刘 璐,张跃群,王 婧,顾卫兵,张建全,刘骐华,王慧慧,张馨馨,柴 琦
(1. 兰州大学农业农村部草牧业创新重点实验室 / 兰州大学草地农业教育部工程研究中心 / 兰州大学草地农业科技学院,甘肃 兰州 730020;2. 南通科技职业学院,江苏 南通 226007)
我国15 m等深线以内的滨海盐土、滩涂、浅海总面积达1 400万hm2[1-2],其中,江苏的滩涂面积66.7万hm2,并以每年1 000 hm2以上的速度自然淤涨。按照江苏省沿海地区相关发展规划,到2020年,新增围垦滩涂面积将达18万hm2[3];远期将新增围垦滩涂面积47万hm2,滨海盐碱地蕴藏巨大耕地潜力,盐碱地的改良与利用势在必行。草坪作为绿化环境必不可少的一种植物[4],覆盖地表后可减少地表水分的蒸发,从而减轻可溶性盐类在地表的积累[5],因此,草坪草对滨海盐碱地改良具有潜在价值,筛选耐盐碱草种是防止滨海地区再次盐渍化的重要途径。
自20世纪80年代开始到现在,我国草坪业发展迅速,草坪方向的研究成果越来越多,特别是在草坪抗逆性方面,在盐碱胁迫下的草坪研究也较多[6-9]。但目前草坪在盐碱胁迫研究中的盐分材料多以氯化钠、碳酸盐、重碳酸盐为主,对于滨海盐渍土中的硫酸盐研究不多;草坪在盐碱胁迫研究中的试验材料多集中在单一草种和几个草种的研究,对超过7个草种和超过30个品种的研究较少。显然,扩大研究的草种范围、增加对滨海盐渍化学成分的研究,可为地被草在盐碱地中的利用提供理论依据。江苏滨海地区土壤含盐量可达1.4%[10],盐渍化严重,为了筛选出适宜江苏滨海地区的耐盐草种,本研究选择滨海盐渍土化学成分中含量较高的NaCl、MgSO4为盐材料[1,8],设置复合盐浓度(NaCl浓度300 mmol·L-1,MgSO4浓度50 mmol·L-1),收集12个地被草种的86个品种进行重度盐胁迫下的种子萌发试验,以期初步筛选出一定数量的耐盐草种,为地被草在盐胁迫中耐盐机制的研究提供一定的科学基础,为盐碱地改良提供一定的理论依据。
试验草种为12个地被草种(表1),种子由克劳沃集团、北京猛犸种业有限公司、百绿(天津)国际草业有限公司提供。盐分材料为分析纯NaCl和MgSO4,由上海展云化学试剂有限公司生产。
试验采用完全随机设计,每个草种设单浓度梯度(NaCl浓度300 mmol·L-1,MgSO4浓度50 mmol·L-1),以蒸馏水为对照,共24个处理,每个处理4次重复。室内昼夜温度为24 ℃/18 ℃。培养皿口径9 cm,每皿铺设两层滤纸[11],加入5 mL相应溶液,选取大小均匀、籽粒饱满的种子50粒均匀地铺于其中[12-13]。每两天称重补充散失的水分以保持相应的溶液浓度[14]。每日按一定空间顺序将培养皿更换位置,保证各培养皿生长条件一致[15]。定期测定相应指标,分析比较不同草种的生长状况。
1.3.1 萌发指标的测定
每两天观察并记录种子发芽数及苗长[16],每个培养皿随机挑选10粒发芽种子用直尺测定苗长[15]。发芽率[11]= 每次统计发芽种子数/供试种子数 ×100%;发芽指数(GI) = ∑Gt/Dt[11](Gt为不同时间发芽数,Dt为相应发芽天数);相对发芽率[11]= 处理种子发芽数/对照种子发芽数 × 100%;发芽指数盐害率[17]= (对照发芽指数-处理发芽指数)/对照发芽指数 × 100%;发芽盐害率[17]= (对照发芽率-处理发芽率)/对照发芽率 × 100%。
表 1 12个地被草种Table 1 Twelve ground cover grass species
1.3.2 生长和根系指标的测定
