玉米苗期耐鹽性鑒定評(píng)價(jià)方法研究

李俊萍，王秀萍，劉素娟，魯雪林，吳 哲

（1河北省容城縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，河北保定 071700；2河北省鹽堿地綠化技術(shù)創(chuàng)新中心，河北唐山 0632993；3河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所，河北唐山 063299；4河北省種子管理總站，石家莊 050051）

0 引言

玉米是中國(guó)重要的糧飼兼用作物，常年播種面積2500萬(wàn)hm2左右，約占世界總面積的17.2%[1]。玉米對(duì)鹽分中度敏感，鹽脅迫下玉米的生長(zhǎng)發(fā)育受到明顯的抑制，是對(duì)鹽分中等敏感的禾本科作物[2-3]。土壤鹽漬化是影響作物生產(chǎn)的重要非生物脅迫因素，在實(shí)踐生產(chǎn)上制約著農(nóng)業(yè)的發(fā)展。而玉米作為一種易種植，好管理，適應(yīng)性強(qiáng)的糧飼兼用作物，如果能被合理種植于鹽漬化土地，并產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)促進(jìn)鹽堿地農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義[3]。

發(fā)展鹽堿地玉米產(chǎn)業(yè)的有效的方法是選擇具有耐鹽性好的玉米品種資源，而通過(guò)耐鹽鑒定手段評(píng)估玉米耐鹽性，對(duì)鹽堿地玉米增產(chǎn)及耐鹽育種至關(guān)重要[4-6]。苗期和芽期是玉米鹽脅迫的關(guān)鍵期，研究表明，生長(zhǎng)初期耐鹽性強(qiáng)的品種在生長(zhǎng)后期也會(huì)表現(xiàn)出一定的耐鹽性[7]。楊書(shū)華等[8]比較了14個(gè)吉林省種植面較廣的玉米雜交種的鹽堿耐性，發(fā)現(xiàn)大田鑒定結(jié)果與苗期耐鹽堿能力綜合評(píng)價(jià)分級(jí)基本吻合。玉米生長(zhǎng)初期鑒定耐鹽性具有快速、穩(wěn)定、能代表后期的生長(zhǎng)發(fā)育等優(yōu)點(diǎn)，因此目前研究玉米的耐鹽性多選擇在萌發(fā)期或苗期采用NaCl水培法或沙土盆栽鹽水過(guò)飽和灌溉法[7]。然而這些方法未考慮到土壤質(zhì)地、通透性或鹽分積累等因素對(duì)玉米的影響[9-10]。

由于不同玉米品種對(duì)鹽脅迫反應(yīng)不同，采用不同的方法和不同評(píng)價(jià)指標(biāo)所得的結(jié)果不同，因此玉米耐鹽鑒定指標(biāo)篩選及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)很難統(tǒng)一[6]?，F(xiàn)有研究已經(jīng)表明一定程度的鹽脅迫對(duì)玉米的形態(tài)學(xué)指標(biāo)、光合系統(tǒng)、酶系統(tǒng)及滲透調(diào)節(jié)等相關(guān)的理化指標(biāo)有顯著影響。因此多指標(biāo)綜合評(píng)判玉米耐鹽性已經(jīng)成為共識(shí)[1]。然而在指標(biāo)選擇及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)上依然沒(méi)有統(tǒng)一的行業(yè)鑒定標(biāo)準(zhǔn)。因此本研究旨在從濱海地區(qū)鹽堿地土壤實(shí)際狀況出發(fā)，研究不同玉米品種的苗期耐鹽性，為制定農(nóng)業(yè)行業(yè)的玉米耐鹽堿鑒定評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2020年7月在河北省農(nóng)林科學(xué)院濱海農(nóng)業(yè)研究所試驗(yàn)基地防雨棚中進(jìn)行。試驗(yàn)材料共10份，為華北地區(qū)推廣的玉米品種，分別為‘浚單20’、‘農(nóng)華101’、‘農(nóng)大108’、‘京單38’、‘先玉335’、‘鄭單958’、‘京科665’、‘京科968’、‘NK815’、‘京農(nóng)科728’，品種來(lái)源為豐南種業(yè)科技有限公司。共設(shè)6個(gè)鹽處理濃度(0.2%、0.3%、0.4%、0.5%、0.8%、1.0%)和一個(gè)正常生長(zhǎng)環(huán)境對(duì)照（淡水處理），每個(gè)處理10次重復(fù)。

