草原毒害草—黃花棘豆種子萌發(fā)的影響因素探討

陳 超， 丁 丹， 王慶海， 武菊英*， 莫重輝

(1.北京草業(yè)與環(huán)境研究發(fā)展中心， 北京 100097； 2.青海大學農(nóng)牧學院， 青海 西寧 810016)

黃花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge)為豆科多年生草本植物，是我國西部草場危害最為嚴重的毒害草之一，具有很強的抗旱、抗寒、耐鹽堿能力且繁殖能力強[1]。同時，黃花棘豆所具有的化感作用可改變土壤中微生物比例，從而抑制周圍植物的生長并建立有利于自身群落的土壤微環(huán)境[2]，增強自身的競爭力，形成以毒草為優(yōu)勢種的劣質(zhì)草場，降低草地的利用率。其次，黃花棘豆中所含的生物堿會對反芻動物瘤胃中的微生物群落產(chǎn)生毒害作用[3]，降低消化酶活性[4-5]。動物采食后會降低自身的消化率并呈現(xiàn)慢性的體內(nèi)積累中毒[6-7]，給畜牧業(yè)帶來損失。目前，針對黃花棘豆在天然草場中的危害狀況已經(jīng)開展了防除方面的研究，其中化學防除是較為常見的防治措施，例如噴施邁士通[8-9]。但是，此方法通常很難將黃花棘豆從草場上徹底清除[10-14]。原因可能是此類方法主要針對于黃花棘豆植株，而對散落在土壤中的種子影響較小。黃花棘豆主要依靠種子進行擴繁，實生苗生長第2年即可開花結(jié)實。因此，針對黃花棘豆滅除后的復發(fā)現(xiàn)象，開展黃花棘豆種子的萌發(fā)特征和影響因素的研究對于了解黃花棘豆種群的重建和草地群落動態(tài)具有重要意義。

對于黃花棘豆種子的研究，主要集中在種子化學成份分析[15]、種子休眠的破除方法[16-19](如砂紙摩擦、濃硫酸酸蝕、熱水浸種等)及光照和恒定溫度等因素對種子萌發(fā)率的影響[20]，關(guān)于變溫和發(fā)芽前種子貯存狀況對黃花棘豆種子萌發(fā)率的影響還少見報道。變溫條件下種子的萌發(fā)狀況更接近自然狀態(tài)，特別是在高寒地區(qū)，在黃花棘豆的自然分布區(qū)，例如青海和西藏等地，年均溫較低、晝夜溫差大而降水相對充足。因此，本研究主要探討了不同溫度條件及發(fā)芽前處理(低溫處理和冷水浸種)對黃花棘豆種子萌發(fā)的影響，以了解黃花棘豆種子的萌發(fā)特性。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試種子：黃花棘豆種子于2015年9月采自青海省門源縣皇城鄉(xiāng)天然放牧草地，自然晾干后挑選籽粒飽滿的種子保存于通風干燥處以備用。

1.2 試驗方法

1.2.1千粒重測定 從凈種子中隨機抽取500粒種子，重復3次，用電子天平稱重，求平均值，再轉(zhuǎn)換成1 000粒種子的平均重量[21]。經(jīng)測定，黃花棘豆種子千粒重為1.38± 0.01 g。

1.2.2試驗處理 試驗設(shè)有以下3個前期處理：(1)低溫處理：將黃花棘豆種子置4℃冰箱中低溫保存7 d；(2)冷水浸種試驗：將黃花棘豆種子置于 4℃蒸餾水中浸泡24 h；(3)未經(jīng)任何處理的種子作為對照組。試驗組和對照組均設(shè)5個重復，每個重復50粒種子。將上述3種方法處理后的種子，分別放入鋪有2層濾紙的直徑為12 cm的培養(yǎng)皿，設(shè)置8個不同溫度處理(10℃，10℃/5℃，15℃，15℃/5℃，20℃，20℃/5℃，25℃，25℃/5℃)的人工培養(yǎng)箱。人工培養(yǎng)箱的光照強度為80%，光照時間設(shè)為14 h光照/10 h黑暗[20]。

