兩種植物生長調節劑對黑沙蒿開花及群落特征的影響*

喬占國，汪芳，張澤寧，張嬋嬋，申世永，劉龍，王生源

(1.陜西省榆林市林業科學研究所，陜西 榆林 719000;2.陜西省榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000)

黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)群落是荒漠與半荒漠地區常見的植物群落，也是毛烏素沙地植物群落最主要的建群種之一，在防風固沙和生態保護中具有舉足輕重的地位。然而，其花粉導致多種過敏性疾病[1-2]，如鼻炎、哮喘等花粉癥。現今對花粉癥的研究主要集中于致敏花粉種類、變應原分離鑒定、流行病學及基因等[3-5]方面。植物生長調節劑能調控經濟林和觀賞植物開花[6-9]，對植物花芽分化、性別決定等代謝過程具有重要作用，為防控花粉過敏提供了速效途徑[10-11]，如：羅羽洧等[12]發現外源GA3(赤霉素)對果樹花芽分化有抑制作用；喬占國等[13]噴灑YH1(抑花1號)和GA3有效抑制了沙蒿花芽分化；安麗君等[14]在成花誘導期用GA3(濃度為100 mg/L)處理桃能顯著抑制花誘導和進一步正常分化。然而，植物調節劑對植物開花性狀的影響因不同植物而異，而且對環境很敏感，植物調節劑種類、濃度和植物調節劑處理時間長短的不同，會使植物開花性狀表現出顯著差異[15]。施用植物調節劑抑制黑沙蒿花芽分化的最適濃度和最適時間尚需確定，在有效抑制黑沙蒿花芽分化的同時，對群落其它特征是否會產生顯著影響有待于研究。因此，本研究采用2020年單因素對比試驗篩選出的YH1和GA32種植物調節劑，在野外進行單因素回歸試驗，研究不同生長季節施用2種不同濃度植物生長調節劑對沙蒿開花和群落特征的影響，為速效控制黑沙蒿花粉濃度以防控花粉過敏提供相關參數和理論依據。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

試驗地位于毛烏素沙地南緣的榆林市小紀汗林場(38°22′49.01″N、109°37′50.69″E)。該區域屬溫帶半干旱大陸性季風氣候，降水少而蒸發量大、風大沙多、光照充足，年均氣溫8.3～10.1 ℃，極端高溫42.1 ℃、極端低溫-31.8 ℃，大于等于10 ℃的積溫2 800～3 400 ℃；年降水量350～503 mm，集中于6—9月，年蒸發量2 000～2 500 mm；地表主要是第四紀松散堆積物，土壤為風沙土；地帶性植被以栗鈣土的干草原為主，從東南向西北由森林草原向荒漠草原過渡，其間有大面積人工植被分布[16]。黑沙蒿為荒漠與半荒漠地區常見植物群落的優勢種或主要伴生種，也生長于干草原與干旱的坡地上，花果期7—10月。

1.2 供試材料

供試材料為毛烏素沙地飛播次生黑沙蒿群落株叢。植物生長調節劑YH1(抑花1號25 g瓶裝)為北京園林科學研究院研制；GA3(瓶裝50 mL赤霉酸，有效成分3%)購自四川國光農化股份有限公司。

1.3 試驗方法

2020年在地勢相對平坦、黑沙蒿長勢基本一致的毛烏素沙地飛播次生群落中選擇以黑沙蒿為優勢種、阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等雜草為伴生種的植物群落進行圍封并建立試驗樣地。采用單因素回歸設計[17]，拉丁方排列。分別設置抑花1號0 g/L(YH1-0)、5 g/L(YH1-5)、10 g/L(YH1-10)和赤霉素0 mg/L(GA3-0)、100 mg/L(GA3-100)、200 mg/L(GA3-200)共6個處理進行外源激素的噴灑試驗，每個處理重復3次，共18個小區；每小區大小為10 m×10 m，每個小區有長勢基本一致的黑沙蒿30叢[18]。試驗在黑沙蒿花芽分化前進行，共進行了4次——在4、5、6、7月各設立單因素回歸試驗，于當月中旬按試驗設計的激素種類及濃度對參試黑沙蒿進行噴施1次。每次參試黑沙蒿540株(叢)，4次共計有參試黑沙蒿2 160株(叢)。施用激素時用電動噴霧器均勻噴灑在參試黑沙蒿上，噴霧量以葉片濕潤不滴水為度。