1.2 試驗(yàn)管理及調(diào)查

試驗(yàn)采用研發(fā)的自吸水耐鹽鑒定處理方法[11]，由花盆和鹽池構(gòu)成，其中鹽堿池長(zhǎng)3 m，寬2 m，填充淡水，水面距離盆底2 cm，上下由直徑5 mm棉繩連接，參見(jiàn)示意圖（圖1）?；ㄅ鑳?nèi)填裝鹽漬土，其中50%為人工基質(zhì)（草炭：蛭石：珍珠巖=2:1:1），其余50%為鹽漬土。利用濱海地區(qū)鹽堿原土（鹽度＞1.2%）與非鹽堿土（鹽度＜0.1%）調(diào)配成設(shè)定的鹽處理濃度?；ㄅ杼砑诱{(diào)配好的鹽漬土后置于鹽池架子上，每個(gè)鹽處理包含10個(gè)花盆作為10次重復(fù)，于7月12日播種，每個(gè)花盆播種10粒，第4天和第7天調(diào)查出苗率，以平均值作為最終的出苗率，隨后每個(gè)花盆間苗保留3棵長(zhǎng)勢(shì)一致的苗，第16天調(diào)查花盆里每株玉米苗的葉片數(shù)、葉長(zhǎng)、葉寬、株高、直徑等形態(tài)指標(biāo)，由于玉米苗莖稈呈扁圓形，因此短邊直徑記為“短徑”，長(zhǎng)邊直徑記為“長(zhǎng)徑”。試驗(yàn)期間每3天采用淋?chē)姺绞奖３滞寥辣砻鏉駶?rùn)，防止表層蒸發(fā)出現(xiàn)積鹽現(xiàn)象。

圖1 自吸水耐鹽鑒定裝置

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

首先將各鹽處理下的調(diào)查指標(biāo)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為耐鹽系數(shù)，并基于耐鹽系數(shù)進(jìn)一步評(píng)價(jià)各性狀對(duì)鹽脅迫的響應(yīng)。本研究中的耐鹽系數(shù)定義為實(shí)際測(cè)定值與對(duì)照測(cè)定值的比值。利用中位數(shù)評(píng)估各處理數(shù)據(jù)的總體情況，結(jié)合四分位差評(píng)估數(shù)據(jù)的分布情況和確定合理的鹽脅迫濃度。最后利用SPSS 16.0軟件進(jìn)行主成分分析、隸屬函數(shù)分析、聚類(lèi)分析及逐步回歸等多元統(tǒng)計(jì)分析[1,12]。

在進(jìn)行主成分分析時(shí)，采用最大方差法，結(jié)合累積貢獻(xiàn)率及碎石圖等分析，以特征值大于0.9和累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%標(biāo)準(zhǔn)提取主成分，將各主成分與調(diào)查性狀耐鹽系數(shù)建立回歸方程，評(píng)估各玉米品種的主成分得分。隨后結(jié)合隸屬函數(shù)公式，將主成分值轉(zhuǎn)化為隸屬函數(shù)耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值（D值）。耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值(Di)、隸屬函數(shù)值(U(Xji))和權(quán)重系數(shù)(Wj)的計(jì)算分別見(jiàn)公式(1)(2)和(3)。

式中Di表示第i個(gè)玉米品種在鹽脅迫條件下由主成分-隸屬函數(shù)值確定的耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值；U(Xji)為將所有參試玉米品種主成分值轉(zhuǎn)換的隸屬函數(shù)值；Wj表示第j個(gè)主成分在所有主成分中的主要程度，即權(quán)重系數(shù)；Xji為第i個(gè)玉米品種的第j個(gè)主成分值；Xjmin和Xjmax為所有參試材料中第j個(gè)主成分的最小值和最大值；Pj為各品種第j個(gè)主成分的貢獻(xiàn)率。

最后根據(jù)D值，采用歐式距離，組間平均連接法對(duì)10份玉米品種耐鹽性進(jìn)行分類(lèi)。逐步回歸模型的構(gòu)建過(guò)程中，把耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值D值作因變量，把各單項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)作自變量進(jìn)行逐步回歸分析，以顯著性水平0.05作為各性狀耐鹽系數(shù)移入標(biāo)準(zhǔn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 描述性統(tǒng)計(jì)分析

