徐 悅 曹逼力 陳子敬 徐 坤
(山東農(nóng)業(yè)大學園藝科學與工程學院,山東果蔬優(yōu)質(zhì)高效生產(chǎn)協(xié)同創(chuàng)新中心,農(nóng)業(yè)部黃淮地區(qū)園藝作物生物學與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室,山東泰安 271018)
土壤鹽堿化是世界性生態(tài)問題,據(jù)統(tǒng)計,全球有鹽堿地9.543 8 億hm2,約占陸地面積的7%(Metternicht &Zinck,2003),而我國土壤鹽漬化面積約占耕地面積的1/10,廣泛分布在華北、東北、西北內(nèi)陸地區(qū)以及長江以北的沿海地帶(俞仁培和陳德明,1999)。土壤鹽分主要誘導滲透脅迫和離子毒害(Munns,2002),高濃度Na+可置換細胞膜系統(tǒng)所結(jié)合的Ca2+,使Na+/Ca2+增加,膜的通透性增大(Yang et al.,2007);同時,植物體內(nèi)活性氧代謝系統(tǒng)的平衡受到影響,活性氧水平升高,而活性氧清除劑活性或含量降低(Shi &Wang,2005),膜脂過氧化或膜脂脫脂作用被啟動,導致膜的完整性被破壞,差別透性喪失,電解質(zhì)及某些小分子有機物大量滲漏,細胞物質(zhì)交換平衡被破壞(余叔文和湯章誠,1998)。較高pH 環(huán)境則會中和植物根系分泌的有機酸,導致土壤顆粒固結(jié)Ca、Mn、P、Fe 等元素,使植物難以吸收,嚴重時還會造成根系腐爛(Ibrahim,2016),這可能導致氧化應激反應,影響植物正常生理代謝(Shafi et al.,2009)。
生姜(Zingiber officinaleRosc.)為姜科多年生草本植物,起源于熱帶雨林地區(qū),根系不發(fā)達,耐旱抗?jié)承阅懿睿矚g肥沃疏松的壤土或沙壤土。章淑蘭等(1983)研究表明,生姜在土壤pH 為5~7范圍內(nèi)的長勢無顯著差異,但當pH≥8 時,則植株矮小,分枝少,葉片黃,根莖發(fā)育不良,產(chǎn)量顯著降低,而目前可耕種的鹽堿土壤pH 多在7~8 之間。為了進一步明確輕度鹽堿土pH 變化及鹽分對生姜的影響,本試驗采用營養(yǎng)液砂培方法研究pH與鹽交互脅迫對生姜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響,旨在為合理利用鹽堿地,擴大生姜種植區(qū)域提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。
試驗在2017 年預試驗的基礎(chǔ)上,于2018 年在山東農(nóng)業(yè)大學園藝實驗站進行。供試生姜品種為山農(nóng)1 號,催芽后(4 月26 日)播種于直徑34 cm、高22 cm 的塑料盆內(nèi)進行砂培,每盆2 株,播種后澆灌不同pH 及鹽水平的Hoagland 營養(yǎng)液,直至收獲。營養(yǎng)液pH 以NaOH 調(diào)節(jié),鹽水平以等量Na+的NaCl 和Na2SO4調(diào)節(jié)。試驗采用二次飽和D-最優(yōu)設(shè)計(表1),每處理45 盆,均分為3 組作為3次重復。
表1 試驗設(shè)計方案
