基于灰色关联度法评价适于矿区废弃地生长的高羊茅萌发期抗旱性

霍可以， 刘 英， 向仰州， 岳雪娇， 姚 斌

(1.贵州省农业科学院农作物品种资源研究所， 贵阳 550006；2.贵州师范学院学生资助管理中心， 贵阳 550018；3.贵州师范学院地理与资源学院， 贵阳 550018；4.中国林业科学研究院荒漠化研究所， 北京 100091)

贵州是我国矿产资源种类繁多、储量巨大的省份之一，大量开采各种矿产资源，特别是煤矿、磷矿、铝土矿等，为促进地方经济发展起到了举足轻重的作用[1]。但由于长期以来“重矿产资源开采，轻矿山环境后续治理”的矿业开发模式导致了环境污染、地质灾害、水土流失等生态环境问题[2-4]。鉴于此，采取有效措施治理各种矿业废弃地及废弃物显得十分迫切。目前的治理措施主要包括修建尾矿库、坝存放尾矿或利用尾矿做建筑材料的原料、路基材料[5]，但因尾矿数量巨大，利用率极低，寻求新的尾矿治理措施势在必行。近年来，迅速发展的生态恢复方式被应用到矿区废弃地及尾矿治理中，取得的成效显著[6-9]。由于矿区废弃地及尾矿缺水干旱，植被恢复困难，抗旱植物品种的筛选是矿山生态恢复成功的关键因素之一。高羊茅(FestucaarundinaceaL.)是禾本科羊茅属多年生草本植物，是一种抗旱性、抗热性强，管理粗放的常见冷季型草坪草，被广泛应用于水土保持、生态恢复、植被护坡、园林绿化等[10]。PEG-6000是一种大分子渗透调节剂，改变其浓度可以有效地控制水分进入种子的速率，是模拟土壤干旱的理想水势调节物质，现已广泛应用于植物种子萌发期干旱胁迫模拟研究，已经成为研究种子萌发性状的重要调节剂[11-13]。

灰色关联度分析法是邓聚龙[14]于1982年创立的，是一种定量化比较分析方法，根据因素之间发展趋势的相似或相异程度，即灰色关联度，分析系统内部主要因素之间的相关程度，作为衡量相关程度最大因素的一种方法。目前，已经广泛应用在农作物引种、育种等方面[15]。灰色关联度分析方法的主要优点是，能够较为真实和全面地反映人们对客观系统的实际认识程度，不仅对结果可以定性分析，而且可以给出定量结果[16]。

因此，本试验测定千粒重、胚芽长、胚根长、芽干重等11个指标，应用灰色系统理论评价其萌发期抗旱性，旨在为筛选适用于贵州矿山生态恢复抗旱性强的高羊茅品种提供科学依据及技术指导。

1 材料与方法

1.1 试验材料

聚乙二醇(PEG-6000，分析纯)；光照培养箱(型号：GXZ-280，厂家：宁波江南仪器厂)；8个高羊茅品种分别是新秀、凌志Ⅱ、易凯、凤凰、锐步、天霸、维加斯和探索者，购于百绿(天津)国际草业有限公司(百绿中国)。

1.2 试验方法

采用电子天平称取200 g PEG-6000缓慢倒入盛有1 L去离子水的容量瓶中，摇匀后得到200 g/L的PEG-6000溶液。选取籽粒饱满、大小均匀的高羊茅种子，用0.5%的KMnO4溶液消毒10 min，用去离子水清洗5次，然后用滤纸吸干种子表面水分。将种子放入铺有双层滤纸的培养皿(直径15 cm)中，每个培养皿50粒种子，每个品种3次重复。用移液管分别准确量取200 g/L的PEG-6000溶液10 mL于培养皿中，然后将培养皿移入光照培养箱中。光照培养箱参数设定：温度(25±0.5)℃，光照强度14 000 lx，光周期12 h/d。每天采用称重法及时补充散失的水分，以保证种子处于较为恒定的渗透势[17]。光照培养箱每天打开2次与外界进行气体交换10 min，观察并记录试验现象。试验结束时每个处理随机抽取20株测定苗干重。

1.3 数据处理

千粒重、胚芽长、胚根长、芽干重等4个指标采用常规法。

发芽势(%)=(第5天内正常发芽的种子数/供试种子总数)×100%；

发芽率(%)=(第11天内正常发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)，式中，Gt为总的发芽粒数，Dt为相应的发芽天数；

活力指数=GI×S，式中，GI为发芽指数，S为第11天平均苗长；

萌发指数=1.00x2+0.75x4+ 0.50x6+0.25x8，式中:x2、x4、x6、x8依次为2、4、6、8 d的种子发芽率[11]；

贮藏物质消耗率(%)=[(发芽前种子重量-发芽种子各部分干重和)/发芽前种子重量]×100%；

贮藏物质运转效率(%)=[苗干重(芽+根)/苗各部分干重(芽+根+籽粒)]×100%[18]。

根据王士强等[19]和尹利等[20]的方法，分别按照公式(1)、公式(2)、公式(3)、公式(4)计算抗旱系数(DC)、抗旱指数(DI)、灰色关联系数(ξi(k))、关联度(γi)。

DC=xd/xw

(1)

表1 实验测定指标平均值Table 1 The average value of test indexes

表2 原始数据标准化结果Table 2 The results of standardization of initial data

(2)

(3)

(4)

