盐碱复合胁迫对白茎盐生草种子萌发的影响

赵广兴，李王成,2,3，贾振江，申晓晶,2,3，肖 让

（1.宁夏大学土木与水利工程学院，宁夏银川 750021；2.宁夏节水灌溉与水资源调控工程技术研究中心，宁夏银川 750021；3. 旱区现代农业水资源高效利用教育部工程研究中心，宁夏 银川 750021；4. 河西学院土木工程学院，甘肃 张掖 734000）

土壤盐碱化通常不利于植物的生长和发育[1]，土壤盐碱化问题已成为全球性问题[2]。有研究发现，在未来的几十年里有许多土地会因盐碱化而撂荒，所以人们越来越重视土壤盐碱化问题[3]。在干旱半干旱地区由于降水少且土壤蒸发强烈，通常会出现盐分表聚现象，这不利于植物的生存[4]。土壤中的盐分通常不是单一的盐分，而是多种盐分混合存在的。盐碱复合胁迫对植物的危害大于单一的盐胁迫和碱胁迫[5]，但碱胁迫的危害大于盐胁迫[6]。研究发现，盐碱胁迫会对植物细胞结构、体内细胞渗透压的稳定和植物营养机制造成伤害[7-8]，还会降低农作物产量并造成土壤结构问题[9]。

目前关于盐碱胁迫对植物种子萌发影响的研究较多，主要集中在农作物如小麦(Triticum aestivum)[10]、高粱(Sorghum bicolor)[11]、水稻(Oryza sativa)[12]等，盐生植物如梭梭(Haloxylon ammodendron)[13]、碱蓬(Suaeda glauca)[14]、雾冰藜(Bassia dasyphylla)[15]等，其他一年生植物如芥菜(Brassica juncea)[16]、黑麦草(Lolium perenne)[17]等。种子萌发期是决定植物建种和生存的最为敏感的阶段[18]，盐分对植物种子萌发和幼苗生长具有较大的影响[19]，甚至导致植物产量下降。白茎盐生草(Halogeton arachnoideus)为藜科盐生草属一年生盐生植物，对其相关研究主要集中在种群分布特征[20]、基因转录组[21-22]、对盐碱地及重金属污染地的修复作用[23]和种子萌发[24-25]等方面，而关于种子萌发方面的研究多倾向于单一的盐胁迫或碱胁迫[26]，关于盐碱复合胁迫条件对种子萌发影响的研究还较少。白茎盐生草作为一种耐盐先锋植物，耐盐、耐旱能力强，对改善盐碱地和干旱区生态具有积极意义。因此，本研究选取白茎盐生草为试验对象，研究盐碱复合胁迫对白茎盐生草种子萌发的影响，得出白茎盐生草种子在盐碱复合胁迫下的耐受程度，以期为西北干旱半干旱区生态恢复和盐碱地改良积累理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验所用白茎盐生草种子于2019年11月采集于宁夏香山，选取成熟饱满、大小一致的种子用于萌发试验。

1.2 试验设计

本试验选择NaCl、Na2SO4两种中性盐和NaHCO3、Na2CO3两种碱性盐按照不同比例混合[14]，以蒸馏水培养作为对照(CK)，以盐分种类和盐浓度为控制因素，每个处理4个重复，每个重复50粒种子。按照NaCl ꞉ Na2SO4꞉ NaHCO3꞉ Na2CO3的顺序分为A (1꞉1꞉0꞉0)、B(1꞉2꞉1꞉0)、C(1꞉9꞉9꞉1)、D(1 ꞉1꞉1 ꞉1)、E (9꞉1꞉1꞉9)5个组别，每个组别浓度分为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.7 mol·L−1，共30个处理水平。

1.3 试验方法

采用纸上培养法进行种子萌发试验，种子置于发芽床前先用15% NaClO进行消毒，然后用蒸馏水冲洗5遍。在每个培养皿中铺两层滤纸，参考文献[27]，设定萌发条件为温度25℃，12 h 光照和12 h 黑暗交替。在每个培养皿中加入5 mL 对应盐溶液，CK 中加入5 mL 蒸馏水，每天20:00记录种子萌发情况，并将已萌发的种子移出培养皿，采用每天定时称重补水的方法保持培养液浓度的一致性。当种子胚根长度≥2 mm 时，视为种子萌发。在第10天后，将未萌发的种子转移到蒸馏水中继续进行观察，当种子萌发数连续3 d 为0时，视为种子萌发结束。

1.4 萌发指标计算

1.5 数据分析

采用SPSS 25进行种子萌发指标的统计分析，对不同盐碱复合胁迫下种子萌发特性指标运用Duncan’s法进行多重比较(P<0.05)；种子萌发指标采用平均值± 标准误表示。采用Origin 2018进行聚类分析及绘图，使用Excel 2019进行回归分析。

