基于计算机模拟的人工盐碱地盐分配方及其应用

王伟，于亮，王志，王伟伟，钮力亚，陆莉，王奉芝，张景俭

(沧州市农林科学院/河北省农作物耐盐碱评价与遗传改良重点实验室，河北 沧州 061001)

土壤盐渍化是当前世界上最难解决的资源环境问题之一[1]，而干旱半干旱地区的土壤盐碱化日益严重[2-3]。盐渍化土壤在世界范围内分布广泛，世界各地盐碱化的土壤总面积高达8.31×109hm2，我国盐渍化的土壤面积近1 亿hm2，其中河北省盐碱地总面积约71.61 万hm2，约占耕地总面积的10%。其中，沧州市是河北省乃至全国滨海盐碱地集中的主要地区之一[4-6]。研究、开发和利用盐渍化土壤对保护耕地资源、保障国家粮食安全具有重要的现实意义。

培育耐盐碱植物新品种和提高植物耐盐碱能力是盐碱地生物改良的有效途径。筛选和鉴定耐盐碱种质资源是培育耐盐碱植物新品种的重要基础。植物种类不同，耐盐碱能力的鉴定方法也不同。即使同一植物种类，不同研究人员采用的鉴定方法和标准也有所不同。目前主要有单盐(NaCl)胁迫鉴定[7-8]、多种盐分配比胁迫鉴定[9-10]和人工海水配方胁迫鉴定[11-12]等方法，且这些方法各有优缺点。如人工海水配方胁迫鉴定方法虽然盐分离子较为全面，但与实际自然环境下盐碱地土壤离子组成仍有较大差异。生产上迫切需要一种可室内操作、快速、高效的、贴近自然环境中盐碱地盐分离子实际的配方，以用于植物耐盐碱鉴定与评价。

目前，关于土壤盐分离子检测的数据与分析均是基于样本检测的结果，受取样时间、取样地点、取样土层等影响[13-14]，不能完全准确地反映取样地区盐分离子含量的总体情况。本研究基于沧州滨海盐碱区的盐分离子检测数据，采用多变量重抽样自举法[15-16]，利用计算机模拟抽样，综合推断沧州滨海盐碱地主要盐分离子的总体含量，然后依据阴阳离子电荷平衡，建立代表自然环境下轻度、中度、重度盐碱地盐分的化学试剂配方(简称人工盐碱地配方)，并采用小麦芽期盐碱耐性鉴定试验验证配方的科学性和有效性，以期为建立快速、高通量的室内植物耐盐碱鉴定与评价方法提供参考。

1 材料与方法

1.1 土样采集与检测方法

于2019 年河北沧州地区的“返盐”季节分别在滨海的盐山、黄骅、中捷、海兴4 地典型的盐碱地上分3 个批次取样。每次取样时间间隔约40 d，分别为3 月21 日至3 月25 日、4 月1 日至4 月5 日、5月11 日至15 日。采用5 点取样法，利用土钻分别采取0～20、20～40、40～60、60～80、80～100 cm 5 个土层的土壤。盐山设4 次重复，其他取样地点设3次重复。采集完后立刻带回实验室自然阴干，然后将各土样混合均匀后过筛，用于盐分离子检测。

采用电导法[17]测定土壤可溶性总盐含量；用pH 计测定土样pH 值；采用火焰分光光度计法测定钾离子、钠离子含量[18]。土样进行相应前处理后，采用AA3 流动分析仪进行土壤总含盐量及各主要盐分离子含量的测定，包括碳酸根+碳酸氢根离子、钠离子、镁离子、氯离子、钙离子、硅酸根和硫酸根离子。

1.2 多变量重抽样自举的实现方法

根据莫惠栋的重抽样技术——自举法[16]，综合考虑各盐分离子间的相互关系，实现各盐分离子含量的重抽样自举。其主要步骤如下:

Step1:将195 个样本编码为1～195 号，共195组数据。

Step2:重抽样自举样本。抽1～195 的随机数字，将抽到样本的所有指标的数据作为自举样本的一组观察值。循环抽样195 次(n=195)，获得的195 组数据构成一个新的自举样本。