2 结果与分析

2.1 构建灰色系统

设每个高羊茅品种各指标的平均抗旱指数为参考数列X0，各品种各指标的测定值为比较数列Xi，发芽势(X5)、胚芽长(X2)、活力指数(X8)、贮藏物质转化效率(X11)、发芽指数(X7)、胚根长(X3)、千粒重(X1)、芽干重(X4)、萌发指数(X9)、发芽率(X6)、贮藏物质消耗率(X10)。见表1。

2.2 原始数据无量纲处理

2.3 关联系数及关联度的计算

表3 各品种抗旱指数平均值与测定指标的关联系数及关联度Table 3 The correlation coefficient and correlation degree between the average value of drought resistance index and test index of different varieties

不同品种高羊茅的抗旱性与测定指标的关联度大小顺序是：ξ5>ξ2>ξ8>ξ11>ξ7>ξ3>ξ1>ξ4>ξ9>ξ6>ξ10。

2.4 不同品种高羊茅抗旱性灰色综合评价

对各品种的关联度作归一化处理，计算权重。然后用标准数据乘以权重，再次作归一化处理得到灰色综合评价值G[20]，采用G值大小作为划分抗旱性等级，设当G≥0.2时，为高抗，用A表示；当0.2>G≥0.08时，为抗，用B表示；当G<0.08时，为中抗，用C表示。

采用灰色综合评价值作8个高羊茅品种种子萌发期抗旱性划分标准，抗旱能力的强弱顺序是凤凰>维加斯>易凯>锐步>天霸>新秀>凌志Ⅱ>探索者(表4)。凤凰作为一级抗旱品种，实验观察发现，该品种于200 g/L的PEG-6000溶液渗透处理后第2天开始萌发，芽生长快速、粗壮、鲜绿。

表4 不同品种高羊茅抗旱性灰色综合评价结果Table 4 Grey comprehensive evaluation of drought resistance of different Festuca arundinacea

3 讨论与结论

植物种子抗旱性的研究报道很多，但针对不同植物种子所选取的抗旱评价指标有所区别。王晓荣和周禾[22]在比较不同高羊茅品种生长初期的抗旱性时选取的衡量指标是根重、根长/芽长、根长和电导率。严青等[23]应用发芽势、发芽率、相对发芽率、苗长等4个指标判定梭罗草、青海草地早熟禾、垂穗披碱草等3种草种的抗旱性。段碧华等[24]从植物形态观测和生理生化的角度评价3种冷季型草坪草的6个品种的抗旱性。赵利清等[25]采用发芽率、发芽势、胚根和胚芽长及三叶期幼苗相对电导率、丙二醛和游离脯氨酸含量评价西伯利亚冰草种子的抗旱性。由于评价指标不同，得出不同植物种子抗旱性能不同。从植物形态观测角度评价种子抗旱性具有快速简便的优点，采用生理生化指标判断种子抗旱性比较复杂，二者单独或者联合使用来评价种子抗旱性的准确度有待验证。

抗旱性评价是抗旱栽培的重要环节，不同作物的不同性状对干旱胁迫的响应程度表现不同，难于通过单一性状来评价抗旱性的强弱，利用灰色关联度结合其他方法来定性和定量的描述和分析，大大提高了抗旱性鉴定的准确性和真实性，可为生产应用中抗旱性品种的选择提供理论依据。孙丰磊等[26]以30份棉花资源为材料，同时采用抗旱系数、抗旱指数、灰色关联度分析等方法相结合，对棉花的抗旱性进行综合评价，将30份材料分为4类，结果表明，灰色关联分析和抗旱性度量值分析结果基本一致。吴晓丽等[27]采用灰色关联度分析法对5个紫花苜蓿品种的抗旱性进行综合评价，结果表明，灰色关联度是对一个发展变化的系统进行发展动态量化的分析方法，不同因素(品种、环境等)的变化都会出现不同结果的变化。蔡斌等[28]基于灰色系统关联分析评价6个不同小麦品种的7个性状(根系干重、根系长度、地上部茎叶干重、总生物量、叶面积和SPAD值)的综合描述和量化评估，结果表明，干旱胁迫9 d后，综合性状表现好的品种顺序为：济麦22>烟农19>鲁原502；而复水18 d后，顺序变为：济麦22>鲁原502>烟农19。因此，在生产中选择抗旱性品种时应选择抗旱性强和恢复能力强的品种。张文英等[29]采用灰色关联度分析和聚类分析方法，在玉米的萌发期、苗期、开花期、灌浆期，比较玉米抗旱性与各指标之间的相关性，综合评价不同玉米品种之间的抗旱性差异，为玉米农业生产提供了一定的科学依据。本试验通过采用200 g/L PEG-6000溶液模拟干旱胁迫环境研究8个高羊茅品种的抗旱性，其抗旱性从大到小依次为凤凰、维加斯、易凯、锐步、天霸、新秀、凌志Ⅱ、探索者，与实际观察到的各品种形态特征的表现一致。根据本研究结果，在贵州矿业废弃地植被恢复过程中优先推荐种植的高羊茅品种为凤凰，其次为维加斯。

王晓荣等[22]对不同高羊茅种子也进行过抗旱性研究，但其实验选用的高羊茅品种在市场上逐渐减少。因育种技术和生物技术加快了高羊茅新品种出现，其适应性也得到极大提高，对新品种提前进行抗旱性研究有助于在干旱逆境种植获得成功。但由于抗旱性是由多种因素相互作用而构成的一个较为复杂的综合评价指标，本实验仅是应用灰色系统理论对不同品种高羊茅种子萌发期抗旱性进行评价，可能会导致实验结果存在差别。若要对其抗旱性强弱进行深入研究，还要继续对高羊茅品种各个不同的生长发育期进行全面综合的鉴定、评价和分析，并结合田间实验来辅佐验证。