寒地粳稻耐碱鉴定指标筛选与评价

孙兴荣，卞景阳，刘琳帅，刘 凯，李 杰，来永才

(1.黑龙江省农业科学院大庆分院，黑龙江大庆 163319； 2.国家耐盐碱水稻技术创新中心东北分中心，黑龙江哈尔滨 163316；3.黑龙江省农业科学院，黑龙江哈尔滨 163316)

东北松嫩盐碱土是世界上三大苏打盐碱土之一，松嫩平原盐碱土壤面积在343万hm2左右[1]，其中黑龙江省盐碱地面积为187万hm2左右，寒地粳稻盐碱土壤种植面积在6.7万hm2左右，由于水资源和水利工程的高效利用，苏打碱土寒地粳稻面积逐年增加。苏打盐碱土壤生态环境，不同于滨海盐碱土壤，苏打盐碱土壤中主成分碳酸钠和碳酸氢钠，对寒地粳稻生长发育的影响主要是碱性。前人进行了相关研究，在土壤改良方面，主要采用以水洗碱、以水压碱等技术措施进行苏打碱土的改良[2]，以水改良土壤存在碱水污染周边生态环境等问题。在耐盐碱研究和种质筛选方面，其中耐盐研究较多[3-5]，主要在种子萌发和苗期鉴定。孟丽君等在苗期耐盐和耐碱方面，以吉粳88为基础，利用不同类型的水稻亲本，进行育种资源的鉴定[6]。潘世驹等对多份粳稻苗期进行耐盐筛选，认为对水稻幼苗的抑制作用主要表现为根长>芽长>根数[7]。冯钟慧等对多份粳稻进行耐盐筛选，筛选出东稻4号、长白21号等多个耐碱品种资源[8]。虽然众多学者开展了大量的工作，但还存在很多问题，水稻不同时期的水稻耐碱性结论不相同[9-10]。目前对寒地粳稻对苏打碱土的影响评价标准不一致，方法不统一[11]，研究苏打盐碱土使用的试剂模拟或盆栽环境，很少有大田试验[12]。

因此，本研究以寒地粳稻品种为研究对象，利用pH值为7.5的稻田土作为对照，以pH值为8.5的苏打盐碱土为处理，对66份寒地粳稻进行本田种植，进行农业耐碱力的鉴定和综合评价。利用多种分析方法进行寒地粳稻指标的筛选，旨在为水稻耐碱品种的选育及耐碱性评价提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以黑龙江省审定的66份寒地粳稻品种和品系为供试品种(系)，供试水稻品种(品系)见表1。

表1 供试水稻品种(品系)材料

1.2 试验设计

本试验2021年在黑龙江省农业科学院大庆分院红旗泡水稻试验基地进行，4月20日播种，采用旱育苗方式，3叶1心时插秧。基地位于黑龙江省西部松嫩平原腹地，天然形成不同碱度的土壤，试验田块分为对照田块、处理田块，对照田块属于弱碱田块，pH值为7.5，试验田块为天然苏打碱土分布均匀的中度盐碱田块，pH值为8.5，土壤基本理化性质见表2，不同水稻品种(品系)分别于对照田块、处理田块插秧20株，插秧规格为30.0 cm×13.2 cm，水肥管理措施与常规水田管理相同。

表2 参试土壤基本性质

1.3 测定项目与方法

于水稻成熟期(10月5日)进行相关指标的测量，每份材料选取长势基本一致的10穴，置于通风阴凉处风干。参考《水稻种质资源描述规范和数据标准》[13]进行考种，考种指标包括株高、穗长、穗数、实粒数、瘪粒数、株总粒数、单株粒质量、 穗质量、千粒质量，并计算空秕率、秸秆质量、经济系数。

1.4 数据处理及统计分析

采用Excel 2007进行数据整理及描述性分析，采用SPSS 17.0软件系统进行数据处理和统计分析，包括主成分分析和相关分析等，相关指标计算方法参考戴海芳等的方法[14]。

1.4.1 耐碱系数( alkali tolerant coefficients，简称ATC) 为消除各试验材料和测量指标之间存在的基础差异，将全部水稻测定指标统一计算耐碱系数，即使用各耐碱指标的相对值进行水稻耐碱性综合分析。

