自然生境低溫脅迫對留茬巨菌草再生特性的影響及再生能力評價

蘇德偉，林 輝，羅海凌，林冬梅，林占熺

(福建農(nóng)林大學 國家菌草工程技術研究中心，福建 福州 350002)

【研究意義】巨菌草(Pennisetumsp.)隸屬禾本科，狼尾草屬，直立叢生，植株高大，產(chǎn)量高，營養(yǎng)物質(zhì)豐富[1]。適宜在溫熱地區(qū)生長，自然條件下可越冬為多年生，在常年氣溫較低的地區(qū)不能自然越冬為一年生[2]。巨菌草屬于典型的C4 草本植物，光和效率高，生長速度快，與闊葉喬木相比，生物轉化率提高了3～6.5倍。巨菌草分蘗能力強，莖稈粗壯，根系發(fā)達，抗折能力強，不易倒伏，易種易用，富含真菌、細菌等多種內(nèi)生菌類[3-4]；拔節(jié)期株高3～5 m，成熟期最高可達7.08 m，全球多年平均鮮草產(chǎn)量可達200～400 t·a-1hm-2[5]。巨菌草營養(yǎng)價值高、抗營養(yǎng)因子低，具備優(yōu)質(zhì)飼料的品質(zhì)，備受畜禽行業(yè)關注[2]。巨菌草作為青飼料或者制備青貯飼料飼喂牛、羊等牲畜以及鴨、鵝等家禽，飼喂效果好、經(jīng)濟效益高[6-10]。合理種植、高效利用，可有效緩解我國秋冬季飼料短缺問題，平衡“草畜矛盾”，為畜牧業(yè)綠色健康發(fā)展提供了新途徑。巨菌草生長速度快、營養(yǎng)豐富、生物量大、利用價值高，是平菇[11]、竹蓀[12]、秀珍菇[13]、靈芝[14]等多種食用菌和藥用菌的優(yōu)質(zhì)栽培原料，可有效緩解菌業(yè)發(fā)展正面臨的“菌林矛盾”。【前人研究進展】巨菌草抗逆性強、適應性廣[15-17]，被廣泛應用于水土流失治理[18]、崩崗治理[19]、重金屬污染土壤修復[20]、防風固沙[21]、黃河流域生態(tài)治理[22]等領域，以及制備沼氣[23-25]、纖維素[26-27]、造紙[28-29]、生物質(zhì)燃料[30-31]、淡紫擬青霉[32]、內(nèi)生菌菌肥[33]等工業(yè)化生產(chǎn)。【本研究切入點】有關巨菌草的各類基礎研究已經(jīng)很多，工業(yè)化利用也逐步拓展，面對迫切的產(chǎn)業(yè)化需求，如何提高產(chǎn)量、提高質(zhì)量、控制成本、一年生如何向多年生轉變，成為急需解決的問題?，F(xiàn)階段面臨的最突出問題就是低溫脅迫后，留茬巨菌草越冬、再生、產(chǎn)能問題，但是，有關自然生境低溫脅迫對留茬巨菌草再生特性影響及再生能力評價的研究卻未見報道。【擬解決的關鍵問題】本研究采取自然生境下低溫脅迫的方法，測定了砒砂巖區(qū)留茬巨菌草的再生特性，并對其再生能力進行評價，以期為留茬巨菌草在砒砂巖區(qū)以及我國中部適宜地區(qū)自然條件下的越冬儲備提供技術支撐，為巨菌草的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)、高效利用提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

巨菌草(Pennisetumsp.)由福建農(nóng)林大學國家菌草工程技術研究中心提供，2019年4月20日，巨菌草種植于砒砂巖區(qū)典型的兩種生境：溝壩地(DF)、坡耕地(SF)，不同生境土壤的主要特性見表1。巨菌草種植規(guī)格：行距80 cm，株距40 cm。2019年10月9日，巨菌草植株高度386～434 cm，機械收割，地上部分留茬高度20 cm。

1.2 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準格爾旗暖水鄉(xiāng)圪秋溝小流域，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)的典型砒砂巖分布區(qū)，110°05′～110°27′ E、39°16′～40°20′ N，海拔1050～1200 m。試驗地屬大陸性季風氣候，年平均氣溫6.2～8.7 ℃，多年平均降水量390 mm，無霜期145 d。