生姜收獲時(10 月23 日)測定單株產(chǎn)量,并測定不同處理生姜品質(zhì)指標??扇苄缘鞍缀坎捎每捡R斯亮藍法測定(王月福 等,2002),可溶性糖、淀粉含量采用蒽酮比色法測定(趙世杰 等,1998),粗纖維含量采用酸-洗滌法測定(劉春生和楊守祥,1996),姜辣素含量采用超聲波輔助法測定(賴海濤 等,2017),揮發(fā)油含量采用超臨界二氧化碳萃取法測定(戰(zhàn)琨友 等,2009)。生姜品質(zhì)綜合評分標準為:各品質(zhì)指標均以最佳處理值為100 分,某處理該指標測定值占最佳處理值的百分數(shù)即為該處理的實際得分(纖維素以含量最少為最佳處理值,其占某處理該指標測定值的百分數(shù)即為該處理的實際得分),各處理所有品質(zhì)指標得分權(quán)重值之和即為該處理的綜合得分,其中揮發(fā)油含量權(quán)重為0.3,姜辣素含量權(quán)重均為0.3,可溶性蛋白、可溶性糖、粗纖維和淀粉含量權(quán)重均為0.1。
試驗數(shù)據(jù)采用AMS 和Excel 軟件進行統(tǒng)計分析。
以表1 不同處理營養(yǎng)液pH 編碼值(X1)及鹽水平編碼值(X2)為自變量,以表2 相應的生姜單株產(chǎn)量(Y1)為因變量,通過計算機模擬運算,得出產(chǎn)量與pH 及鹽水平之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學模型。
Y1=270.32-89.46X1-166.86X2-73.22X12-53.36X22+28.80X1X2
對上述方程進行F檢驗,F(xiàn)=496.78>F0.01(5,12)=5.06,達極顯著水平,故此回歸方程成立。對各偏回歸系數(shù)進行檢驗,F(xiàn)(X1)=168.65,F(xiàn)(X12)=26.64,F(xiàn)(X2)=586.70,F(xiàn)(X1,X2)=13.77,F(xiàn)(X22)=14.15,差異均達極顯著水平〔F0.01(1,12)=9.33〕。說明兩個因子均對產(chǎn)量有顯著影響,且因子交互效應顯著。
同理,可得到生姜綜合品質(zhì)(Y2)與pH 及鹽水平之間相關(guān)關(guān)系的數(shù)學模型:
Y2=87.58-5.56X1+1.33X2+3.84X12-17.12X22+2.17X1X2
對上述方程進行F檢驗,F(xiàn)=378.93>F0.01(5,12)=5.06,達極顯著水平,故此回歸方程成立。對各偏回歸系數(shù)進行檢驗,F(xiàn)(X1)=195.47,F(xiàn)(X12)=23.56,F(xiàn)(X2)=11.21,F(xiàn)(X1,X2)=23.56,F(xiàn)(X22)=437.19,差異均達極顯著水平〔F0.01(1,12)=9.33〕。說明兩個因子均對品質(zhì)有顯著影響,且因子交互效應顯著。
由于試驗所建的回歸方程已經(jīng)過無量綱編碼代換,故直接比較各偏回歸系數(shù)絕對值的大小,可反映各因子的重要程度。從產(chǎn)量回歸模型的一次項可以看出,X2的偏回歸系數(shù)絕對值∣-166.86∣大于X1的偏回歸系數(shù)絕對值∣-89.46∣,說明鹽水平對生姜產(chǎn)量的影響大于pH,且二者對產(chǎn)量的貢獻均為負效應;而品質(zhì)回歸模型X1的偏回歸系數(shù)絕對值∣-5.56∣大于X2的偏回歸系數(shù)絕對值∣1.33∣,說明pH 對生姜品質(zhì)的影響大于鹽水平,但其貢獻為負效應,而鹽水平則為正效應。
表2 鹽堿交互脅迫對生姜產(chǎn)量和品質(zhì)的影響
將回歸模型中兩個自變量編碼值中的一個固定在0 水平,可以得到另一個自變量與目標函數(shù)的關(guān)系,即單因子效應方程。由產(chǎn)量效應方程可得以下兩個方程:
Y11=270.32-89.46X1-73.23X12
Y12=270.32-166.86X2-53.36X22
由品質(zhì)效應方程可得以下兩個方程:
