鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

于世河，鄭 穎，孟凡金，劉 歡

(1.遼寧省林業(yè)科學研究院，沈陽 110032；2.遼寧白石砬子森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，遼寧 丹東 118201；3.遼寧省農(nóng)業(yè)工程項目建設服務中心，沈陽 110032)

土地鹽漬化是指在自然或人為因素的影響下，鹽堿成分在土體中積累，使得其他類型的土壤逐漸向鹽漬土演變的成土過程[1]。土壤鹽堿化是全球廣泛存在的農(nóng)業(yè)及生態(tài)問題，全球約有9.55億hm2的土地受到鹽漬化的威脅，并且每年以100萬～500萬hm2的速度持續(xù)增長[2]，我國鹽堿地總面積約1億hm2，由中性鹽和堿性鹽所造成的土壤鹽堿化問題日益嚴重[3-5]，給糧食增產(chǎn)和生態(tài)環(huán)境安全帶來隱患。有研究表明，種植耐鹽堿植物可以在一定程度上改善土壤鹽漬化[6]。在鹽堿環(huán)境下，植物能否適應環(huán)境關鍵取決于種子是否能正常萌發(fā)。因此，探究植物在鹽堿環(huán)境下的種子萌發(fā)及生長特性，對引種、耐鹽堿品種選育以及實現(xiàn)鹽堿地的合理開發(fā)利用等具有重要意義。

科羅拉多藍杉(Piceapungensvar.glauca)又名藍杉銳尖北美云杉，原產(chǎn)于北美，為松科云杉屬常綠針葉喬木，是世界上唯一的藍色常青樹[7]。藍杉因其獨特的珍稀藍色針葉，作為觀賞植物廣泛栽植。藍杉生長較緩，耐寒、耐旱，適應性強，在我國遼寧、黑龍江、吉林、山東、河北、山西等省均可栽植。藍杉在園林綠化上極具推廣應用價值，因此，越來越多的林業(yè)科研單位和生產(chǎn)單位開展了藍杉引種研究[8]和繁育[7,9]等工作，課題組也先后開展了藍杉繁育[10]、干旱脅迫[11]和酸脅迫[12]對藍杉幼樹生理特性的影響等，結果表明，藍杉具有一定的抗旱性，可以在輕度酸性條件下更好地生長。但是鹽堿脅迫對藍杉種子萌發(fā)、生長的影響缺乏深入研究。因此，研究不同濃度中性鹽和堿性鹽溶液對藍杉種子萌發(fā)、幼苗生長的影響，具有一定的理論價值和實踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試材料為科羅拉多藍杉種子，購自北京林大林業(yè)科技股份有限公司。藍杉種子千粒重為3.8 g。

1.2 試驗方法

設置中性鹽(NaCl、Na2SO4)和堿性鹽(Na2CO3、NaHCO3)濃度分別為0(蒸餾水，ck)、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%。挑選大小一致、飽滿的種子，用無菌水清洗兩遍，用高錳酸鉀溶液消毒，用蒸餾水沖洗干凈。在培養(yǎng)皿底部鋪放3層紗布，在每個培養(yǎng)皿中均勻放置50粒種子，并加入適量不同濃度的鹽堿溶液，每個處理4次重復。置于晝/夜溫度為25 ℃/25 ℃，光暗時間比為12 h/12 h的光照培養(yǎng)箱內培養(yǎng)，每天更換培養(yǎng)皿中的紗布并加入原溶液20 mL，定時統(tǒng)計種子發(fā)芽情況。

1.3 測定項目與方法

試驗期間每天觀察記錄每個培養(yǎng)皿中發(fā)芽的種子數(shù)，以根伸長大于2 mm為萌發(fā)標志。試驗第4天計算發(fā)芽勢，第13天從每個培養(yǎng)皿中隨機選取10株幼苗，用刻度尺測量幼苗長并結束試驗，計算種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、相對鹽害率等指標。計算公式如下：

