四种牧草种子在不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫下的萌发特性

杨迎月， 毛桂莲， 麻冬梅， 张峰举， 许 兴，4*

(1.宁夏大学农学院， 宁夏 银川 750021； 2. 宁夏大学生命科学学院， 宁夏 银川 750021； 3.宁夏大学生态环境学院，宁夏 银川 750021; 4.宁夏大学西北土地退化与生态系统恢复省部共建国家重点实验室培育基地， 宁夏 银川 750021)

土壤盐碱化是全球性的大问题，不仅危害作物，还导致土壤退化。随着全球气候的改变，土壤盐碱化的面积逐渐扩大，严重威胁农业的可持续发展[1-4]。我国盐碱土面积3. 46 × 107hm2，其中宁夏共有盐碱地17.53万hm2，银北地区10.2万hm2，占该地区耕地总面积的58%以上，土壤盐碱化造成植物生理干旱、影响气孔关闭、影响植物营养吸收、伤害植物组织，因此亟需治理改造[5]。盐碱地的改良有利于提高作物的产量，增加农民收入，改善农民生活水平并且对于发展宁夏农、牧业都具有重要意义[6]。大量研究表明，草本植物是盐碱地生态植被重要组成成分，有些是先锋植物或建群种，对盐碱地生态修复有重要作用[7]。种子萌发和幼苗形态建成是牧草的关键时期，直接影响牧草生长和经济效益[8]，同时也是种子植物生活史中最脆弱的阶段，这一阶段的耐盐碱能力一定程度能够上反映植物整体的耐盐碱性[9]，决定着牧草能否在干旱或盐碱环境中成功定居[10]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)是豆科紫花苜蓿属多年生草本植物，栽培历史悠久，品质优良，被称为“牧草之王”，主要分布在我国西北、华北、东北等地，呈栽培或半野生状态[11-12]。鹰嘴紫云英(Astragaluscicer)又名鹰嘴黄芪，耐盐碱性和抗旱性较好，即可用做水土保持植物，又可为优良饲草作物[13]。湖南稷子(Echinochloafrumentacea)是禾本科稗属一年生C4牧草，具有适应强、耐逆性强、产草量和产籽量高等优良特性，是理想的盐碱地改良植物[14]。高羊茅(Fectucaarundinacea)具有较好的耐践踏、耐热、耐干旱以及耐盐等特性，且适口性佳、营养价值高，是备受人们重视的牧草和草坪草，被广泛种植于我国北方地区[15]。

宁夏地处我国西北内陆农牧交错带干旱、半干旱气候区，干旱和土壤盐渍化是影响该区域生态环境最主要的因素[16]。在该区域进行盐碱地退化生态修复过程中，选择适生、优良的牧草品种就显得尤为重要。本研究选择从甘肃张掖引进的鹰嘴紫云英和当地大规模种植的紫花苜蓿2种豆科牧草和当地有种植的高羊茅和湖南稷子2种禾本科牧草为材料，采用不同浓度NaCl溶液和NaHCO3溶液分别模拟盐胁迫和碱胁迫，比较和评价4种牧草的耐盐力和耐碱力，为银北地区盐碱地农业生产上耐盐碱牧草的选育以及宁夏平原大面积盐碱地的合理开发与利用提供资源和理论依据。

1 材料与方法

1.1 材料

供试草种为紫花苜蓿、鹰嘴紫云英、高羊茅和湖南稷子，由甘肃创绿草业科技有限公司、宁夏千叶青农业科技发展有限公司提供，详见表1。

表1 供试材料Table 1 Test materials

1.2 试验材料的培养及处理

试验在宁夏大学草业科学现代牧草育种实验室进行。选择成熟、大小均匀一致的各供试材料种子50粒作为萌发材料。鹰嘴紫云英用98%浓硫酸处理20分钟，不断搅拌，然后反复用清水清洗干净[17]。高羊茅、紫花紫花苜蓿、湖南稷子种子用0.1%高锰酸钾消毒3 min，用蒸馏水清洗干净，再用滤纸吸干后，均匀的置于铺有2层滤纸的培养皿(直径9 cm)中。每个培养皿分别加入配制好的不同浓度的盐碱溶液。NaCl或NaHCO3溶液浓度分别为50 mmol·L-1，100 mmol·L-1，150 mmol·L-1，200 mmol·L-1，250 mmol·L-1和300 mmol·L-1，以蒸馏水为对照，共13个处理，每个处理重复3次。培养皿放置于人工气候培养箱，设置昼/夜温度为25℃/20℃，湿度为60%，光照/黑暗时间为12 h/12 h，光照强度为5 000 lx。为保证培养皿中盐碱浓度保持不变，每日用称重法及时补充所挥发水分(蒸馏水)。从第2 d开始记录，每隔24 h记录1次种子发芽数。第10 d结束，测量4种牧草的胚根长和胚芽长。