根系扫描前每皿挑选10株幼苗,测量并记录其绝对苗长和根长后,对10株幼苗的根系进行亚甲基蓝染色并测量其根系指标[15]。根系指标用Delta-TSCAN根系分析系统(HP.C7717 Singaporean)测量[15]。根长盐害率[17]= (对照胚根长-处理胚根长)/对照胚根长 × 100%;苗长盐害率[17]= (对照苗长-处理苗长)/对照苗长 × 100%;根系总长度盐害率[17]= (对照根系总长度-处理根系总长度)/对照根系总长度 × 100%;根系总表面积盐害率[17]= (对照根系总表面积-处理根系总表面积)/对照根系总表面积 × 100%;根系平均直径盐害率[17]= (对照根系平均直径-处理根系平均直径)/对照根系平均直径 × 100%;根头数盐害率[17]= (对照根头数-处理根头数)/对照侧根数 × 100%。
参照吐尔逊娜依等[18]和王广印等[19]的综合评价方法,根据每个草种在重度盐胁迫下的各个指标盐害率值的大小进行评分,把每一种指标的最大值与最小值间的差值均分为10个等级,每一个等级为1分。各个指标中,均以耐盐性最弱的草种得分最高,即10分;耐盐性最强的草种得分最低,即1分,依次类推,最后把各个指标得分相加,根据总分高低排出草种耐盐顺序。
所有数据均用Microsoft Excel 2007进行统计,采用IBM SPSS Statistics 20统计软件进行差异显著性(SSR)Duncan分析。
重度盐胁迫对草种的萌发有抑制作用,但胁迫对不同草种的萌发抑制作用不同(表2)。发芽盐害率波动在10%~40%和60%~100%,以80%~100%集中,说明重度盐胁迫对耐盐性一般的草种有明显的萌发抑制作用,而对耐盐性较强的草种抑制作用不明显。萌发抑制作用最低的草种为多年生黑麦草(Lolium perenne),盐害率16.10%;其次为高羊茅(Festuca arundinacea)和绛三叶(Trifolium incarnatum),盐害率分别为27.80%和39.30%。这3个草种也是所有草种中仅有的盐害率低于40%的草种,其中绛三叶发芽盐害率比多年生黑麦草高144.10%,两者间存在显著差异(P < 0.05);而高羊茅发芽盐害率比多年生黑麦草高72.67%,绛三叶发芽盐害率比高羊茅高41.37%,两组均无显著差异(P > 0.05)。
表 2 重度盐胁迫对各地被草种各指标盐害率均值的影响及耐盐性综合得分Table 2 Effect of severe salt stress on the mean values of various indices of ground cover grass species and comprehensive scores of salt tolerance
草种发芽指数在重度盐胁迫下的盐害率波动在50%~100% (表2),其中在90%~100%的有9个草种,可见重度盐胁迫可显著降低大多数草种的发芽指数,相应的发芽指数盐害率较低的3个草种有多年生黑麦草、高羊茅、绛三叶,3个草种盐害率分别为50.39%、74.52%、86.41%,其中高羊茅发芽指数盐害率比多年生黑麦草高47.89%,绛三叶发芽指数盐害率比多年生黑麦草高71.48%、比高羊茅高 15.96%,3个草种两两间均存在显著差异(P < 0.05)。这3个草种也是发芽盐害率较低的草种。
12个地被草种的根长盐害率较高,分布在79%~100% (表2)。根长降低幅度较小的草种有多年生黑麦草、高羊茅、中华羊茅(Festuca sinensis)和绛三叶,根长盐害率依次为79.76%、84.15%、85.97%、85.99%,4个草种作为所有草种中根长降低率较低的草种,与其他草种的根长盐害率均存在显著差异(P < 0.05),且4个草种两两间均无显著差异(P > 0.05),其中,高羊茅根长盐害率比多年生黑麦草高5.50%,中华羊茅和绛三叶根长盐害率分别比多年生黑麦草高7.79%和7.81%、比高羊茅高2.16%和2.19%,绛三叶根长盐害率比中华羊茅高0.02%。无芒隐子草(Cleistogenes songorica)未生根。
