环境因子对无膜滴灌棉种萌发特性的影响

王洪博，杨莹攀，高 阳，周 宇，孙文君，王兴鹏

(1.塔里木大学水利与建筑工程学院，新疆阿拉尔 843300；2.中国农业科学院农田灌溉研究所，河南新乡 453002；3.塔里木大学植物科学学院，新疆阿拉尔 843300)

0 引 言

【研究意义】无膜直播的特早熟棉花新品种中棉619(无膜棉)，在新疆南疆阿克苏地区沙雅县进行了规模化示范应用[1]。无膜覆盖栽培棉花新品种的成功培育，为解决南疆棉田残膜污染问题提供了一条可供选择的途径和关键技术支撑。随着无膜滴灌棉花的种植应用，分析种子萌发适宜的水盐以及温度等环境因子改变，对无膜滴灌棉种萌发特性研究有实际意义。【前人研究进展】种子发芽期和幼苗生长期是植物生长过程中最重要的2个阶段，其中种子发芽期是发育过程中最敏感的时期，决定着作物的生长以及产量[2-3]。植物生命周期中种子发芽和早期幼苗生长阶段容易受环境因素的影响[4-5]。新疆南疆地区植物生长发育常受盐、旱、高低温、强光照等不利因素的影响[6-8]，显著影响种子的萌发[9-10]。棉花具有一定耐盐性，低浓度盐胁迫可以促进种子发芽[11]，但棉花受较高盐浓度的胁迫会严重影响种子萌发、生长、发育及生理生化代谢，造成不萌发、死苗及植株死亡[12]。水分不仅影响发芽开始时间，而且还决定发芽率、速率及其稳定性[13]。温度是调节种子发芽的重要环境因子，影响着酶活性及物质代谢[14]，适宜的温度条件是棉花高产稳产的基础[15]。【本研究切入点】聚乙二醇(Poly-ethylene glycol，简称PEG)溶液培养，是生产中进行植物渗透胁迫研究较理想的模拟干旱胁迫系统，常被用于研究种子的萌发及幼苗的生长情况[16-17]。研究水、盐、温及其交互作用等环境因子。【拟解决的关键问题】基于正交试验、隶属函数法及聚类分析，以PEG模拟干旱胁迫、NaCl模拟土壤盐分胁迫及用生化培养箱控制环境温度，对无膜滴灌棉种中棉619萌发特性的影响，筛选出适合该棉种萌发的水盐温组合。

1 材料与方法

1.1 材 料

试验于2019年2月在农业农村部作物需水与调控国家重点实验室进行。供试棉花品种为T1：中棉619(无膜棉)及T2：新陆中37号。采用SPX-100B-Z型生化培养箱对供试棉花种子进行温度及光照培养；由聚乙二醇(PEG-6000)模拟不同水平的干旱胁迫；以分析纯NaCl模拟不同水平的盐分胁迫。

1.2 方 法

1.2.1 种子处理

棉花种子表面消毒后，浸泡于双蒸水中24 h，将种子从双蒸水中取出，剥掉种皮[18]，挑选大小一致、籽粒饱满的30粒种子播种于150℃高温灭菌2 h，底部铺有2层经酒精浸泡风干滤纸，直径为9 cm的培养皿上[19]，加入5 mL 的处理液，以双蒸水为空白对照组，置入不同温度的生化培养箱中培养，挑选新疆南疆主栽棉花品种新陆中37号作为对照试验组。每天更换1次相应的处理液保持质量浓度不变[20]，自萌发第4 d进行光照条件，光照∶黑暗=12 h∶12 h。

