氯盐品种及其浓度对西瓜生长与根系活力的影响

柳 雪，王西娜，李雪芳，郝雯悦，霍庆柱，谭军利

（1.宁夏大学 农学院，宁夏 银川 750021；2.宁夏大学 土木与水利工程学院，宁夏 银川 750021）

氯是植物生长必需的微量元素之一，在植物生长过程中必不可少[1]。大多数植物可以从降水及灌溉水中获得足够数量的氯，因此，生产中一般不需额外施用氯肥。西瓜（Citullus lanatus）是宁夏的主要经济作物之一，由于当地干旱少雨，农民长期采用含氯30 mmol/L 左右的地下微咸水进行补灌。在一定年限内，微咸水补灌有效缓解了西瓜干旱缺水的状况，促进其生长，但长期灌溉会导致Cl-在土壤中大量累积，这必然影响忌氯作物西瓜的生长。因此，阐明氯对西瓜生长抑制的机制对于安全利用含氯微咸水具有重要意义。

根系对养分吸收利用意义重大，根系活力决定根系对养分的同化能力[2]，适量的氯能够增加作物根系活力[3-4]，进而增强根系与养分离子的亲和力，促进根系对养分离子的吸收，还有益于根细胞分裂，增加干物质质量及氮素利用效率[5]。但当Cl-在植物中积累过多时则会对其生长产生不利影响[6]，原因是过量的氯会抑制根系对养分的吸收[7]，还会致使脂膜过氧化程度增加，通过造成Cl-毒害及养分离子的不平衡或缺乏来阻碍植物的正常生长[8-9]。

植物的生长状况是评价其抗逆性的最直观因素[10]。研究表明，玫瑰以NaCl 处理后植株正常生长代谢受到破坏，植株体内营养元素缺乏，生物量和干物质累积受到抑制，根冠比、根系活力和钾含量下降[11]；白菜幼苗以中、高浓度氯处理后其生物量和根系活力以及N、P、K 在作物体内累积均显著降低[12]。郑青松等[13]通过不同浓度外源氯处理番茄幼苗的研究发现，100 mmol/L 以下外源氯处理会促进生物量的累积，明显提高作物对P、K 的吸收量及氮素利用效率，200 mmol/L 以上外源氯处理幼苗干物质累积量极显著下降。Cl-处理能显著提高植株体内Cl-含量，而高浓度Cl-通过限制NO3-向地上部的转运以及Cl-在地上部液泡中占用NO3-的储存空间而减少硝酸盐含量，降低氮素利用效率[14-16]。同时，作物体内Cl-含量的增加会造成氧化损失，导致丙二醛（MDA）含量增加[17-19]。也有研究发现，山核桃中MDA 含量随NaCl 浓度的升高而升高，但在胁迫后期随着时间的增加MDA 含量呈降低趋势[20]。目前，大多研究都专注于氯浓度对作物生长发育的影响，而对与氯共同进入生长环境的伴随阳离子关注较少。因此，通过盆栽试验，研究不同品种氯盐及其浓度对西瓜（Citullus lanatus）根系生长和活力的影响，探索外源氯对西瓜生长影响的生理机制及影响因素，为阐明西瓜氯毒害机制提供理论依据。

1 材料和方法

1.1 材料

供试西瓜品种为金城5 号，采用宁夏当地普遍使用的南瓜砧木（金城雪峰）嫁接苗进行试验。

1.2 试验设计

盆栽试验于2021 年4－6 月在宁夏大学农科实训基地日光温室中进行。以NaCl、NH4Cl、CaCl2、KCl为供试氯源，每个氯盐品种设置低氯（0 mmol/L）、中氯（80 mmol/L）、高氯（160 mmol/L）3 个浓度水平，共9 个处理，每处理重复6 次，共54 盆，每盆3株。试验盆钵直径18 cm、高12 cm。栽培基质配比为V（石英砂）∶V（蛭石）=2∶1。营养液采用霍格兰营养液，每隔2 d 浇灌一次，用0.5 mol/L H2SO4调节使pH值维持在6.0～6.5。

为防止高浓度盐刺激，营养液的氯浓度处理采用逐渐递增的方式，即从20 mmol/L 开始，每次增加20 mmol/L，每2 d 增加1 次，当所有处理达到设定浓度时，继续培养7 d，然后进行第1次样品采集，此后每隔7 d取1次样，共取5次。

1.3 测定指标与方法

生物量：将西瓜植株采集洗净之后，迅速吸干外部水分，称鲜质量，然后在105 ℃杀青30 min，最后调节到75 ℃烘干，称量干质量；采用硫代巴比妥酸法[21]测定MDA 含量；采用TTC 还原法[21]测定根系活力；采用水杨酸法[21]测定NO3-含量；采用莫尔法[22]测定Cl-含量。