1.3 測定指標與方法

種子萌發(fā)以胚根伸出種皮2 mm為標準，每24 h記錄1次，統(tǒng)計發(fā)芽種子數(shù)，并于試驗的第30天按照《牧草種子檢驗規(guī)程GB/T2930-2011》[22]計算種子的發(fā)芽率(GP)、發(fā)芽指數(shù)(GI)、霉變率、畸形苗率和硬實率等。其中，發(fā)芽率GP=萌發(fā)的種子數(shù)/試驗用種子數(shù)×100%；發(fā)芽指數(shù)GI=∑(Gt/Dt)(Gt為第t日的萌發(fā)數(shù)，Dt為相應的萌發(fā)日數(shù))；霉變率=萌發(fā)過程中霉變的種子數(shù)/試驗用種子數(shù)×100%；畸形苗率=畸形苗數(shù)/萌發(fā)的種子數(shù)×100%；硬實率=硬實種子數(shù)/試驗用種子數(shù)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Microsoft Excel進行數(shù)據(jù)整理和繪圖，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、硬實率、發(fā)芽開始時間的差異性分析采用SAS進行方差分析。數(shù)據(jù)表示為平均值±標準差，差異顯著性水平設(shè)為α=0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 培養(yǎng)溫度對黃花棘豆種子萌發(fā)特性的影響

由表1可知，不同溫度處理間，黃花棘豆種子發(fā)芽率及發(fā)芽指數(shù)差異均達到了極顯著水平(P<0.01)。隨著溫度的上升，種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均呈現(xiàn)增加趨勢；并且恒溫條件下黃花棘豆種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)均高于與之對應的變溫。其中，在25℃恒溫條件下，發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)最高，分別為15.3%和0.86；在10℃/5℃變溫條件下，其發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)最低，分別為1.3%和0.05。另外，各溫度條件下其霉變率和畸形苗率較低，無統(tǒng)計學上的意義，本文未作進一步的探討。

表1 培養(yǎng)溫度對黃花棘豆種子萌發(fā)的影響Table 1 Effect of temperature on germination of Oxytropis ochrocephala

溫度較低時(15℃/5℃、10℃、10℃/5℃)，黃花棘豆種子發(fā)芽開始時間較長，硬實率較高，最長發(fā)芽開始時間為22.3 d，硬實率最高達97.2%；當溫度較高時(25℃、20℃、15℃)，發(fā)芽時間較短，4～5 d即可發(fā)芽，同時，種子硬實率較低，最低為79.2%(表1)。總體表現(xiàn)為，隨著溫度的上升，種子發(fā)芽開始時間顯著縮短，種子硬實率顯著降低，但變溫可以明顯推遲種子發(fā)芽的開始時間。

2.2 前期處理對黃花棘豆種子萌發(fā)的影響

2.2.1前期處理對黃花棘豆種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)的影響 前期的冷水浸種和低溫處理對黃花棘豆種子發(fā)芽率的影響與培養(yǎng)溫度有關(guān)。冷水浸種處理的發(fā)芽率和對照相當，僅當培養(yǎng)溫度為10℃時，冷水浸種可促進黃花棘豆種子發(fā)芽(P<0.01)，且變溫條件下發(fā)芽率增加的趨勢更為明顯；在培養(yǎng)溫度較高時，發(fā)芽前低溫處理組的種子平均發(fā)芽率略高于對照組；在培養(yǎng)溫度較低時(15℃/5℃、10℃/5℃和10℃)，處理組的發(fā)芽率低于對照組(圖1)。

在恒溫條件下，除培養(yǎng)溫度為10℃低溫條件下冷水浸種可提高種子發(fā)芽指數(shù)，降低種子發(fā)芽指數(shù)外，其他溫度條件下2種處理方式對黃花棘豆的發(fā)芽指數(shù)無顯著影響。在25℃/5℃變溫培養(yǎng)條件下，2種處理方式下黃花棘豆的發(fā)芽指數(shù)明顯高于對照組，且冷水浸泡對于提高發(fā)芽指數(shù)的效果更為明顯；其他培養(yǎng)溫度下，2種前期處理方式下黃花棘豆的發(fā)芽指數(shù)都低于對照組(圖2)。