玉米苗期田間農(nóng)藝性狀的耐鹽系數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)分析和變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2和表2。根據(jù)偏度和峰度判斷數(shù)據(jù)分布的正態(tài)性，結(jié)果表明隨著鹽處理濃度的提高，各性狀的耐鹽系數(shù)多數(shù)呈現(xiàn)偏態(tài)分布，因此本研究中利用中位數(shù)描述數(shù)據(jù)的平均表現(xiàn)。隨著鹽處理濃度的增加，除了直徑的耐鹽系數(shù)的中位數(shù)呈現(xiàn)先升后降趨勢(shì)外，其余性狀均表現(xiàn)均逐漸降低，表明高鹽脅迫不利于玉米生長(zhǎng)。四分位差可描述數(shù)據(jù)的離散程度，結(jié)果發(fā)現(xiàn)四分位差總體上隨濃度增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。在0.5%鹽處理濃度下，除了葉寬和長(zhǎng)徑外，其余所有指標(biāo)品種間耐鹽系數(shù)的四分位差達(dá)到最大，因此該濃度可初步確定為評(píng)價(jià)玉米苗期耐鹽鑒定的適宜鹽脅迫濃度。

圖2 不同鹽濃度下7個(gè)農(nóng)藝性狀耐鹽系數(shù)

表1 不同鹽濃度下7個(gè)農(nóng)藝性狀耐鹽系數(shù)描述性統(tǒng)計(jì)

續(xù)表1

2.2 最適鹽脅迫濃度的確定

為了進(jìn)一步確定評(píng)價(jià)玉米苗期耐鹽性的最佳鹽脅迫濃度，以‘農(nóng)大108’為參考品種，以上述7個(gè)指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)分別與梯度鹽處理濃度建立二次方回歸模型并計(jì)算耐鹽閾值，耐鹽閾值能夠反映出植物一定程度的抗逆性[13]，結(jié)果見(jiàn)表2。根據(jù)方程決定系數(shù)R2，排除決定系數(shù)較小的葉寬外，‘農(nóng)大108’耐鹽閾值范圍0.517%～0.886%，該結(jié)果與之前四分位差分析結(jié)果較為一致，表明了由四分位差確定評(píng)價(jià)玉米苗期耐鹽脅迫最佳濃度具有一定的合理性。因此綜合考慮玉米生長(zhǎng)及最終產(chǎn)量等實(shí)際因素，可按鹽度0.5%水平考察不同玉米品種的耐鹽性。

表2 回歸方程及耐鹽閾值

2.3 主成分分析

主成分分析能以較少的主因子替代原始指標(biāo)。對(duì)0.5%鹽處理濃度下7個(gè)農(nóng)藝性狀的耐鹽系數(shù)進(jìn)行主成分分析。根據(jù)特征值大于0.9和累計(jì)貢獻(xiàn)率大于80%標(biāo)準(zhǔn)，共提取到3個(gè)主成分(F1-F3)，F(xiàn)1代表直徑、株高、葉寬，主成分貢獻(xiàn)率為45.22%；F2代表葉片數(shù)和葉長(zhǎng)，主成分貢獻(xiàn)率為22.57%；F3代表出苗率，主成分貢獻(xiàn)率為13.97%，3個(gè)主成分代表了81.75%的表型變異。比較各性狀的權(quán)重系數(shù)，可知長(zhǎng)徑、葉長(zhǎng)及出苗率為影響主成分的重要參數(shù)。各主成分特征值、對(duì)原始性狀載荷及對(duì)表型的貢獻(xiàn)率如表3所示。

表3 主成分特征向量及貢獻(xiàn)率

2.4 玉米苗期耐鹽綜合評(píng)價(jià)

對(duì)參試的10份玉米品種各指標(biāo)對(duì)應(yīng)的主成分權(quán)重，利用隸屬函數(shù)進(jìn)行歸一化處理，分別得到主成分值和各主成分的隸屬函數(shù)值，如表4所示。根據(jù)主成分的方差貢獻(xiàn)率可計(jì)算出3個(gè)主成分的權(quán)重，分別為42.28%、36.14%、21.57%（表2）。再根據(jù)權(quán)重可計(jì)算出主成分得分和隸屬函數(shù)值，結(jié)果見(jiàn)表3。主成分得分（F值）和耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值（D值）排序結(jié)果一致，但由于主成分值出現(xiàn)負(fù)數(shù)，故按隸屬函數(shù)值大小對(duì)其耐鹽能力進(jìn)行強(qiáng)弱排序。

