钙营养对甜菜幼苗耐盐性的影响

王堽，於丽华，王宇光，刘钰，耿贵

（1.黑龙江大学生命科学学院，哈尔滨 150080；2.黑龙江大学现代农业与生态环境学院，哈尔滨 150080）

0 引言

我国北方气候以干旱和半干旱为主，在这样的气候条件下降雨量较少，强蒸发使深层地下水上升，伴随着盐分析出滞留在土地表层。在降雨量较少的情况下，滞留的盐分不能被淋溶排走，使一些可溶性盐慢慢地聚集在土壤表面导致盐渍化土壤的形成[1]。这些可溶性盐主要包括碳酸钠、硫酸钠、氯化钠[2]。据我国有关部门不完全统计发现，每年有大面积的农田用地因土壤次生盐渍化而被迫撂荒。这些盐渍化耕地主要分布在地势平缓、河流滞缓、排水易汇集地段以及河流冲积的三角洲、沼泽和湿地等区域[3]。并且我国的盐渍化土地面积及分布范围在全球范围都是最大的[4]，如甘肃河西走廊、宁夏银川平原、新疆塔里木盆地和准噶尔盆地、吉林松嫩平原、黑龙江大庆湿地等。与此同时，为了推动农业经济快速发展采取不当灌溉措施导致次生盐渍化土壤的形成，盐渍土面积的增加。因此，十分严峻的土壤盐渍化给环境保护、土壤修复、农业产值增长和经济发展带来了较大的影响[5]。

在生态环境日益恶化、人口数量不断增长、土地资源相对匮乏的形势下，土壤盐渍化程度的加剧使得土壤资源更加紧张。因此，如何采取有效措施来抑制土壤盐渍化，修复现存的盐渍耕地，已成为备受关注的热点问题[5-7]。目前，对土壤盐渍化修护尚未有高效可行的技术[8-9]。生产实践对盐碱土的改良方法主要有使用改良试剂法和覆盖改良法，但这些方法实施起来成本高、难度大、耗时费力[10]。因而，采用化学物质调控植物生长发育，提高作物对盐碱土的适应能力是缓解土地资源紧张的有效途径之一。

甜菜（Beta vulgarisL.）是重要的糖料兼用型经济作物，除用于制糖之外，其副产物有较高的综合利用价值，在再生资源开发、生物乙醇、氢气、糖类等高附加值产品生产方面具有潜在优势[11-12]。甜菜是一种耐盐较强的作物，低盐水平对甜菜生长具有促进作用，但是生境含盐水平过高会导致甜菜各项生长、生理指标受到抑制[13-15]。研究发现，甜菜在低Na+环境中，外源添加3 mmol/L K+不仅直接增加甜菜幼苗生物量、促进光合作用，还促进Na+、K+的渗透调节作用，减少有机渗透调节的作用，进而间接提高光合产物的利用率，促进幼苗生长[15]。水培法测定280 mmol/L Na+胁迫条件下，喷施0.25 mmol/L 外源亚精胺后，耐盐型甜菜对N、P、K 养分的吸收显著提高，胁迫状态得到恢复[16]。本研究通过测定甜菜幼苗的株高、叶片的干鲜重、相对含水量以及净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、胞间CO2浓度（Ci）等光合生理指标，分析不同盐度处理条件下，施用钙营养对甜菜幼苗生长及各项光合生理指标的影响，从而研究甜菜幼苗在不同浓度盐处理下施加钙营养的生长状况和光合特性变化规律，进而找出适合甜菜盐渍土生长的最佳钙营养调节范围，为下一步甜菜在盐碱地种植施用钙营养提供重要的理论基础，同时为甜菜盐碱地栽培以及盐渍土壤改良奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料及培养条件

本试验选用抗性较强甜菜品种‘KWS1176’的丸粒化包衣种子为试验材料，在黑龙江大学光照培养室进行水培试验。甜菜种子采用蛭石培养发芽，5 d后选择长势均匀的甜菜幼苗，移栽至半倍的改良Hoagland营养液中，光照辐射强度为460±15 μmol/(m2·s)，光照时间为6:00 至20:00，昼夜温度分别控制在(20±2)℃和(25±2)℃，相对湿度65%～70%。培养过程中不间断给营养液通入空气，每天监测各处理营养液中的Ca2+、Na+浓度及pH值，使处理间营养液的Ca2+、Na+浓度保持相对平衡，pH 维持在5.7±2范围。

