盐碱交互胁迫对生姜产量和品质的影响及其数学模型的建立

徐 悦 曹逼力 陈子敬 徐 坤

（山东农业大学园艺科学与工程学院，山东果蔬优质高效生产协同创新中心，农业部黄淮地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室，山东泰安 271018）

土壤盐碱化是世界性生态问题，据统计，全球有盐碱地9.543 8 亿hm2，约占陆地面积的7%（Metternicht &Zinck，2003），而我国土壤盐渍化面积约占耕地面积的1/10，广泛分布在华北、东北、西北内陆地区以及长江以北的沿海地带（俞仁培和陈德明，1999）。土壤盐分主要诱导渗透胁迫和离子毒害（Munns，2002），高浓度Na+可置换细胞膜系统所结合的Ca2+，使Na+/Ca2+增加，膜的通透性增大（Yang et al.，2007）；同时，植物体内活性氧代谢系统的平衡受到影响，活性氧水平升高，而活性氧清除剂活性或含量降低（Shi &Wang，2005），膜脂过氧化或膜脂脱脂作用被启动，导致膜的完整性被破坏，差别透性丧失，电解质及某些小分子有机物大量渗漏，细胞物质交换平衡被破坏（余叔文和汤章诚，1998）。较高pH 环境则会中和植物根系分泌的有机酸，导致土壤颗粒固结Ca、Mn、P、Fe 等元素，使植物难以吸收，严重时还会造成根系腐烂（Ibrahim，2016），这可能导致氧化应激反应，影响植物正常生理代谢（Shafi et al.，2009）。

生姜（Zingiber officinaleRosc.）为姜科多年生草本植物，起源于热带雨林地区，根系不发达，耐旱抗涝性能差，喜欢肥沃疏松的壤土或沙壤土。章淑兰等（1983）研究表明，生姜在土壤pH 为5～7范围内的长势无显著差异，但当pH≥8 时，则植株矮小，分枝少，叶片黄，根茎发育不良，产量显著降低，而目前可耕种的盐碱土壤pH 多在7～8 之间。为了进一步明确轻度盐碱土pH 变化及盐分对生姜的影响，本试验采用营养液砂培方法研究pH与盐交互胁迫对生姜产量和品质的影响，旨在为合理利用盐碱地，扩大生姜种植区域提供理论依据和技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验设计

试验在2017 年预试验的基础上，于2018 年在山东农业大学园艺实验站进行。供试生姜品种为山农1 号，催芽后（4 月26 日）播种于直径34 cm、高22 cm 的塑料盆内进行砂培，每盆2 株，播种后浇灌不同pH 及盐水平的Hoagland 营养液，直至收获。营养液pH 以NaOH 调节，盐水平以等量Na+的NaCl 和Na2SO4调节。试验采用二次饱和D-最优设计（表1），每处理45 盆，均分为3 组作为3次重复。

表1 试验设计方案

1.2 试验方法

生姜收获时（10 月23 日）测定单株产量，并测定不同处理生姜品质指标。可溶性蛋白含量采用考马斯亮蓝法测定（王月福 等，2002），可溶性糖、淀粉含量采用蒽酮比色法测定（赵世杰 等，1998），粗纤维含量采用酸-洗涤法测定（刘春生和杨守祥，1996），姜辣素含量采用超声波辅助法测定（赖海涛 等，2017），挥发油含量采用超临界二氧化碳萃取法测定（战琨友 等，2009）。生姜品质综合评分标准为：各品质指标均以最佳处理值为100 分，某处理该指标测定值占最佳处理值的百分数即为该处理的实际得分（纤维素以含量最少为最佳处理值，其占某处理该指标测定值的百分数即为该处理的实际得分），各处理所有品质指标得分权重值之和即为该处理的综合得分，其中挥发油含量权重为0.3，姜辣素含量权重均为0.3，可溶性蛋白、可溶性糖、粗纤维和淀粉含量权重均为0.1。

1.3 数据处理

试验数据采用AMS 和Excel 软件进行统计分析。

2 结果与分析

2.1 回归模型的建立

以表1 不同处理营养液pH 编码值（X1）及盐水平编码值（X2）为自变量，以表2 相应的生姜单株产量（Y1）为因变量，通过计算机模拟运算，得出产量与pH 及盐水平之间相关关系的数学模型。

Y1=270.32-89.46X1-166.86X2-73.22X12-53.36X22+28.80X1X2

对上述方程进行F检验，F=496.78＞F0.01（5，12）=5.06，达极显著水平，故此回归方程成立。对各偏回归系数进行检验，F（X1）=168.65，F（X12）=26.64，F（X2）=586.70，F（X1，X2）=13.77，F（X22）=14.15，差异均达极显著水平〔F0.01（1，12）=9.33〕。说明两个因子均对产量有显著影响，且因子交互效应显著。