1.4 数据处理

利用Excel 2010和DPS 进行数据处理及统计分析，Origin 2019作图。

2 结果与分析

2.1 不同氯盐品种及其浓度对西瓜生物量及根冠比的影响

氯盐品种及其浓度对西瓜地上和地下部鲜质量的交互效应和单独效应均达到显著水平，对地上部、地下部干质量累积和根冠比的交互效应不显著（表1）。氯浓度极显著影响西瓜生物量和根冠比，中、高浓度NaCl 处理时，地上和地下部鲜质量与不施氯对照相比分别显著降低57.78%和44.73%、72.13%和67.38%，干质量分别比对照显著降低36.73%和27.54%、66.81%和34.78%，高氯浓度下根冠比显著增加100%；NH4Cl处理时，中、高氯处理比对照地上和地下部鲜质量显著降低46.19% 和39.25%、57.28%和49.35%，根系干质量显著降低53.62%、56.52%，高氯处理地上部干质量显著降低50.88%，中氯处理的根冠比显著降低33.33%；CaCl2处理时，中、高氯处理的地上和地下部鲜质量分别比对照降低55.30%和34.05%、70.81%和64.65%，高氯处理的地上部干质量较对照显著降低42.70%，不同浓度氯处理对根系干质量累积和根冠比不存在显著影响；与对照相比，中、高浓度KCl 处理可显著降低地上和地下部鲜质量41.39%和31.31%、66.34%和61.04%，中浓度KCl显著降低根系干质量30.43%，高浓度KCl 显著降低地上部干质量37.83%，中高氯处理均不会对根冠比造成显著影响。可见，中、高浓度外源氯处理会对西瓜幼苗产生毒害，降低其生物量累积，增加根冠比。氯盐品种极显著影响根冠比、鲜质量和地下部干质量累积。氯浓度在80 mmol/L 时，各氯源处理的地下部鲜质量和地上部干质量均未表现出显著差异，KCl处理的地上部鲜质量较NaCl 处理显著提高38.82%，CaCl2处理的地下部干质量比NaCl、NH4Cl、KCl 处理显著提高36.00%、112.50%、41.67%，NaCl和CaCl2处理的根冠比较NH4Cl 处理均显著增加80.00%，较KCl 处理均显著增加38.46%；氯浓度在160 mmol/L 时，KCl 处理的地上和地下部鲜质量显著高于NaCl 处理20.79%和19.47%，其他处理间无差异，CaCl2和KCl 处理时，地上部、地下部干质量较NaCl 处理显著增加72.67%和87.33%、37.78%和35.56%，NaCl 处理的根冠比较NH4Cl 处理显著增加114.29%，其他氯盐处理间不存在显著差异。表明CaCl2和KCl 作为氯盐处理时西瓜生物量比NaCl 和NH4Cl处理的大，其对西瓜生长的氯毒害作用较小。

表1 不同氯盐品种及其浓度对西瓜生物量和根冠比的影响Tab.1 Effects of chloride varieties and concentration on biomass and root/shoot of watermelon

2.2 不同氯盐品种及其浓度对西瓜植株根系活力的影响

如图1 所示，氯盐品种及其浓度对西瓜根系活力影响的单独效应和交互作用均达极显著水平。不同氯盐品种对西瓜根系活力的影响不同，氯浓度在80 mmol/L 时，CaCl2处理的根系活力比NaCl、NH4Cl、KCl 处 理 分 别 增 加104.17%、48.48%、41.18%，且与NaCl 处理间的差异达显著水平；氯浓度在160 mmol/L 时，西瓜根系活力亦以CaCl2处理最高，与NH4Cl 处理无显著差异，但比NaCl、KCl 处理显著增加71.43%、188.00%。相同氯盐处理下不同的Cl-浓度也会影响西瓜的根系活力。与对照相比，中、高浓度NaCl 处理时，根系活力显著降低63.07%、35.38%；NH4Cl和CaCl2处理时，中氯处理显著降低49.23%和24.62%，高氯处理的根系活力比对照有所增加但均未达到显著水平；KCl 处理时，中、高氯处理比对照根系活力显著降低47.69%和61.54%。可见，添加NaCl和KCl、中浓度的NH4Cl和CaCl2均会显著降低西瓜根系活力，而高浓度NH4Cl和CaCl2则对根系活力无显著影响，同一Cl-水平下CaCl2为氯源时西瓜根系活力均高于其他氯源处理。

图1 不同氯盐品种及其浓度对西瓜根系活力的影响Fig.1 Effects of chlorine source varieties and concentration on watermelon root activity