發(fā)芽率(%)=(發(fā)芽種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

發(fā)芽勢(%)=(從開始發(fā)芽至發(fā)芽高峰的萌發(fā)種子粒數(shù)/供試種子總數(shù))×100%；

相對鹽害率(%)=[(對照發(fā)芽率-處理發(fā)芽率)/對照發(fā)芽率]×100%；

發(fā)芽指數(shù)=∑Gt/Dt；

活力指數(shù)(VI)=S×GI。

式中：Gt為在第t天的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應的發(fā)芽天數(shù)，S為幼苗的平均長度;GI為發(fā)芽指數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2016軟件整理試驗數(shù)據(jù)、制圖，采用SPSS 22.0軟件進行方差分析及相關性分析，差異顯著性運用Duncan’s檢驗進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉種子發(fā)芽勢的影響

種子發(fā)芽的速度和均勻度通常由發(fā)芽勢來反映。由圖1可知，在不同中性鹽(NaCl、Na2SO4)和堿性鹽(Na2CO3、NaHCO3)的脅迫下，藍杉種子的發(fā)芽勢均隨著鹽堿濃度的升高而降低的趨勢，且各處理間發(fā)芽勢均達到顯著差異(p<0.05)，說明鹽堿脅迫都會抑制藍杉種子萌發(fā)。在中性鹽處理下，脅迫濃度為0.2%～0.4%時，NaCl和Na2SO4溶液處理的種子發(fā)芽勢與ck相比差異均不顯著(p>0.05)，當脅迫濃度≥0.6%時，NaCl和Na2SO4溶液處理的種子發(fā)芽勢均顯著(p<0.05)低于ck；在堿性鹽處理下，脅迫濃度為0.2%時，Na2CO3和NaHCO3溶液處理的種子發(fā)芽勢與ck相比差異均不顯著(p>0.05)，當脅迫濃度≥0.4%時，Na2CO3和NaHCO3溶液處理的種子發(fā)芽勢均顯著(p<0.05)低于ck，說明低濃度(0.2%)的鹽堿溶液處理對種子的萌發(fā)影響較小。當脅迫濃度≥0.8%時，堿性鹽Na2CO3和NaHCO3溶液處理的種子萌發(fā)均受到抑制且程度最大，種子培養(yǎng)至第4天時未發(fā)芽。由此可見，中性鹽溶液處理的種子發(fā)芽勢顯著高于堿性鹽。

注：不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。圖1 鹽堿脅迫對藍杉種子發(fā)芽勢的影響Fig.1 Effects of salt-alkali stress on germination potential of Picea pungens seeds

2.2 鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉種子發(fā)芽率的影響

由圖2可知，藍杉種子在不同類型鹽堿的脅迫下，發(fā)芽率均隨著鹽濃度的升高而呈下降的趨勢，各處理間發(fā)芽率均有顯著差異(p<0.05)。在中性鹽處理下，與ck相比，NaCl、Na2SO4溶液濃度為0.2%～0.4%時，對藍杉種子的發(fā)芽率沒有顯著(p>0.05)的影響，且發(fā)芽率均在60%以上，當脅迫濃度≥0.6%時，NaCl和Na2SO4溶液處理的種子發(fā)芽率均顯著(p<0.05)低于ck，濃度為0.6%、0.8%、1.0%時，種子發(fā)芽率分別比ck低了26.6%、51.8%、87.7%和25.5%、43.9%、89.1%，說明藍杉種子在低濃度(0.2%～0.4%)中性鹽脅迫下具有適當?shù)陌l(fā)芽能力；在堿性鹽處理下，脅迫濃度為0.2%時，堿性鹽Na2CO3和NaHCO3溶液處理的種子發(fā)芽率與ck相比差異均不顯著(p>0.05)，隨著濃度的升高，當脅迫濃度≥0.4時，Na2CO3和NaHCO3溶液處理的種子發(fā)芽率均顯著(p<0.05)低于ck，濃度為0.4%和0.6%時發(fā)芽率分別比ck低了40.9%、87.2%和32.4%、84.3%，說明低濃度(0.2%)的堿性鹽溶液處理對種子的萌發(fā)影響較小。當脅迫濃度≥0.8%時，Na2CO3和NaHCO3溶液處理的種子萌發(fā)均完全受到抑制，藍杉種子未發(fā)芽，這說明脅迫濃度≥0.8%的堿性鹽處理對藍杉種子具有極大的鹽害作用。由此可見，藍杉種子耐受Na2CO3和NaHCO3脅迫程度不及NaCl、Na2SO4高。