草种的苗长降低率分布在50%~100%,盐害率较低的草种有多年生黑麦草、剪股颖(Agrostis)、草地早熟禾(Poa pratensis),3个草种盐害率依次为51.63%、55.96%、68.59%,其中,剪股颖苗长盐害率比多年生黑麦草高8.39%,草地早熟禾盐害率比多年生黑麦草高32.85%,比剪股颖高22.57%。多年生黑麦草与剪股颖无显著差异(P > 0.05),与草地早熟禾存在显著差异(P <0.05),剪股颖与草地早熟禾间无显著差异(P >0.05)。结合草种根长盐害率来看,草种苗长的盐害率与根长盐害率不一定正相关,比如剪股颖的根长盐害率为92.88%,苗长盐害率为55.96%,而绛三叶的根长盐害率为85.99%,未出苗。另外,白三叶(Trifolium repens)、红三叶(Trifolium pratense)、无芒隐子草也均未出苗。
根据发芽盐害率、发芽指数盐害率、根长盐害率和苗长盐害率4个指标对供试种子进行综合评估(表2),结果表明,12个草种耐盐性顺序依次为多年生黑麦草 > 高羊茅 > 绛三叶、中华羊茅 > 剪股颖 > 草地早熟禾 > 狗牙根(Cynodon) > 红三叶、紫羊茅(Festuca rubra) > 结缕草(Zoysia)、白三叶、无芒隐子草。
2.4.1 重度盐胁迫对草地早熟禾根系生长的影响及耐盐性评价
重度盐胁迫对草地早熟禾根系的抑制作用明显(表3)。盐胁迫可明显降低草地早熟禾的根系总长度、根系总表面积和根头数,且降低幅度大于50%。根系总长度降低幅度最小的为优异(白),其次为抢手股、巴润,盐害率分别为75.32%、84.75%、85.81%,抢手股的根系总长盐害率比优异(白)高12.52%,巴润的根系总长盐害率比优异(白)高13.93%,比抢手股高1.25%,且3个品种根系总长度盐害率两两间均无显著差异(P > 0.05)。根系总表面积盐害率最小的为优异(白),其次为巴润和抢手股,盐害率分别为58.51%、76.97%、80.74%,巴润的根系总表面积盐害率比优异(白)高31.55%,抢手股的根系总表面积盐害率比优异(白)高37.99%,比巴润高4.90%,且三者间无显著差异(P > 0.05),但优异(白)和早熟禾其他21个品种均有显著差异(P < 0.05)。根头数降低率最小的仍是优异(白),其次为抢手股、巴润,盐害率分别为51.65%、57.30%、63.47%。抢手股的根头数盐害率比优异(白)高10.94%,巴润的根头数盐害率比优异(白)高22.88%、比抢手股高10.77%。与以上3个指标不同的是,除蓝宝石2号、抢手股、金牛、天鹰、野马2号5个品种外的17个品种根系平均直径均出现了不同程度的增幅,其中增幅最多的3个品种有午夜、蓝狐、摇滚明星,盐害率分别为83.63%、70.98%、70.28%。
根据草地早熟禾4个根系生长指标对供试品种进行综合评估,结果表明,草地早熟禾22个品种中根系耐盐性较高的3个品种依次为优异(白) > 巴润 > 抢手股。
2.4.2 重度盐胁迫对剪股颖根系生长的影响及耐盐性评价
剪股颖品种在重度盐胁迫下的根系变化不同,但以抑制居多(表4)。重度盐胁迫下剪股颖品种A-1的根系总长度和根系总表面积分别比对照增加了118.59%和16.22%;而其他5个品种的根系总长度和总表面积均降幅50%以上,其中根系总长度降幅较小的品种有克罗米和羚羊,盐害率分别为55.66%、62.94%,且两个品种降幅比A-1高146.93%、153.07%,均与A-1存在显著差异(P < 0.05);根系总表面积降幅较小的品种依然是克罗米和羚羊,盐害率分别为63.38%、64.42%,两个品种降幅分别比A-1高490.75%、497.16%,均与A-1存在显著差异(P < 0.05)。在重度盐胁迫下品种CEO的平均直径增幅11.82%;剪股颖品种中根系平均直径降幅较小的品种有羚羊和克罗米,盐害率分别为6.54%和8.51%,两个品种降幅分别比CEO高155.33%和172.00%,且两个品种的平均直径和CEO两两间均无显著差异(P > 0.05)。6个品种根头数在重度盐胁迫下均有减少,降幅最小的品种为高地,降幅16.94%;其次为克罗米和羚羊,降幅分别为37.87%和41.42%,两个品种降幅分别比高地高123.55%和144.51%,且3个品种两两间无明显差异(P > 0.05)。