1.2.2 试验设计

试验选择水分、盐分及温度胁迫3个主要环境因子，每个因子设置5个水平。参考6因素5水平的L25(56)的正交表设计。表1，表2

表2 正交试验Table 2 Orthogonal table

1.2.3 测定指标

种子连续萌发8 d，期间每天记录发芽种子数，以胚根突破种皮长度达到种子长度的一半作为萌发标准[21]。

发芽势(%)=前3 d正常发芽的种子数/供试种子数×100%；

发芽率(%)=前7 d正常发芽的种子数/供试种子数×100%；

发芽指数=Σ(Gt/Dt)，其中Gt为t时间数的发芽率，Dt为相应的发芽天数；

萌发指数PI = (1.00)nd2+ (0.75)nd4+ (0.50)nd6+ (0.25)nd8。nd2、nd4、nd6、nd8分别指第2、4、6、8 d种子的发芽率；

种子萌发抗旱指数=水分胁迫下的萌发指数(PIS) /对照种子萌发指数(PIC)；

发芽率耐盐系数=处理值/对照值×100%；

胚根长度及干鲜重；

活力指数=萌发指数×胚根鲜重。

1.3 数据处理

采用Microsoft Excel 2010进行数据处理及绘图，并用DPS16.05进行正交试验及聚类分析，采用Duncan新复极差法进行方差分析和差异性检验(α=0.05)。

2 结果与分析

2.1 不同环境因子对棉种发芽势、发芽率、发芽指数及萌发指数的影响

研究表明，温度对中棉619棉种发芽势、发芽率、发芽指数及萌发指数的影响达极显著水平(P<0.01)，且随着温度的增加而增加。温度上升到19℃时，棉种发芽势和发芽率达到最大值；萌发指数略有延迟，在22℃时达到最大值；而发芽指数在25℃达到最大值。盐分对棉种发芽势的影响较小，而棉种发芽率、发芽指数及萌发指数随着盐分的增加而减小，盐分浓度为0.8%时达到最低值，较0.1%分别减少了41.00%、24.78%和18.62%。水分、水盐交互、水温交互及盐温交互环境因子对棉种发芽势的影响较小，而发芽率、发芽指数及萌发指数呈波动变化，但发芽指数和萌发指数较发芽率变化幅度小。而新陆中37号随温度、盐分、水分及交互作用的变化趋势与中棉619相同，新陆中37号发芽势、发芽率、发芽指数及萌发指数等指标均低于中棉619。图1

图1 棉种发芽势、发芽率、发芽指数及萌发指数的因子效应Fig.1 Factor effect diagram of cotton seed germination potential, germination rate, germination index and germination index

2.2 不同环境因子下棉种抗旱、耐盐及生长的直观

研究表明，不同环境因子对棉种抗旱、耐盐及生长的影响程度略有差异。中棉619棉种，水分含量为5%、盐分含量为0.1%及温度为22～25℃时，萌发抗旱指数达到最大值，而发芽率耐盐系数在温度为19℃时已达最大值；水分含量为7.5%、盐分含量为0.1%～0.4%及温度为25℃时，棉种根系单根鲜重较大；水分含量为7.5%、盐分含量为0.2%及温度为25℃时棉种活力指数和胚根长度达到最大；而单根干重受水分及盐分影响较小，温度为19～25℃时，单根干重较大。新陆中37号棉种，水分含量为5%、盐分含量为0.1%及温度为25℃时，萌发抗旱指数较大，而发芽率耐盐系数在温度为19～22℃时达最大值；水分含量为12.5%、盐分含量为0.1%及温度为25℃时，棉种根系单根鲜重较大，当水分含量为7.5%时，活力指数较大，而胚根长度在水分含量为10%时达到最大值；棉种根系单根干重受温度、盐分及水分影响较小。表3

表3 棉种萌发指标的极差Table 3 Range analysis of cotton seed germination indicators

2.3 不同环境因子下棉种抗旱、耐盐及生长萌发指标的模糊

利用隶属函数计算棉种抗旱、耐盐及生长的综合得分，依据综合得分进行组合优劣判断，确定最优因素水平组合。计算如下：

数据标准化运用模糊数学隶属函数法对萌发指标进行标准化，如公式(1)和(2)：

(1)

(2)

权重处理采用标准差系数法，计算标准差系数Vj，归一化后得到各个萌发指标的权重系数Wj，如公式(3)。

(3)