2.3 不同氯盐品种及其浓度对西瓜植株根系MDA含量的影响

根系中MDA 是活性氧对作物细胞造成破坏形成的细胞脂质过氧化产物，具有细胞毒性，其含量可以代表植物遭受逆境伤害的程度[23]。从图2 可知，氯盐品种及其浓度对根系MDA含量影响的单独效应均达到极显著水平，交互效应达显著水平。从品种来看，氯浓度在80 mmol/L 时，CaCl2处理根系MDA 含量最低，比NaCl 处理显著降低35.06%，比NH4Cl 和KCl 处理降低7.41%和19.35%，但不存在显著差异；氯浓度在160 mmol/L 时，NaCl 处理根系MDA 含 量 比NH4Cl、CaCl2、KCl 处 理 显 著 增 加58.82%、63.63%、66.15%。从浓度来看，高浓度NaCl 处理较不施氯对照增加了根系MDA 含量，增幅达18.68%；NH4Cl、CaCl2、KCl 为氯源时，中浓度和高浓度氯处理导致根系MDA 含量分别比对照显著降低40.66%和25.27%、45.05%和27.47%、31.87%和28.57%。可见，NH4Cl、CaCl2和KCl处理有利于降低MDA 含量，缓解细胞膜的损害，而高浓度NaCl 则会增加MDA含量，增加对细胞膜的损害程度。但对所有氯盐而言，氯浓度过高均表现出增加MDA含量的趋势。

图2 不同氯盐品种及其浓度对西瓜根系MDA含量的影响Fig.2 Effects of chlorine source varieties and concentration on malondialdehyde content in watermelon roots

2.4 不同氯盐品种及其浓度对西瓜植株根系Cl-含量的影响

通过双因素方差分析可以看出，氯盐品种及其浓度对西瓜根系Cl-含量的单独效应分别达到显著和极显著水平，而交互效应不显著（图3）。相同浓度时，各氯盐品种之间对根系Cl-含量无显著影响，但不同浓度之间的差异较为显著。与对照相比，中、高浓度NaCl 处理的根系Cl-含量分别增加0.74倍 和1.24 倍，NH4Cl 处 理 增 加1.34 倍 和1.86 倍，CaCl2处理增加0.71 倍和1.29 倍，KCl 处理增加0.84倍和1.43倍。可见，添加外源氯会增加西瓜根系Cl-含量，且随浓度增加而增加，与其他氯盐相比，NH4Cl处理增加幅度最大，NH4+对Cl-吸收具有促进作用。

图3 不同氯盐品种及其浓度对西瓜根系Cl-含量的影响Fig.3 Effects of chlorine source varieties and concentration on Cl-content in watermelon roots

2.5 不同氯盐品种及其浓度对西瓜植株根系NO3-含量的影响

NO3-与Cl-因都带负电荷而具有相互抑制的作用。图4 显示，氯盐品种及其浓度对西瓜NO3-含量的影响具有极显著的交互作用，且氯盐品种对NO3-含量的影响达到极显著水平，而浓度的影响不显著。氯浓度在80 mmol/L 时，各氯源处理间NO3-含量无差异。氯浓度在160 mmol/L 时，KCl 处理的根系NO3-含量比NaCl 处理显著降低21.31%，比NH4Cl和CaCl2处理分别降低11.00%、6.62%，但差异不显著。在以NaCl、NH4Cl、CaCl2为氯源时，根系NO3-含量表现为随Cl-浓度的增加呈先降后升的趋势；而KCl 处理表现为随Cl-浓度的增加呈降低的趋势。与对照相比，各氯盐品种中浓度和高浓度处理的根系NO3-含量均显著降低，NaCl、NH4Cl、CaCl2、KCl 处理分别降低44.16%和35.96%、44.16%和43.40%、47.95%和45.98%、44.92%和49.62%。说明外源氯会显著降低根系NO3-浓度，降低幅度为KCl＞CaCl2＞NH4Cl＞NaCl。

图4 不同氯盐品种及其浓度对西瓜根系NO3-含量的影响Fig.4 Effects of chlorine source varieties and concentration on NO3-content in watermelon roots

2.6 不同氯盐品种及其浓度下西瓜植株生长及根系指标的相关分析

由图5 可知，植株鲜质量和干质量与Cl-含量呈显著负相关，与NO3-含量呈正相关，即随Cl-含量增加生物量累积均降低，随NO3-含量增加鲜质量和干质量累积量增加；根系活力随NO3-含量增加呈增加趋势；Cl-含量与NO3-含量具有负相关关系，随Cl-含量增加NO3-含量降低。

图5 西瓜植株生长及根系指标的相关性分析Fig.5 Correlation analysis of watermelon growth and root indexes

