劉 鴻, 張富來, 田慧娟, 胡夢(mèng)婷, 李瑞峰, 楊旭東, 張 丹

(塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 新疆 阿拉爾 843300)

土壤鹽堿化已上升為全球問題,并受到國(guó)際學(xué)術(shù)界的特別關(guān)注[1]。在各種逆境因素中,因鹽、旱因素導(dǎo)致產(chǎn)量下降比其他所有因素加起來都要高。如何利用和改良鹽堿地,從而提高糧食的產(chǎn)量,是一個(gè)有待解決的問題[2]。玉米屬于中度敏感的作物,其抗鹽能力較弱。近幾年,我國(guó)在輕度鹽堿地區(qū)的玉米種植規(guī)模有顯著增加,但目前我國(guó)的玉米產(chǎn)量普遍較低,缺少耐鹽性較強(qiáng)的優(yōu)質(zhì)玉米品種,成為目前我國(guó)玉米產(chǎn)量最大的限制因素。在加強(qiáng)鹽堿地土壤改良的基礎(chǔ)上,通過挖掘玉米自身的耐鹽性和篩選耐鹽性較強(qiáng)玉米品種,是加速開發(fā)利用鹽堿地最直接、最有效的方法[3-5]。

研究表明,作物對(duì)鹽分最為敏感的時(shí)期是萌發(fā)期[6],苗期對(duì)鹽分中度敏感,這兩個(gè)時(shí)期對(duì)鹽分的抗性相對(duì)較差[7-9],適宜作為玉米耐鹽性研究的主要時(shí)期。郝德榮等[10]以10 d株高、地上鮮重、地下鮮重、地上干重、地下干重和存活率為鑒定指標(biāo),將157份玉米自交系劃分為6個(gè)等級(jí);于瑩等[11]研究表明,隸屬函數(shù)均值是玉米耐鹽性鑒定的重要指標(biāo)之一,均值越高其耐鹽性越強(qiáng);趙小強(qiáng)等[12]研究表明,發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、胚芽長(zhǎng)、胚根長(zhǎng)等指標(biāo)均能從不同角度反映種子萌發(fā)階段的耐鹽性;王秀華等[13]研究表明,D值與各鑒定指標(biāo)耐鹽系數(shù)的隸屬函數(shù)值之間極顯著正相關(guān)。國(guó)內(nèi)學(xué)者在玉米生長(zhǎng)早期的耐鹽性方面已有大量研究,評(píng)價(jià)方法也有很多,如分級(jí)賦分、平均隸屬函數(shù)等[14-16]。但大多數(shù)是通過單一評(píng)價(jià)方法來進(jìn)行篩選,所得結(jié)論比較片面,無法整體反映供試玉米品種的耐鹽性。

因此,本研究采用60、120、180 mmol/L的NaCl溶液模擬不同的鹽脅迫環(huán)境,選用發(fā)芽率、株高、莖粗、葉綠素、葉面積、苗鮮重、苗干重等12項(xiàng)鑒定指標(biāo),利用模糊隸屬函數(shù)法,對(duì)41個(gè)玉米品種的耐鹽性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),從而確定耐鹽性鑒選的適宜濃度及主要評(píng)價(jià)指標(biāo),并篩選耐鹽性較強(qiáng)的玉米品種,研究結(jié)果可為鹽堿地玉米栽培和耐鹽育種提供參考。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗(yàn)選用目前生產(chǎn)上推廣的41個(gè)玉米品種為材料,具體材料信息見表1。

表1 供試玉米材料Table 1 Maize materials tested

1.2 試驗(yàn)方法

室內(nèi)種子萌發(fā)試驗(yàn)于2022年4—5月在塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,采用人工恒溫培養(yǎng)箱進(jìn)行試驗(yàn),溫度為25 ℃/15 ℃(晝/夜),濕度為75%。精選不同玉米品種種子360粒,先用7%次氯酸鈉消毒5 min,再用蒸餾水沖洗3～5次。試驗(yàn)設(shè)置4個(gè)濃度梯度NaCl溶液:0(ck)、60、120、180 mmol/L,每個(gè)處理重復(fù)3次。培養(yǎng)皿經(jīng)過70%的酒精消毒后鋪上2層濾紙,將30粒種子均勻擺放在培養(yǎng)皿中。分別加入0、60、120、180 mmol/L等4個(gè)濃度的NaCl溶液進(jìn)行培養(yǎng),每個(gè)培養(yǎng)皿中的溶液均要沒過種子的1/3。每天10:00時(shí)在培養(yǎng)皿中添加不同濃度的NaCl溶液,以保證種子所受的鹽濃度一致。處理第4天測(cè)定發(fā)芽勢(shì),第7天測(cè)定發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)。