钙营养设置4 个浓度梯度：0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L，选用无水CaCl2和Ca(NO3)2·4H2O 分析纯（AR）试剂配制；Na+设置2 个梯度：3、280 mmol/L，选用NaCl AR 试剂配制。共8 个处理，每个处理重复6 次，具体设置体系如表1所示，其中氮元素用NH4NO3AR试剂补充。在培养初期通过配置半倍的改良低钙Hoagland 营养液[0.3 mmol/L Ca(NO3)2·4H2O，3 mmol/L NaCl，3.2 mmol/L NH4NO3]进行培养，待幼苗生长至第一对真叶完全展开时再更换培养液开始处理。处理1、2、3、4 分4 次调整Na+浓度到280 mmol/L，钙营养在第一次调Na+浓度时就对应表1 直接加入。处理5、6、7、8 在配置营养液时按表1 方案进行改良。5 d 更换一次培养液，培养至第18天测定相关指标。

表1 Ca2+和Na+添加配方Table 1 Formula of Ca2+and Na+added

1.2 测定项目及方法

用直尺和游标卡尺测定甜菜幼苗株高（最长甜菜叶的叶柄基部至叶尖的距离）[17]。收获后用分析天平，秤取甜菜整个叶片，称鲜重后，放入水中，吸水24 h 后，吸干水分称重，放入75 ℃烘箱中，烘至恒重后称重。计算得到叶片相对含水量（RWC）[18]。

用CI-340 手持式光合作用测量系统（美国CID 公司）测定甜菜第二对真叶净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）和蒸腾速率（Tr）。

质膜透性的测定采用相对电导率（EC）法，具体操作参照引文[19]中的方法。

1.3 数据收集及分析

采用Microsoft Office Excel 2019 进行数据整理；用IBM SPSS Statistics20.0 专业软件对数据进行方差和Duncan法显著性检验（P<0.05）。

2 结果与分析

2.1 钙营养对盐处理下甜菜各农艺性状的双因素分析

钙营养和氯化钠（NaCl）双因素方差分析结果表明，钙营养和NaCl处理显著影响甜菜幼苗株高、干重和叶片RWC、EC、Pn、Tr、Gs、Ci；钙营养和NaCl处理交互作用对幼苗株高、干重和叶片Gs的影响达极显著水平(P＜0.01)，对叶片RWC和Tr的影响达显著水平（P＜0.05），对EC、Pn和Ci无影响。

2.2 钙营养对盐处理下甜菜幼苗株高的影响

由图1可知，在3 mmol/L NaCl处理下，随着钙供应浓度（0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L）的增加，甜菜株高呈现先升后降的趋势。1.5、3.5、7.5 mmol/L钙营养分别较0.3 mmol/L时增加2.3%、41.6%和19.5%，钙营养增加到3.5 mmol/L 时甜菜株高达到最高，继续增加到7.5 mmol/L时甜菜株高呈现降低趋势，在3.5、7.5 mmol/L 钙营养水平下，植株高度差异显著。在280 mmol/L NaCl 处理下，随钙供应水平的提高，3.5、7.5 mmol/L 与1.5 mmol/L 钙浓度处理间差异显著（P<0.05）。当钙营养水平至3.5、7.5 mmol/L 时，植株高度分别较0.3 mmol/L下降了13.3%、17.9%，且在3.5、7.5 mmol/L 钙营养水平下植株高度差异不显著。因此，在3 mmol/L NaCl处理下，低浓度的钙营养对甜菜株高起到促进作用，但随着钙营养水平的增加促进效果显著降低；在280 mmol/L NaCl处理下，随着钙营养水平的增加植株高度降低，其原因可能是280 mmol/L盐胁迫下钠、钙元素对甜菜株高具有负交互作用或者钠替代钙效率的结果。

图1 盐处理下施用钙营养对甜菜幼苗株高的影响Fig.1 Effect of calcium nutrition on plant height of sugar beet seedlings under salt treatment