圖2 鹽堿脅迫對藍杉種子發(fā)芽率的影響Fig.2 Effects of salt-alkali stress on germination rate of Picea pungens seeds

2.3 鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉種子發(fā)芽指數(shù)的影響

發(fā)芽指數(shù)是種子每天發(fā)芽率的累積，種子萌發(fā)速度越快，活力越高。由圖3可知，藍杉種子在不同鹽堿脅迫下，發(fā)芽指數(shù)均隨著鹽濃度的升高而逐漸減低，各處理間發(fā)芽指數(shù)均達到顯著差異(p<0.05)。在中性鹽處理下，低濃度(0.2%～0.4%)的NaCl、Na2SO4溶液處理的種子發(fā)芽指數(shù)與ck差異不顯著(p>0.05)，當脅迫濃度≥0.6%時，種子發(fā)芽指數(shù)顯著(p<0.05)低于ck。當NaCl、Na2SO4溶液濃度從0.4%逐漸增加到1.0%時，發(fā)芽指數(shù)分別從20.62降到2.21和23.53降到1.87，分別降低了90.6%、92.0%，表現(xiàn)出低促高抑的濃度效應；在堿性鹽處理下，低濃度(0.2%)的Na2CO3、NaHCO3溶液處理的種子發(fā)芽指數(shù)與ck差異不顯著(p>0.05)，當脅迫濃度≥0.4%時，種子發(fā)芽指數(shù)顯著(p<0.05)低于ck。當濃度為0.4%、0.6%時的Na2CO3和NaHCO3溶液處理的種子發(fā)芽指數(shù)分別為10.15、2.45和8.85、1.12，與ck相比分別下降了56.9%、89.6%和62.4%、95.2%。當Na2CO3和NaHCO3溶液濃度≥0.8%時，發(fā)芽指數(shù)均完全受到抑制。

圖3 鹽堿脅迫對藍杉種子發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.3 Effects of salt-alkali stress on germination index of Picea pungens seeds

2.4 鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉種子活力指數(shù)的影響

活力指數(shù)是種子發(fā)芽速率和生長量的綜合表現(xiàn)。從圖4可以看出，隨著鹽堿脅迫濃度的增加，藍杉種子活力指數(shù)均逐漸下降，各處理間種子活力指數(shù)均達到顯著差異(p<0.05)。在無鹽堿脅迫下，種子活力指數(shù)為89.26，除了濃度為0.2%的NaCl溶液處理的種子活力指數(shù)與ck差異不顯著(p>0.05)外，其他3種鹽堿溶液處理的種子活力指數(shù)與ck顯著差異(p<0.05)。低濃度(0.2%～0.4%)NaCl、Na2SO4和低濃度(0.2%)Na2CO3、NaHCO3溶液處理的種子活力指數(shù)均在70.0以上。當中性鹽濃度增加至0.6%、0.8%、1.0%時，種子活力指數(shù)降至0.36～9.43之間；當堿性鹽濃度增加至0.4%、0.6%、0.8%、1.0%時，種子活力指數(shù)降至0～20.25之間。

圖4 鹽堿脅迫對藍杉種子活力指數(shù)的影響Fig.4 Effects of salt-alkali stress on seed vigor index of Picea pungens