1.3 指标的测定

1.3.1发芽指标 (1)发芽率(Germination rate，GR)=发芽结束时正常发芽种子数/供试种子数×100%。

(2)发芽势(Germination potential，GP)=发芽5 d时正常发芽的种子数/供试种子数× 100%。

(3)胚芽长(Germ length，GL)、胚根长(Radicle length，RL)：从每个培养皿中随机选取 10株生长正常的种苗，用直尺测量芽长和根长，若不足10株的则全部测量，每个处理3组重复。

(4)发芽指数(Germination index，GI)=∑Gt/Dt。

(5)活力指数(Vigor index，VI)=胚芽长×发芽指数。

上式中:Gt为第td发芽的种子数;Dt为发芽的天数[18]。

按照发芽率、发芽势、芽长、根长、发芽指数和活力指数的值，分别计算相对值[19]。

(6)相对伤害率=[对照发芽率(CK)—处理发芽率]/对照发芽率(CK)×100%[20]。

(7)相对发芽率(Relative germination rate，RGR) =盐胁迫处理下种子发芽率/对照发芽率×100%。

(8)相对发芽势(Relative germination potential，RGP)=盐胁迫处理下种子发芽势/对照发芽势× 100%。

(9)相对胚芽长(Relative germ length，RGL)=盐胁迫处理下胚芽长度/对照胚芽长× 100%。

(10)相对胚根长(Relative radicle length，RRL)=盐胁迫处理下胚根长度/对照胚根长× 100%。

(11)相对发芽指数(Relative germination index，RGI)=盐胁迫处理下发芽指数/对照发芽指数× 100%。

(12)相对活力指数(Relative vigor index，RVI) =盐胁迫处理下活力指数/对照活力指数× 100%。

1.3.2种子耐盐碱能力 (1)耐盐/碱适宜浓度、半致死盐/碱浓度和致死盐/碱浓度的确定：耐盐/碱适宜范围(%)是相对发芽率达到75%以上的盐/碱溶液浓度；耐盐/碱半致死浓度(%)是相对发芽率达到50%时的盐/碱溶液浓度；耐盐/碱致死浓度(%)是相对发芽率达到10%时相对应的盐/碱浓度[21]。

(2)采用相对发芽率、相对发芽势、相对胚芽长、相对胚根长、相对发芽指数和相对活力指数6项指标，计算被引选的4种牧草盐碱胁迫下萌发期的综合隶属函数值，以评价其耐盐碱性。

植物耐盐碱性得分最终用隶属函数计算：Xij=(Xij-Xjmin)/(Xjmax-Xjmin)。

式中Xij表示i牧草种子j指标的隶属函数值；Xij表示i品种j指标的相应值；Xjmax和Xjmin则表示i牧草种子在j指标中相对应的最大值和最小值[22-23]。

1.4 数据处理

利用Excel 2016 对各生长指标数据进行整理计算，再使用SPSS 25.0软件进行方差分析和线性回归分析。采用Origin 2018进行绘图。

2 结果与分析

2.1 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫对4种牧草种子相对发芽率和相对伤害率的影响

由图1可知，4种牧草种子相对发芽率随着NaCl或NaHCO3浓度的升高呈下降趋势，各处理之间差异显著(P<0.05)。紫花苜蓿在50，100 mmol·L-1NaCl胁迫下相对发芽率高于50，100 mmol·L-1NaHCO3胁迫。50，100 mmol·L-1NaCl或NaHCO3胁迫下，湖南稷子相对发芽率表现最好。50 mmol·L-1NaCl或NaHCO3胁迫下高羊茅相对发芽率分别是88.00%，88.03%；50 mmol·L-1NaCl或NaHCO3胁迫下，鹰嘴紫云英相对发芽率是86.33%，57.83%。鹰嘴紫云英在NaCl浓度≥200 mmol·L-1时发芽率为0，说明受到严重抑制。高羊茅在NaCl浓度≥250 mmol·L-1时受抑制。在300 mmol·L-1NaCl下，紫花苜蓿受抑制严重，然而湖南稷子相对发芽率仍达到41.67%，说明湖南稷子耐盐浓度未到极限。200 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，紫花苜蓿和鹰嘴紫云英受NaHCO3胁迫影响严重，没有发芽。在250 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，湖南稷子和高羊茅受NaHCO3胁迫严重，没有发芽。表明禾本科比较耐碱。

