不同盐碱胁迫对白羊草种子萌发及幼苗生长的影响

陈奕霖，赵 萍，王 勃，毕 铭，阴禹舟，王聪聪，夏方山

（山西农业大学草业学院，山西 太谷 030801）

土壤盐碱化是在全球范围内普遍面临的重要生态问题之一，也是全球可利用土地面积不断减少的主要影响因素，已严重影响世界农牧业生产、区域经济发展和生态恢复［1-2］。 全世界盐碱化土地面积约有9.54×109hm2， 而我国的盐碱化土地面积就约有9.91×107hm2，广泛分布于西北、华北、东北及长江以北的沿海地带［3］。盐碱胁迫成为限制植物生长的重要逆境因子之一［4］，而盐胁迫和碱胁迫在自然界中通常是伴随发生的，盐分以NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3为主， 且碱性盐对植物的危害一般要强于中性盐［5］。 盐碱胁迫往往通过渗透胁迫、 特定离子毒性和营养失衡等途径抑制植物生长发育［6］。 高浓度盐碱胁迫会使植物体缺水，并具有一定的离子毒害，致使植株死亡［7］。 种子萌发及幼苗生长是植物生长发育的关键阶段， 也是植物能否在盐碱环境下生长发育的决定性条件［8］，因此，探究盐碱条件对牧草种子的萌发及幼苗生长的影响对提高盐碱化土地利用效率和培育耐盐碱牧草新品种均具有重要意义。

白羊草（Bothriochloa ischaemum）是禾本科孔颖草属多年生牧草和生态草，具有固土保水、高产耐牧、适口性好等优点，是饲用价值较高的刈牧兼用型禾草［9-10］，因其具有适应性强、易建植、产量高、适口性好及品质高等优点［11］，在退化草地植被恢复、人工草地建设、生态治理等诸多方面具有重要意义［12］，已成为我国北方温带地区暖性草丛及暖性灌草丛草地广泛分布的优良乡土草种［13］。 山西省白羊草草地面积约为1.7×106hm2， 占山西省草地面积的36%以上［14］，是山西省中南部地区主要放牧地和割草场的建群种， 也是山西省发展草地畜牧业的重要自然资源［15］。 该研究通过开展不同盐碱类型及Na+浓度对白羊草种子萌发及其幼苗生长的影响研究， 以期为提高我国盐碱化土地利用效率，扩大白羊草种质资源利用面积，促进我国草牧业高质量发展及推动区域生态文明建设提供参考。

1 材料与方法

1.1 材料来源

供试草种为“太行”白羊草，由山西农业大学草业学院草类植物育种与种子科学实验室于2019 年10 月收集， 于-20 ℃条件下密封保存至2021 年8 月进行试验。

1.2 试验处理

挑选均匀饱满的白羊草种子去除内外稃后，每100 粒放入一个置有双层滤纸的消毒培养皿，并分别加入4 mL Na+浓度为10、30、90、270 mmol/L的NaCl、Na2SO4、NaHCO3和Na2CO3溶液后称 重，以加入4 mL 蒸馏水的处理为对照， 每天称重并添加蒸馏水以保持恒重， 每个处理设4 次重复。在25 ℃恒温光照培养箱中进行发芽试验， 以胚根突破种皮超过种子长度1/2 时作为发芽判定标准，每天统计发芽种子数，末次计数为第12 天，统计正常种苗数，并测定每个培养皿中全部种苗鲜 重［9，14］。

1.3 指标测定

发芽率的测定参照国际种子检验协会的种子检验规程（2020）［16］，发芽指数及幼苗活力指数的计算参照Abdul-Baki 等［17］报道的方法，平均发芽时间参照Ellis 等［18］报道的方法计算，具体计算方法见已发表文献［19］。 胚根长及胚芽长的测定参照朱连发等［20］报道的方法，采用游标卡尺测定每个重复中所有发芽种子幼苗的胚根长和胚芽长，以其平均值表示该重复结果。