表 3 重度盐胁迫对草地早熟禾根系指标盐害率的影响及耐盐性综合得分Table 3 Effect of severe salt stress on the root indices of Poa pratensis varieties and comprehensive scores of salt tolerance
表 4 重度盐胁迫对剪股颖根系指标盐害率的影响及耐盐性综合得分Table 4 Effect of severe salt stress on the root indices of Agrostis varieties and comprehensive scores of salt tolerance
根据剪股颖4个根系生长指标对供试品种进行综合评估,结果表明,剪股颖6个品种中根系耐盐性较高的4个品种依次为A-1 > 克罗米 > 羚羊、高地。
2.4.3 重度盐胁迫对三叶草根系生长的影响及耐盐性评价
重度盐胁迫可普遍降低三叶草的根系指标,但也有少数品种根系指标表现出增幅(表5)。红三叶多莉在重度盐胁迫下根系总长度比对照增加了12.07%,但根系的总表面积、平均直径、侧根数均有降低。重度盐胁迫下根系总长度降幅低于50%的品种有白三叶百霸和炫丽,盐害率分别为25.82%和48.03%,两个品种的根系总长度盐害率比红三叶多莉高313.92%和497.93%,百霸、炫丽分别与多莉均存在显著差异(P < 0.05),百霸和炫丽间差异不显著(P > 0.05)。根系总表面积降幅范围在40%~100%,其中降低幅度较小的品种有红三叶多莉、绛三叶樱桃,盐害率依次为47.19%、68.24%,且两者间均无显著差异(P > 0.05)。红三叶普通和炫丽在重度盐胁迫下根系平均直径均有增加,红三叶普通增幅16.94%,炫丽增幅11.94%,但两个品种的根系总长度、根系总表面积和根头数均比对照降低了超过50%;根系平均直径的降幅范围在10%~100%,降幅较小的品种有白三叶超级惠亚、白三叶胡依阿和红三叶多莉,盐害率依次为15.74%、26.63%和31.22%,3个品种盐害率分别比红三叶普通高192.92%、257.20%和284.30%,比炫丽高231.83%、323.03%和361.47%,且5个品种两两间均无显著差异(P > 0.05)。根头数降幅范围在10%~100%,降幅低于50%的品种有红三叶多莉、白三叶超级惠亚、白三叶胡依阿,盐害率依次为12.84%、24.42%和27.06%,3个品种两两间均无显著差异(P > 0.05)。
根据三叶草4个根系生长指标对供试品种进行综合评估,结果表明,三叶草15个品种中根系耐盐性较高的3个品种依次为红三叶多莉 > 白三叶超级惠亚 > 绛三叶樱桃。
2.4.4 重度盐胁迫对多年生黑麦草根系生长的影响及耐盐性评价
重度盐胁迫明显降低了黑麦草的根系总长度、根系总表面积和根头数(表6)。其中根系总长度降幅在60%~90%,降幅较小的品种有伽马、绅士和绿沃,盐害率依次为60.37%、65.99%和79.36%。根系总表面积降幅在50%~81%,降幅较小的品种有伽马、绅士和百乐门,盐害率依次为51.52%、61.56%和70.72%。根头数降幅在40%~81%,降幅较小的品种有伽马、绅士和百乐门,盐害率依次为42.89%、58.27%和64.04%。除绅士外的10个品种的根系平均直径在重度盐胁迫下均比对照有不同程度的增幅,其中绿宝石增幅效果显著,增幅62.23%,阿尔法和百乐门分别增幅55.78%和45.37%。多年生黑麦草在重度盐胁迫下的整体表现为根系总长度、根系总表面积和根头数有明显降低,根系平均直径有所增加。