表4 各品種苗期耐鹽鑒定的主成分-隸屬函數(shù)分析結(jié)果

為了更好的對(duì)這10份品種耐鹽性分類(lèi)，利用耐鹽性綜合評(píng)價(jià)值（D值）進(jìn)行聚類(lèi)分析，在歐式距離3.0處可將10份品種劃分為6個(gè)類(lèi)群，在歐式距離4.0處可劃分為4個(gè)類(lèi)群（圖3），可對(duì)應(yīng)玉米耐鹽性劃分的高耐、耐、中等、敏感、高敏5個(gè)等級(jí)。其中第I類(lèi)群包括‘NK815’、‘京科665’、‘農(nóng)華101’和‘先玉335’等4個(gè)品種，結(jié)合D值綜合評(píng)判為中等；第Ⅱ類(lèi)群包括‘京單38’、‘鄭單958’和‘浚單20’等3個(gè)品種，結(jié)合D值綜合評(píng)判為敏感；第Ⅲ類(lèi)群包括‘京科968’、‘農(nóng)大108’等2個(gè)品種，結(jié)合D值綜合評(píng)判分別為高耐和耐；第Ⅳ類(lèi)群包括‘京農(nóng)科728’1個(gè)品種，結(jié)合D值綜合評(píng)判為高敏。

圖3 基于隸屬函數(shù)值聚類(lèi)分析結(jié)果

2.5 基于隸屬函數(shù)值的回歸分析

為了在實(shí)際中進(jìn)一步簡(jiǎn)化玉米資源苗期耐鹽性評(píng)價(jià)工作，基于本研究中的各指標(biāo)耐鹽系數(shù)和隸屬函數(shù)值確定的綜合評(píng)價(jià)值（D值），可利用回歸方法建立玉米苗期耐鹽性評(píng)價(jià)的數(shù)學(xué)模型。將D值作為因變量、0.5%鹽濃度下7個(gè)農(nóng)藝性狀的耐鹽系數(shù)作為自變量進(jìn)行逐步回歸分析，結(jié)果表明玉米苗的長(zhǎng)徑和株高的耐鹽系數(shù)對(duì)玉米苗期綜合耐鹽性的影響顯著（表5），據(jù)此建立了最優(yōu)回歸方程：D=-1.147+0.823*長(zhǎng)徑+0.713*株高，方程決定系數(shù)R2=0.857，F(xiàn)=14.9，P=0.003。該回歸模型可用于評(píng)估玉米苗期耐鹽性，即在相同條件下測(cè)定其他品種的上述2個(gè)指標(biāo)并求得耐鹽系數(shù)，進(jìn)而利用該方程預(yù)測(cè)其他品種的耐鹽性，可簡(jiǎn)化耐鹽評(píng)價(jià)工作。

表5 各指標(biāo)耐鹽系數(shù)之間單尾顯著性分析

3 結(jié)論

本研究通過(guò)模擬鹽堿地實(shí)際情況鑒定了10份玉米品種的耐鹽性并總結(jié)了一套評(píng)價(jià)玉米苗期耐鹽鑒定的方法。通過(guò)四分位差和玉米耐鹽閾值分析確定了鹽脅迫處理的最佳濃度為0.5%，進(jìn)而通過(guò)主成分分析、隸屬函數(shù)法以及聚類(lèi)分析等多元統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)玉米苗期耐鹽性提出5個(gè)等級(jí)劃分：高耐、耐、中等、敏感、高敏。本研究為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化實(shí)際耐鹽鑒定的工作量，嘗試?yán)弥鸩交貧w方法對(duì)隸屬函數(shù)值和玉米形態(tài)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)建立了簡(jiǎn)易評(píng)價(jià)玉米苗期耐鹽性的模型，實(shí)踐中可通過(guò)簡(jiǎn)易測(cè)定玉米資源的長(zhǎng)莖和株高兩個(gè)參數(shù)即可判斷該資源的耐鹽性。盡管本研究對(duì)象數(shù)量較少，致使研究結(jié)果具有一定的局限性，但研究的思路和方法對(duì)今后玉米苗期耐鹽鑒定具有重要的參考價(jià)值，后續(xù)可通過(guò)增加研究對(duì)象的數(shù)量而完善研究結(jié)果。