ATC=碱迫下指标值/对照指标值。

(1)

1.4.2 综合指标值 综合指标值按以下公式计算：

(2)

式中：Zi为各参试材料第i个综合指标值；αi为第i个指标特征值所对应的特征向量；Xi为第i个指标的相对值；n代表考察的指标数。

1.4.3 隶属函数分析 参试材料各主成分的隶属函数值依据公式计算：

μ(Zi)=(Zi-Zmin)/(Zmax-Zmin)(i=1，2，3，…，n)。

(3)

式中：μ(Zi)为各参试材料第i个主成分的隶属函数值；Zmin和Zmax分别为各参试材料综合指标的最小值和最大值。

1.4.4 各综合指标的权重 根据各主成分贡献率按照公式计算各主成分的权重：

(4)

式中：Wi为各参试材料第i个综合指标的权重；Pi为各参试材料第i个综合指标的贡献率。

1.4.5 参试材料的综合耐盐碱D值 根据公式计算各试验材料的综合耐盐碱D值：

(5)

2 结果与分析

2.1 耐碱性描述性分析和相关分析

试验对66个寒地粳稻材料的12个性状的耐碱性进行测定(表3)，所有性状的耐碱系数平均值为0.885，平均耐碱系数值分布在0.754～1.020之间，株高、穗长、空秕率、瘪粒数、实粒数、千粒质量、经济系数共7项指标的平均耐碱系数大于0.9；穗数、株总粒数、单株粒质量、穗质量、秸秆质量共5项指标的耐碱系数在0.8以下。从12个性状的变异系数上看，变异系数最小的3个耐碱指标依次是经济系数(8.00%)、穗长(8.51%)、株高(11.70%)；变异系数最大的3个耐碱指标依次是瘪粒数(39.58%)、空秕率(36.84%)、秸秆质量(27.27%)。

表3 水稻品种(品系)耐碱系数的描述性分析

对试验材料的12个表型性状的相关分析结果(表4)显示，性状间存在不同程度的相关性。其中，穗质量耐碱系数与株高、穗数、株总粒数、单株粒质量、秸秆质量的耐碱系数呈显著或极显著正相关；株总粒数耐碱系数与株高、穗数、实粒数、瘪粒数、单株粒质量、穗质量、秸秆质量的耐碱系数呈显著或极显著正相关；千粒质量的耐碱系数与穗长呈极显著正相关，与每株实粒数、瘪粒数、株总粒数、空秕率的耐碱系数呈显著或极显著负相关。穗数的耐碱系数与每株实粒数的耐碱系数呈显著负相关，与株高、株总粒数、单株粒质量、穗质量、秸秆质量呈显著或极显著正相关。水稻各性状之间的相关性存在信息重叠，需要进一步分析各性状响应碱害的真实性。

表4 不同水稻品种(品系)12个性状耐碱系数的相关分析

2.2 耐碱性的主成分分析

试验材料耐碱性的主成分分析(表5)，得出5个主成分的累计贡献率(CCR)为87.768%，说明前5个主成分具有代表性。主成分特征值(E)均大于1，贡献率(CR)分别为36.132%、19.344%、12.736%、10.746%、8.810%，即前5个相互独立的主成分代表12个性状87.768%的变异信息。第1主成分的贡献率为36.132%，主成分中与产量相关的穗数(0.806)、株总粒数(0.943)、单株粒质量(0.948)、穗质量(0.957)的载荷较高，可将该主成分定为产量因子；第2主成分的贡献率为19.344%，主成分中与籽粒结实相关的瘪粒数(0.870)、空秕率(0.766)、千粒质量(-0.773)的载荷较高，可将该主成分定为籽粒结实因子；第3主成分、第4主成分、第5主成分的贡献率分别为12.736%、10.746%、8.810%，以经济系数(0.745)、每穗实粒数(-0.628)、穗长(0.619)的载荷较高，主成分可分别定为经济系数因子、实粒数因子、穗长因子。

