度下，除了葉寬和長徑外，其余所有指標品種間耐鹽系數(shù)的四分位差達到最大，因此該濃度可初步確定為評價玉米苗期耐鹽鑒定的適宜鹽脅迫濃度。

圖2 不同鹽濃度下7個農藝性狀耐鹽系數(shù)

表1 不同鹽濃度下7個農藝性狀耐鹽系數(shù)描述性統(tǒng)計

續(xù)表1

2.2 最適鹽脅迫濃度的確定

為了進一步確定評價玉米苗期耐鹽性的最佳鹽脅迫濃度，以‘農大108’為參考品種，以上述7個指標的原始數(shù)據分別與梯度鹽處理濃度建立二次方回歸模型并計算耐鹽閾值，耐鹽閾值能夠反映出植物一定程度的抗逆性[13]，結果見表2。根據方程決定系數(shù)R2，排除決定系數(shù)較小的葉寬外，‘農大108’耐鹽閾值范圍0.517%～0.886%，該結果與之前四分位差分析結果較為一致，表明了由四分位差確定評價玉米苗期耐鹽脅迫最佳濃度具有一定的合理性。因此綜合考慮玉米生長及最終產量等實際因素，可按鹽度0.5%水平考察不同玉米品種的耐鹽性。

表2 回歸方程及耐鹽閾值

2.3 主成分分析

主成分分析能以較少的主因子替代原始指標。對0.5%鹽處理濃度下7個農藝性狀的耐鹽系數(shù)進行主成分分析。根據特征值大于0.9和累計貢獻率大于80%標準，共提取到3個主成分(F1-F3)，F(xiàn)1代表直徑、株高、葉寬，主成分貢獻率為45.22%；F2代表葉片數(shù)和葉長，主成分貢獻率為22.57%；F3代表出苗率，主成分貢獻率為13.97%，3個主成分代表了81.75%的表型變異。比較各性狀的權重系數(shù)，可知長徑、葉長及出苗率為影響主成分的重要參數(shù)。各主成分特征值、對原始性狀載荷及對表型的貢獻率如表3所示。

表3 主成分特征向量及貢獻率

2.4 玉米苗期耐鹽綜合評價

對參試的10份玉米品種各指標對應的主成分權重，利用隸屬函數(shù)進行歸一化處理，分別得到主成分值和各主成分的隸屬函數(shù)值，如表4所示。根據主成分的方差貢獻率可計算出3個主成分的權重，分別為42.28%、36.14%、21.57%（表2）。再根據權重可計算出主成分得分和隸屬函數(shù)值，結果見表3。主成分得分（F值）和耐鹽性綜合評價值（D值）排序結果一致，但由于主成分值出現(xiàn)負數(shù)，故按隸屬函數(shù)值大小對其耐鹽能力進行強弱排序。

表4 各品種苗期耐鹽鑒定的主成分-隸屬函數(shù)分析結果

為了更好的對這10份品種耐鹽性分類，利用耐鹽性綜合評價值（D值）進行聚類分析，在歐式距離3.0處可將10份品種劃分為6個類群，在歐式距離4.0處可劃分為4個類群（圖3），可對應玉米耐鹽性劃分的高耐、耐、中等、敏感、高敏5個等級。其中第I類群包括‘NK815’、‘京科665’、‘農華101’和‘先玉335’等4個品種，結合D值綜合評判為中等；第Ⅱ類群包括‘京單38’、‘鄭單958’和‘浚單20’等3個品種，結合D值綜合評判為敏感；第Ⅲ類群包括‘京科968’、‘農大108’等2個品種，結合D值綜合評判分別為高耐和耐；第Ⅳ類群包括‘京農科728’1個品種，結合D值綜合評判為高敏。

圖3 基于隸屬函數(shù)值聚類分析結果

2.5 基于隸屬函數(shù)值的回歸分析

為了在實際中進一步簡化玉米資源苗期耐鹽性評價工作，基于本研究中的各指標耐鹽系數(shù)和隸屬函數(shù)值確定的綜合評價值（D值），可利用回歸方法建立玉米苗期耐鹽性評價的數(shù)學模型。將D值作為因變量、0.5%鹽濃度下7個農藝性狀的耐鹽系數(shù)作為自變量進行逐步回歸分析，結果表明玉米苗的長徑和株高的耐鹽系數(shù)對玉米苗期綜合耐鹽性的影響顯著（表5），據此建立了最優(yōu)回歸方程：D=-1.147+0.823*長徑+0.713*株高，方程決定系數(shù)R2=0.857，F(xiàn)=14.9，P=0.003。該回歸模型可用于評估玉米苗期耐鹽性，即在相同條件下測定其他品種的上述2個指標并求得耐鹽系數(shù)，進而利用該方程預測其他品種的耐鹽性，可簡化耐鹽評價工作。