室外盆栽耐鹽試驗(yàn)于2022年5—6月在塔里木大學(xué)農(nóng)學(xué)試驗(yàn)站進(jìn)行,選用上口徑25 cm、下口徑18 cm、高15 cm的塑料盆,盆底放置盆墊,裝入4.5 kg細(xì)沙土。精選不同品種玉米種子各120粒,先用7%次氯酸鈉消毒5 min,再用蒸餾水沖洗3～5次,每盆播10粒種子,深度控制在3 cm左右,常規(guī)田間管理方式管理。待幼苗長(zhǎng)至3葉1心時(shí)在含1/4濃度Hoagland營(yíng)養(yǎng)液中加入濃度分別為0(ck)、60、120、180 mmol/L的NaCl溶液,每個(gè)處理重復(fù)3次。每天定時(shí)定量添加不同濃度的NaCl溶液,以保證幼苗生長(zhǎng)所需要的水分。處理7 d后測(cè)定株高、莖粗、葉綠素、葉面積、含水量、苗鮮重、苗干重、根鮮重和根干重。

1.3 耐鹽性綜合評(píng)價(jià)

以41個(gè)玉米品種各鑒定指標(biāo)的耐鹽系數(shù)為依據(jù),利用模糊數(shù)學(xué)中的加權(quán)隸屬函數(shù)法對(duì)41個(gè)玉米品種進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),并根據(jù)加權(quán)隸屬函數(shù)值(D值)對(duì)41個(gè)玉米品種萌發(fā)期與苗期的耐鹽性進(jìn)行聚類分析。

耐鹽系數(shù)=鹽脅迫指標(biāo)平均值/對(duì)照指標(biāo)平均值;

變異系數(shù)/%=(標(biāo)準(zhǔn)偏差/平均值)×100%;

μ(Xi)=(Xi-Ximin)/(Ximax-Ximin),

式中,Xi為各供試材料基于鑒定指標(biāo)i的耐鹽系數(shù),Ximax、Ximin分別為供試材料中Xi的最大值和最小值,μ(Xi)為各供試材料Xi的隸屬函數(shù)值。

式中,CVi為各供試材料μ(Xi)的變異系數(shù),Wi表示CVi在總變異中所占比率。

式中,D為加權(quán)隸函數(shù)值,μ(Xi)為各供試材料Xi的隸屬函數(shù)值,Wi為各鑒定指標(biāo)的權(quán)重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel軟件處理數(shù)據(jù),SPSS軟件進(jìn)行方差和相關(guān)分析,DPS軟件進(jìn)行聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽脅迫對(duì)41個(gè)玉米品種萌發(fā)期及苗期生長(zhǎng)指標(biāo)的影響

由表2可知,與對(duì)照相比,60 mmol/L NaCl脅迫時(shí),41個(gè)玉米品種發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、株高、莖粗、葉綠素、葉面積、苗鮮重、苗干重、根鮮重、根干重、含水量的平均值分別減少了9.86%、10.76%、24.81%、0.36%、0.01%、0.25%、4.61%、0.11%、0.12%、0.06%、0.04%、0.74%;與對(duì)照相比,120 mmol/L NaCl脅迫時(shí),以上12個(gè)指標(biāo)的平均值分別減少了18.32%、19.90%、46.38%、1.16%、0.12%、0.87%、12.64%、2.19%、0.72%、0.36%、0.26%、3.68%;與對(duì)照相比,180 mmol/L NaCl脅迫時(shí),以上12個(gè)指標(biāo)的平均值分別減少了29.07%、30.57%、70.70%、3.67%、0.15%、1.75%、15.94%、3.14%、0.95%、0.39%、0.27%、3.99%。說明60 mmol/L、120 mmol/L、180 mmol/L的NaCl處理對(duì)玉米萌發(fā)期與苗期的生長(zhǎng)指標(biāo)均有抑制作用。綜合各項(xiàng)鑒定指標(biāo),發(fā)現(xiàn)發(fā)芽指數(shù)受抑制程度最大,莖粗受抑制程度最小,苗鮮重和苗干重的受抑制程度比根鮮重和根干重的受抑制程度大。

