宁夏银北地区耐盐碱水稻适应性研究

唐玙璠，张 恩，康淑铭，马东海，王 彬，李继明，许 兴

（1.宁夏大学农学院，宁夏 银川 750021；2.青岛海水稻研究发展中心，山东 青岛 266199）

0 引言

【研究意义】土壤盐渍化严重制约农业生产，同时也阻碍区域生态恢复与可持续发展，但盐渍化土壤作为一种资源对于农业发展也有重要作用[1,2]。宁夏盐碱土壤主要集中在银北地区，存在降水少、蒸发量大、地下水位浅等问题，是中国西北部最具代表性的盐碱土之一[3-4]。水稻是盐碱地改良先锋作物，提高水稻耐盐性会增加盐碱地的开发潜力。耐盐碱水稻是指能在盐（碱）度0.3%以上的盐碱地、滩涂上正常生长及结实、并且单产能够达到4.5 t·hm-2以上的水稻品种[5]，是解决粮食安全问题和盐碱地改良利用的新途径[6]。【前人研究进展】盐碱胁迫会降低稻米产量及品质，但是水稻品种间耐盐差异性大，利用品种特性筛选出耐盐品种显得尤为重要。张瑞等[7]通过分析国内120份水稻品种在成熟期盐胁迫下的农艺性状表型差异，筛选出11个耐盐性强的水稻。李旭等[8]通过将93份种质置于0.4%盐胁迫下，分析种质产量构成变化及对应的耐盐指数表现，筛选出5份极强耐盐碱胁迫材料。潘世驹等[9]以123个耐盐粳稻品种（系）为试验材料，以蒸馏水为对照，苗期用150 mmol·L-1NaCl处理，测定其芽长、根长和根数。发现水稻品系13G143具有较强的耐盐性。张所兵等[10]对500份品种旱稻资源用0.3%的NaCl盐溶液进行了苗期筛选，筛选到34份苗期存活率和绿叶率大于50%的材料，再通过0.3%和0.5%的NaCl进行了全生育期耐盐性筛选，通过0.3%的NaCl共筛选到7个品种，而0.5%的NaCl仅筛选到1个品种中的1个存活单株。【本研究切入点】近年来，国内外学者虽然在水稻耐盐碱性鉴定方面开展了大量工作，筛选出一些耐盐碱性较强的优异种质，但多数耐盐碱性评价集中在水稻苗期、芽期和分蘖期，对水稻全生育期耐盐碱适应性的报道较少。水稻在芽期、苗期和分蘖期耐盐碱不能完全代表全生育期的耐盐碱性，并且研究发现在对水稻进行品种选育时最好选择以生产力为衡量标准[11]。【拟解决的关键问题】本试验采用大田筛选的方式，以12份耐盐碱水稻和1份宁夏本地推广的优质粳稻为试验材料，通过观测生育期、测定产量构成因素和品质指标，并采用主成分分析和隶属函数的方法对耐盐碱种质资源适应性进行综合评价，以期筛选出适宜宁夏地区耐盐碱水稻种质，为水稻耐碱盐育种提供优异资源。

1 材料与方法

1.1 试验材料

对照品种宁粳45号为宁夏当地种植面积较广的耐盐碱水稻品种，能在土壤全盐含量≤0.3%、pH≤9的土壤中生长并且水稻亩产量能达到300 kg以上。本研究供试材料及来源见表1。

表1 供试材料名称及来源Table 1 Name and source of test materials

1.2 试验设计

试验于2020年和2021年5-10月在宁夏平罗县绿康林家庭农场试验田进行（平均海拔1 096 m，38°76＇N，106°55＇E）。研究区域属于典型的半干旱大陆性气候，年均气温在-20.5～35.8 ℃，平均气温为9.8 ℃，年降水量为200 mm，年均蒸发量1 875 mm，2020年～2021年种植期间温度变化见图1。试验地块为典型的盐土，土壤基本理化性质见表2，全生育时期土壤全盐含量及pH变化如图2。

表2 供试土壤基本理化性质Table 2 Basic physiochemical properties of tested soil

本试验采用随机区组设计，于2020年和2021年4月26日进行常规旱育苗， 5月28日进行插秧。每个品种种植5 m2，行距为20 cm，株距为10 cm，每个品种重复3次。

1.3 性状调查

1.3.1 生育期测定 全生育期是从育秧日期到成熟期的天数，调查并记录各水稻品种育秧、移栽、最高分蘖期、齐穗期（80%以上植株的穗顶露出叶鞘时）及成熟期（95%以上植株达到成熟时）的日期。