综合评价值棉种抗旱、耐盐及生长综合评价D值的计算，如公式(4)：

(4)

式中：X(ij)表示i种类j指标的隶属值；Xij表示i种类j指标的测定值；Xjmax、Xjmin分别表示指标的最大值和最小值；Vj表示标准差系数。

以萌发抗旱指数、发芽率耐盐系数、单根鲜重、单根干重、活力指数及胚根长度等萌发指标为依据，通过隶属函数法计算2个棉种萌发指标的综合得分，综合评价值越大，种子萌发能力越强。对中棉619而言，最优环境因子组合是水分含量为15%、盐分含量为0.2%及温度为25℃，其次是水分含量为7.5%、盐分含量为0.4%及温度为25℃，再次是水分含量为10%、盐分含量为0.1%及温度为25℃，得分分别为0.98、0.96及0.87。新陆中37号棉种最优环境因子组合是水分含量为10%、盐分含量为0.1%及温度为25℃；其次是水分含量为12.5%、盐分含量为0.6%及温度为25℃；再次是水分含量为7.5%、盐分含量为0.1%及温度为19℃，得分分别为0.98、0.87及0.78。表4

表4 棉种抗旱、耐盐及生长指标的隶属函数值及综合评价Table 4 Membership function value and comprehensive evaluation of cotton seed drought resistance, salt tolerance and growth index

2.4 不同环境因子下棉种抗旱、耐盐及生长萌发指标综合得分方差

研究表明，不同因子的效应大小排序为C>B>A，即温度>盐分>水分。温度达到极显著水平(P<0.01)，盐分达到显著水平(P<0.05)，水分及交互作用未达显著水平。表5

表5 棉种抗旱、耐盐及生长指标综合得分方差Table 5 Analysis of variance for comprehensive scores of drought resistance, salt tolerance and growth indicators of cotton seeds

2.5 不同环境因子下棉种抗旱、耐盐及生长萌发指标的聚类

研究表明，在距离为4时可将中棉所619棉种的25个处理分为三大类。水分含量为10%、盐分含量为0.1%及温度为25℃、水分含量为15%、盐分含量为0.2%及温度为25℃和水分含量为7.5%、盐分含量为0.4%及温度为25℃为同一类，该类群萌发指标的相对值较高；水分含量为12.5%、盐分含量为0.6%及温度为25℃、水分含量为7.5%、盐分含量为0.1%及温度为19℃和水分含量为5%、盐分含量为0.8%及温度为25℃为一类，该类群萌发指标的相对值居中；其余组合为一类，该类群萌发指标的相对值较低。图2

图2 棉种抗旱、耐盐及生长萌发指标的聚类Fig.2 Cluster analysis of drought resistance, salt tolerance and growth and germination indicators of cotton seeds

3 讨 论

研究发现2个棉种的发芽势、发芽率、发芽指数及萌发指数随着温度的增加而增加，发芽势受水分、盐分及交互作用的影响较小。而发芽率、发芽指数及萌发指数随着盐分的增加而减小，随着水分及交互作用呈波动变化。适宜的温度能够促进种子吸水，加强酶促过程和呼吸作用，使贮藏的养分很快变成胚能利用的可溶性状态，而较低的温度造成发芽和出苗不良，且子叶或胚乳营养物质发生泄漏，为适应低温的病菌提供了养分[22-23]；盐分过高导致大多数植物生长受到抑制和产量的下降[24-25]，会降低种子发芽率，延迟萌发过程[26]；水分是种子萌发的先决条件，种子吸水后才会萌动及发芽，水分过少达不到萌发的需水量[27]。种子萌发指标随着水分的增加而增加[17]，研究与之略有不同。这是因为在适宜的温度条件下，干旱胁迫对种子发芽的抑制强度低于亚适温和超适温条件，通过激活体内酶保护机制，累积渗透调节物质用以抵御水分胁迫，维持正常的生理代谢，缓解干旱对种子发芽的不利影响[28]，保证种子的正常发芽和幼苗生长[29]。新陆中37号棉种发芽势、发芽率、发芽指数及萌发指数等指标均低于中棉619，中棉619的抗旱、耐盐及耐低温性能优于新陆中37号，适合无膜种植。