表2 41個(gè)玉米品種在鹽脅迫和正常條件下萌發(fā)期與苗期的生長(zhǎng)情況Table 2 Growth of 41 maize varieties at germination and seedling stage under salt stress and normal conditions

方差分析結(jié)果(表3)表明,除了品種間的莖粗外,其余指標(biāo)在品種間和處理間都存在極顯著差異。說明60 mmol/L、120 mmol/L和180 mmol/L NaCl可以有效鑒定出不同玉米品種的耐鹽性。

表3 41個(gè)玉米品種萌發(fā)期與苗期各指標(biāo)的方差分析Table 3 Variance analysis on indicators of 41 maize varieties at germination and seedling stages

2.2 鹽脅迫下41個(gè)玉米品種萌發(fā)期及苗期的耐鹽性差異

由表4可知,在60 mmol/L NaCl處理下,發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、株高、莖粗、葉綠素、葉面積、苗鮮重、苗干重、根鮮重、根干重、含水量的耐鹽系數(shù)在平均值以上的分別有21個(gè)、23個(gè)、24個(gè)、19個(gè)、19個(gè)、17個(gè)、18個(gè)、14個(gè)、15個(gè)、11個(gè)、13個(gè)、18個(gè);在120 mmol/L NaCl處理下,各個(gè)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)在平均值以上的分別有21個(gè)、22個(gè)、19個(gè)、19個(gè)、19個(gè)、19個(gè)、18個(gè)、17個(gè)、14個(gè)、13個(gè)、14個(gè)、19個(gè);在180 mmol/L NaCl處理下,各個(gè)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)在平均值以上的分別有16個(gè)、17個(gè)、16個(gè)、20個(gè)、17個(gè)、18個(gè)、18個(gè)、16個(gè)、13個(gè)、16個(gè)、17個(gè)、19個(gè)。同時(shí),根據(jù)各指標(biāo)的耐鹽系數(shù),其供試品種(表5)的耐鹽程度順序也不一樣,說明單個(gè)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)并不能整體地評(píng)價(jià)不同品種的耐鹽性,必須對(duì)其進(jìn)行全面、準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)。

表4 基于萌發(fā)期與苗期各鑒定指標(biāo)的耐鹽系數(shù)Table 4 The salt tolerance coefficient based on the identification indexes of germination and seedling stage

表5 41個(gè)玉米品種基于各耐鹽系數(shù)的耐鹽性排序Table 5 Rankings of 41 maize varieties based on their salt tolerance coefficient

2.3 鹽脅迫下41個(gè)玉米品種各指標(biāo)隸屬函數(shù)值與D值的相關(guān)性分析

根據(jù)各鑒定指標(biāo)的耐鹽系數(shù),利用加權(quán)隸屬函數(shù)法,得到41個(gè)玉米品種各鑒定指標(biāo)耐鹽系數(shù)的隸屬函數(shù)值(表6)。綜合60 mmol/L、120 mmol/L和180 mmol/L NaCl濃度的數(shù)據(jù),就平均值來說,隸屬函數(shù)值較大的指標(biāo)是發(fā)芽率和莖粗,隸屬函數(shù)值較小的指標(biāo)是苗鮮重和根鮮重;就變異系數(shù)來說,品種間的差異最大的指標(biāo)是根鮮重,品種間的差異較小的指標(biāo)是發(fā)芽指數(shù)和含水量;就權(quán)重來說,隸屬函數(shù)值最大的指標(biāo)是根鮮重,隸屬函數(shù)值較小的指標(biāo)是含水量和發(fā)芽指數(shù)。