同理，可得到生姜综合品质（Y2）与pH 及盐水平之间相关关系的数学模型：

Y2=87.58-5.56X1+1.33X2+3.84X12-17.12X22+2.17X1X2

对上述方程进行F检验，F=378.93＞F0.01（5，12）=5.06，达极显著水平，故此回归方程成立。对各偏回归系数进行检验，F（X1）=195.47，F（X12）=23.56，F（X2）=11.21，F（X1，X2）=23.56，F（X22）=437.19，差异均达极显著水平〔F0.01（1，12）=9.33〕。说明两个因子均对品质有显著影响，且因子交互效应显著。

2.2 模型主因子效应分析

由于试验所建的回归方程已经过无量纲编码代换，故直接比较各偏回归系数绝对值的大小，可反映各因子的重要程度。从产量回归模型的一次项可以看出，X2的偏回归系数绝对值∣-166.86∣大于X1的偏回归系数绝对值∣-89.46∣，说明盐水平对生姜产量的影响大于pH，且二者对产量的贡献均为负效应；而品质回归模型X1的偏回归系数绝对值∣-5.56∣大于X2的偏回归系数绝对值∣1.33∣，说明pH 对生姜品质的影响大于盐水平，但其贡献为负效应，而盐水平则为正效应。

表2 盐碱交互胁迫对生姜产量和品质的影响

2.3 模型单因子效应分析

将回归模型中两个自变量编码值中的一个固定在0 水平，可以得到另一个自变量与目标函数的关系，即单因子效应方程。由产量效应方程可得以下两个方程：

Y11=270.32-89.46X1-73.23X12

Y12=270.32-166.86X2-53.36X22

由品质效应方程可得以下两个方程：

Y21=87.58-5.56X1+3.84X12

Y22=87.58+1.33X2-17.12X22

将单因子效应方程绘制成图1，可以看出，在本试验范围内，生姜单株产量随盐含量的增加呈持续降低趋势；当pH 为7.00～7.70 时，产量无显著变化，当pH＞7.70 时，产量则随pH 升高快速降低。生姜品质的变化与产量不同，盐含量在0～77.91 mmol·L-1范围内，生姜品质随盐含量的增加而升高，达到77.91 mmol·L-1后，则随盐含量的增加而降低；而生姜品质则随pH 升高呈缓慢降低的趋势。

图1 模型单因子效应分析

2.4 模型因子边际效应分析

对各单因子效应方程求自变量的导数，即得该变量因子的边际效应方程：

其中方程①和②分别为pH 和盐水平对产量的边际效应方程；方程③和④分别为pH 和盐水平对品质的边际效应方程。可以看出，方程①的斜率绝对值大于方程②，说明pH 变化对产量的影响大于盐水平；同理方程④的斜率绝对值大于方程③，说明盐水平变化对品质的影响大于pH。

2.5 模型因子交互效应分析

本试验确定的回归模型存在互作项，且其偏回归系数显著，说明在pH 与盐交互作用条件下，生姜产量和品质的变化不单纯是各因子单独效应的线性累加，还存在着配合效应，即因子交互效应。

从表3、4 可以看出，在X1取编码值-1.000 0～-0.131 5，X2取-1.000 0 时，生姜单株产量较高，达398.10～428.87 g，超出此范围，则产量显著降低。生姜品质的最优交互区域为X1取-1.000 0，X2取-0.131 5～0.394 5，品质可达90分以上，超出这一范围，则品质均表现下降。

表3 X1和X2对产量Y1的交互效应值

表4 X1和X2对品质Y2的交互效应值

3 讨论与结论

盐碱土通过离子胁迫、水分胁迫、高pH 胁迫抑制植物的生长和发育，进而影响作物的产量和品质（位杰 等，2015）。研究表明，随着土壤NaCl浓度的增加，小麦籽粒产量下降，籽粒中Na+、氨基酸、麦谷蛋白亚基含量增加（Zhang et al.，2016）；适度的盐碱胁迫可以促进番茄果实可溶性糖、有机酸的积累，增加固形物含量（Jan et al.，2014）。黄立华等（2007）研究也证实，一定浓度的盐处理可以调节番茄的风味、色泽和可溶性物质含量，有利于提高番茄果实糖酸比。陈映彤等（2017）研究表明，较低浓度的盐碱胁迫可以提高甜瓜果实可溶性固形物、可溶性糖含量，降低总酸含量。本试验结果表明，盐碱胁迫对生姜产量和品质均有显著影响，且二者之间存在显著的交互效应，但以盐水平对生姜产量的影响较大，表现为随盐含量的升高，生姜产量持续降低；而pH在7.00～7.70 之间时，生姜产量变化不显著，当pH＞7.70 时，生姜产量随pH 升高呈快速下降趋势。对生姜品质而言，pH 的影响大于盐水平，表现为随pH 的升高，生姜品质呈缓慢降低的趋势，而盐含量在低于77.91 mmol·L-1时，生姜品质随盐含量的增加而升高，达到77.91 mmol·L-1后，生姜品质则随盐含量的增加而降低。可见，轻度盐胁迫即可降低生姜产量，但其对碱的适应能力可达pH 7.7。