1.3.2 产量及产量构成因素测定 在水稻成熟期每个小区各取5穴用于考种，测定株高、穗长、每穗总粒数、每穗实粒数、单穗粒重、有效穗数和千粒重。

1.3.3 品质性状测定 取放置3月以上的1 kg稻谷测定品质。糙米率、精米率、整精米率、垩白粒率、垩白度和稻谷粒型参照中华人民共和国国家标准《GB/T 17891—1999优质稻谷》测定[12]。精米率采用称重法测定，精米蛋白质含量和精米直链淀粉含量分别采用凯氏定氮法[13]和碘比色法测定[14]。

1.4 数据统计分析

采用Excel 2020进行试验数据的整理，对两年各指标的平均值进行统计分析。利用SPSS 22对相关性状指标进行单因素方差分析（ANOVA）、相关分析及主成分分析。通过隶属函数法对各品种进行耐盐碱适应性的综合评价，并按以下公式进行计算[15,16]

式中，μ(Xj)表示第j个综合指标的隶属函数值，Xj表示第j个综合指标值，Xmax表示第j个综合指标的最大值，Xmin表示第j个综合指标的最小值。

式中，Wj表示第j个综合指标在所有综合指标中权重，Pj为品种第j个综合指标的贡献率。

式中，D表示各品种耐盐碱能力的综合评价值。

2 结果与分析

2.1 供试水稻生育时期

供试的13个耐盐碱水稻两年间生育时期存在显著差异。由表3可知两年13份供试水稻全生育期变化范围均在133～154 d，在2020年港源11、辽粳828、新稻28、金糯6号、新策粳1号、海粳20香生育期最长为154 d，2020810生育期最短为133 d，对照品种（宁粳45号）生育期为147 d。在2021年生育期最长为新稻28，生育期最短为2020810，这与2020年相同，对照品种生育期为146 d。进一步从关键生育时期来看，在移栽时间相同情况下，2020年松粳9号最先进入始穗期，为7月18日，金糯6号最晚进入始穗期，为8月11日，进入齐穗期最早的品种松粳9号，为7月21日，金糯6号最晚进入齐穗期，为8月14日。2021年与2020年表现相同，均为松粳9号最先进入始穗期和齐穗期，时间分别为7月19日和7月22日，金糯6号最晚进入始穗期和齐穗期，时间分别为8月12和8月14日。从生育期来看供试品种均适合在宁夏银北地区种植。

表3 供试13份水稻品种生育期Table 3 Growth periods of 13 rice varieties

2.2 产量构成因素及产量

供试的13个耐盐碱水稻两年间在产量构成因素上均表现显著差异（表4）。在2020年，有效穗数宁粳45号（CK）最多为681.0×104穗·hm-2，2020801有效穗数最少，为295.5×104穗·hm-2，两者差异显著；每穗总粒数、实粒数和单穗粒重均为品种黑006最多，分别为165.4粒、141粒和3.06g；海粳20香每穗总粒数、实粒数均最小分别为74.8粒、64粒，新稻28单穗粒重最轻，为1.51 g；千粒重的范围在20.2～25.6 g，其中吉粳88千粒重最轻，为20.2 g，金糯6号最高，为25.6 g；结实率以辽粳828结实率最高，为86.8%，松粳9号结实率最低，为79.6%；株高范围在82.2 ～107.2 cm，其中2020801株高最高，为107.2 cm，新稻28最矮，为82.2 cm；产量范围在 6.82 t·hm-2～9.81 t·hm-2，其中 2020801 产量最高，为 9.81 t·hm-2，海粳 20 香最低，为 6.82 t·hm-2。12个供试品种中有两个品种表现为产量显著高于宁粳45号（CK），为2020801和黑006，较宁粳45号产量增幅分别为6.02%和4.57%。

表4 2020-2021年供试材料产量构成因素Table 4 Production components of participating materials from 2020 to 2021

在2021年，有效穗数依旧宁粳45号（CK）最多，为615.0×104穗·hm-2，吉粳88有效穗数最少，为391.5×104穗·hm-2；每穗总粒数、实粒数和单穗粒重均为品种黑006最多，分别为161.3粒、137.0粒和3.11 g，这与2020年表现一致；海粳20香的每穗总粒数、实粒数和单穗粒重均最小，分别为73.8粒、65.3粒和1.60 g；千粒重的范围在21.1 g～25.3 g，其中港源11千粒重最轻，为21.1 g，2020801最高，为25.3 g；结实率以辽粳828和海粳20香最高，均为88.5%，2020810结实率最低，为78.6%；株高范围在84.6 cm～109.0 cm，其中2020810株高最高，为109 cm，新稻28最矮，为84.6 cm；产量范围在 6.87 t·hm-2～9.49 t·hm-2，其中 2020801 产量最高，为 9.49 t·hm-2，海粳 20 香最低，为 6.87 t·hm-2。与2020年试验结果相同，2020801和黑006产量显著高于宁粳45号，较宁粳45号产量增幅分别为12.6%和0.62%。通过两年指标可以看出，2020801在产量指标中表现最好，其原因是因为2020801的单穗总粒数和千粒重较高。