Y21=87.58-5.56X1+3.84X12
Y22=87.58+1.33X2-17.12X22
將單因子效應方程繪制成圖1,可以看出,在本試驗范圍內(nèi),生姜單株產(chǎn)量隨鹽含量的增加呈持續(xù)降低趨勢;當pH 為7.00~7.70 時,產(chǎn)量無顯著變化,當pH>7.70 時,產(chǎn)量則隨pH 升高快速降低。生姜品質(zhì)的變化與產(chǎn)量不同,鹽含量在0~77.91 mmol·L-1范圍內(nèi),生姜品質(zhì)隨鹽含量的增加而升高,達到77.91 mmol·L-1后,則隨鹽含量的增加而降低;而生姜品質(zhì)則隨pH 升高呈緩慢降低的趨勢。
圖1 模型單因子效應分析
對各單因子效應方程求自變量的導數(shù),即得該變量因子的邊際效應方程:
其中方程①和②分別為pH 和鹽水平對產(chǎn)量的邊際效應方程;方程③和④分別為pH 和鹽水平對品質(zhì)的邊際效應方程??梢钥闯?,方程①的斜率絕對值大于方程②,說明pH 變化對產(chǎn)量的影響大于鹽水平;同理方程④的斜率絕對值大于方程③,說明鹽水平變化對品質(zhì)的影響大于pH。
本試驗確定的回歸模型存在互作項,且其偏回歸系數(shù)顯著,說明在pH 與鹽交互作用條件下,生姜產(chǎn)量和品質(zhì)的變化不單純是各因子單獨效應的線性累加,還存在著配合效應,即因子交互效應。
從表3、4 可以看出,在X1取編碼值-1.000 0~-0.131 5,X2取-1.000 0 時,生姜單株產(chǎn)量較高,達398.10~428.87 g,超出此范圍,則產(chǎn)量顯著降低。生姜品質(zhì)的最優(yōu)交互區(qū)域為X1取-1.000 0,X2取-0.131 5~0.394 5,品質(zhì)可達90分以上,超出這一范圍,則品質(zhì)均表現(xiàn)下降。
表3 X1和X2對產(chǎn)量Y1的交互效應值
表4 X1和X2對品質(zhì)Y2的交互效應值
鹽堿土通過離子脅迫、水分脅迫、高pH 脅迫抑制植物的生長和發(fā)育,進而影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)(位杰 等,2015)。研究表明,隨著土壤NaCl濃度的增加,小麥籽粒產(chǎn)量下降,籽粒中Na+、氨基酸、麥谷蛋白亞基含量增加(Zhang et al.,2016);適度的鹽堿脅迫可以促進番茄果實可溶性糖、有機酸的積累,增加固形物含量(Jan et al.,2014)。黃立華等(2007)研究也證實,一定濃度的鹽處理可以調(diào)節(jié)番茄的風味、色澤和可溶性物質(zhì)含量,有利于提高番茄果實糖酸比。陳映彤等(2017)研究表明,較低濃度的鹽堿脅迫可以提高甜瓜果實可溶性固形物、可溶性糖含量,降低總酸含量。本試驗結(jié)果表明,鹽堿脅迫對生姜產(chǎn)量和品質(zhì)均有顯著影響,且二者之間存在顯著的交互效應,但以鹽水平對生姜產(chǎn)量的影響較大,表現(xiàn)為隨鹽含量的升高,生姜產(chǎn)量持續(xù)降低;而pH在7.00~7.70 之間時,生姜產(chǎn)量變化不顯著,當pH>7.70 時,生姜產(chǎn)量隨pH 升高呈快速下降趨勢。對生姜品質(zhì)而言,pH 的影響大于鹽水平,表現(xiàn)為隨pH 的升高,生姜品質(zhì)呈緩慢降低的趨勢,而鹽含量在低于77.91 mmol·L-1時,生姜品質(zhì)隨鹽含量的增加而升高,達到77.91 mmol·L-1后,生姜品質(zhì)則隨鹽含量的增加而降低。可見,輕度鹽脅迫即可降低生姜產(chǎn)量,但其對堿的適應能力可達pH 7.7。