4种牧草种子相对伤害率随着NaCl或NaHCO3浓度的增加均呈上升趋势，NaCl或NaHCO3胁迫浓度越大，种子受到伤害率越大。50，100 mmol·L-1NaCl胁迫下，紫花苜蓿相对伤害率分别是2.16%，5.70%。50，100 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，紫花苜蓿相对伤害率是19.38%，38.76%。湖南稷子在50，100，150 mmol·L-1NaCl胁迫下，相对伤害率分别是0.69%，1.35%，2.69%。湖南稷子在50，100，150 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，相对伤害率是4.03%，4.40%，73.63%。高羊茅在50 mmol·L-1NaCl或NaHCO3胁迫下，相对伤害率是11.38%，11.97%。鹰嘴紫云英在50 mmol·L-1NaCl或NaHCO3胁迫下，相对伤害率是17.33%，10.67%。在300 mmol·L-1NaCl胁迫下，其余3种牧草受到抑制严重，然而湖南稷子相对伤害率是57.64%(图1)。

图1 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫下4种牧草种子的相对发芽率和相对伤害率Fig.1 The relative germination rate and relative damage rate of four forage seeds under different concentrations of NaCl or NaHCO3 stress注:不同字母表示同种植物不同浓度间的差异显著(P<0. 05)，下同Note:Different letters indicate significant differences between different concentrations of the same plant at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫对4种牧草种子发芽势和相对发芽势的影响

由图2可知，紫花苜蓿在50 mmol·L-1NaCl胁迫时发芽势与0 mmol·L-1NaCl胁迫相比没有显著差异(P<0.05)。湖南稷子在50，100 mmol·L-1NaCl浓度时发芽势与0 mmol·L-1NaCl胁迫相比没有显著差异(P<0.05)。4种牧草的发芽势和相对发芽势均随着NaHCO3胁迫浓度的增大而均呈现下降趋势。然而在50 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，湖南稷子种子发芽势高于0 mmol·L-1NaHCO3,紫花苜蓿、高羊茅、鹰嘴紫云英种子发芽势显著低于对照(P<0.05)。这3种牧草对NaHCO3胁迫非常敏感。在50，100 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，湖南稷子种子相对发芽势高于CK，分别为对照的102.31%，102.11%。紫花苜蓿、高羊茅、鹰嘴紫云英种子表现出不同程度的下降(图2)。

图2 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫下4种牧草种子的发芽势和相对发芽势Fig.2 Germination vigor and relative germination vigor of four forage seeds under different concentrations of NaCl or NaHCO3

2.3 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫对种子相对胚芽长和相对胚根长的影响

由表2可知，4种牧草材料受不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫影响，其相对胚芽长和相对胚根长受影响程度各不相同，但均表现为随着浓度的增加，呈现降低趋势。50 mmol·L-1NaCl胁迫时，紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅和鹰嘴紫云英的种子相对胚芽长分别为119.42%，105.52%和102.87%，102.50%；50 mmol·L-1NaHCO3胁迫时，紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅和鹰嘴紫云英的种子相对胚芽长分别为84.30%，89.82%和93.18%，64.54%。100 mmol·L-1内浓度的盐胁迫对紫花苜蓿种子胚芽的生长具有促进作用。50 mmol·L-1NaCl胁迫下，紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅和鹰嘴紫云英的胚根长均受到抑制，相对胚根长分别为70.25%，68.20%，97.45%和90.27%。在50 mmol·L-1NaHCO3胁迫下，紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅和鹰嘴紫云英的胚根长均受到抑制，相对胚根长分别为68.33%，54.00%，83.67%和69%。4种牧草胚芽和胚根的生长均对NaCl或NaHCO3胁迫较敏感(表2)。