2.3 品质指标

供试的13个耐盐碱水稻在品质上表现出显著差异（表5）。在2020年，垩白粒率的范围在1.6%～34%，松粳12号垩白粒率最低，为1.6%，海粳20香最高，为34%；垩白度金糯6号最高，为18.16%，松粳9号最低，为0.66%；新策粳1号长宽比最大，为2.31，20200801最小，为 1.50；松粳 12号糙米率、精米率、整精米率均最高，分别为87.98%、78.90%、69.84，新策粳1号糙米率、精米率、整精米率最低，分别为61.08%、52.06%和43.56%；黑006直链淀粉含量最高，为18.68%，海粳20香直链淀粉含量最低，为11.34%；蛋白质含量范围在6.50%～8.74%，松粳9号蛋白质含量最高，为8.74%，宁粳45号（CK）蛋白质含量最低，为6.50%。

表5 2020-2021年供试材料品质指标Table 5 Quality indicators of tested materials from 2020 to 2021

在2021年，垩白粒率的范围在2.60%～31.50%，新稻28垩白粒率最低，为2.6%，海粳20香最高，为31.5%；垩白度金糯6号最高，为17.86%，新稻28最低，为0.81%，新策粳1号长宽比最大，为2.31，20200801最小，为1.60；辽粳828出糙率最高，为86.69%，新策粳1号最低，为63.08%；2020801精米率最高，为77.81%，新策粳1号最低，为54.33%；整精米率辽粳828最高，为68.35%，新策粳1号最低，为45.78%；直链淀粉含量范围在12.34%～18.80%，黑006直链淀粉含量最大，为18.80，海粳20香含量最少，为12.34%；蛋白质含量松粳9号蛋白质含量最高，为8.85%，宁粳45号（CK）蛋白质含量最低，为6.73%。通过两年的数据对比发现12个供试品种表现稳定，但通过品质数据未能直观的筛选出最优品种，需要对其进行综合分析。

2.4 相关性分析

本研究采用皮尔森相关系数分析盐碱胁迫下17个性状的相关性，结果如表6所示，性状间存在不同程度的相关性。其中产量指标中，穗长与产量呈极显著相关（P＜0.01）；有效穗数与每穗总粒数和每穗实粒数呈极显著负相关，与单穗粒重呈显著负相关（P＜0.05）；每穗总粒数与每穗实粒、每穗粒重呈极显著相关，而每穗实粒与每穗粒重、产量呈极显著正相关；结实率与蛋白质含量呈极显著负相关。

表6 供试材料的17个性状耐盐碱系数的相关分析Table 6 Correlation on salt-tolerance coefficients on 17 traits of rice varieties

在品质指标中，垩白粒率与垩白度呈极显著正相关，与直链淀粉含量呈极显著负相关；垩白度与直链淀粉含量呈显著负相关；粒型与精米率和蛋白质含量呈显著负相关；出糙率与精米率和整精米率呈极显著正相关，相关系数达0.96；精米率与整精米率呈极显著正相关，相关系数达0.98。

2.5 供试品种产量和品质性状指标主成分析

主成分累计贡献率大于90%即可认为信息具有充分代表性，由表7可知，前5个主成分的累计贡献率为90.04%，代表了17个性状90.04%的变异信息，因此，提取了5个主成分，将原有的17个产量和品质性状标转换为5个新的相互独立的综合指标。主成分1的方差贡献率为27.91%，该主成分以稻米品质密切相关的每穗总粒数（0.85）、每穗实粒数（0.82）、单穗粒重（0.80）载荷较高，将该主成分称为产量构成因子；主成分2的方差贡献率为23.23%，其中整精米率（0.93）、精米率（0.92）、出糙率（0.88）的载荷较高，可称为加工品质因子；主成分3的方差贡献率为18.79%，以垩白度（0.86）和垩白粒率（0.82）的载荷较高，称为外观品质因子；主成分4的方差贡献率为11.24%，以株高（-0.80）的负载荷较大，称为株高因子；主成分5方差贡献率为8.85%，以有效穗数（0.52）和穗长（0.51）和具有较大的载荷，故称为有效穗因子。

表7 前5个主成分的特征向量、特征值、方差贡献率及累积方差贡献率Table 7 Feature vector, eigenvalue, variance contribution rate,and cumulative variance contribution rate of top 5 principal components

