赤霉素浸種對2種礦區修復先鋒植物種子萌發和幼苗生長的影響

俞龍生 ，李衛，許銘宇, ，林澤帆

1. 廣州草木蕃環境科技有限公司/廣東省濕地修復工程技術研究中心，廣東 廣州510520；2. 仲愷農業工程學院園藝園林學院，廣東 廣州 510225；3. 華南理工大學環境與能源學院，廣東 廣州 510006

多金屬礦山的露天開采導致采礦區、尾礦排土場等土地和植被破壞，引發水土流失、重金屬污染和土地酸化、貧瘠等普遍性生態問題（束文圣等，2003）。植被生態恢復是修復和重建礦區生態系統的有效手段（彭少麟，2000），而篩選礦區指示植物、先鋒植物等適宜物種是礦區生態修復的首要問題（黨志等，2001）。為促進礦區裸地植被定居和植被演替（Cooke et al.，2002；Li，2006），豆科和禾本科植物具有較強的耐性和抗逆性，尤其是豆科植物因具有莖瘤或根瘤固氮、重金屬耐受性、為后茬作物提供養分等特性，常被作為金屬礦區生態修復的先鋒物種（張志權等，2002；秦建橋等，2009；方文等，2015）。豬屎豆（Crotalaria pallida Ait.）和黃槐決明（Cassia surattensis Burm. F.）是礦區以及邊坡生態修復工程中應用較多的兩種豆科植物，具有耐貧瘠、耐旱、適應礦區土壤環境等特點（李彪等，2011；李江遐等，2016）。礦區植物修復大多采用種子撒播、噴播等經濟高效的方式，但豆科植物種子硬實現象較為普遍，由于種皮致密、透水性較差往往會導致發芽受阻、出苗時間較長、種苗參差不齊，從而影響修復工程效果。

為解決種子硬實的問題，常采用人工破損種皮、溫水浸泡、外源生長調節劑或激素浸種等方法促進種子快速萌發（Nathawat et al.，2007；廖富林等，2011；梁碧云等，2021）。赤霉素是一類雙萜類化合物的植物激素，能夠促進種子的軟化和加快胚細胞的生長、分化，已有研究表明適宜濃度和時間的赤霉素浸種對多種植物種子的萌發具有促進作用（陳慧等，2014；馬宏倫等，2018）。不同濃度赤霉素浸種對種子萌發和幼苗莖葉生長具有不同的促進效果，如300 mg·L-1赤霉素浸種能夠促進豆科植物野火球（Trifolium lupinaster L.）種子萌發，超過500 mg·L-1則可能抑制發芽（劉曉蘭等，2017）。種子浸泡時間對種子萌發和幼苗生長也較為關鍵，研究表明浸種1 d處理的紫花苜蓿（Medicago sativa L.）發芽率最好但萌發速度低，浸種3 d則影響種子發芽率和速度（趙滿興等，2018）。篩選適宜的浸種濃度和浸種時間是破解種子硬實問題的關鍵，可提高撒播植物種子的萌發率和生長速度，降低植被生態修復成本和提升生態修復效果。

針對兩種供試植物種子萌發問題，陳慧等（2014）研究表明200 mg·L-1赤霉素浸種對豬屎豆種子的催芽效果最佳，梁碧云等（2021）采用69 mg·L-1赤霉素對豬屎豆的發芽率提高效果不顯著，但利用溫水浸種處理種子發芽率和吸脹率有明顯提高；有研究表明適宜質量濃度的赤霉素和聚乙二醇對決明（Cassia obtusifolia L.）種子萌發有顯著的提高作用（張春平等，2010），但赤霉素浸種對黃槐決明種子發芽的影響未見報道，而赤霉素浸種對供試植物幼苗生長是否有促進或抑制效果也需要進一步探討。本文以不同浸種試劑和浸種時間對豬屎豆和黃槐決明 2種礦區修復常用植物種子的影響，以期了解赤霉素浸種對供試種子萌發和幼苗生長影響規律，為篩選適宜的浸種試劑和浸種時間提供科學依據，從而為礦區植物生態修復工程實踐提供支撐。