1.4 数据处理与统计分析

采用Excel 2010 软件对试验数据进行初步整理，利用SPSS 22.0 统计学软件进行单因素方差分析和双因素方差分析。不同Na+浓度盐碱胁迫下白羊草种子萌发及幼苗生长指标的单因素方差分析及组间多重比较采用Duncan′s 法，P＜0.05 表示差异显著，P>0.05 表示差异不显著。 不同Na+浓度和盐碱胁迫下白羊草种子萌发及幼苗生长特性的双因素方差分析采用一般线性模型法。 试验数据以“平均值±标准误”的形式表示。

2 结果与分析

2.1 盐碱胁迫对白羊草种子发芽率的影响

同种盐碱胁迫下， 白羊草种子发芽率会随着Na+浓度的增加而降低（见表1）。用4 种盐碱溶液对白羊草种子进行处理时， 在相同Na+浓度下，NaCl和Na2SO4胁迫时白羊草种子的发芽率高于Na2CO3和NaHCO3胁迫时。 Na+浓度为10 mmol/L时，4 种盐碱溶液胁迫下白羊草种子发芽率差异不显著（P>0.05）；Na+浓度为30 mmol/L 时，NaCl 胁迫下白羊草种子发芽率显著 （P＜0.05） 高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时，但与Na2SO4胁迫时差异不显著（P>0.05），且Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3胁迫时白羊草种子发芽率差异不显著（P>0.05）；Na+浓度为90、270 mmol/L 时，NaCl、Na2SO4胁迫下白羊草种子发芽率显著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时，此时，Na2CO3、NaHCO3胁迫下白羊草种子发芽率已基本为0。

表1 不同Na+浓度盐碱胁迫下白羊草种子发芽率的变化

2.2 盐碱胁迫对白羊草种子发芽指数的影响

同种盐碱胁迫下， 白羊草种子发芽指数随着Na+浓度的增加而降低（见表2）。 用4 种盐碱溶液对白羊草种子进行处理，总体来看，在相同Na+浓度下，NaCl 和Na2SO4胁迫时白羊草种子的发芽指数高于Na2CO3和NaHCO3胁迫时。 Na+浓度为10、30 mmol/L 时，4 种盐碱胁迫下白羊草种子发芽指数差异不显著（P>0.05）；Na+浓度为90、270 mmol/L时，NaCl、Na2SO4胁迫下白羊草种子发芽指数显著（P＜0.05） 高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时， 此时，Na2CO3、NaHCO3胁迫下白羊草种子发芽指数已基本为0。

表2 不同Na+浓度盐碱胁迫下白羊草种子发芽指数的变化 单位：mmol/L

2.3 盐碱胁迫对白羊草种子平均发芽时间的影响

同种盐碱胁迫下， 白羊草种子平均发芽时间随着Na+浓度的增加呈先降低后增加的趋势（见表3）。用4 种盐碱溶液对白羊草种子进行处理，在相同Na+浓度下，NaCl 和Na2SO4胁迫时白羊草种子的平均发芽时间高于Na2CO3和NaHCO3胁迫时。Na+浓度为10 mmol/L 时，4 种盐碱胁迫下白羊草种子的平均发芽时间均最短， 但不同盐碱胁迫间白羊草种子平均发芽时间差异不显著 （P>0.05）；Na+浓度为30 mmol/L 时，4 种盐碱胁迫下白羊草种子的平均发芽时间差异不显著（P>0.05）；Na+浓度为90 mmol/L 时，Na2CO3胁迫下白羊草种子已不发芽， 其余3 种盐碱胁迫下白羊草种子平均发芽时间差异不显著（P>0.05）；Na+浓度为270 mmol/L 时，Na2CO3、NaHCO3胁 迫 下 白 羊 草 种 子 已 不 发芽，NaCl、Na2SO4胁迫下白羊草种子平均发芽时间差异不显著（P>0.05）。