2.6 供试材料适应性综合评价

表8可知，13个供试材料平均D值为0.49，分布区间在0.26～0.74，对照品种宁粳45号的D值为0.60，排名第4位。黑006、2020801、松粳12号的D值大于对照品种（宁粳45号），D值分别为0.74、0.66、0.62，以上3种材料可以作为耐盐碱种质资源使用。

表8 13个供试材料的权重、隶属函数值、D值及耐盐碱性排序Table 8 Weight, membership function value, D value, and saltresistance ranking of 13 rice varieties

3 讨论

水稻生育期主要由品种自身特性决定，还受到水肥、光照、温度、辐射及降水等外部环境因素的影响[17]。本试验研究表明12份供试水稻在两年间全生育期变化范围均在133～154 d，港源11、辽粳828、新稻28、金糯6号、新策粳1号、海粳20香生育期最长为154 d，2020810生育期最短为133 d，对照品种（宁粳45号）生育期为147 d。从生育期来看供试品种均适合在宁夏银北地区种植。两年间生育期内土壤全盐含量范围在 0.89 g·kg-1～1.59 g·kg-1，pH范围在7.92～8.11，在这样的土壤条件下，供试水稻均正常成熟，并且产量在4.5 t·hm-2以上，说明12个供试品种具有一定的耐盐碱性。植物选育的基本依据是环境作用下产量的稳定性，Richards研究表明，由于盐碱土的异质性，在选育品种时最好选择以生产力为衡量标准[11]。李旭等研究发现，盐碱胁迫下水稻穗粒数与产量耐盐指数的相关性最为显著[8]。罗成科等研究指出，在盐碱胁迫下水稻成熟期结实率、单株穗重和产量存在明显基因型差异，因此结实率、单株穗重和产量可作为评价水稻耐盐强弱重要指标[18]。本试验研究表明，2020年～2021年2020801和黑006的产量均高于宁粳45号（CK），2020年较宁粳45号产量增幅分别为6.02%和4.57%，2021年较宁粳45号产量增幅分别为12.6%和0.62%。通过两年指标可以看出，2020801在产量指标中表现最好，可能是由于盐碱胁迫对其实粒数和千粒重影响较小，说明2020801具有较强的耐盐碱性。大量研究表明水稻受盐分高低影响较大，且不同品种表现存在差异，在盐分含量较低情况下，相对耐盐的品种品质受影响较小或有所提升，而耐盐性差的品种品质则下降，随着盐分的增加水稻品质逐渐降低[19]。盐碱胁迫可降低水稻的整精米率、精米率、出糙率并且还影响水稻的灌浆进程，导致淀粉体的充实不良垩白粒率升高，且土壤盐碱度越高垩白粒率越大，最终导致籽粒的外观品质下降[20]。本试验研究表明，12个供试品种品质性状表现稳定，两年间垩白粒率和垩白度分别为海粳20香和金糯6号最高，糙米率、精米率和整精米率均为新策粳1号最低，这可能是由于品种的耐盐碱性较差，使得加工品质和外观品质下降。

由于水稻的产量及品质性状是多个指标构成，因此对各品种进行综合评价是很有必要的。主成分分析可以将较多重叠性单项指标转换成新的彼此独立且个数较少的综合指标，来解释原有指标里所包含的信息，主成分分析综合评价全面客观、结果可靠[21]。布哈丽且木·阿不力孜利用主成分分析和综合评价的方法筛选出适宜新疆稻区种植的优质丰产水稻品种[22]。李逸等以17份水稻品种为研究对象，利用主成分分析法将盐碱胁迫下10个单项指标转化为3个彼此独立的综合指标，累计方差贡献率达85.44%。通过对隶属函数值及权重进行计算综合耐盐碱值（D值），依据D值判断松粳12为强耐盐碱种质资源[23]。本研究通过主成分分析将17个性状5个相互独立的新指标，可代表了原有信息的90.04%。结合隶属函数对13个供试品种进行综合评价，利用D值将其排名，13个供试水稻平均D值为0.49，分布区间在0.26～0.74。排名前三的品种为黑006、2020801、松粳12号其D值分别为0.74、0.66、0.62，数值均大于对照品种（宁粳45号）。

4 结论

供试12个耐盐碱水稻品种在宁夏银北地区生育期适宜。通过对产量及构成因素的测定，发现2020801和黑006产量显著高于宁粳45号，较宁粳45号产量增幅分别为12.6%和0.62%，利用相关性分析、主成分分析及隶属函数分析方法对各供试材料进行耐盐碱适应性综合评价，其中黑006表现最好，其次为2020801和松粳12号，表明黑006、2020801和松粳12号可在银北地区作为耐盐碱种质资源进行种植。