1 研究材料與方法

1.1 研究材料

試驗材料豬屎豆、黃槐決明種子采自廣東省韶關市粵北礦山與耕地土壤修復示范基地，種子用保鮮袋封口保存于植物生理生化試驗室-4 ℃冷柜中，豬屎豆種子的千粒質量為9.2409 g，黃槐決明種子千粒質量為26.9843 g。去除雜質后，從供試種子中挑選色澤較好顆粒飽滿、無損壞蟲害的種子。生長調節物質：赤霉素，含量≥99%。消毒試劑：高錳酸鉀。試驗在仲愷農業工程學院白云校區實驗室完成。

1.2 研究方法

1.2.1 供試種子處理和培養

種子發芽率的測定采用紙上發芽法（國家技術監督局，1995）。從供試的種子中選取成熟、大小飽滿、形狀相似、色澤較好、無蟲害或破損的豬屎豆、黃槐決明種子，先用清水沖洗1遍，再用蒸餾水沖洗，吸干水分后，用適量0.3%高錳酸鉀浸泡15 min對受試種子外表皮進行消毒，然后用蒸餾水沖洗數遍備用。不同處理的種子放置在不同燒杯，共設置6種處理和1個對照組：采用蒸餾水分別浸泡種子12 h（W1）、24 h（W2）、36 h（W3）；采用20 mL 的 200 mg·L-1赤霉素分別浸泡種子 12 h（T1）、24 h（T2）、36 h（T3）；不作浸種處理作為空白對照組（CK）；每組種子浸泡不少于120顆。

將完成浸泡處理的種子移至培養皿（?90 mm），每個培養皿均勻分布30顆種子，同一處理的種子設置4組重復（n=4）。培養皿底部鋪雙層濾紙，用蒸餾水濕潤試紙，將種子均勻分布在培養皿后加蓋，盡量減少水分蒸發，放置于溫度25 ℃、濕度60%環境培養。每天光照培養14 h，黑暗培養10 h，試驗過程中每天10:00 am適量添加1—2 mL蒸餾水。

1.2.2 數據統計和處理

（1）種子萌發指數

萌發開始后每天觀測統計發芽種子數量，以突破種皮的胚軸長度超過種子長度的 1/2則記作發芽，發芽種子數連續3 d無增長視為發芽完成。統計分析各培養皿的種子發芽率（Germination rate，RG）、發芽勢（Germination potential，Rm）、發芽指數（Germination index，IG）、活力指數（Vitality index，Iv）等，計算式如下（劉曉紅等，2022）。

式中：

N——每個培養皿供試種子數量；

Ng——發芽種子的數量；

Nmax——日發芽數達到高峰期時發芽種子總數；

Lroot——根長；

RGi— —培養天數i時的發芽率，i=1, 2, 3, ……；

Di——培養天數i時對應的試驗天數，i=1, 2,3, ……；

RG(relative)——不同處理組發芽率與對照組 CK發芽率之間的相對比值；

Rm(relative)——不同處理組發芽勢與對照組 CK發芽勢之間的相對比值。

（2）幼苗生長指數

各處理發芽數連續3 d無增長視為發芽完成，發芽完成后用直尺測量各苗長、胚根長后，取算術平均值，為該培養皿幼苗的平均幼苗長度（lseedling）、平均根長（lroot）。用千分之一電子天平稱量各培養皿幼苗的葉片、莖、胚根的鮮質量mfresh，后將其放置于干燥箱，98 ℃高溫烘3 h，后用千分之一電子天平稱量葉片干質量ml、莖干質量ms、胚根干質量mr，三者合計得總干質量mdry，采用式（7）計算根冠質量比（Root to shoot biomass ratio，RRS）：