1.4 數據收集

于黑沙蒿開花盛期(2020年8月6日)進行試驗結果調查。枝序確定參照鄭星星等[19]的方法，在每叢處理黑沙蒿上各采集1枝一級花序，每個處理分別采集30枝花序枝，系上標簽放入標本夾，盡快在室內統計頭狀花序總數量，一、二級花序枝長度及單位長度花蕾數量。9月沙蒿停止生長時，將10 m×10 m的小區分成4個5 m×5 m大小相等的樣方。每月均有72個5 m×5 m的樣方，調查每個樣方內植物種數量、高度、冠幅、蓋度等指標。計算標準株的冠幅和株高，每個小區選4個標準株，用標準株法[18,20]測定其生物量，進行群落安全性分析。

1.5 數據處理與分析

抑花效果采用抑花率(P)來表征，正值為抑制開花，負值為促進開花。抑花率計算式如下。

P=(W1-W2)/W1

式中:W1為各處理頭狀花序數量，W2為對照(YH1-0或GA3-0)頭狀花序數量。

以抑花率為因變量(Y)，不同激素濃度為自變量(x)，用SPSS 22.0軟件進行曲線估計，并依據曲線方程求其極值得最適濃度。同理可得抑花率(Y)與施用激素時間(x)的關系方程和最適施用時間。

群落α多樣性采用R(Margalef豐富度指數)[21]、D(Simpson多樣性指數)、H(Shannon-Wiener指數)、E(Pielou均勻度指數)[22-23]，β多樣性指數群落相似性的測定采用Jaccad相似性系數公式q=j/(a+b-j)計算[21]。

式中：q為Jaccard指數，j為兩群落或樣地共有物種數，a+b為兩群落或樣地物種數和。黑沙蒿冠幅用圓面積公式π=r2計算，半徑r為冠幅的(長徑+短徑)/2，然后計算相對蓋度；再用公式Ⅳ=(RH+RC+RB)/3 計算重要值，其中RH相對高度，RC為相對蓋度，RB為相對頻度。

采用SPSS 22.0單因素方差分析法對不同處理之間的試驗數據進行統計分析，用Duncan 檢驗法對每個測量指標在處理間的差異進行差異顯著性檢驗(p<0.05)。采用SPSS 22.0進行抑花效應方程的擬合、作圖。

2 結果與分析

2.1 不同處理抑花效果

4月YH1-5抑花率顯著高于對照及YH1-10，GA3不同濃度及處理之間差異不顯著；5、6、7月，YH1-5抑花率顯著高于YH1-10,YH1-10又顯著高于對照，GA3-100抑花率顯著高于GA3-200,GA3-200又顯著高于對照(表1)。

表1 YH1不同處理抑花率及其差異顯著性

YH1-5的抑花率6月最高，其次為5月和7月，4月最低；YH1-10、GA3-100、GA3-200的抑花率與YH1-5的抑花率在不同月份間的變化基本一致，皆是6月抑花效果最好。由此可見，YH1和GA3對黑沙蒿當年的花芽形成具有抑制作用，其效果隨濃度和時間的增加先升后降，其中YH1-5和GA3-100處理6月抑花效果最好，抑花率分別達70.11%和60.33%。6月YH1的3個濃度處理下9 cm長花序花蕾數量對比如圖1。其中，YH1-0(濃度0 g/L，為YH1激素處理的對照)處理花蕾數量為394個，YH1-5(5 g/L)為114個，比對照少71%；YH1-10(10 g/L)為145個，比對照少63%。

圖1 YH1不同濃度處理花蕾數量對比

2.2 最適激素濃度和施用時間

根據以上分析，分別用6月中旬YH1、GA3的3個濃度處理的抑花率擬合YH1、GA3抑花率(Y)與激素濃度(x)的一元二次方程和曲線；分別用4、5、6、7月中旬各施一次YH1-5、GA3-100的抑花率擬合YH1-5、GA3-100抑花率(Y)與施用激素時間(x)擬合效應方程。