2.3 钙营养对盐处理甜菜叶片鲜重和植株干重的影响

图2 钙营养对盐处理下甜菜叶片鲜重（A）和植株干重（B）的影响Fig.2 Effect of calcium nutrition on leaf fresh weight(A)and plant dry weight(B)of sugar beet under salt treatment

由图2A、B可知，在3 mmol/L盐处理下，随着钙供应水平（0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L）的增加，甜菜叶片鲜重和植株干重呈现先升后降的趋势，3.5 mmol/L钙营养植株干重达到最大，单株幼苗叶片鲜重较0.3 mmol/L增加45.3%，单株干重较0.3 mmol/L增加33.4%；单株幼苗叶片鲜重分别较1.5 mmol/L增加42.5%，单株干重较1.5 mmol/L 增加30.2%。当钙营养供应水平提高到7.5 mmol/L 时幼苗叶片鲜重和单株干重有所下降，但与3.5 mmol/L水平时叶片鲜重和单株干重差异不显著。在280 mmol/L Na+处理下，随着钙营养水平的提高，幼苗叶片鲜重和单株干重逐渐降低，3.5和7.5 mmol/L分别较1.5 mmol/L单株叶片鲜重降低了6.5%、12.0%；单株干重降低了6.3%、9.7%，且与1.5 mmol/L达到差异显著水平。因此，在3 mmol/L 盐处理下，3.5 mmol/L钙营养对甜菜叶片鲜重和单株干重起到促进作用，但随着钙营养水平的增加促进效果降低；在280 mmol/L盐处理下，随着钙营养水平的增加植株叶片鲜重显著降低，1.5 mmol/L钙营养对甜菜叶片鲜重和单株干重起到促进作用。高盐胁迫下，在幼苗叶片鲜重和单株干重亦表现出钠、钙元素的负交互作用或者钠替代钙效率的结果。

2.4 钙营养对盐处理下甜菜叶片相对含水量的影响

叶片相对含水量是植物水分亏缺或水分分布状况较直接的生理指标之一。钙营养对盐处理下甜菜植株RWC 的影响如图3A 所示，结果表明，在3 mmol/L 盐处理下，甜菜幼苗叶片相对含水量随着钙营养供应水平的提高而显著增加（P<0.05）。钙营养供应到3.5 mmol/L 水平时较1.5 mmol/L 提高了12.5 个百分点；钙营养供应到7.5 mmol/L时达到处理间的最大值（95.1%），比1.5 mmol/L增加了15.7 个百分点，较0.3 mmol/L提高了12.9个百分点。在280 mmol/L盐胁迫下，随着钙营养供应水平的提高甜菜叶片相对含水量呈现显著下降趋势。在1.5 mmol/L钙营养下，叶片相对含水量为57.5%；钙供应水平提高到3.5、7.5 mmol/L 时叶片相对含水量分别下降到了43.6%、26.5%，比0.3 mmol/L分别下降16.1 和33.2 个百分点。以上结果说明甜菜幼苗在3 mmol/L 盐处理下钠、钙元素对叶片相对含水量表现为正向作用；而280 mmol/L 的高盐处理下则表现为负向作用。

图3 钙营养对盐处理下甜菜叶片相对含水量（A）和电导率（B）的影响Fig.3 Effect of calcium nutrition on RWC(A)and conductivity(B)of leaves in sugar beet under salt treatment

2.5 钙营养对盐处理下甜菜叶片质膜透性的影响

细胞膜透性是指示作物受到胁迫后细胞膜损伤程度的重要生理指标之一。通过叶片相对电导率来衡量细胞膜损伤程度，电导率越高说明质膜透性强、受损程度严重，反之则说明质膜完整性好。钙营养在盐处理下甜菜叶片电导率的变化如图3B 所示。在3 mmol/L 盐处理下，随着钙营养水平的提高甜菜叶片电导率呈现显著降低趋势。在1.5、3.5、7.5 mmol/L 钙营养水平时，甜菜幼苗叶片电导率分别为11.33%、10.63%、8.99%，7.5 mmol/L电导率最低，比0.3 mmol/L 处理低4.4 个百分点，钙营养水平7.5 mmol/L与0.3、1.5 mmol/L 之间电导率差异显著（P<0.05）。在280 mmol/L 盐胁迫下，随着钙营养供应水平的提高甜菜叶片电导率显著提高（P<0.05）。在1.5 mmol/L钙营养水平时叶片电导率为33.61%，3.5、7.5 mmol/L钙营养水平分别较1.5 mmol/L钙营养水平时叶片电导率提高了13.6和17.9个百分点。以上结果说明甜菜幼苗在3 mmol/L盐处理下钠、钙元素对叶片细胞质膜的破坏程度小，甚至7.5 mmol/L 浓度钙元素还有一定的修护作用；而高盐胁迫下钠离子对叶片细胞质膜的破坏程度增大，且随着营养液钙元素浓度的增加其破坏程度加重。