表3 不同Na+浓度盐碱胁迫下白羊草种子平均发芽时间的变化

2.4 盐碱胁迫对白羊草种子幼苗活力指数的影响

同种盐碱胁迫下， 白羊草种子幼苗活力指数随着Na+浓度的增加而降低（见表4）。 用4 种盐碱溶液对白羊草种子进行处理， 在相同Na+浓度下，NaCl 和Na2SO4胁迫时白羊草种子幼苗活力指数高于Na2CO3和NaHCO3胁迫时。 Na+浓度为10 mmol/L 时，4 种盐碱胁迫下白羊草种子幼苗活力指数差异不显著 （P>0.05）；Na+浓度为30 mmol/L时，NaCl 胁迫下白羊草种子幼苗活力指数显著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时，与Na2SO4胁迫时差异不显著 （P>0.05），Na2SO4胁迫时白羊草种子幼苗活力指数显著（P＜0.05）高于NaHCO3胁迫时，且Na2CO3胁迫时白羊草种子幼苗活力指数与Na2SO4、NaHCO3胁迫时差异均不显著 （P>0.05）；Na+浓度为90、270 mmol/L 时，NaCl、Na2SO4胁迫时白羊草种子幼苗活力指数显著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时。

表4 不同Na+浓度盐碱胁迫下白羊草种子幼苗活力指数的变化 单位：mmol/L

2.5 盐碱胁迫对白羊草胚根长度的影响

同种盐碱胁迫下，白羊草种子胚根长随着Na+浓度的增加而降低（见表5）。 用4 种盐碱溶液对白羊草种子进行处理，在相同Na+浓度下，NaCl 和Na2SO4胁迫时白羊草种子胚根长大于Na2CO3和NaHCO3胁迫时。 Na+浓度为10、30、90 mmol/L 时，NaCl、Na2SO4胁迫时白羊草种子胚根长显著 （P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时；Na+浓度为270 mmol/L 时，NaCl 胁迫下白羊草种子胚根长显著（P＜0.05） 高于Na2SO4胁迫时，Na2SO4胁迫下白羊草种子胚根长显著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时，且白羊草种子胚根长达到最小值。

表5 不同Na+浓度盐碱胁迫下白羊草种子胚根长的变化

2.6 盐碱胁迫对白羊草胚芽长度的影响

同种盐碱胁迫下，白羊草种子胚芽长随着Na+浓度的增加呈先增加后降低的趋势（见表6）。用4种盐碱溶液对白羊草种子进行处理，在相同Na+浓度下，Na2SO4胁迫时白羊草种子胚芽长大于Na-Cl、Na2CO3和NaHCO3胁迫时。 Na+浓度为10、30 mmol/L 时，Na2SO4胁迫下白羊草种子胚芽长显著（P＜0.05）高于Na2CO3胁迫时，与NaCl、NaHCO3胁迫时差异不显著（P>0.05），且NaCl、Na2CO3胁迫下白羊草种子胚芽长差异不显著（P>0.05）；Na+浓度为90、270 mmol/L 时，Na2SO4胁迫下白羊 草种子胚 芽 长 显 著（P＜0.05）高 于NaCl、Na2CO3、NaHCO3胁迫时，同时NaCl 胁迫下白羊草种子胚芽长显著（P＜0.05）高于Na2CO3、NaHCO3胁迫时。

表6 不同Na+浓度盐碱胁迫下白羊草种子胚芽长的变化

2.7 不同Na+浓度及盐碱种类对白羊草种子萌发及幼苗生长的双因素方差分析

双因素方差分析表明（见表7），不同盐碱种类、Na+浓度及两者的交互作用对白羊草种子发芽率、发芽指数、平均发芽时间、胚根长及胚芽长的影响均有极显著（P＜0.01）差异；不同Na+浓度对白羊草种子幼苗活力指数的影响有极显著（P＜0.01）差异， 但不同盐碱种类对白羊草种子幼苗活力指数的影响仅有显著（P＜0.05）差异，而不同盐碱种类与Na+浓度的交互作用对白羊草种子幼苗活力指数的影响无显著（P>0.05）差异。