由擬合結果(圖2～圖5)可知，抑花效果與外源植物生長調節劑濃度極顯著相關、與施用激素時間顯著相關，抑花率隨藥劑濃度增大和激素施用時間增加呈開口向下的拋物線軌跡。抑花率達到最大值之前，抑花效果隨生長調節劑濃度增加和時間遞增而上升；抑花率達到最大值之后，抑花效果隨生長調節劑濃度增加和時間遞增而下降。根據相關指數判斷，YH1濃度可解釋抑花效果變異的99.4%，GA3濃度可解釋抑花效果變異的95.9%；YH1施用時間可解釋抑花效果變異的68.7%，GA3施用時間可解釋抑花效果變異的64.8%。經方程求導，YH1和GA3的最適濃度分別為6.51 g/L、111.4 mg/L，最適施用時間分別為6月1日、5月24日，抑花率分別可達74.13%和60.94%。

圖2 不同濃度YH1對黑沙蒿的抑花效應

圖3 不同濃度 GA3對黑沙蒿的抑花效應

圖4 不同時間施用YH1對黑沙蒿抑花效果的影響

圖5 不同時間施用GA3對黑沙蒿抑花效果的影響

2.3 抑花途徑分析

由表2可知，YH1-5花蕾總數量和一級花序枝單位長度花蕾數量顯著少于YH1-10，YH1-10又顯著少于對照；YH1-5二級花序枝單位長度花蕾數量顯著少于對照及YH1-10；一級花序枝長度和二級花序枝長度差異不顯著；GA3-100花蕾總數量顯著小于對照及GA3-200；一級和二級花序枝單位長度花蕾數量差異不顯著，但GA3-100長度顯著縮短。由此表明：YH1處理花蕾總數量、一級和二級花序枝單位長度花蕾數量減少，花序枝長度無顯著差異，其主要抑花途徑為花序枝單位長度花蕾數量減少；GA3處理花蕾總數量減少，一級和二級花序枝單位長度花蕾數量差異不顯著，但長度縮短，其主要抑花途徑是花序枝長度縮短；YH1和GA3處理都能減少花蕾數量，但抑花途徑不同。

表2 生長調節劑對花序枝長度及花蕾數量的影響

2.4 植物生長調節劑對群落基本特征的影響

2.4.1 植物生長調節劑對沙蒿群落植株生長的影響

與對照相比，YH1-5處理黑沙蒿群落蓋度和冠幅顯著增大，分別增加24.6%和8%，株數、株高和標準單株生物量差異不顯著；YH1-10處理黑沙蒿群落蓋度顯著增加22.3%，冠幅增加4.5%，差異不顯著，株數、株高和標準單株生物量差異不顯著；YH1處理平均冠幅和蓋度分別增大6.25%、23.45%。GA3-100處理黑沙蒿群落蓋度顯著增加24.9%，冠幅減小0.78%，差異不顯著，株數、株高和標準單株生物量差異不顯著；GA3-200處理黑沙蒿群落蓋度和冠幅顯著增大17.1%和9.5%，株數、株高和標準單株生物量差異不顯著；GA3處理平均蓋度和冠幅增大20.95%和4.4%(表3)。由此表明：YH1-5和GA3-200處理黑沙蒿群落蓋度和冠幅顯著增大，株數、株高和標準單株生物量差異不顯著；YH1-10和GA3-100處理黑沙蒿群落蓋度顯著增大，冠幅、株數、株高和標準單株生物量差異不顯著；施用YH1和GA3并沒有引起黑沙蒿群落的衰退和退化。

表3 生長調節劑對沙蒿群落數量特征的影響

2.4.2 植物生長調節劑對黑沙蒿群落相似性的影響

根據Jaccard相似性原理，當Jaccard指數為0～0.25時群落極不相似，0.25～0.50時群落中等不相似，0.50～0.75時群落中等相似，0.75～1時為極相似。施用植物生長調節劑效果最好的時間為6月，其它月份的試驗中所有處理對群落相似性的影響沒有統計學意義上的差異，故選用6月份的數據計算Jaccard指數q值。6個處理黑沙蒿群落的Jaccard指數q值都在0.75～1.00之間(表4)。由此表明所有處理黑沙蒿群落與對照群落極相似，物種組成、數量、 生物多樣性和結構特征高度相似。