數據分析采用 Microsoft EXCEL、PASW Statistics軟件對試驗數據進行統計分析和 Duncan單因素方差分析。

2 研究結果

2.1 不同處理對種子發芽的影響

2.1.1 不同處理對豬屎豆種子發芽的影響

未經浸種處理的豬屎豆種子平均發芽率為52.50%，當經過蒸餾水或赤霉素浸種后 12、24及36 h，種子發芽率均超過空白對照組（圖 1）。發芽率最高的處理為赤霉素浸種 12 h，發芽率為75.83%，相比對照組發芽率提高了23.33%且差異顯著（P＜0.001）；浸種24 h與對照組發芽率差異不顯著（P＞0.05），而浸種36 h發芽率為73.83%，相比對照組發芽率提高了 20.33%且差異顯著（P=0.001）。未經浸種處理的種子發芽勢為43.33%，蒸餾水浸種處理后發芽勢有所下降，赤霉素處理后僅赤霉素浸種36 h發芽勢提高為55.00%，比對照組高 11.67%（P=0.051），發芽勢最低的處理是蒸餾水浸種36 h，發芽勢為26.50%。所有處理的發芽指數、活力指數高于對照組，蒸餾水浸種處理中12 h的發芽指數最高，而浸種超過12 h后發芽指數與對照組相比差異不顯著（P＞0.05），而赤霉素浸種處理隨著時間增加發芽指數呈增加趨勢，其中發芽指數、活力指數最高的處理均是赤霉素浸種36 h，發芽指數為55.00，比對照組高11.66，活力指數為440.3，比對照組高189.3。

圖1 不同處理對豬屎豆種子萌發各指標的影響Figure 1 Effect of different treatments on the germination indices of C. pallida

如控制浸種時間一致，將赤霉素處理與蒸餾水處理對比，豬屎豆種子萌發效果要比蒸餾水處理的高，其中浸種12 h發芽率差距最大，赤霉素高比蒸餾水浸種處理高15.83%。而赤霉素浸種36 h的發芽勢較蒸餾水高，種子萌發指數呈相同趨勢。從種子活力的數據來看，赤霉素浸種12 h的種子活力與蒸餾水浸種處理的差距最大。由此可見，在相同浸種時間下，赤霉素有促進豬屎豆種子發芽的效果；同時赤霉素對豬屎豆種子活力也有一定的促進作用，但效果不明顯。

圖2表明浸種時間對豬屎豆種子萌發相對指標的影響呈現先降低后升高的趨勢，赤霉素浸種相對發芽率均高于蒸餾水浸種處理。而赤霉素浸種36 h相對發芽勢高于蒸餾水浸種處理，浸種12、24 h則低于蒸餾水處理組。總體來說赤霉素浸種能有效促進種子萌發，最佳的浸種時長為12 h，但隨著浸種時間延長，促進發芽的效果呈現先降后升趨勢，促進效果是赤霉素浸種12 h＞赤霉素浸種36 h＞赤霉素浸種24 h。

圖2 浸種時間對豬屎豆種子相對發芽率（a）和相對發芽勢（b）的影響Figure 2 Effect of soaking time on the relative germination rate (a) and relative germination potential (b) of C. pallida

2.1.2 不同處理對黃槐決明種子發芽的影響

不浸種處理的黃槐決明種子發芽率為33.33%，本試驗所有浸種處理后的黃槐決明種子發芽率均超過對照組（圖3），蒸餾水浸種12 h和赤霉素浸種24 h的發芽率最高，分別為68.33%和67.5%，相比空白對照組發芽率分別高 35.00%（P＜0.001）和34.17%（P＜0.001）且差異顯著。空白對照組的黃槐決明種子發芽勢為16.67%，浸種處理后種子發芽勢均超過對照，蒸餾水浸種12 h和赤霉素浸種24 h的發芽勢最高，分別為55.00%和52.50%，相比空白對照組發芽率分別高38.33%（P＜0.001）和35.83%（P=0.001）且差異顯著。表明黃槐決明經過浸種處理對種子萌發有較為明顯的促進作用。對照組種子的發芽指數為 13.24、活力指數為 185.03，浸種處理后的黃槐決明種子發芽指數、活力指數均高于對照組，其中赤霉素浸種24 h發芽指數和活力指數最高、其次為蒸餾水浸種24 h發芽指數和活力指數，但各處理組間發芽指數差異不顯著（P＞0.05），活力指數最高為赤霉素浸種24 h，活力指數為508.93，比對照組高323.89且差異顯著（P=0.021）。

圖3 不同處理對黃槐決明種子各萌發指標的影響Figure 3 Effect of different treatments on the germination indices of C. surattensis