1.3 試驗方法

根據(jù)巨菌草生物學特性表明，氣溫低于5 ℃時，巨菌草停止生長。結合當?shù)氐奈锖驐l件，試驗設置5個處理：5、0、-5、-10、-15 ℃，隨機取樣，每個處理5個重復。為了更好的研究低溫脅迫下留茬巨菌草的再生特性，密切結合生產(chǎn)實踐，所有試驗樣品的低溫脅迫均在野外自然條件下進行。由于野外空氣溫度較為波動，研究采用脅迫最低溫度與脅迫積溫(低溫脅迫期間，當日最低溫度且低于0 ℃的溫度的總和)結合的方法(表2)。當野外空氣溫度達到設置溫度后，低溫脅迫1 h，取樣栽培于花盆內(nèi)。為了更好的模擬自然環(huán)境，溫度逐漸升高，直至25 ℃，室內(nèi)培養(yǎng)。因巨菌草分蘗多，室內(nèi)盆栽較為困難，所以需對所取樣品進行處理：選取植株地上部分相鄰的3個分蘗，垂直于地面切割地下部分。試驗期間定期澆水、施肥，每個處理條件相同，培養(yǎng)30 d。

表1 不同生境土壤的主要特性

表2 脅迫溫度和脅迫積溫

1.4 指標測定

1.4.1 植株出苗時間、出苗率 、成苗率、出苗力指數(shù) 植株種植2 d之后開始記錄，之后每隔2 d記錄出苗數(shù)和死亡苗數(shù)。由于巨菌草具備分蘗特性，在生長過程中會出現(xiàn)二次出苗或多次出苗現(xiàn)象，試驗均以第1次出苗計算出苗時間、出苗率，成苗率以植株生長30 d后的出苗數(shù)量計算。出苗力指數(shù)采用公式(1)和(2)計算。

Gij=Sij×Rij×100 %

(1)

(2)

式中,Gij為i生境j脅迫溫度下的出苗力指數(shù)；Sij為i生境j脅迫溫度下的出苗系數(shù);Rij為i生境j脅迫溫度下的出苗率；Tij為i生境j脅迫溫度測定的出苗時間；Tmin為i生境成活植株測定的最小出苗時間。

1.4.2 植株形態(tài)學指標測定 植株生長30 d后，測定留茬巨菌草植株高度、分蘗數(shù)量、莖粗、葉片寬度、葉片長度和葉片數(shù)量。植株高度：將植株葉片拉直，測定地上部分的總高度；分蘗數(shù)量：留茬巨菌草新生的苗數(shù)；莖粗：植株高于地面1 cm處測得的直徑；葉片寬度：測量植株頂端已經(jīng)完全展開的第3片葉的寬度；葉片長度：測量植株頂端已經(jīng)完全展開的第3片葉的長度；葉片數(shù)量：新生植株的總葉片數(shù)。

1.4.3 植株生物量測定 相同生長期內(nèi)測定巨菌草的地上部分鮮重。

1.4.4 植株根系 主要測定巨菌草的根系長度、數(shù)量，并計算根長/株高的比值。

1.5 數(shù)據(jù)分析

試驗設置5次重復，采用EXCEL 2010和SPSS 23.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。應用隸屬度函數(shù)法進行綜合評判[34-35]，與留茬巨菌草的再生能力呈正相關的參數(shù)采用公式(3)計算；與其再生能力呈負相關的采用公式(4)計算。

R(Yij)=Yij-Ymin

(3)

(4)

式中，R(Yij)為留茬巨菌草i生境j性狀測定的隸屬函數(shù)值；Yij為i生境j性狀測定值；Ymin為j性狀中測定的最小值；Ymax為j性狀中測定的最大值。

2 結果與分析

2.1 植株出苗時間、出苗率、成苗率、出苗力指數(shù)

如圖1所示，脅迫溫度越低，留茬巨菌草生理機能恢復的時間越長，出苗的時間也就越長，5 ℃時兩組出苗時間分別為4.2 d、4.6 d，-10 ℃時兩組出苗時間分別為9.6 d、9.8 d，-15 ℃時兩組植株全部死亡。脅迫溫度高于0 ℃時，溝壩地試驗組出苗時間最短，與其他處理存在顯著性差異(P<0.05)。脅迫溫度小于0 ℃時，坡耕地試驗組表現(xiàn)較差，出苗時間較長。脅迫溫度達-10 ℃時，兩組處理出苗時間最長。