2.5 鹽堿脅迫對科羅拉多藍杉幼苗長的影響

由圖5可知，鹽堿脅迫對藍杉幼苗長的影響均隨濃度的升高而降低的趨勢，且濃度越高受抑制程度越大，各處理間幼苗長差異均顯著(p<0.05)。在中性鹽處理下，濃度為0.2%和0.4%的NaCl、Na2SO4溶液處理的幼苗長與ck相比差異均不顯著(p>0.05)。當NaCl、Na2SO4溶液濃度≥0.6%時，幼苗長顯著低于ck，濃度為0.6%、0.8%、1.0%溶液處理的藍杉幼苗長較ck分別降低了70.8%、84.7%、90.1%和73.7%、85.6%、95.1%。在堿性鹽處理下，濃度為0.2%的Na2CO3、NaHCO3溶液處理的幼苗長與ck相比均差異不顯著(p>0.05)。當Na2CO3、NaHCO3溶液濃度為0.4%、0.6%處理的藍杉幼苗長顯著低于ck，分別降低了48.4%、59.5%和50.8%、59.2%，而Na2CO3和NaHCO3溶液濃度≥0.8%時，種子未萌發(fā)。

圖5 鹽堿脅迫對藍杉幼苗長的影響Fig.5 Effects of salt-alkali stress on seedling length of Picea pungens

2.6 科羅拉多藍杉種子發(fā)芽期的相對鹽害率

相對鹽害率反映了鹽脅迫下種子的鹽害程度。不同鹽堿脅迫處理下藍杉種子遭受鹽害程度如圖6所示，相對鹽害率均隨鹽堿脅迫濃度的提高而逐漸上升，各處理間相對鹽害率均達到顯著差異(p<0.05)，差異主要表現(xiàn)在NaCl脅迫濃度為0.2%～0.8%與1.0%之間；Na2SO4脅迫濃度為0.2%、0.4%與0.8%、1.0%之間、0.6%與1.0%之間；Na2CO3和NaHCO3脅迫濃度均為0.2%～0.4%與0.6%～1.0%之間。在中性鹽處理下，NaCl、Na2SO4脅迫濃度在0.2%～0.8%時，種子相對鹽害率在1.55%～26.09%之間，當脅迫濃度達到1.0%時，種子相對鹽害率均最高，分別達51.69%、43.66%；在堿性鹽處理下，Na2CO3和NaHCO3脅迫濃度在0.2%～0.4%時，種子相對鹽害率在32.22%～40.70%之間，當脅迫濃度為0.6%時，種子相對鹽害率分別為87.17%和84.39%，當脅迫濃度≥0.8%時，種子鹽脅迫效應明顯加重，種子不能萌發(fā)。由此可見，堿性鹽脅迫處理比中性鹽脅迫處理對藍杉種子的鹽害影響更加明顯，這是由于堿性鹽脅迫既有鹽離子又有高pH的雙重影響，并隨pH值的增加，藍杉種子受鹽害作用逐漸加劇。

2.7 鹽堿脅迫下各測定指標的相關性分析

對中性鹽和堿性鹽脅迫下各指標作相關性分析(表1)，結果顯示各指標間呈極顯著相關(p<0.01)。NaCl、Na2SO4、Na2CO3、NaHCO3脅迫下，發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、幼苗長與相對鹽害率呈極顯著負相關(p<0.01)；發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、幼苗長兩兩之間均呈極顯著正相關(p<0.01)。

表1 種子萌發(fā)期各項指標的相關性分析Table 1 Correlation analysis of various indexes in seed germination stage

圖6 鹽堿脅迫對藍杉種子相對鹽害率的影響Fig.6 Effects of salt-alkali stress on relative salt injury rate of Picea pungens seeds