如控制浸種時間一致，將赤霉素處理與蒸餾水處理對比，除赤霉素浸種24 h黃槐決明種子萌發率要比蒸餾水處理高外，其它處理均低于蒸餾水，而赤霉素浸種24、36 h的的發芽勢較蒸餾水高。而各浸種時間的種子萌發指數、種子活力來看則呈現赤霉素處理與蒸餾水處理高，赤霉素浸種24 h的種子活力與蒸餾水浸種處理的差距最大。由此可見，在相同浸種時間下，赤霉素浸種24 h有促進黃槐決明種子發芽的效果，而排除浸種時間的影響赤霉素黃槐決明種子活力也有明顯促進作用。

圖4表明蒸餾水浸種對黃槐決明種子萌發相對指標的影響持續降低趨勢，赤霉素浸種時間對黃槐決明種子萌發相對指標的影響呈現先升高后降低的趨勢。而赤霉素浸種24 h的相對發芽率和發芽勢高于蒸餾水浸種處理，浸種12 h則低于蒸餾水處理組、浸種36 h與蒸餾水處理組相差不大。總體來說蒸餾水浸種和赤霉素浸種均能促進黃槐決明種子萌發，其中蒸餾水浸種最佳時長為12 h，蒸餾水浸種隨著浸種時間增加促進效果下降，而赤霉素最佳的浸種時長為24 h，隨著浸種時間延長，促進發芽的效果呈現降低趨勢，促進效果赤霉素浸種24 h＞赤霉素浸種12 h＞赤霉素浸種36 h。

圖4 浸種時間對黃槐決明種子相對發芽率（a）和相對發芽勢（b）的影響Figure 4 Effect of soaking time on the relative germination rate (a) and relative germination potential (b)of C. surattensis

2.2 不同處理對幼苗生長的影響

2.2.1 不同處理對豬屎豆幼苗生物量的影響

表1顯示未經浸種處理的豬屎豆幼苗平均苗長為3.39 cm，除赤霉素浸種12 h苗長大于對照組，其余幼苗苗長均低于對照組。浸種12、24、36 h后種子根冠比均低于空白對照組，其中赤霉素浸種12 h所得豬屎豆幼苗苗長最長，為3.5 cm，比對照組長0.11 cm，苗長最短的處理為蒸餾水浸種12 h為2.99 cm，比對照組短0.4 cm，但各處理組對于苗長的促進或抑制效果并不顯著。不浸種處理的平均胚根長為0.69 cm，平均胚根數為1.67，赤霉素浸種 12 h平均胚根長最長為 0.92 cm比對照組長0.23cm且差異顯著（P=0.026），但胚根數為1.44最少，相反蒸餾水浸種24 h生根數量最多，但胚根長最短。對照組鮮質量為 68.11 mg、干質量為7.3 mg，除蒸餾水浸種12 h所得幼苗鮮質量、干質量高于對照組，其余處理均低于處理組，因此認為浸種處理會對幼苗生物量產生抑制作用，其中相同的浸種時間下，赤霉素浸泡處理的抑制效果更為明顯。對照組的根冠質量比為0.47，除赤霉素浸種36 h根冠比高于對照組，其他處理與對照組持平或略低于對照組，但抑制效果并不顯著。總體來看，赤霉素浸種對豬屎豆幼苗生物量促進效果不明顯，但赤霉素浸種12 h處理后對豬屎豆種子胚根長有明顯促進作用。

表1 不同處理對豬屎豆幼苗生物量的影響Table 1 Effect of different treatments on the seedling biomass of C. pallida