Step3:将新的自举样本按轻度、中度、重度盐碱地的总含盐量等级标准分类，获得该样本的轻度、中度和重度盐碱地的其他各个指标的平均数。

Step4:重复第2 和第3 步，循环重抽样10 000次，获得10 000 个重抽样自举样本的轻度、中度和重度盐碱地(3 种类型)各指标的平均数。

Step5:计算10 000 个重抽样自举样本各指标平均数的均值和标准误。

1.3 试验材料和小麦芽期耐盐碱鉴定方法

选择16 个常规小麦品种作为试验材料(表1)，以超纯水为对照，设置轻度、中度、重度3 个盐分水平的盐碱地配方，分别进行发芽试验。在培养皿中放两层滤纸，分别加入去离子水(对照)和盐分溶液，每个处理30 粒种子，3 次重复。置于光照培养箱发芽(25 ℃恒温，光照16 h)。7 d 后调查发芽率，随机挑选10 株幼苗调查芽长、根长、根数、芽鲜质量、根鲜质量及根冠比，并计算各性状的相对值。计算公式为:性状相对值=盐碱胁迫下性状值/对照条件下性状值[19]。

表1 试验采用的小麦品种和来源Table 1 Varieties and sources of the wheat cultivate used in the experiment

采用隶属函数法，利用主成分分析和聚类分析进行小麦芽期盐碱耐性评价[19-20]。根据各试验材料各指标的相对值，采用主成分分析获得各材料的因子得分后，通过隶属函数法对各试验材料因子得分进行分析，获得衡量各材料盐碱耐性强弱的D值，再采用K-均值聚类方法对各材料的D值进行聚类，将供试材料的盐碱耐性分为髙耐、耐盐、中耐、敏感、高感5 个级别。

2 结果与分析

2.1 人工模拟盐碱地盐分配方的建立

2.1.1 归类和重抽样自举

按照轻度盐碱地(总含盐量小于0.3%)、中度盐碱地(总含盐量介于0.3%～0.6%之间)和重度盐碱地(总含盐量超过0.6%)分类标准对检测数据进行分类，分别形成轻度、中度和重度盐碱地各离子的样本数据。再采用多变量自举法，利用Python3.7.4实现重抽样自举，估计出轻度、中度和重度3 类滨海盐碱地各盐分离子总体的平均数和标准误(表2)。最后，根据阴阳离子电荷平衡，组合形成轻度、中度、重度人工盐碱地盐分配方(表3)。

表2 基于重抽样自举法的各盐分离子的参数估计Table 2 The parameter estimates of salt ions based on resampling bootstrap method

表3 人工模拟盐碱地盐分配方Table 3 The artificial simulated formula of the salts from the saline alkali soilg·L-1

2.1.2 人工模拟盐碱地盐分溶液的制备

取约800 mL 超纯水，依次加入表3 中相应含量的各试剂，待充分溶解后，用容量瓶定容至1 000 mL，形成类似于自然环境条件下轻度、中度和重度滨海盐碱地盐分的溶液。应用中必须注意的是，该溶液长时间静置容易产生少量沉淀，需现用现配。

2.2 人工模拟盐碱地盐分配方在小麦芽期耐盐碱鉴定中的应用

2.2.1 小麦芽期耐盐碱鉴定中盐分水平的选择

为了验证本研究中的配方在植物盐碱耐性鉴定中的可行性和有效性，需要采用F测验进行方差分析。方差分析结果表明(表4)，除根鲜质量外，对照与轻度、中度和重度盐碱地的模拟配方在发芽率、芽长、根长、根数、芽鲜质量和根冠比6 个指标上均存在极显著差异(P＜0.01)。

表4 小麦芽期耐盐碱鉴定指标的方差分析结果Table 4 The analysis of variance for the traits of wheat for the salt and alkali tolerance at germination stage

采用Duncan’s 新复极差法进行多重比较(表5)，根据多重比较结果确定小麦芽期盐碱耐性鉴定的盐分水平。

表5 处理间的多重比较结果Table 5 The multiple comparisons between the treatments

轻度盐碱地模拟配方与对照在发芽率、根数、根冠比指标上均存在显著或极显著差异。中度和重度盐碱地模拟配方与对照在发芽率、芽长、根长、根数和根冠比5 个指标上均存在显著或极显著差异，而中度和重度盐碱地模拟配方仅在根数、根鲜质量和根冠比上差异不显著。根据表2 可知，轻度、中度和重度盐碱地盐分配方的总含盐量平均值分别为1.149 1、3.832 1 和7.754 1 g/kg。根据小麦耐盐碱鉴定时自然条件下田间盐碱地的实际情况，结合赵松山等[5]在田间及模拟盐池中关于小麦耐盐性鉴定的经验，综合确定实验室内进行小麦芽期盐碱耐性鉴定时采用中度盐碱地盐分配方较为合适。