3 討論與結論

種子萌發(fā)是植物整個生長周期的初始階段，是幼苗成活的關鍵時期，也是植物對環(huán)境脅迫最敏感的時期。鹽堿脅迫會影響植物生長發(fā)育，有研究表明，鹽堿脅迫濃度過高會抑制植物種子萌發(fā)和幼苗生長[13-14]，而低濃度鹽堿脅迫對種子萌發(fā)和幼苗生長的影響有抑制、無影響[15]和促進[16-18]。但也有研究認為，無論鹽堿濃度高低，都會不同程度地抑制種子萌發(fā)，降低種子發(fā)芽率[19-20]。本研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿脅迫對藍杉種子的萌發(fā)及生長有抑制作用，且各處理間各指標均存在顯著差異。藍杉種子萌發(fā)及生長指標均隨著鹽堿濃度的升高，抑制作用增強，種子萌發(fā)和生長也越困難，而低濃度鹽堿脅迫對種子萌發(fā)無影響。這與易燕瑩等[14]關于NaCl脅迫對水杉(Metasequoiaglyptostroboides)種子和魏海霞等[13]對豆梨(PyruscalleryanaDecne.)種子萌發(fā)的研究結果一致，這可能是高濃度鹽堿脅迫對種子產(chǎn)生了較強的滲透脅迫和離子毒害，進而影響了種子的萌發(fā)和生長。而這與周琦等[16]對鵝耳櫪(CarpinusturczaninowiiHance)種子、洪潔等[17]對伯樂樹(Bretschneiderasinensis)種子和聶江力等[18]對車前(PlantagoasiaticaL.)種子萌發(fā)的研究結果不一致，表現(xiàn)出低濃度的NaCl可以促進種子的萌發(fā)，這可能是不同植物種類或品種對鹽堿脅迫的耐受程度不同，也可能是低濃度的Na+提高了種子細胞膜的通透性進而提高了萌發(fā)活力[21]。此外，也有研究認為，與ck種子相比較，NaHCO3處理過的種子對紅皮云杉(PiceakoraiensisNakai)種子的發(fā)芽起到了明顯的促進作用，而NaCl處理過的種子與未處理的種子相比較，則沒有十分明顯的差異[22]。

本研究發(fā)現(xiàn)，不同濃度中性鹽和堿性鹽脅迫，對藍杉種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、相對鹽害率和幼苗長均有不同程度的抑制作用。隨著鹽堿濃度的增加(0～1.0%)，各處理間各指標均存在顯著差異。種子萌發(fā)及生長指標均隨鹽堿脅迫濃度的增加而降低，而相對鹽害率則隨著鹽堿脅迫濃度的增加而增大。低濃度(0.2%～0.4%)NaCl、Na2SO4和低濃度(0.2%)Na2CO3、NaHCO3脅迫對藍杉種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)以及幼苗長無顯著影響，但當中性鹽脅迫濃度≥0.6%、堿性鹽脅迫濃度≥0.4%時，種子萌發(fā)及生長指標均顯著下降。當中性鹽脅迫濃度達到1.0%時，種子相對鹽害率均最高，分別達51.69%、43.66%；當堿性鹽濃度≥0.8%時，種子萌發(fā)受到嚴重抑制，種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)及幼苗長為0，種子受鹽害程度為100%。因此，藍杉種子耐受堿性鹽Na2CO3和NaHCO3脅迫程度不及中性鹽NaCl、Na2SO4高。多數(shù)研究也得出了同樣的結論，如張鳳銀等[23]研究表明，NaHCO3比NaCl對菜用豌豆(Pisumsativumvar.Hortense Poir)種子萌發(fā)生長的抑制作用更為明顯；郭睿等[24]研究表明，堿脅迫對油莎豆(CyperusesculentusL.)種子萌發(fā)的抑制效應均強于對應濃度的鹽脅迫處理；董夢宇等[25]對糖芥(ErysimumamurenseKitag.)種子萌芽及幼苗生長的研究表明，低質量濃度的NaCl可以促進糖芥種子的萌發(fā)，而Na2CO3對糖芥種子萌發(fā)始終表現(xiàn)較強的抑制作用，且解除脅迫后的復萌率幾乎為0，這表明高pH鹽環(huán)境嚴重阻礙了其代謝功能，致使種子死亡。

綜上所述，不同濃度NaCl、Na2SO4和Na2CO3、NaHCO3脅迫，對藍杉種子萌發(fā)、生長存在不同程度的抑制。藍杉種子耐受堿性鹽脅迫程度不及中性鹽高。藍杉種子正常萌發(fā)、生長的NaCl、Na2SO4閾值為0.2%～0.4%，Na2CO3、NaHCO3閾值為0.2%，過高鹽堿濃度會顯著抑制藍杉種子萌發(fā)、生長，甚至死亡。說明藍杉可以抵御低濃度鹽堿的侵害，對鹽堿脅迫具有一定的微耐性。