2.6 钙营养对盐处理下甜菜幼苗光合特性的影响

图4 钙营养对盐处理下甜菜幼苗Pn（A）、Tr（B）、Gs（C）、Ci（D）的影响Fig.4 Effect of calcium nutrition on Pn(A),Tr(B),Gs(C)and Ci(D)of sugar beet seedlings under salt treatment

钙营养对盐胁迫下甜菜幼苗叶片净光合速率（Pn）、蒸腾速率（Tr）、气孔导度（Gs）、胞间二氧化碳浓度（Ci）变化趋势的影响如图4 所示。在3 mmol/L Na+水平下，随着钙营养供应水平的增加甜菜幼苗叶片Pn、Tr、Gs和Ci光合参数呈现明显先升后降趋势，在3.5 mmol/L 钙营养水平时各项参数指标达到测定值的最大，Pn、Tr、Gs 和Ci 分别比0.3 mmol/L 提高22.3%、7.9%、18.2%和14.7%；在钙营养7.5 mmol/L 水平时，甜菜幼苗叶片Pn、Tr、Gs 和Ci 有下降趋势，但与3.5 mmol/L 钙营养水平之间Pn、Gs 差异不显著（P<0.05）。280 mmol/L盐胁迫下，随着钙营养供应水平的提高甜菜叶片Pn、Tr、Gs 和Ci呈现显著下降趋势。通过光合参数结果分析显示，甜菜幼苗在3 mmol/L 盐处理下钠、钙元素对叶片的Pn、Tr、Gs和Ci具有促进作用，其中在3.5 mmol/L 钙营养水平，促进效果最明显；而高盐胁迫下钙营养对叶片的Pn、Tr、Gs 和Ci 光合参数起到抑制作用，随着营养液钙元素浓度的增加其抑制程度加重。

3 讨论

研究表明，施用钙元素可以促进作物的生长，提高产量[20]。植物叶片相对含水量是反映叶片的保水能力，以及栅栏组织和保卫组织活力的重要生理指标[21]。研究发现西兰花在受到硫酸盐胁迫时，施用钙营养能显著提高硫代葡萄糖苷含量来适应盐胁迫[22]。在豇豆幼苗耐盐胁迫研究中发现，外源施加低钙营养能缓减盐胁迫伤害、促进植株生长；高盐胁迫下施用钙营养其调节作用显著降低[23]。本研究中，在3、280 mmol/L Na+条件下培养甜菜幼苗时，分别施用了0.3、1.5、3.5、7.5 mmol/L钙营养，结果显示在3 mmol/L Na+浓度下，随着钙营养供应水平的提升，甜菜幼苗株高、植株干重、叶片鲜重呈现先升后降趋势，叶片相对含水量呈现增加趋势，7.5 mmol/L 较3.5 mmol/L 钙营养水平下幼苗株高、植株干重、叶片鲜重稍有下降。表明3 mmol/L Na+作用下施用外源钙营养会促进甜菜幼苗生长和干物质的积累，维持甜菜叶片细胞的活力。另外，细胞质膜受损率在3 mmol/L Na+处理下随着施用钙营养供应水平的提高呈现显著下降趋势，表明在甜菜幼苗期3 mmol/L Na+浓度下施用低浓度的钙营养能提高甜菜叶片细胞的抗性，维持幼苗的生长。在280 mmol/L 盐胁迫下甜菜幼苗株高、植株干重和叶片鲜重、相对含水量随着钙营养供应水平的提高呈现降低趋势，细胞质膜受损率则显著上升。表明在280 mmol/L 盐胁迫下随着钙营养水平的供应，甜菜幼苗植株生长受到抑制，叶片相对含水量降低，叶肉细胞渗透调节受损率增大。