隨著脅迫溫度降低，留茬巨菌草再生后的出苗率和成苗率呈下降趨勢(圖2)。脅迫溫度達到-5 ℃時，坡耕地的出苗率和成苗率均為90 %，出現(xiàn)下降；脅迫溫度達到-10 ℃時，溝壩地的出苗率和成苗率分別為90 %、80 %，下降趨勢顯著。隨著脅迫溫度下降，不同生境的留茬巨菌草出現(xiàn)再生苗死亡現(xiàn)象，其成苗率低于出苗率，-15 ℃時留茬巨菌草全部死亡，失去再生能力。

隨著脅迫溫度降低，留茬巨菌草再生后的出苗力指數(shù)呈下降趨勢；不同生境對出苗力指數(shù)影響不同，溝壩地試驗組整體好于坡耕地試驗組(圖3)。當脅迫溫度小于-5 ℃時，2個試驗組的出苗力指數(shù)均小于60 %，建議不再作為種質(zhì)資源用于繁育種苗。

2.2 植株高度、分蘗數(shù)、莖粗

由圖4可知，脅迫溫度越低，留茬巨菌草再生植株高度也越矮，溝壩地試驗組優(yōu)于坡耕地試驗組。脅迫溫度高于-5 ℃時，各組處理無顯著性差異，相同溫度的溝壩地試驗組和坡耕地試驗組株高相差不大，僅為2.57 %、5.37 %；低于-5 ℃時，各脅迫溫度之間差異顯著(P<0.05)，-10 ℃時株高僅為5 ℃時株高的52.34 %、37.11 %，-15 ℃時植株死亡。

分蘗能力是影響禾本科植物產(chǎn)量的一個重要指標，而分蘗數(shù)量是分蘗能力的最直觀體現(xiàn)。如圖5～6所示，脅迫溫度越低，留茬巨菌草分蘗數(shù)量越少，分蘗能力越弱，其中坡耕地試驗組受脅迫溫度影響更大，分蘗能力下降快、降幅大，分蘗數(shù)量更少。當脅迫溫度達-5 ℃時，兩組處理與5 ℃時存在顯著性差異(P<0.05)，分別降低了30.77 %、41.67 %。砒砂巖區(qū)，溝壩地有效敏感低溫區(qū)間是-5 ～ 0 ℃，坡耕地有效敏感低溫區(qū)間是0 ～ 5 ℃，敏感降溫區(qū)間對留茬巨菌草分蘗數(shù)影響最大。

如圖7所示，隨著脅迫溫度變化，留茬巨菌草莖粗呈下降趨勢。當脅迫溫度不低于0 ℃時，溝壩地試驗組不同處理之間，無顯著性差異，坡耕地試驗組不同處理之間，差異顯著(P<0.05)。當脅迫溫度低于0 ℃時，2個試驗組的不同處理之間差異顯著(P<0.05)，脅迫溫度達-10 ℃時，莖粗降幅較大，僅為初始脅迫溫度的43.09 %、40.87 %。

2.3 植株葉片長度、葉片寬度、葉片數(shù)量

如圖8所示，不同試驗組的葉片長度隨脅迫溫度變化呈下降的變化趨勢。脅迫溫度高于-5 ℃時，2個試驗組的不同處理間降幅不大，僅為7.86 %、11.98 %；當脅迫溫度從-5～-10 ℃時，降幅達到了55.58 %、55.63 %，差異顯著(P<0.05)，而-10 ℃時溝壩地和坡耕地兩組之間差距較小，分別為40.6、37.8 cm。

如圖9所示，脅迫溫度越低，留茬巨菌草的葉寬越小，其變化趨勢與葉長保持一致。當脅迫溫度不低于-5 ℃時，2個試驗組的不同處理間差異不顯著，2個試驗組最大為2.16 cm(DF)、2.08 cm(SF)，最小為2.00 cm(DF)、1.94 cm(SF)。隨著溫度降低，葉寬變化逐漸凸顯。當脅迫溫度達到-10 ℃時，差異顯著(P<0.05)，降幅較大，分別達到了39 %和47.94 %。

葉片數(shù)量是影響植物能否健康生長的重要指標之一。隨著脅迫溫度的降低，植株葉片數(shù)量呈下降趨勢(圖10)。當脅迫溫度高于0 ℃時，2個試驗組呈緩慢下降趨勢，溝壩地試驗組不同脅迫溫度下，差異顯著(P<0.05)，坡耕地試驗組不同脅迫溫度下，無顯著差異；而當脅迫溫度低于0 ℃時，2個試驗組則呈快速下降趨勢，-10 ℃時葉片數(shù)量僅為19.00和17.00。