表5 各指標耐鹽系數(shù)之間單尾顯著性分析

3 結論

本研究通過模擬鹽堿地實際情況鑒定了10份玉米品種的耐鹽性并總結了一套評價玉米苗期耐鹽鑒定的方法。通過四分位差和玉米耐鹽閾值分析確定了鹽脅迫處理的最佳濃度為0.5%，進而通過主成分分析、隸屬函數(shù)法以及聚類分析等多元統(tǒng)計分析，對玉米苗期耐鹽性提出5個等級劃分：高耐、耐、中等、敏感、高敏。本研究為了進一步簡化實際耐鹽鑒定的工作量，嘗試利用逐步回歸方法對隸屬函數(shù)值和玉米形態(tài)指標的耐鹽系數(shù)建立了簡易評價玉米苗期耐鹽性的模型，實踐中可通過簡易測定玉米資源的長莖和株高兩個參數(shù)即可判斷該資源的耐鹽性。盡管本研究對象數(shù)量較少，致使研究結果具有一定的局限性，但研究的思路和方法對今后玉米苗期耐鹽鑒定具有重要的參考價值，后續(xù)可通過增加研究對象的數(shù)量而完善研究結果。

4 討論

不同的耐鹽鑒定處理方法影響鑒定結果。湯華等通過室內沙培鹽實驗設置多個NaCl濃度梯度比較不同的玉米自交系形態(tài)及理化參數(shù)對鹽脅迫的變化情況，指出玉米耐鹽鑒定的NaCl濃度低于10 mmol/L時各性狀差異不顯著，出苗率與鹽濃度相關性不顯著，不適合作為耐鹽性篩選的指標[14]；王明泉等[15]通過220 mmol/L的NaCl處理，比較了形態(tài)學指標差異并鑒定了玉米苗期的耐鹽性。上述研究均采用定量NaCl水溶液過飽和灌溉處理方法，然而這與鹽堿地玉米受到鹽脅迫的實際情況不符。本研究采用自吸水耐鹽鑒定系統(tǒng)，能最大化模擬鹽堿地實際情況，鑒定結果也更符合實際生產情況，同時也能保證基質內水鹽均勻分布，且避免了水培法出現(xiàn)的通氣性差、出苗率差等問題[11]。目前已經利用該系統(tǒng)鑒定了蒲公英[13,16]、黃蜀葵[17]、菊花[18]和堿蓬[19]等多種植物的耐鹽性。

適宜的鹽脅迫濃度也是耐鹽鑒定處理的關鍵因素。玉米耐鹽性是由多基因控制的復雜性狀，要使種質的耐鹽性差異充分表現(xiàn)，應選擇適中的能夠兼顧多種基因型表達需要的鹽脅迫濃度[3,20]。楊書華等[8]發(fā)現(xiàn)在25 mmol/L的Na2CO3和100 mmol/L的NaCl混合溶液下，種子發(fā)芽率、相對電導率、SOD活性、MDA、Pro含量與對照組差異達極顯著水平。羅敏等[20]研究發(fā)現(xiàn)在NaCl濃度為0.8%時，玉米苗情、株高、干重的變化率差異達到顯著水平。劉春榮等[1]采用鹽堿池鹽土鑒定方法鑒定了不同玉米品種的耐鹽性，發(fā)現(xiàn)0.5%鹽度下不同玉米品種的形態(tài)學指標差異顯著。上述研究均在一定的鹽脅迫濃度下比較了玉米性狀差異，沒有系統(tǒng)闡述適宜鹽脅迫濃度的篩選。本研究則通過正態(tài)分布、四分位差、中位數(shù)等對大量數(shù)據進行描述統(tǒng)計分析，結合對照品種的耐鹽閾值分析，綜合確定玉米苗期耐鹽鑒定最佳鹽脅迫濃度為0.5%，較常規(guī)鑒定處理更具科學性。

本研究采用目前普遍認可的多指標評價方法[1,12,15]，將各指標原始數(shù)據轉化為相對值（耐鹽系數(shù)），然后通過主成分分析，確定了影響主成分-隸屬函數(shù)值的關鍵指標，結合隸屬函數(shù)值（D值）的聚類分析將玉米苗期耐鹽等級劃分為高耐、耐、中等、敏感、高敏等5個等級。為了進一步簡化實踐中大規(guī)模耐鹽鑒定，本研究嘗試采用逐步回歸方法，建立了最優(yōu)線性回歸方程：D=-1.147+0.823*長徑+0.713*株高，這樣就可以通過簡單測定2項指標的耐鹽系數(shù)推算隸屬函數(shù)值進而判斷玉米苗期的耐鹽性。雖然能排除一些性狀優(yōu)良的資源，但對大批量種質資源快速篩選仍然具有重要價值。最后，本研究總體上選用的玉米品種以及檢測的指標數(shù)量較少，結果可能無法全面反映出玉米苗期的耐鹽性，然而本研究旨在研究一種合理的玉米苗期耐鹽性鑒定和評價方法，而目前國內還未有相關的玉米耐鹽鑒定標準，本研究的方法及結果對玉米種質耐鹽性評價及制定相關的玉米耐鹽鑒定評價技術規(guī)程具有重要參考價值。