表4 生長調節劑對群落相似性的影響

2.4.3 植物生長調節劑對黑沙蒿群落生物多樣性的影響

YH1-5處理Pielou指數、Margalef指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數均大于對照，表明與對照相比，YH1-5處理群落物種分布更均勻，物種數目更豐富，黑沙蒿優勢度更明顯、物種組成更復雜，更具有多樣性；其重要值IV小于對照，可能是由于其它物種繁殖生長產生種間競爭，使黑沙蒿群落的地位和作用有所下降；YH1-5處理的5個指標與對照間差異不顯著(表5)。同樣，YH1-10和GA3各處理的這5個生物多樣性指數都沒有統計學上的差異。由此表明YH1和GA3處理對黑沙蒿群落的地位和作用、物種數目和豐富度、物種組成復雜程度、分布均勻程度都沒有顯著影響，說明物種多樣性指數在施用YH1和GA3后沒有明顯變化。

表5 生長調節劑對生物多樣性指數的影響

3 討論與結論

3.1 討論

開花是植物從營養生長到生殖生長的轉折點，是內外因素綜合作用的復雜過程，除受光、溫、水、氣等外在因素影響外，主要還是各種激素相互作用內在調節的結果，各激素相互協調保持某種平衡，花芽才能順利分化和發育。花芽響應外界環境刺激和內源信號啟動途徑有光周期途徑(photoperiod pathway)、春化途徑(vernalization pathway)、自發途徑(autonomous pathway)、赤霉素途徑(Gibberellin pathway,GA pathway)等[10-11]。外源調節劑可以打破這種平衡，抑制沙蒿花芽分化和干擾成花過程，減少花蕾數量，從而降低空氣中過敏花粉濃度，達到防止過敏性鼻炎的目的。喬占國等[13]用YH1、GA3、NAA(萘乙酸)、6-BA(6-芐氨基腺嘌呤)4種植物調節劑進行單因素對比試驗，篩選出YH1和GA3兩種有效開花抑制劑；王建紅等[24]給楊柳樹干注射YH1抑制飛絮，已應用于生產實踐，主要是因為YH1抑制植株花芽的分化，使原應分化為花芽的分生組織分化為葉芽。本試驗表明：YH1的抑花效應曲線呈開口向下的拋物線，隨濃度增大先升后降，其中YH1-5抑花效應顯著，抑花率達70.11%，再次驗證了YH1抑制黑沙蒿花芽分化的有效性；經擬合求導，YH1濃度為6.51 g/L時，抑花率達74.13%；最適施用時間為6月1日左右。

自然條件下，花的發端主要受內源激素平衡的影響，其中赤霉素對開花的影響最明顯[25-26]。有研究表明GA3促進植物開花[27-28]，Tomer等則得到了GA3抑制開花的結果，但品種不同，其效應大不相同[29-30]；劉永平等[10]認為GA3既能促進又能抑制花芽形成。本試驗表明：GA3抑花效應曲線呈開口向下的拋物線，隨濃度增加先升后降，其中GA3-100對沙蒿抑花作用明顯，花蕾數量顯著減少，抑花率60.33%；經擬合求導，GA3濃度為111.4 mg/L時，抑花率達60.94%。這與劉永平等[10]的結論一致，與Kane[27]、Tomer等[29]的研究結果不一致。這可能是植物調節劑對開花的影響是一個綜合因素協調影響的復雜過程，不僅與調節劑的種類、濃度及植物的種類、生理狀況等有關[31]，還因環境條件的不同而異[32]。GA3抑花作用明顯，根據激素平衡說，植物成花受細胞分裂素與赤霉素含量比值的影響，即CTK/GA值高有利于成花，反之則抑制成花，外施GA3降低了CTK/GA值，從而抑制了沙蒿成花[33]。而根據安麗君等[14]的研究，可能是GA3抑制了成花關鍵基因PPLEAFYT和MADS6的正常表達，進而抑制了花誘導和下一步的正常分化，部分花芽轉向葉芽所致。