2.4 植株地上部分含水量和鮮重

如圖11所示，隨著脅迫溫度的變化，留茬巨菌草地上部分含水量呈下降趨勢，但是降幅不顯著，變化不大。因為生長30 d的巨菌草仍然處于苗期，生長所需的水分較多。不同脅迫溫度下，2個試驗組的成活幼苗地上部分含水量均保持在90 %左右。

如圖12所示，脅迫溫度越低，留茬巨菌草的地上部分鮮重(產(chǎn)量)越低。不同脅迫溫度之間，地上部分鮮重差異顯著(P<0.05)，其中溝壩地產(chǎn)量高于坡耕地，產(chǎn)量的差異可能與不同生境土壤的特性有密切關系。當脅迫溫度達到-5 ℃時，溝壩地試驗組產(chǎn)量和坡耕地試驗組產(chǎn)量為初始脅迫溫度產(chǎn)量的67.92 %、57.32 %。當脅迫溫度達到-10 ℃時，差異顯著，降幅較大，分別達到了82.84 %、79.37 %。

2.5 植株地下部分新根長度和新根數(shù)量

根系優(yōu)劣是影響留茬巨菌草再生特性的重要指標之一。隨著脅迫溫度降低，留茬巨菌草新根生長速度越慢、長度越短，溝壩地試驗組均優(yōu)于坡耕地試驗組(圖13)。脅迫溫度5 ℃時，溝壩地試驗組根長為23.19 cm，坡耕地試驗組根長為17.27 cm。當脅迫溫度5～0 ℃時，2個試驗組降幅最大，差異顯著(P<0.05)，分別達到26.56 %、26.98 %；當脅迫溫度低于0 ℃時，2個試驗組降幅較小，其中-5 ～ 0 ℃區(qū)間的降幅最小，僅為7.69 %、11.02 %。

如圖14所示，脅迫溫度越低，留茬巨菌草新根數(shù)量越少，長勢越差。受實驗條件限制，取樣時已將留茬巨菌草地下部分切割，所有整體新生根系數(shù)量較少。脅迫溫度高于0 ℃時，不同處理差異顯著(P<0.05)，溝壩地試驗組數(shù)量多于坡耕地試驗組，其中溝壩地新根數(shù)量最多為15.33，溝壩地新根數(shù)量最多為13.33；脅迫溫度低于0 ℃時，不同處理之間差異不顯著，不同生境的新根數(shù)量相近，但與初始溫度(5 ℃)相比，脅迫溫度-5 ℃時新根數(shù)量為7.67和7.33，降幅達49.97 %、45.01 %，差異極顯著(P<0.01)。

2.6 新根長度/植株高度的比值

如圖15所示，隨著脅迫溫度越降，留茬巨菌草新根長度/株高的比值呈先下降后升高再下降的趨勢，其中溝壩地試驗組最大值為17.54(5 ℃)，最小值為12.99(-5 ℃)，坡耕地試驗組最大值為19.48(-10 ℃)，最小值為10.02(-5 ℃)。5、0、-5 ℃ 3個處理都是溝壩地高于坡耕地；-10 ℃時坡耕地高于溝壩地。

2.7 低溫脅迫留茬巨菌草再生能力綜合評價

自然生境中留茬巨菌草受低溫脅迫后，多種因素共同作用，通過某一個數(shù)據(jù)或者指標已經(jīng)無法準確表達這一復雜的生理生化過程，更不能真實的反應留茬巨菌草經(jīng)低溫脅迫后的再生能力。因此，通過隸屬函數(shù)法對獲得的主要指標進行定量轉換，根據(jù)數(shù)值大小對不同自然生境不同脅迫溫度下的留茬巨菌草的再生能力進行綜合評價，數(shù)值越大，再生能力越強，數(shù)值越小，再生能力越弱。由表3可知，同一試驗組內(nèi)，脅迫溫度越低，留茬巨菌草再生能力越弱，其強弱順序為：5 ℃>0 ℃>-5 ℃>-10 ℃>-15 ℃；不同試驗組之間，由于自然生境有所差異，留茬巨菌草再生能力強弱順序為：溝壩地>坡耕地。