表2 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫下4种种子相对胚芽长和相对胚根长Table 2 The relative embryo length and relative radicle length of 4 kinds of seeds under different concentrations of NaCl or NaHCO3

2.4 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫对种子相对发芽指数和相对活力指数影响

由表3可知，4种牧草种质材料相对发芽指数和相对活力指数均随着NaCl或NaHCO3浓度的增大而呈现降低的趋势。紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅和鹰嘴紫云英在NaCl浓度50 mmol·L-1时，种子相对发芽指数有不同程度降幅，分别为对照的91.30%，98.10%，81.55%，83.69%。其中降幅最大的是高羊茅和鹰嘴紫云英。紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅和鹰嘴紫云英在NaHCO3浓度50 mmol·L-1时，种子相对发芽指数有不同程度降幅，分别为对照的86.36%，96.53%，86.72%，74.96%。其中降幅最大的是鹰嘴紫云英。湖南稷子、高羊茅、鹰嘴紫云英在NaCl浓度50 mmol·L-1时，种子相对活力指数有不同程度降幅，分别为对照的99.2%，99.16%，76.47%。其中降幅最大的是鹰嘴紫云英。紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅、鹰嘴紫云英在NaHCO3浓度50 mmol·L-1时，种子相对活力指数有不同程度降幅，分别为对照的74.93%，95.16%，81.73%，49.44%。其中降幅最大的是鹰嘴紫云英。紫花苜蓿在50 mmol·L-1浓度NaCl时，种子相对活力指数比CK高，为CK的107.43%，低浓度的NaCl胁迫对紫花苜蓿的种子萌发具有促进作用(表3)。

表3 不同浓度NaCl或NaHCO3胁迫下种子相对发芽指数和相对活力指数Table 3 Relative germination index and relative vigor index of seeds under different concentrations of NaCl or NaHCO3

2.5 NaCl胁迫与相对发芽率的相关性及耐盐效应

由表4可知，种子萌发阶段NaCl浓度每增加10 mmol·L-1，紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅、鹰嘴紫云英的相对发芽率分别下降4.60%，2.46%，3.89%，3.78%。下降速度越快说明耐盐性越差。4种牧草适宜盐浓度从高到低依次为湖南稷子>紫花苜蓿>高羊茅>鹰嘴紫云英。4种牧草适宜盐浓度与半致死盐浓度排序一致，浓度范围为131.22 mmol·L-1～279.95 mmol·L-1。4种牧草适宜盐浓度与致死盐浓度排序一致，浓度范围为237.142 mmol·L-1～442.95 mmol·L-1。从相关系数来看，4种牧草相关系数绝对值排序为高羊茅>紫花苜蓿>湖南稷子>鹰嘴紫云英。综上，湖南稷子适宜盐浓度、半致死盐浓度和致死盐浓度最高，说明盐胁迫对湖南稷子影响较小(表4)。

表4 NaCl浓度与种子相对发芽率的相关分析及耐盐度的测定Table 4 Correlation analysis of NaCl concentration and relative germination rate of seeds and the determination of salinity tolerance

2.6 NaHCO3胁迫与相对发芽率的相关性及耐碱效应

由表5可知，种子萌发阶段NaHCO3浓度每增加10 mmol·L-1，紫花苜蓿、湖南稷子、高羊茅、鹰嘴紫云英的相对发芽率分别下降4.25%，5.56%，4.65%，3.04%。下降速度越快说明耐碱性越差。4种牧草适宜碱浓度从高到低依次为湖南稷子>高羊茅>紫花苜蓿>鹰嘴紫云英。4种牧草适宜碱浓度与半致死碱浓度排序一致，浓度范围为47.1 mmol·L-1～143.36 mmol·L-1。4种牧草适宜碱浓度与致死碱浓度稍有差异，浓度范围为178.74 mmol·L-1～222.74 mmol·L-1，排序为高羊茅>湖南稷子>紫花苜蓿>鹰嘴紫云英。从相关系数来看，4种牧草相关系数绝对值排序为高羊茅>紫花苜蓿>湖南稷子>鹰嘴紫云英。综上，湖南稷子适宜盐浓度、半致死盐浓度最高，说明碱胁迫对湖南稷子影响较小(表5)。