表6 41個(gè)玉米品種基于各鑒定指標(biāo)耐鹽系數(shù)的隸屬函數(shù)值Table 6 Membership function values of 41 maize varieties based on salt tolerance coefficient of identification indices

由表7可知,發(fā)芽勢(shì)、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、株高、莖粗等12個(gè)指標(biāo)的隸屬函數(shù)值之間存在著一定的相關(guān)性,通過對(duì)不同指標(biāo)的隸屬函數(shù)值與D值的相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)它們之間存在著顯著的正相關(guān)關(guān)系。說明D值可以綜合評(píng)價(jià)不同玉米品種的耐鹽性,D值越大,品種的耐鹽性越強(qiáng)。苗干重、苗鮮重、根鮮重、根干重與D值的相關(guān)系數(shù)較大,表明苗干重、苗鮮重、根鮮重、根干重與供試玉米品種的耐鹽性關(guān)系最為密切,分別為0.85、0.80、0.77、0.71。

表7 基于各指標(biāo)的隸屬函數(shù)值與D值的相關(guān)性分析Table 7 Correlation analysis of the D value with membership function values based on indices

2.4 不同玉米品種聚類分析與耐鹽性綜合評(píng)價(jià)

綜合玉米在萌發(fā)期與苗期的耐鹽指標(biāo),利用D值對(duì)41個(gè)玉米品種的耐鹽性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。通過聚類分析,可將41個(gè)玉米品種分為高度耐鹽、中度耐鹽、耐鹽、敏感和高度敏感等5個(gè)等級(jí)(圖1),其中農(nóng)富99、鄭單958和新玉81等6個(gè)品種屬于高度耐鹽品種。D值變化范圍在1.559 0～1.774 7之間,平均值為1.645 2;宏興528、先玉335和興農(nóng)一號(hào)等6個(gè)品種屬于中度耐鹽品種,D值變化范圍在1.269 6～1.476 5之間,平均值為1.345 2;豐田14、富裕109和群策888等7個(gè)品種屬于耐鹽品種,D值變化范圍在1.023 1～1.136 4之間,平均值為1.086 9;吉興218、葫新712和種星618等17個(gè)品種屬于鹽脅迫敏感性品種,D值變化范圍在0.691 0～0.978 3之間,平均值為0.863 9;增玉157和沃峰9號(hào)等5個(gè)品種屬于鹽脅迫高度敏感性品種,D值變化范圍在0.514 2～0.602 4之間,平均值為0.573 1?？梢钥闯?高度耐鹽和高度敏感類型的玉米品種數(shù)量少于中度耐鹽、耐鹽和敏感類型,符合正態(tài)分布,所以這種劃分是合理的。其中農(nóng)富99、五谷568、新玉81、鄭單958、西蒙3358、宣何8號(hào)等6個(gè)玉米品種耐鹽性較強(qiáng),適宜鹽堿地種植。

3 結(jié)論與討論

3.1 不同鹽濃度影響玉米品種耐鹽程度的鑒定

土壤鹽堿化程度加劇及鹽堿地面積的逐年增加,使得玉米耐鹽性品種篩選與培育的工作形勢(shì)日趨緊迫[17]。玉米品種耐鹽濃度、耐鹽指標(biāo)以及分析方法的篩選與應(yīng)用有助于推廣和擴(kuò)大玉米耐鹽品種的種植面積,解決生產(chǎn)實(shí)際問題[18]。研究結(jié)果表明,苗干重、苗鮮重、根鮮重和根干重這4項(xiàng)指標(biāo)可作為玉米品種耐鹽性鑒選的主要指標(biāo),在此基礎(chǔ)上篩選出的耐鹽玉米品種可直接在生產(chǎn)中使用。