表 5 重度盐胁迫对三叶草根系指标盐害率的影响及耐盐性综合得分Table 5 Effect of severe salt stress on the root indices of Trifolium varieties and comprehensive scores of salt tolerance
根据多年生黑麦草4个根系生长指标对供试品种进行综合评估,结果表明,多年生黑麦草11个品种中根系耐盐性较高的3个品种依次为伽马 > 绅士 > 百乐门。
2.4.5 重度盐胁迫对高羊茅根系生长的影响及耐盐性评价
高羊茅的根系总长度、总表面积和根头数盐害率均大于50% (表7)。根系总长度降幅较小的品种有耐寒、百万达Ⅱ和火凤凰2号,盐害率依次为59.94%、75.60%和75.70%,其中百万达Ⅱ、火凤凰2号盐害率分别比耐寒高26.13%和26.29%,二者与耐寒均存在显著差异(P < 0.05),百万达Ⅱ与火凤凰2号间无显著差异(P > 0.05)。根系总表面积降低幅度较小的品种有火凤凰2号、耐寒和百万达Ⅱ,盐害率依次为53.30%、54.36%和59.26%。根头数降低幅度较小的品种有火凤凰2号、百万达Ⅱ和金刚,盐害率依次为58.67%、63.49%和66.27%。而高羊茅除美洲虎2号以外的品种根系平均直径在盐胁迫下增幅明显,其中部分品种增幅达到90%以上。根系平均直径增幅达到80%的品种有精华、火凤凰2号、踏虎和金刚,增幅依次为95.79%、91.5%、88%和87.93%,其他增幅品种增长幅度也集中在40%~70%。
表 6 重度盐胁迫对多年生黑麦草根系指标盐害率的影响及耐盐性综合得分Table 6 Effect of severe salt stress on the root indices of Lolium perenne varieties and comprehensive scores of salt tolerance
根据高羊茅4个根系生长指标对供试品种进行综合评估,结果表明,高羊茅23个品种中根系耐盐性较高的3个品种依次为火凤凰2号 > 百万达Ⅱ >耐寒。
发芽率、发芽指数作为评价种子发芽的指标,可以反映出种子发芽的速度、整齐度和幼苗健壮的趋势[20-22]。研究表明,耐盐材料发芽率、发芽指数普遍高于敏盐材料[23],本研究中,发芽盐害率和发芽指数盐害率筛选耐盐材料的结果与这一结论一致[17]。本研究结果表明,重度盐胁迫可明显延迟草坪草种子的发芽时间,减缓种子的萌发速度,降低种子的萌发百分数,这与潘多锋等[24]和聂江力等[25]的研究结果一致。另外,NaCl浓度300 mmol·L-1、MgSO4浓度50 mmol·L-1条件下多年生黑麦草、高羊茅等较耐盐品种发芽盐害率不超过30%,这可能与环境的低pH有关,田祺等[26]认为盐碱胁迫下高丹草种子各萌发参数与Cl-、SO42-浓度之间存在显著负相关,且高pH时的萌发数较低pH时降低50%以上,张余莽和李楠[27]认为200 mmol·L-1NaCl与Na2SO4组合胁迫的多年生黑麦草的萌发指标高于NaCl、Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3的组合。不同生境的种质材料在自然环境条件的长期驯化下,对盐胁迫的反应不同[20,28-29]。对本研究萌发指标分析表明,盐胁迫对不同草种的发芽盐害率、发芽指数盐害率不同,其中耐盐性较强的草种与耐盐性较弱的草种间差异显著,耐盐性相当的草种间差异不显著,这与申忠宝等[30]、纪荣花等[31]的研究结果相似。