2.2.2 小麦芽期盐碱耐性鉴定结果

以主成分分析获得的3 个主成分因子作为鉴定小麦芽期盐碱耐性的综合指标，计算各综合指标的隶属函数值及权重，进而得到各材料芽期的盐碱耐性综合评价值(D)，D值越大，盐碱耐性越强。采用K-均值聚类方法将供试材料的盐碱耐性分为髙耐、耐盐、中耐、敏感、高感5 个级别(表6)。鉴定结果:农家种沧红和茶淀红的耐盐碱等级为1 级(高耐)；沧麦6002、沧麦6005、冀麦32、科遗26、轮抗6 和轮抗7 的耐盐碱等级为2 级(耐盐)；济麦22、石麦22、晋麦47 和山融3 号的耐盐碱等级为3 级(中耐)；科农9204 和中国春的耐盐碱等级为4 级(敏感)；衡4399 和矮抗58 的耐盐碱等级为5 级(高感)。

表6 小麦芽期盐碱耐性鉴定结果Table 6 Identification of salt and alkali tolerance of wheat at germination stage

3 讨论

3.1 关于重抽样自举法的应用

自举法是现代统计学研究中的一种重抽样技术，依赖于计算机的大容量和高效率进行相应统计数的估计[15-16]。因为土壤盐分离子间存在这样或那样不同程度的相互关联，如果利用样本单个盐分离子的检测数据估计其总体的参数易出现误差。本研究首次将自举法应用到土壤离子成分的构成分析。在沧州滨海盐碱地土样检测的样本数据的基础上，采用多变量重抽样自举法[16]和Python 语言，利用计算机模拟对样本资料进行复置抽样，产生一系列新的能够代表被研究总体的多个样本，进而模拟出统计数的分布，估计轻度、中度和重度盐碱地上主要盐分离子的总体参数。同时，根据阴阳离子电荷平衡，组配出贴近自然环境实际的轻度、中度和重度盐碱地盐分的化学试剂配方。

3.2 关于人工模拟盐碱地盐分配方的特点

本研究在沧州滨海盐碱地主要盐分离子检测数据的基础上，首先利用多变量重抽样自举法估计出各主要盐分离子的总体含量，然后根据土壤中阴阳离子电荷平衡组配化学试剂，形成了人工模拟盐碱地盐分配方。这3 种模拟配方含有8 种盐分离子，比NaCl 胁迫鉴定[7-8]、多种盐分配比胁迫鉴定[9-10]和人工海水配方胁迫鉴定[11-12]中的盐分离子更全面。而且通过重抽样自举法对配方中的离子含量实现参数估计，相当于采用大量的实际盐分离子检测数据，更贴近自然环境下滨海盐碱地的实际盐分含量。

3.3 关于人工模拟盐碱地盐分配方的应用

采用本研究中的人工模拟盐碱地盐分配方，可以在室内快速实现植物盐碱耐性的鉴定工作。小麦芽期盐碱耐性鉴定试验结果表明，中度盐碱地的模拟配方适宜作为小麦芽期盐碱耐性鉴定的盐分水平。其中，沧红和茶淀红是较为耐盐的农家种，本研究鉴定的等级与田间实际相符；沧麦6002、沧麦6005、冀麦32 的耐盐碱等级鉴定为耐盐，与相关研究结果基本吻合[19，21]；中国春、科农9204 和衡4399是常规意义上的不耐盐碱小麦材料，在本研究中鉴定为敏感或高感。另外，晋麦47 和山融3 号在本研究中的鉴定等级与相关报道有一定差异[22]，可能是由于本研究目前仅限于小麦芽期盐碱耐性的鉴定结果，如果对小麦全生育期的盐碱耐性进行鉴定，也有可能与芽期的耐盐鉴定结果不一致。综上，采用本研究配方对小麦的芽期盐碱耐性的鉴定结果与相关的实践或文献资料基本吻合，在一定程度上说明该配方的可行性和有效性。另外，在其他植物盐碱耐性的鉴定上，此人工模拟盐碱地盐分配方的可行性和有效性则有待进一步探讨。

4 结论

本研究结果表明，通过多变量重抽样自举法可以实现沧州滨海盐碱地主要盐分离子含量的参数估计。根据各离子参数估计的结果，结合阴阳离子电荷平衡，形成了人工模拟盐碱地盐分配方，并将其成功应用于室内小麦芽期盐碱耐性的鉴定与评价中，盐碱耐性鉴定结果与小麦田间实际表现吻合。