表5 前5个主成分的特征向量载荷、E、CR及CCR

2.3 耐碱性综合评价

依据公式计算各试验材料的综合指标值和隶属函数值，根据主成分贡献率的大小，计算5个主成分的权重，分别为0.412、0.220、0.145、0.122、0.100。利用公式对综合指标隶属函数值、对应权重进行线性加权，最后计算出试验材料的综合评价值(D)。由表6可知，66份试验材料D均值为0.387，分布在0.26～0.49区间内。试验材料Y41、Y45、Y2的D最高，分别为0.49、0.45、0.45，是综合评价值最高的3份耐碱材料。试验材料Y30、Y32、Y3的D最低，分别为0.26、0.28、0.29，是对碱性最敏感的3份粳稻材料。

表6 66个水稻品种(品系)的权重、隶属函数值、D及耐碱性排序

表6(续)

2.4 水稻耐盐碱鉴定指标的筛选

以耐碱性综合评价值为自变量，各鉴定指标的耐碱系数作为自变量，建立耐碱性评价的逐步回归方程。去除X1和X11，使用剩余10个表型指标建立回归方程。方程为D=0.137+0.049X2-0.008X3+0.017X4+0.02X5+0.092X6+0.022X7+0.041X8+0.019X9+0.088X10-0.024X12。

式中：X2、X3、X4、X5、X6、X7、X8、X9、X10、X12分别代表穗数、穗长、实粒数、瘪粒数、株总粒数、空秕率、单株粒质量、千粒质量、穗质量、经济系数。

回归方程的F值为2 122.368，说明方程达到显著水平。通过耐碱性综合评价值与12个性状的耐碱系数相关分析结果得出，D与株高、穗数、实粒数、瘪粒数、株总粒数、空秕率、单株粒质量、穗质量、秸秆质量共9个性状指标呈显著相关。进一步分析得出株高、穗数、株总粒数、单株粒质量、穗质量共5个指标的耐碱系数相互显著相关，选择与D最密切的单株粒质量作为耐碱鉴定指标。瘪粒数和空秕率2个指标的耐碱性系数相互显著相关，选择空秕率作为耐碱鉴定指标。所以，将单株粒质量、空秕率、秸秆质量、实粒数共4个指标作为寒地粳稻本田耐碱鉴定评价指标。

3 讨论与结论

水稻耐盐碱鉴定条件。盐碱胁迫对水稻的研究，主要集中在盐对水稻生长的影响，多在芽期、苗期，采用试剂配制溶液模拟盐碱环境的方法，这种条件有利于控制试验，精确度高。如杜志强等均采用过这种方法[15-19]进行研究。关于内陆苏打碱土对水稻的影响研究较少，并多是利用盆栽方式。在大田的研究中，由于苏打碱土大田的盐渍化程度不好控制，大田苏打碱土的土壤性质，盐渍化的程度与水分、耕作条件等存在很大的相关性。为了利于水稻材料的鉴定，确保水稻材料综合胁迫环境更符合自然条件。应多采用不同盐渍化程度的大田进行试验。

水稻耐盐碱筛选指标。不同的研究结果存在一定的差异，李红宇等认为，结实率、产量、生物量、经济系数、根直径等指标可作为水稻耐盐碱评价指标[20]。徐晨等认为，地上鲜质量、根系鲜质量、叶片的光合速率、气孔导度等指标可作为水稻耐盐碱评价指标[21]。王秋菊等认为，死叶率可以作为水稻耐盐碱评价指标[22]。本研究得出单株粒质量、空秕率、秸秆质量、实粒数共4个指标作为寒地粳稻本田耐碱鉴定评价指标。各项耐碱指标的确定存在一定的差异，主要是试验条件和测定指标均存在差异。

本研究结果表明，碱胁迫抑制了寒地水稻生长，测定的12项指标中，单株粒质量、空秕率、秸秆质量、实粒数4个指标可作为寒地粳稻本田耐碱鉴定评价指标。从66份寒地粳稻中筛选出3份耐盐碱材料，分别为龙稻21、龙稻16、松粳3号；敏感寒地粳稻资源3份，分别为庆401、D132、广稻1号。