研究以萌发抗旱指数、发芽率耐盐系数、单根鲜重、单根干重、活力指数及胚根长度萌发指标为依据，进行极差分析得出中棉619不同萌发指标的优组合分别是，水分含量为5%、盐分含量为0.1%及温度为22～25℃时，萌发抗旱指数达到最大值，而发芽率耐盐系数在温度为19℃时已达最大值；水分含量为7.5%、盐分含量为0.1%～0.4%及温度为25℃时，棉种根系单根鲜重较大；水分含量为7.5%、盐分含量为0.2%及温度为25℃时棉种活力指数和胚根长度达到最大；而单根干重受水分及盐分影响较小，温度为19～25℃时，单根干重较大。新陆中37号不同萌发指标的优组合分别是，水分含量为5%、盐分含量为0.1%及温度为25℃时，萌发抗旱指数较大，而发芽率耐盐系数在温度为19～22℃时达最大值；水分含量为12.5%、盐分含量为0.1%及温度为25℃时，棉种根系单根鲜重较大，当水分含量为7.5%时，活力指数较大，而胚根长度在水分含量为10%时达到最大值；棉种根系单根干重受温度、盐分及水分影响较小。不同品种及萌发指标的优组合不尽相同，棉花对水分、盐分、温度胁迫的响应包含着极其复杂的生理变化，单一指标或者少量指标难以全面准确地反映棉花萌发特性，为了避免单一指标的片面性[30-31]，全面准确的评价棉花的萌发能力，必须利用与萌发特性有关的多项指标进行综合定量评价。通过隶属函数法计算萌发指标的综合得分，进行隶属函数值比较，依据综合得分进行组合优劣判断，综合评价值越大，种子萌发能力越强。中棉619萌发的最优组合是水分含量为15%、盐分含量为0.2%及温度为25℃，新陆中37号萌发的最优组合是水分含量为10%、盐分含量为0.1%及温度为25℃，2个棉花品种适宜温度均为25℃，但中棉619的耐盐及抗旱性优于新陆中37号。

聚类分析作为一种无管理模式的识别方法，可将相同或相似的一类进行划分，其所得结果很大程度上取决于方法所采用的距离、类间距等参数[32]。研究将萌发抗旱指数、发芽率耐盐系数、单根鲜重、单根干重、活力指数及胚根长度萌发指标进行聚类分析，中棉619聚类结果同隶属函数排序第一的归为一类的有：水分含量为7.5%，盐分含量为0.1%和温度为25℃、水分含量为15%，盐分含量为0.2%和温度为25℃及水分含量为7.5%，盐分含量为0.4%和温度为25℃，为萌发指标的相对值较高一类，这一类处理组合对种子的萌发有较好的效果。可利用聚类分析结果与隶属函数排序第一这一类控制条件的范围，即温度为25℃，盐分为0.1%～0.4%，水分为7.5%和15%当做中棉619在受到胁迫条件下萌发的调控条件，即通过在这个范围内调节水分、温度及盐分来提高种子在胁迫条件下的萌发力，提高种子的萌发率和发芽质量。

4 结 论

4.1 无膜滴灌棉种中棉619耐盐及抗旱性优于膜下滴灌棉种，但两者均对温度有较高的要求。

4.2 水分、盐分、温度及交互作用等环境因子中，温度对于棉种萌发的影响达到极显著水平(P<0.01)，盐分达到显著水平(P<0.05)，而水分及交互作用未达到显著水平。

4.3 适宜无膜滴灌棉种中棉619萌发的环境因子范围是温度为25℃，盐分为0.1%～0.4%，水分为7.5%和15%，且最优组合为水分含量为15%、盐分含量为0.2%及温度为25℃。