2 结果

2.1 盐碱胁迫对种子萌发特性的影响

2.1.1 盐碱胁迫对种子发芽率和最终发芽率的影响

随着盐分浓度的增大，不同处理下A −E 的种子发芽率呈减小趋势，当浓度大于0.5 mol·L−1时，种子发芽率迅速减少至10%以下(图1)。CK 处理时种子发芽率为96%且平均萌发时间为1.11 d，用时短、出芽整齐、种子活力高。A 组中，0.1 mol·L−1处理下的发芽率最高，为94%，0.7 mol·L−1下无种子萌发，说明该浓度已经超出了白茎盐生草种子可以耐受的极限值。与CK 相比，A −E组中，0.1 mol·L−1处理的发芽率分别降低0.53%、1.59%、10.05%、1.06%、17.46%；0.3 mol·L−1处理的发芽率分别降低44.97%、65.61%、36.51%、51.32%、88.89%；0.5 mol·L−1处理的发芽率分别降低92.06%、95.24%、99.47%、98.94%、99.47%。当浓度为0.7 mol·L−1时种子发芽率基本为0，表明盐溶液浓度已经超出了种子萌发的耐盐极限值，显著抑制了种子的萌发；0.7 mol·L−1时A−E的发芽率显著低于低浓度下的发芽率(P<0.05)。

将未萌发的种子转移到蒸馏水中继续观察，发现盐碱胁迫对种子萌发造成了一定影响，但并没有完全伤害种子，有一部分种子仍然可以恢复萌发。0.1 mol·L−1时A 和B的最终发芽率无明显变化，其他处理的最终发芽率有较小的涨幅(图1)。当浓度大于等于0.4 mol·L−1时，种子在盐碱胁迫下的发芽率较低，转移到蒸馏水中后最终发芽率明显升高。A −E 组中，0.4 mol·L−1处理的发芽率从12%、20%、3.5%、8%、4%恢复到54%、56.5%、27.5%、32.5%、16%。0.7 mol·L−1处理的发芽率从0.5%、0、0、0.5%、0恢复到24%、58.5%、25%、13%、10.5%，尤其是该浓度B组的最终发芽率显著高于同浓度其他组(P<0.05)，其余组之间差异不显著(P>0.05)。

图1 不同盐分种类及浓度下白茎盐生草种子的发芽率和最终发芽率Figure 1 Germination rate and final germination rate of Halogeton arachnoideus seeds under different salt types and concentrations

2.1.2 盐碱胁迫对种子发芽势和发芽指数的影响

CK 的 发 芽 势 为94.5%，0.1 mol·L−1处 理A 和E 组发芽势分别为92.5%和73.5%，该浓度下，A −E各处理的发芽势均为最高(图2)，C组处理，0.1、0.2和0.3 mol·L−1对 应 的 发 芽 势 分 别 为81.50%、52%和43.50%，当盐溶液浓度大于0.3 mol·L−1时发芽势急剧下降，0.4、0.5和0.7 mol·L−1的发芽势分别为2.5%、0.5%和0。从浓度方面来说，当浓度大于0.5 mol·L−1时各处理的发芽势较小，均在15%以下。随着盐分浓度的增加，发芽势呈减小的趋势。C −E处理下当盐浓度大于0.5 mol·L−1时，发芽势均接近于0。同一浓度下不同盐分种类对应的发芽势间差异较小，不同浓度下发芽势间差异显著。

图2 不同盐分种类及浓度下白茎盐生草种子的发芽势和发芽指数Figure2 Germination potential and germination index of Halogeton arachnoideus seeds under different salt types and concentrations

发芽指数是衡量一年生植物种子萌发的重要指标，发芽指数越大说明种子萌发速度越快，出芽越整齐。CK 的发芽指数最大，为90.34；A 组中，0.1 mol·L−1处理下的发芽指数在各处理中最大，为80.58，与CK 比较接近；0.4、0.5和0.7 mol·L−1处理下的发芽指数均在10以下(图2)。E组中，0.1 mol·L−1处理下的发芽指数为54.78，0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L−1处理下的发芽指数分别为3.9、1.75、0和0。A −E处理下当盐浓度为0.1 mol·L−1时发芽势均为各盐分种类下的最大值，0.7 mol·L−1时发芽势均为最小值，基本为0。高浓度盐碱胁迫显著抑制种子萌发进程。综合盐碱复合胁迫对种子萌发特性的影响得出，盐分浓度比盐分种类对白茎盐生草种子萌发的影响更大。

2.2 白茎盐生草种子萌发的耐盐阈值与极限值

2.2.1 用回归方程求解种子萌发阈值及极限值

以盐浓度为自变量，发芽率为因变量。在Excel 2019中进行回归分析，得出线性回归的相关系数较小，因此选用对数函数，得出回归方程(表1)。令发芽率(y)为50%和0，求出相应的盐浓度(x)，得出白茎盐生草种子在不同种类盐分条件下的耐受程度。盐分种类为A 时其耐盐阈值为0.26 mol·L−1，耐盐极限值为0.65 mol·L−1，为各盐分种类中的最大值；当盐分种类为E时白茎盐生草种子萌发的耐盐阈值为0.16 mol·L−1，耐盐极限值为0.52 mol·L−1；E 组处理的耐盐阈值和耐盐极限值较A 组均有不同程度的下降。