表5 NaHCO3浓度与种子相对发芽率的相关分析及耐碱度的测定Table 5 Correlation analysis of NaHCO3concentration and relative germination rate of seeds and determination of alkali toleranc

2.7 4种牧草萌发期耐盐性综合评价

研究表明，4种牧草材料综合耐盐性总得分在-0.50～17.22之间，排名大小顺序依次为湖南稷子>紫花苜蓿>高羊茅>鹰嘴紫云英(表6)。

表6 不同NaCl溶液下 12 种牧草种子耐盐性得分及排名Table 6 Salt tolerance score ranking of 12 herbage seeds in different NaCl solutions

2.8 4种牧草萌发期耐碱性综合评价

由表7可知，4种牧草材料综合耐碱性总得分在3.72～21.71，排名大小顺序依次为湖南稷子>高羊茅>紫花苜蓿>鹰嘴紫云英(表7)。

表7 不同NaHCO3溶液下 4种牧草种子耐碱性得分及排名Table 7 Alkali tolerance scores and rankings of 4 forage seeds under different NaHCO3 solutions

3 讨论

3.1 盐碱胁迫对4种牧草种子萌发的影响

盐碱胁迫对植物的伤害在非生物胁迫下较为常见，它是影响植物种子萌发和幼苗生长的重要因素，会严重损害牧草细胞的正常生长代谢和生理过程[24-25]。种子萌发阶段是植物成功建植的第一步，也是耐盐碱性最弱的时期[26-27]。不同的植物种子对不同浓度的盐碱胁迫的耐受程度不同，研究发现低浓度盐胁迫对部分禾本科牧草种子和豆科牧草种子萌发具有促进作用，即“引发作用”[28]。本试验中50 mmol·L-1和100 mmol·L-1盐浓度下，紫花苜蓿相对发芽率达到98%，94%，湖南稷子在50 mmol·L-1，100 mmol·L-1和150 mmol·L-1浓度下，相对发芽率高达97.33%，96.67%，95.33%。这与张利霞等、景艳霞等[29]研究结果一致，出现这一情况原因是高盐对植物有害，但是低钠对植物生长也会有促进作用，因为钠元素是植物生长所必需的。盐碱胁迫对种子萌发的抑制作用，主要通过渗透作用与离子毒害作用来实现[30]。由于植物种类的不同，盐胁迫和碱胁迫下不同组织和器官的反应也不同，有的植物地上部抑制作用较地下部明显，有的则地下部较地上部更敏感，本研究结果中不同盐碱浓度对4种牧草胚芽的抑制作用小于胚根，且Nacl和NaHCO3浓度为150 mmol·L-1是4种牧草胚芽和胚根生长受抑制作用的一个阈值，这与李天永等[31]、邓杰等[32]的研究结果一致。

3.2 4种牧草耐盐碱性比较

禾本科和豆科牧草对盐碱胁迫存在明显差异，从适宜浓度、半致死浓度、致死浓度来看，碱胁迫对四种牧草的伤害远大于盐胁迫。事实上，由NaHCO3等碱性盐所造成的土壤碱化除了自由基、离子毒害，还存在高pH值危害，比由NaCl等中性盐所造成的盐化问题更加严重[33-38]。但盐胁迫和碱胁迫下牧草种子的各项指标变化因品种不同而异，且有较大的变化，因此不能用单一指标衡量牧草种子耐盐碱性，而要综合多种指标进行耐盐碱性评价[39]。4种牧草最终耐盐碱性得分排名是根据隶属函数公式分别计算4个浓度下各植物相对发芽率、相对发芽势、相对胚芽长、相对胚根长、相对发芽指数和相对活力指数6个生长指标，相对值的选取消除了各植物间种质的差异，更加公平客观的筛选出耐盐碱的植物。

4 结论

Nacl胁迫下6个浓度梯度4种牧草种子总得分排名顺序为:：湖南稷子>紫花苜蓿>高羊茅>鹰嘴紫云英。NaHCO3胁迫下6个浓度梯度4种牧草种子总得分排名顺序为：湖南稷子>高羊茅>紫花苜蓿>鹰嘴紫云英。4种牧草种子萌发时都具有一定的抵抗盐碱能力，可将其作为盐碱地改良过程中先锋物种，由于各草种的耐盐碱临界值不同，应因地制宜的选择合适的草种，以便更好发挥牧草耐盐改良作用。