光合作用是作物产量的基础，盐胁迫既可直接影响作物的生长，也可通过影响净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和胞间二氧化碳浓度等光合特性影响因子来间接改变作物产量[13，24-25]。在盐胁迫下影响植物光合效率的因素主要有由于气孔的部分关闭导致的气孔限制和叶肉细胞光合活性下降导致的非气孔限制两类，即气孔因素和非气孔因素。气孔因素使胞间二氧化碳浓度降低，非气孔因素则使胞间二氧化碳浓度增加[26]。有关玉米在不同盐胁迫下施用钙营养的研究中发现，低盐处理下（100 mmol/L NaCl）随着钙营养供应的增加可以减轻盐对玉米生长的影响，而高盐处理下（200 mmol/L NaCl），提高钙营养加重了玉米盐害[27]。本研究中，在3 mmol/L Na+水平下，甜菜幼苗叶片的蒸腾速率、气孔导度、净光合速率和胞间二氧化碳浓度，随着钙营养供应水平的增加呈现先升后降趋势，在3.5 mmol/L 钙营养浓度时各项指标达到最大值，钙营养7.5 mmol/L 时各项指标稍有下降。由此可以推测，在3 mmol/L Na+处理下，钠、钙协同作用促进了甜菜幼苗叶片细胞膜稳定，从而提高叶片的光合速率，进而提高幼苗生物量。在280 mmol/L Na+胁迫下甜菜幼苗叶片的蒸腾速率、气孔导度、净光合速率和胞间二氧化碳浓度随着钙营养供应水平的增加呈现下升趋势。说明高盐胁迫下，钠、钙拮抗作用导致叶肉细胞活性降低，以非气孔因素为主导限制了甜菜幼苗叶肉细胞光合作用。植物的耐盐性是一个由多基因控制的数量性状，这也决定了耐盐机理的复杂性。

此外，钠、钾、钙等金属元素作为植物生理代谢必须元素，对植物生长起着重要的作用。在之前的研究中发现，甜菜幼苗生长在缺钾、低钾环境中钠离子可以对钾离子起到一定生理效应的补充[14,28]。但是这种效果的潜力是有限的，研究证实了在缺钾条件下生长的瑞士甜菜幼苗中加入NaCl，能有效将缺钾引起的损害降至最低，并使植物的生长保持在与对照条件相当的水平[29]。在本次研究中3 mmol/L的NaCl 作用下，随着钙营养水平的提高甜菜幼苗在生物量的积累和光合特征上都起到了明显的促进作用，而在280 mmol/L高盐处理下着，随着钙营养的增加这些指标呈现了下降趋势。说明3 mmol/L NaCl作用下，Na+和Ca+对甜菜植株的生长起到促进作用。因此，当钙营养低于3.5 mmol/L时对钠离子起到了一定的补充。280 mmol/L高盐处理下钠离子高渗作用抑制甜菜幼苗生长，钙营养的增加加剧了渗透胁迫，因此对钙营养的需求量明显降低。

本次试验仅研究了钙营养调控对两个梯度盐处理下甜菜生长和基础光合特性的影响，还不能够充分解释钙离子对甜菜耐盐胁迫程度的影响，至于其他相关因素的影响作用还有待于进一步研究。

4 结论

通过初步试验结果分析可以看出，在不同盐浓度的处理下施加钙营养甜菜的各项生理指标会发生差异性的变化。（1）在正常盐分条件下（3 mmol/L Na+），甜菜幼苗叶片的鲜重及相对含水量会增加，之后随着钙营养浓度增加叶片鲜重等会逐渐降低，3.5 mmol/L的钙营养水平最佳，促进甜菜生长，0.3、1.5 mmol/L较低钙营养水平均不利甜菜生长。（2）在高盐胁迫（280 mmol/L Na+）下，甜菜幼苗叶片的蒸腾速率、气孔导度、净光合速率和细胞间二氧化碳浓度，随钙营养供应水平的增加呈现下降趋势；0.3、1.5 mmol/L 较低钙营养水平更有利于甜菜幼苗生长，提高甜菜幼苗耐盐胁迫能力水平。（3）NaCl胁迫与钙营养在甜菜幼苗株高、植株干重、叶片相对含水量以及表观光合作用方面存在着负交互作用。