表7 不同Na+浓度及盐碱种类影响白羊草种子萌发及幼苗生长的双因素分析

3 讨论

盐碱胁迫对种子萌发的影响一般可归结为渗透胁迫和离子胁迫［21］，植物一般通过降低水分含量调节渗透， 以应对盐碱胁迫引起的渗透胁迫，而低水分含量的植物很难通过降低植物体内水分消耗积累的渗透物质， 从而导致对盐碱胁迫的敏感性［22-23］。该试验发现，Na+浓度对白羊草种子发芽率、发芽指数、平均发芽时间、幼苗活力指数、胚芽长及胚根长的影响差异极显著（P＜0.01）。低Na+浓度盐碱胁迫对白羊草种子平均发芽时间、 幼苗活力指数及胚芽长几乎没有影响， 这可能与白羊草有一定耐盐碱性有关，能通过调节水分含量缓解盐碱胁迫引起的渗透胁迫［24］。 然而，高Na+浓度盐碱胁迫下，白羊草的发芽率、发芽指数、幼苗活力指数、胚根长及胚芽长都显著（P＜0.05）降低，这与沙米（Agriophyllum squarrosum）［22］、蒙古冰草（Agriopyronmongolicum）［22］、紫花苜蓿（Medicagosativa）［25］、新疆野豌豆 （Vicia costata）［26］及棉花（Gossypium spp）［27］等种子的研究结果相似。 研究表明，高盐碱胁迫下， 植物体内大量失水， 相对含水量逐渐降低，导致过氧化物酶活性降低，无法有效清除活性氧自由基，生物膜结构和功能遭到破坏，致使细胞内K+和有机溶质外泄， 从而导致电解质外渗率增大［6，28］。此外，植物细胞在高Na+浓度盐碱胁迫下会富集大量Na+， 竞争了作为重要渗透调节组分的K+吸收位点，严重阻碍植株对K+的吸收，从而对种子萌发造成渗透胁迫，降低植物种子活力［24］。

除了Na+浓度对白羊草种子萌发及幼苗活力的影响，不同的盐碱种类对白羊草种子发芽率、发芽指数、平均发芽时间、胚根长及胚芽长也均有极显著（P＜0.01）影响，对白羊草种子幼苗活力指数有显著 （P＜0.05） 影响。 相同Na+浓度下，NaCl、Na2SO4胁迫对白羊草种子发芽率、发芽指数、幼苗活力指数、 胚根长及胚芽长的影响均大于Na2CO3和NaHCO3胁迫， 这表明白羊草种子对中性盐的耐性要高于碱性盐。研究表明，生长在碳酸盐条件下的植物，除了要忍受Na+的胁迫，还要对抗碱性盐高pH 值造成的胁迫［29］。 高pH 值不仅会加重种子的渗透胁迫和离子毒害， 还会在一定程度上破坏植物种胚的细胞膜系统结构［30］。 即使胚根突破种皮后，高pH 值的碱性盐溶液也会直接作用于根细胞， 导致萌发的胚根内有毒有害离子含量急剧增加，从而使植物幼苗难以正常长成［26］。 因此，胚根是盐碱胁迫下白羊草种胚的主要受害位点，相同Na+浓度盐碱胁迫对白羊草胚根长的影响远大于对胚芽长，这与黑果枸杞（Lycium ruthenicum）［31］的研究相似， 这可能是由于胚根与外界环境直接接触，受到的损伤最大。 同时，在相同Na+浓度下，Na2CO3、NaHCO3胁迫下白羊草胚根长显著 （P＜0.05）低于NaCl、Na2SO4胁迫，这可能是高pH 值的盐碱胁迫直接作用于白羊草胚根细胞， 破坏了其正常的结构与功能， 从而对其胚根生长的抑制作用更强［26］。

4 结论

NaCl、Na2SO4、Na2CO3和NaHCO3胁迫均对白羊草种子的萌芽及其幼苗生长具有抑制作用，且不同盐碱种类、Na+浓度及两者的交互作用对白羊草种子发芽率、发芽指数、平均发芽时间、胚根长及胚芽长均存在极显著（P＜0.01）影响，但白羊草种子萌发及幼苗生长可以耐受Na+浓度为10mmol/L 的NaCl、Na2SO4、Na2CO3或NaHCO3胁迫，且其对NaCl 和Na2SO4的耐性要高于对Na2CO3和NaHCO3的耐性。