4 討論

不同的耐鹽鑒定處理方法影響鑒定結(jié)果。湯華等通過(guò)室內(nèi)沙培鹽實(shí)驗(yàn)設(shè)置多個(gè)NaCl濃度梯度比較不同的玉米自交系形態(tài)及理化參數(shù)對(duì)鹽脅迫的變化情況，指出玉米耐鹽鑒定的NaCl濃度低于10 mmol/L時(shí)各性狀差異不顯著，出苗率與鹽濃度相關(guān)性不顯著，不適合作為耐鹽性篩選的指標(biāo)[14]；王明泉等[15]通過(guò)220 mmol/L的NaCl處理，比較了形態(tài)學(xué)指標(biāo)差異并鑒定了玉米苗期的耐鹽性。上述研究均采用定量NaCl水溶液過(guò)飽和灌溉處理方法，然而這與鹽堿地玉米受到鹽脅迫的實(shí)際情況不符。本研究采用自吸水耐鹽鑒定系統(tǒng)，能最大化模擬鹽堿地實(shí)際情況，鑒定結(jié)果也更符合實(shí)際生產(chǎn)情況，同時(shí)也能保證基質(zhì)內(nèi)水鹽均勻分布，且避免了水培法出現(xiàn)的通氣性差、出苗率差等問(wèn)題[11]。目前已經(jīng)利用該系統(tǒng)鑒定了蒲公英[13,16]、黃蜀葵[17]、菊花[18]和堿蓬[19]等多種植物的耐鹽性。

適宜的鹽脅迫濃度也是耐鹽鑒定處理的關(guān)鍵因素。玉米耐鹽性是由多基因控制的復(fù)雜性狀，要使種質(zhì)的耐鹽性差異充分表現(xiàn)，應(yīng)選擇適中的能夠兼顧多種基因型表達(dá)需要的鹽脅迫濃度[3,20]。楊書(shū)華等[8]發(fā)現(xiàn)在25 mmol/L的Na2CO3和100 mmol/L的NaCl混合溶液下，種子發(fā)芽率、相對(duì)電導(dǎo)率、SOD活性、MDA、Pro含量與對(duì)照組差異達(dá)極顯著水平。羅敏等[20]研究發(fā)現(xiàn)在NaCl濃度為0.8%時(shí)，玉米苗情、株高、干重的變化率差異達(dá)到顯著水平。劉春榮等[1]采用鹽堿池鹽土鑒定方法鑒定了不同玉米品種的耐鹽性，發(fā)現(xiàn)0.5%鹽度下不同玉米品種的形態(tài)學(xué)指標(biāo)差異顯著。上述研究均在一定的鹽脅迫濃度下比較了玉米性狀差異，沒(méi)有系統(tǒng)闡述適宜鹽脅迫濃度的篩選。本研究則通過(guò)正態(tài)分布、四分位差、中位數(shù)等對(duì)大量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合對(duì)照品種的耐鹽閾值分析，綜合確定玉米苗期耐鹽鑒定最佳鹽脅迫濃度為0.5%，較常規(guī)鑒定處理更具科學(xué)性。

本研究采用目前普遍認(rèn)可的多指標(biāo)評(píng)價(jià)方法[1,12,15]，將各指標(biāo)原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為相對(duì)值（耐鹽系數(shù)），然后通過(guò)主成分分析，確定了影響主成分-隸屬函數(shù)值的關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)合隸屬函數(shù)值（D值）的聚類(lèi)分析將玉米苗期耐鹽等級(jí)劃分為高耐、耐、中等、敏感、高敏等5個(gè)等級(jí)。為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化實(shí)踐中大規(guī)模耐鹽鑒定，本研究嘗試采用逐步回歸方法，建立了最優(yōu)線(xiàn)性回歸方程：D=-1.147+0.823*長(zhǎng)徑+0.713*株高，這樣就可以通過(guò)簡(jiǎn)單測(cè)定2項(xiàng)指標(biāo)的耐鹽系數(shù)推算隸屬函數(shù)值進(jìn)而判斷玉米苗期的耐鹽性。雖然能排除一些性狀優(yōu)良的資源，但對(duì)大批量種質(zhì)資源快速篩選仍然具有重要價(jià)值。最后，本研究總體上選用的玉米品種以及檢測(cè)的指標(biāo)數(shù)量較少，結(jié)果可能無(wú)法全面反映出玉米苗期的耐鹽性，然而本研究旨在研究一種合理的玉米苗期耐鹽性鑒定和評(píng)價(jià)方法，而目前國(guó)內(nèi)還未有相關(guān)的玉米耐鹽鑒定標(biāo)準(zhǔn)，本研究的方法及結(jié)果對(duì)玉米種質(zhì)耐鹽性評(píng)價(jià)及制定相關(guān)的玉米耐鹽鑒定評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程具有重要參考價(jià)值。