3 结论与讨论

3.1 不同氯盐浓度对西瓜根系活力的影响

氯作为植物的必需营养元素，具有特定的生理生化作用，参与作物生长发育，许多植物的含氯量高于其他微量元素[24]。一般认为，当氯浓度低于0.03～0.17 mmol/L 时植物会出现缺氯症状，叶片减少和枯萎，随后黄化直至死亡；根系发育不良，侧根生长受到抑制[25]。氯敏感植物Cl-的毒性阈值为4～7 mg/g，当Cl-含量过高时，对植物造成毒害，随氯胁迫时间的延长，造成能量过多损失，根系受到损伤，根系活力下降，作物生长减缓或滞停[26]。本研究发现，添加中高浓度外源氯会显著增加西瓜根系Cl-含量，降低西瓜根系活力；另外，中高浓度氯也会降低西瓜的NO3-含量，这可能是因为Cl-和NO3-具有相似的物理性质与转运机制[27]，导致根系中NO3-与高含量的Cl-产生了竞争性抑制[28-29]，同时，随着根系活力的降低，根系与养分离子的亲和力减弱。可见，根系对Cl-的吸收和累积不利于高等植物体内NO3-的积累，这可能是造成外源氯抑制根系鲜质量与干质量累积的原因之一。MDA 是脂质氧化的最终产物，间接反映植物膜系统的损伤程度，其在植物体内的含量是判断植物衰老及脂膜氧化程度的重要指标[30-31]。本研究结果表明，外源氯会降低根系MDA含量，而浓度过高时则会表现出增高趋势，这与王小媚等[32]在番木瓜上的研究结果一致。此次研究还发现，中高浓度氯处理的根冠比基本上高于不施氯，这种分配模式有助于植物根系在逆境中增加对水分和养分的获取，增强根茎的生长能力，也稀释了细胞内的盐分，从而加强植物的抗胁迫能力[33]。

3.2 不同氯盐品种对西瓜根系活力的影响

非盐生植物的耐盐性主要取决于根系限制对Na+的吸收，维持低水平的Na+/K+值[34-35]，施加外源NaCl会增加Na+含量，导致离子稳态失衡，同时高浓度Na+对Ca2+吸收具有拮抗效应且会降低Ca2+的离子活度，Na+置换膜系统结合的Ca2+（Ca2+是植物细胞膜的构成成分，有利于维持细胞壁和质膜的完整性）[36]，使细胞膜透性加大，细胞膜受到损害。本研究结果发现，NaCl 处理会导致细胞氧化加重，根系MDA 含量增加，而NH4Cl、CaCl2和KCl 等氯源处理有利于降低MDA 含量，缓解细胞膜的损害，各氯源处理均会显著增加根系中Cl-含量，降低根系NO3-含量，且NH4+促进Cl-吸收，KCl 降低NO3-含量幅度最大；K+是作物必需的微量营养元素之一，参与植物渗透调节、蛋白质合成及同化产物转运等生理生化过程[37]，KCl 处理会大幅度降低NO3-含量，可能与NO3-在根部被还原为NH4+，参与根系干物质合成有关[38]，因此，高浓度KCl处理会使西瓜保持较高的生物量累积。由于Cl-的毒害作用，添加NaCl和NH4Cl均会显著降低西瓜根系活力与干物质，而Ca2+作为植物细胞内传递逆境信号的第二信使，可与膜磷脂上的极性头部相连接，发生交联作用，从而使脂膜上的蛋白质与磷脂紧密结合，有防止膜损伤，稳定细胞膜结构，维持细胞膜完整性的作用[39]，能提高保护系统活性，抵抗植物的多种环境胁迫[40]，因此施加CaCl2对根系活力与干物质无显著影响。可见，伴随阳离子不同，Cl-对西瓜根系活力和生长生理的影响程度不同，相关机制还需进一步研究。

综上，施加外源氯会显著影响西瓜根系生长。随外源Cl-浓度增加，西瓜根系NO3-含量、MDA 含量、根系活力呈先降低后增加的趋势。外源氯降低根系MDA含量，增加西瓜根冠比，增强了根系生长，但因带负电荷降低NO3-含量，增加Cl-含量，对根系生长造成毒害，西瓜根系活力降低，根系与养分离子的亲和力降低，生物量降低。相同氯浓度处理下，各氯盐处理显著降低NO3-含量，增加根系Cl-含量，造成离子毒害，NaCl 处理中MDA 含量增加，加重细胞膜的损害，NH4Cl 处理中NH4+会促进根系对Cl-的吸收，氯毒害作用加强，CaCl2处理中Ca2+可维持细胞膜完整性，抵抗外界胁迫，KCl处理中K+参与植物渗透调节和蛋白质合成，一定程度缓解了氯毒害。因此，以CaCl2和KCl作氯盐处理对西瓜根系生长的毒害作用小于NaCl和NH4Cl处理。