圖1 不同發(fā)芽前處理方法對發(fā)芽率的影響Fig.1 Pregermination treatments on germination rate of Oxytropis ochrocephala

圖2 不同發(fā)芽前處理方法對發(fā)芽指數(shù)的影響Fig.2 Pregermination treatments on vigor index of Oxytropis ochrocephala

2.2.2前期處理對黃花棘豆種子發(fā)芽開始時間及硬實率的影響 在恒溫培養(yǎng)條件下，2種發(fā)芽前處理明顯影響黃花棘豆的發(fā)芽開始時間。低溫處理降低黃花棘豆的發(fā)芽開始時間；冷水浸種在溫度較高時(25℃、20℃)降低黃花棘豆的發(fā)芽開始時間，在溫度較低時(15℃、10℃)延長黃花棘豆的發(fā)芽開始時間。在變溫培養(yǎng)條件，冷水浸種降低了黃花棘豆的發(fā)芽開始時間，而低溫對黃花棘豆的發(fā)芽開始時間影響不大。分析表明，變溫培養(yǎng)條件下僅當溫度為25℃/5℃時，不同前處理方式下種子萌發(fā)起始時間差異顯著，而其他溫度下均無顯著差異(圖3)。

圖3 不同發(fā)芽前處理方式對黃花棘豆發(fā)芽開始時間的影響Fig.3 Pregermination treatments on initiatory time of seed germination of Oxytropis ochrocephala

由圖4可知，發(fā)芽前期2種處理方式對黃花棘豆種子硬實率無顯著影響，但在同一溫度下，未經(jīng)處理種子的硬實率均略低于處理后的種子硬實率。

圖4 不同發(fā)芽前處理方式對黃花棘豆硬實率的影響Fig.4 Pregermination treatments on hard seed rate of Oxytropis ochrocephala

2.3 培養(yǎng)溫度與發(fā)芽前處理對黃花棘豆萌發(fā)的影響

培養(yǎng)溫度與發(fā)芽前處理對黃花棘豆種子的萌發(fā)存在明顯的互作效應。結(jié)果表明，發(fā)芽前處理和溫度對于黃花棘豆的發(fā)芽時間和發(fā)芽指數(shù)存在互作；而在發(fā)芽率和硬實率方面，發(fā)芽前處理和溫度對黃花棘豆的萌發(fā)無明顯互作關(guān)系(表2)。

表2 培養(yǎng)溫度與發(fā)芽前處理對黃花棘豆種子萌發(fā)的影響Table 2 Interactions of temperature and pregermination on germination of Oxytropis ochrocephala

3 討論

種子繁殖是植物躲避惡劣環(huán)境的一種重要機制，而種子萌發(fā)則是植物生活史中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是植物進行種群延續(xù)的重要過程。種子萌發(fā)主要受到溫度[20,22-23]、光照[24-26]、水分[27-28]、貯藏條件[29-30]、種子大小[31-33]及埋藏深度[34-35]的影響。其中，溫度是影響種子萌發(fā)的重要因子，直接影響種子萌發(fā)或通過間接調(diào)節(jié)種子休眠影響種子萌發(fā)[36]。本試驗主要比較了黃花棘豆種子在不同發(fā)芽前處理及不同培養(yǎng)溫度下種子的萌發(fā)情況，結(jié)果表明培養(yǎng)溫度對黃花棘豆種子有明顯的影響，并且恒溫下種子的萌發(fā)率均高于與之對應的變溫條件。

本研究中，在10℃～25℃范圍內(nèi)，隨著溫度的升高，種子發(fā)芽率增大，25℃的發(fā)芽率最高為15.3%，10℃/5℃的發(fā)芽率最低僅為1.3%。這與趙清梅等[20]的研究有相似的趨勢。種子萌發(fā)對溫度的反應機制，可確保大部分種子在合適的環(huán)境下萌發(fā)，從而增加幼苗成活的機率，保證種群延續(xù)。但是，相關(guān)的研究也表明，對于大部分物種來說，變溫更有利于種子的萌發(fā)[37-39]；也有學者認為除了在極端溫度下，種子總的發(fā)芽率不受變溫的影響[40-41]，該兩方面結(jié)果與本文的研究都存在一定的差異。本研究表明，相比于恒溫條件，黃花棘豆在變溫條件下發(fā)芽率更低,這可能是因為黃花棘豆種子為休眠性很強的種子，溫度的變化對種皮影響較小，不能很好的打破休眠，因而不能促進其發(fā)芽。因此，對于高寒草甸年平均溫度較低而晝夜溫差較大的情況，黃花棘豆種子快速萌發(fā)的機會較小，不利于黃花棘豆快速建立種群和擴繁。但是，黃花棘豆種子的強休眠性可以使種子延遲或分散萌發(fā)，以提高其成活和傳播擴散的機會,例如，王生耀等[42]的研究表明棘豆屬種子經(jīng)過5～6年后依然具有一定的活力。