3 討 論

自然生境中溫度是影響植物生長的重要因子，也是限制其分布的主要因素之一，溫度過高或過低都會阻礙植物的正常生長，其中低溫對植物的危害最大[36]。低溫脅迫后，植物受到影響，最直接的體現(xiàn)就是形態(tài)特征的變化[37]。其中，植株的萌芽時間、出苗率、成苗率、株高、分蘗、莖粗、葉片等指標與脅迫后的植株關系最為緊密。段里成等[38]研究表明，脅迫溫度越低，直播早稻出苗率、成苗率越低，幼苗植株高度也越矮。鐘鵬等[39]研究表明，隨著低溫脅迫加劇，花生的出苗時間延長，出苗率降低。王樹剛等[40]研究表明，小麥受到低溫脅迫時，葉片萎蔫、下垂、失綠，嚴重時局部死亡，甚至植株死亡。植物組織中含水量越高，代謝活動越強，生長越快，反之則越弱[41]，這也與本試驗的結果相一致。本研究結果表明，隨著脅迫溫度降低，留茬巨菌草的出苗時間延長、出苗率、成苗率、植株高度、分蘗數(shù)量、莖粗、葉片長度、葉片寬度、葉片數(shù)量、含水量等都呈降低趨勢。試驗中，同一脅迫溫度下，成苗率低于出苗率，說明留茬巨菌草生理結構可能已經(jīng)遭到了破壞，無法完成植株正常生長所需，在其達到生長極限后出現(xiàn)死亡。同時也從側面說明，該脅迫溫度已經(jīng)達到了破壞留茬巨菌草維持再生特性平衡的極限溫度。

表3 低溫脅迫留茬巨菌草再生能力綜合評價

本研究，0 ℃是影響留茬巨菌草植株再生高度的關鍵拐點，當脅迫溫度低于0 ℃時，植株生理生態(tài)可能開始受到抑制，分蘗數(shù)、莖粗、葉片數(shù)、地上部分鮮重等指標顯著降低，達到-5 ℃時局部結構受到破壞，-10 ℃時損壞嚴重，-15 ℃時植株死亡，建議-5～0 ℃(-24 ℃<脅迫積溫<-12 ℃)作為能否自然安全越冬和具備一定再生能力的參考區(qū)間溫度。

自然生境中，隨著溫度降低，植物地上部分逐漸死亡，能否安全越冬，地下部分所含有的貯藏性物質(zhì)是重要保障[42]。本研究在取樣時，將留茬巨菌草地下部分一同切割取出，保證了試驗的科學性和準確性。試驗前期接受自然生境下低溫脅迫的是留茬巨菌草，其中地上部分已經(jīng)死亡，具備生命機能的是地下部分。羅寧[43]研究表明，在低溫脅迫下，玉米幼苗根系的長度、干重、密度等指標呈下降趨勢，低溫脅迫阻礙了根系的生長。孫波等[44]研究表明，在低溫脅迫下甘蔗幼苗的根系長度、根系總體積顯著減小，根系生理活性等顯著降低，根系細胞變形散亂。低溫脅迫可以顯著降低抑制根系的生長[45]，降低根系的活力[46]。本研究結果與上述研究結果一致，受低溫脅迫影響，留茬巨菌草的根系數(shù)量和長度顯著降低。受根系變化影響，植株新陳代謝變慢，生長速度降低，甚至死亡。

留茬巨菌草的再生能力不僅受到自身遺傳特性和生理結構的綜合影響，而且受外部低溫脅迫和土壤環(huán)境的影響。因此，單一指標很難評價留茬巨菌草的再生特性。本研究利用隸屬函數(shù)法對分蘗數(shù)量、植株高度、莖粗、葉片長度、葉片寬度、葉片數(shù)量、植株鮮重、新根數(shù)量、新根長度、根長/株高等10項指標進行綜合評價，得出同一試驗組內(nèi)，留茬巨菌草再生能力強弱順序為：5 ℃>0 ℃>-5 ℃>-10 ℃>-15 ℃。本研究涉及砒砂巖區(qū)典型的溝壩地和坡耕地兩種類型，兩者土壤環(huán)境有所差別，含水量、有機質(zhì)、酸堿度差異顯著。不同的自然生境，可能對留茬巨菌草地下部分所含有的貯藏性物質(zhì)也產(chǎn)生了一定的影響，進而影響了其再生能力，其強弱順序為：溝壩地>坡耕地。

4 結 論

在自然生境中，不同土壤環(huán)境不同溫度條件下，留茬巨菌草再生能力不同，本研究結果顯示，留茬巨菌草再生能力強弱順序為：5 ℃>0 ℃>-5 ℃>-10 ℃>-15 ℃，為了保證其再生能力和經(jīng)濟效益，建議在冬季溫度不低于0 ℃(脅迫積溫大于-12 ℃)，土壤具有一定保水能力的地區(qū)開展連茬多年生栽培。