前人對(duì)玉米耐鹽性的研究多集中于單個(gè)時(shí)期,谷思玉等[19]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)NaCl溶液濃度達(dá)到120 mmol/L時(shí)各組品種的發(fā)芽勢(shì)與對(duì)照組的差異均達(dá)到顯著水平;高英波等[20]研究表明,玉米萌發(fā)期耐鹽性鑒定的最佳濃度為160 mmol/L。本研究中,當(dāng)NaCl溶液濃度≥180 mmol/L時(shí),所有供試玉米的各鑒定指標(biāo)都表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì),且不同品種間和不同濃度間的差異達(dá)到顯著水平,說明在180 mmol/L的NaCl處理下所測(cè)指標(biāo)能夠有效鑒定不同玉米品種的耐鹽性。這與前人所得結(jié)論并不一致,說明在試驗(yàn)材料與測(cè)定時(shí)期不同的情況下,不同玉米品種的耐鹽程度也不一致。邱念偉等[21]研究表明,同一種作物在不同的生長(zhǎng)期具有不同的抗鹽性,其抗鹽機(jī)理也不一樣。

3.2 不同生育時(shí)期、多個(gè)耐鹽指標(biāo)的綜合評(píng)價(jià)利于鑒定玉米品種的耐鹽性

加權(quán)隸屬函數(shù)法[22-23]的優(yōu)勢(shì)是可將各指標(biāo)無量綱化,并賦值給各項(xiàng)耐鹽指標(biāo),增強(qiáng)指標(biāo)間的可比性,從而對(duì)每個(gè)玉米品種進(jìn)行定量評(píng)價(jià)。因此,加權(quán)隸屬函數(shù)法能科學(xué)、有效地對(duì)耐鹽性進(jìn)行評(píng)價(jià)。前人利用模糊隸屬函數(shù)法對(duì)玉米耐鹽性鑒定做了大量研究,但多集中在玉米的某一特定生長(zhǎng)時(shí)期,沒有結(jié)合玉米的其他生育時(shí)期進(jìn)行研究。本文在前人的基礎(chǔ)上,采用萌發(fā)期與苗期兩個(gè)生育時(shí)期的12個(gè)指標(biāo)進(jìn)行鑒選,從而可以較全面地對(duì)不同玉米品種的耐鹽性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

圖1 41個(gè)玉米品種的萌發(fā)期與苗期耐鹽性聚類分析Fig.1 Salt tolerance cluster analysis on germination stage and seedling stage of 41 maize varieties

本研究發(fā)現(xiàn),以發(fā)芽率、發(fā)芽勢(shì)、苗干重、苗鮮重、葉面積、含水量、莖粗等12個(gè)鑒定指標(biāo)為依據(jù)的耐鹽性表現(xiàn)并不一致,這表明憑借單個(gè)指標(biāo)無法對(duì)不同玉米品種的耐鹽性進(jìn)行評(píng)價(jià),所以有必要結(jié)合多個(gè)指標(biāo)對(duì)不同玉米品種的耐鹽性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.3 篩選耐鹽性玉米品種對(duì)推廣應(yīng)用玉米抗逆品種意義重大

目前,制約我國(guó)鹽堿地玉米單產(chǎn)的主要原因是缺乏耐鹽性較強(qiáng)的玉米品種,因此開展玉米品種的耐鹽性綜合評(píng)價(jià)和耐鹽品種篩選,對(duì)于鹽堿地的高產(chǎn)栽培及品種選擇具有重要意義。通過對(duì)綜合評(píng)價(jià)D值與各鑒定指標(biāo)耐鹽系數(shù)的相關(guān)性分析可知,苗干重、苗鮮重、根鮮重和根干重這4項(xiàng)指標(biāo)與玉米品種的耐鹽性最為密切,說明苗干重、苗鮮重、根鮮重和根干重可作為玉米耐鹽性鑒選的主要指標(biāo)。利用聚類分析的方法可將41個(gè)玉米品種分為5個(gè)等級(jí),其中高度耐鹽品種6個(gè)、中度耐鹽品種6個(gè)、耐鹽品種7個(gè)、中度鹽敏感性17個(gè)、高度鹽敏感性5個(gè)。篩選出農(nóng)富99、五谷568、宣何8號(hào)、鄭單958、西蒙3358和新玉81共6個(gè)高度耐鹽品種。本研究成果可以為南疆鹽堿地的玉米栽培和耐鹽品種的選擇提供理論基礎(chǔ)。