本試驗比較了低溫處理和冷水浸種對黃花棘豆種子發(fā)芽的影響，結(jié)果表明2種處理方法對黃花棘豆種子發(fā)芽率影響效果較小，且與培養(yǎng)溫度有關(guān)，這與趙清梅[20]等人的研究結(jié)果一致,但湯濤等[17]的研究表明，在20℃時，預冷對黃花棘豆發(fā)芽率的影響顯著,這可能與培養(yǎng)溫度有關(guān)。本試驗也表明雖然發(fā)芽前低溫處理對于黃花棘豆發(fā)芽率的影響不顯著，但在溫度較高時，其種子平均發(fā)芽率高于對照組。整體上，黃花棘豆種子萌發(fā)對低溫和冷水浸種2種處理方式響應較弱，表明在自然環(huán)境中特別是高寒草甸草原上，降雨量可能對其種子萌發(fā)影響不顯著。高寒草甸年均氣溫和積溫較低，例如青海地區(qū)年均溫4.6℃，1月份年均溫-7.6℃，7月份年均溫15.4℃[42]，且晝夜溫差變化幅度較大，這些環(huán)境因子可能都會對黃花棘豆種子萌發(fā)產(chǎn)生不利影響。

在天然草地噴施邁士通后，黃花棘豆植株出現(xiàn)干枯、死亡，防除效果可達98%[8]。但是，黃花棘豆種子產(chǎn)量大、硬實率高，在土壤中可以存活較長時間[43-44]。研究表明，中等大小的黃花棘豆單株每年可產(chǎn)生800～2 000粒種子，植株大者可達萬粒以上[2]，并且黃花棘豆種子具有很高的硬實率，該特點可以保護種子在不適宜的條件下延遲或分散萌發(fā)，進而提高成活和傳播的機會[43-44]。本研究表明，黃花棘豆的硬實率高達97.2%，因此，對于天然草地黃花棘豆植株防除后，土壤中種子庫的萌發(fā)特性和發(fā)生機制還需要進一步深入的研究。

4 結(jié)論

通過比較不同培養(yǎng)溫度及不同預處理方式下黃花棘豆種子的萌發(fā)情況，得出以下主要結(jié)論：

(1)溫度對黃花棘豆種子萌發(fā)的影響較為顯著。隨著溫度的升高，種子發(fā)芽率增加，25℃下發(fā)芽率最高為15.3%，10℃/5℃下最低為1.3%；恒溫條件下其種子發(fā)芽率均高于與之對應的變溫條件。

(2)前期的低溫處理和冷水浸種兩種處理方式對黃花棘豆種子萌發(fā)的影響效果與溫度有關(guān)。恒溫條件下，兩種處理方式在溫度較高時影響較小而溫度較低時影響較大，例如在10℃時，低溫處理降低發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)，減少發(fā)芽開始時間而冷水浸種促進黃花棘豆種子的萌發(fā)。變溫條件下，兩種處理方式在溫度較高時影響較大而溫度較低時影響較小，當溫度為25℃/5℃時，2種處理方式可顯著影響黃花棘豆種子的發(fā)芽指數(shù)與發(fā)芽開始時間，而其他溫度下則無顯著差異。

綜上所述，對于高寒草甸晝夜溫差較大的情況，黃花棘豆依靠種子進行快速建植下一代的機會較小。但是，黃花棘豆具有很高的硬實率，其是否通過分散萌發(fā)而建立種群還需要進一步的研究和探討。