表1 耐盐阈值及极限值的求解Table 1 Solution of salt tolerancethreshold and limit value

2.2.2 聚类分析求解

聚类结果表明：盐分种类为A、C和D时，0.1、0.2和0.3 mol·L−1为第一类，0.4、0.5和0.7 mol·L−1为第二类；得出A、C和D的耐盐临界浓度为0.3 mol·L−1(图3)。B条件下0.1和0.2 mol·L−1为第一类，0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L−1为第二类；得出B的耐盐临界浓度为0.2 mol·L−1。E条件下0.1mol·L−1为第一类，0.2、0.3、0.4、0.5和0.7 mol·L−1为第二类；得出E的耐盐临界浓度为0.1 mol·L−1。说明随着碱性盐占比的增大，白茎盐生草种子萌发的临界耐受浓度降低，碱性盐较中性盐对种子萌发的危害更大。

图3 不同盐分种类下的聚类分析Figure3 Cluster analysis for different salt types

对聚类分析与回归分析的结果取均值，得出盐碱复合胁迫下0.234 mol·L−1为种子萌发的耐盐浓度分界点，即此水平下有50%的白茎盐生草种子可以萌发；在盐浓度低于0.234 mol·L−1的盐碱环境下，白茎盐生草种子萌发特性保持较高的水平，而盐浓度高于0.234 mol·L−1时发芽率、发芽指数、发芽势等下降趋势加快。

3 讨论与结论

盐碱胁迫对植物种子的伤害不会使之完全丧失活力，盐溶液中未萌发的种子转移到蒸馏水中后仍有部分种子可以恢复萌发。本研究中，高浓度盐碱胁迫对白茎盐生草种子萌发造成了较大影响，且复水后种子最终发芽率较低。发芽率、发芽指数、发芽势、最终发芽率均随着盐浓度的增大呈下降趋势，但下降的幅度取决于盐分种类。种子发芽率越低，说明盐碱胁迫对种子萌发的危害程度越大。CK 的种子发芽率最高，为96%，0.1 mol·L−1对应的发芽率均为各浓度下的最大值，盐分种类为A、B、C时种子萌发在不同盐浓度下的差异较小，D、E 两种碱性盐占比较高的盐溶液对种子萌发的影响较大。0.5 mol·L−1处理A、B、D和E的发芽率分别为7.5%、4.5%、1%和0.5%。以上说明碱性盐对白茎盐生草种子萌发的危害更大，白茎盐生草更耐受中性盐环境。

通过回归分析，得到A −E 的耐盐阈值依次为0.26、0.24、0.23、0.25、0.16 mol·L−1。聚类分析显示A −E 的耐盐阈值依次为0.3、0.2、0.3、0.3、0.1 mol·L−1。两种分析的结果较接近，说明对不同种类盐溶液及浓度下白茎盐生草种子萌发耐盐阈值的分析是可信的。本研究得出的结论与程龙等[28]对白茎盐生草种子萌发在单盐NaCl 作用下的耐盐阈值和耐盐极限值较为接近。综合聚类分析与回归分析结果得出：盐碱复合胁迫下白茎盐生草种子萌发的耐盐阈值为0.234 mol·L−1，耐盐极限值为0.602 mol·L−1。

本研究中高浓度盐溶液强烈抑制了种子萌发，种子最终发芽率平均在10%以下，很大程度损坏了植物的生理代谢及活力，与Bajji等[29]对海滨藜(Atriplex halimus)的研究结果相似。将盐溶液中未萌发的种子转移到蒸馏水中后，A −E 的种子有不同程度的恢复，碱性盐占比大的处理的种子最终发芽率较小，这与刘庚等[30]对唐古特白刺(Nitraria tangutorum)的研究结果相似。本研究发现，高浓度盐溶液中白茎盐生草种子平均萌发时间增长、萌发整齐度低、发芽势小、种子活力低，且盐浓度超过耐盐阈值时种子萌发时间显著增长、萌发数量小；而低浓度盐溶液中种子萌发迅速且整齐、平均萌发时间短，主要集中在前4 d；这与Li 等[31]对互花米草(Spartina alterniflora)的研究结果相似。

综上，本研究结果表明：1)随着盐碱浓度的增大，种子发芽率、发芽势、发芽指数、最终发芽率均呈下降趋势，盐分浓度对白茎盐生草种子萌发的影响大于盐分种类。随着碱性盐比例的增大，白茎盐生草种子萌发耐盐阈值和耐盐极限值呈减小的趋势。2)对聚类分析与回归分析结果取均值得出，盐碱复合胁迫下0.234 mol·L−1为白茎盐生草种子萌发的耐盐阈值，当浓度低于0.234 mol·L−1时种子萌发特性差异较小；耐盐极限值为0.602 mol·L−1。相较于碱性盐，白茎盐生草更耐受中性盐环境。