GA的最大抑花效應是在芽發端的初期，在分化后的作用逐漸減弱[34]。根據擬合方程求導推斷，5月24日左右施藥效果應該最好，此時應該接近黑沙蒿芽發端初期，此結果有待于進一步研究驗證。本試驗抑花效果最佳為6月中旬，此時間處于黑沙蒿花芽分化期，接近YH1和GA3對沙蒿花芽抑制作用明顯期，黑沙蒿花芽的響應比較明顯，抑花效果顯著，但畢竟晚于最佳時間，未能達到擬合方程最大值。

周學伍等[35]研究結果表明GA3除影響花芽外，未發現對葉芽萌發量及葉形帶來不良作用。經調查，YH1和GA3處理顯著影響了黑沙蒿花芽，抑花效果明顯，試驗區內所有植物物種都正常萌芽生長，葉色、葉形等均正常，這與他們的研究結果一致。試驗結果表明：YH1抑花的主要方式是減小花序枝單位長度花蕾數量即減小花蕾密度，GA3抑花的主要方式是縮短花序枝長度，對沙蒿群落生長狀況未發現不利影響——YH1-5處理沙蒿群落蓋度和冠幅增加，YH1-10處理冠幅增大，GA3-100和GA3-200處理蓋度增大，其它處理和指標如株數和株高與對照差異不顯著。李興軍等[36]以“荸薺種”楊梅(Myricarubra)為材料的研究結果顯示花芽孕育期間噴布GA3可以抑制梢尖苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶及過氧化物酶的活性,促進新梢生長導致葉片內木質素合成延緩，抑制花芽發端和降低成花率，也就是說GA3通過促進營養梢伸長而影響花芽孕育[37-38]。他們的研究結果也支持本項試驗結果。經調查分析，兩種植物調節劑對黑沙蒿群落生物量和生物多樣性指標的重要值、Margalef指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數、Pielou指數的影響都沒有統計學差異，群落相似性系數q值在0.75～1.00之間，處理群落與對照群落極相似。說明施用兩種植物調節劑對黑沙蒿群落的地位和作用、物種數目和豐富度及分布均勻程度沒有顯著影響，處理與對照群落相似性高，不會引起沙蒿群落的衰退和退化，可以作為抑制黑沙蒿開花的速效應急手段。

過敏性疾病大多通過醫療手段控制，費用昂貴，經常反復。植物調節劑抑制過敏植物開花速效控制過敏，但不引起群落退化，或許是過敏性疾病的速效控制途徑，但這方面的研究報道很少。本研究采用2020年單因素對比試驗篩選出的兩種植物生長調節劑，在野外進行單因素回歸試驗，確定其最適施用濃度和時間，并用生態學的方法調查分析對其群落的影響，為黑沙蒿過敏嚴重時提供速效應急措施。考慮到經濟成本和二次污染等問題，還應深入研究經濟成本更低、更為環保友好的替代品。

3.2 結論

外施植物調節劑YH1和GA3對黑沙蒿當年花芽分化有不同程度的抑制效應，其效果隨施用濃度增加和時間遞增先升后降，呈開口向下的拋物線；YH1的主要抑花方式為花序枝單位長度花蕾數量減少，GA3的主要抑花方式是花序枝長度變短；其中YH1和GA3濃度分別為5 g/L和100 mg/L時抑花效果最好，抑花率為70.11%和60.33%；YH1最適施用時間在6月1日左右，GA3最適施用時間在5月24日左右。YH1-5和GA3-200處理組的黑沙蒿群落蓋度和冠幅顯著增大，YH1-10和GA3-100處理黑沙蒿群落蓋度顯著增大，株數、株高和生物量差異均不顯著；黑沙蒿群落生物多樣性指標Margalef指數、Simpson指數、Shannon-Wiener指數、Pielou指數及重要值都沒有統計學差異，群落相似性系數q在0.75～1之間，不同處理群落間極相似。表明YH1和GA3能有效抑制黑沙蒿當年花芽分化，但不會導致黑沙蒿群落衰退，可以作為抑制黑沙蒿開花的速效應急手段。