在盐碱胁迫下,根系作为最先接触盐碱环境并受盐碱胁迫的器官,根系受到盐碱胁迫表现在水分吸收的渗透势被阻止[20];Na+、Cl-、SO42-等离子毒害;膜透性增大,溶质外渗[28]等。受到盐碱胁迫的根系由于生理活动被干扰,其生长指标也会受到影响。本研究表明,高盐低pH胁迫对地被草种子胚根和幼苗的盐害率均超过50%,这说明重度盐胁迫对草坪草生长的抑制作用明显,植物幼苗和根系生长受抑,植物根系吸收养分水分的效率降低,供给地上部的养分减少,进而影响幼苗的生长,这与田祺等[26]的研究结果一致。根长盐害率与苗长盐害率不一定正相关,除三叶草以外的草种胚根的降幅程度均高于苗长,这与刘滨硕等[32]和申忠宝等[30]盐碱胁迫对根茎的抑制作用的研究结果相一致,李剑峰等[33]认为苜蓿(Medicago)幼苗根对盐胁迫比茎部敏感,这说明盐胁迫对根系影响更加显著。原因在于植物幼苗期必须靠胚根提供养分和水分,在重度盐胁迫下,胚根一方面向幼苗输送养分和水分;一方面根部细胞直接暴露于重度盐胁迫下,造成渗透压升高,膜结构受损,细胞内离子平衡及正常代谢被破坏,使得根系生长缓慢甚至植株死亡。但潘多锋等[24]碱性盐胁迫对白三叶根的抑制作用强于对幼苗的抑制作用的结论与本研究结果不符,可能是因为本研究环境为弱碱性环境。绛三叶的根长降低率相比其他草种较低,幼苗却没有萌发,这与李淑梅和严翔鹏[34]的研究结果一致,可能是因为重度盐胁迫抑制了根尖的生长,加上根系加粗,使得根系比表面积减少,根系吸收养分水分和矿质离子受到影响。
表 7 重度盐胁迫对高羊茅根系指标盐害率的影响及耐盐性综合得分Table 7 Effect of severe salt stress on the root indices of Festuca arundinacea varieties and comprehensive scores of salt tolerance
植物根系的形态分布直接影响到植物对水分和养分的吸收,进而影响到植物地上部的生长和功能的发挥[35],其构型与植物对养分水分的吸收利用效率有密切关系[36]。通过对草地早熟禾、剪股颖、三叶草、多年生黑麦草、高羊茅5个草种的77个品种进行根系分析显示,重度盐胁迫可明显降低植物根系的总长度、总表面积和根头数,大部分品种根系指标降低幅度大于50%,这与陈晓娜等[37]和宋锐[38]的研究结果一致;但胁迫促进了剪股颖A-1和红三叶多莉根系的伸长和A-1根系总表面积的增长。重度盐胁迫对根系平均直径的抑制作用不明显,这与张晓磊等[36]的研究结果相一致;耐盐性较高的草地早熟禾、多年生黑麦草和高羊茅的多数品种在重度盐胁迫下根系平均直径有不同程度的增幅现象,草地早熟禾和高羊茅部分品种的增幅效果超过50%,而对耐盐性较差的剪股颖和三叶草的不同品种则表现出普遍的抑制作用,这与郭鹏等[39]的研究结果相似,但剪股颖品种CEO和红三叶品种红三叶、炫丽根系平均直径增加在10%~20%。另外,田蕾等[40]认为盐胁迫对水稻(Oryza sativa)根尖数的抑制作用最为明显,于天一等[41]认为,盐碱胁迫下花生(Arachis hypogaea)根系总长度和总表面积盐害率均随着pH的升高而增加。张晓磊等[36]认为紫花苜蓿根系平均直径在混合盐碱胁迫下随着盐浓度增减呈现出先增后减的趋势。此外,耐盐草种多年生黑麦草、高羊茅等草种的根系平均直径在重度盐胁迫下增粗,重度盐胁迫对三叶草幼苗的抑制作用高于胚根,剪股颖和红三叶的部分耐盐品种根系总长度、根系总表面积在重度盐胁迫下增加,这些现象的生理机制还有待探究。
重度盐胁迫可明显延迟草坪草种子的发芽时间,降低草坪草种子的发芽率、发芽指数,抑制草坪草幼苗和根系的生长,同时,重度盐胁迫也能促进部分耐盐品种根系总长度、根系总表面积、根系平均直径的增加。
对12个地被草种在重度盐胁迫下进行耐盐性筛选,耐盐性较高的3个草种依次为多年生黑麦草、高羊茅和中华羊茅。多年生黑麦草耐盐性较高的品种有伽马、绅士和百乐门;高羊茅耐盐性较高的品种有火凤凰2号、百万达Ⅱ和耐寒;三叶草属耐盐性较高的品种有红三叶多莉、白三叶超级惠亚和绛三叶樱桃;草地早熟禾耐盐性较高的品种有优异(白)、巴润和抢手股;剪股颖耐盐性较高的品种有A-1、克罗米、羚羊和高地。