2.2.2 不同處理對黃槐決明幼苗生物量的影響

未經浸種處理的黃槐決明幼苗苗長為3.19 cm，除蒸餾水浸種12、24 h苗長低于對照組外，其余處理苗長均高于對照組，其中黃槐決明幼苗苗長最長的處理組為赤霉素浸種36 h，苗長為4.29 cm，比對照組長1.1 cm，最短的處理為蒸餾水浸種24 h，為2.9 cm。表2顯示對照組胚根長為1.39 cm，胚根數為1.63，所有處理組幼苗的胚根長均顯著高于對照組（P=0.004），其中赤霉素浸種24 h幼苗胚根長最長，為1.78 cm、蒸餾水浸種24 h胚根數最多，為2.16。不浸種處理的種子幼苗鮮質量為66.42 mg，干質量為10.95 mg，除蒸餾水浸種24 h幼苗干質量低于對照組外，其余處理組幼苗的鮮質量（P=0.013）以及干質量（P=0.082）高于空白對照組。鮮質量最高的處理為赤霉素浸種 36 h，鮮質量為109.44，比對照組高43.02。赤霉素浸種12 h干質量最高，為14.07。黃槐決明對照組根冠比為0.23，除蒸餾水浸種12、24 h根冠比低于對照組，其余處理組均高于對照組，根冠比最高的處理為蒸餾水浸種36 h，為0.28。總體來看，赤霉素浸種對黃槐決明幼苗生物量有一定促進作用，其中赤霉素浸種36 h處理后對黃槐決明苗長有明顯促進作用、赤霉素浸種 24 h處理后對黃槐決明胚根長有明顯促進作用、浸種12、24 h對黃槐決明種子鮮質量、干質量都有促進作用。

表2 不同處理對黃槐決明幼苗生物量的影響Table 2 Effect of different treatments on the seedling biomass of C. surattensis

3 結論與討論

3.1 結論

通過分析各浸種處理對豬屎豆、黃槐決明種子萌發指標的影響，結果表明適當地浸種可以有效的促進豬屎豆、黃槐決明的發芽率、發芽勢。對于豬屎豆種子，赤霉素浸種比蒸餾水浸種對于促進發芽的效果更顯著，對于黃槐決明種子，赤霉素浸種與蒸餾水浸種對發芽率、發芽勢均有促進作用。總體來說赤霉素浸種能有效促進種子萌發，200 mg·L-1赤霉素浸種12 h的發芽率、苗長、根長等指標反饋最好，最佳的浸種時長宜為12 h，但隨著浸種時間延長，促進發芽的效果呈現先降后升趨勢。而蒸餾水浸種和赤霉素浸種均能促進黃槐決明種子萌發，赤霉素最佳的浸種時長為24 h，隨著浸種時間延長，促進發芽的效果呈現降低趨勢。通過對豬屎豆、黃槐決明各處理的生物量指標來看，浸種處理對于豬屎豆幼苗在苗長有抑制作用，但在根長、根數還是以促進效果為主。在相同浸種時間下，赤霉素對黃槐決明幼苗苗長、根長、根冠比等都有促進作用。試驗表明赤霉素適當浸種可提高豬屎豆和黃槐決明兩種礦區修復先鋒植物種子萌發指標，但對種子幼苗生物量的促進作用不明顯。

3.2 討論

3.2.1 赤霉素浸種對豬屎豆的影響

采用赤霉素浸種處理后豬屎豆（C. pallida）種子發芽率相比對照組都有所提高，發芽率最高的處理為赤霉素浸種12 h，比不浸種提高23.30%，相較蒸餾水浸種處理提高15.80%。與陳慧等（2014）研究結果趨勢總體一致，200 mg·L-1赤霉素浸種12 h可視為促進豬屎豆種子萌發的最佳參數。赤霉素是解決種子硬實問題常用的外源激素，可促進種子萌發和根莖葉伸長，能夠激活種子細胞以及多種水解酶，從而有效打破種子休眠、促進新陳代謝和其他酶的合成，與擦破種皮、添加其它外源激素等方式相比，能夠更快更好的萌發（黃鏡瑜等，2021）。采用200 mg·L-1赤霉素浸種豬屎豆種子12、24、36 h處理后的發芽率、發芽勢、發芽指數、苗長等數據均高于對照組，總體來說赤霉素浸種對豬屎豆種子萌發都有一定促進作用，這與以往研究結果一致。赤霉素浸種對豬屎豆幼苗生物量促進效果不明顯，只有浸種12 h的處理對豬屎豆種子的苗長和根長有一定的促進作用，選用赤霉素作為豬屎豆的浸種劑時，需要更加注意劑量和時間的選取。

3.2.2 赤霉素浸種對黃槐決明的影響

黃槐決明（C. surattensis）作為南方礦區常見綠化植物，具有一定的抗逆性和觀賞價值，十分適宜作為礦區修復植物品種。目前未見對黃槐決明種子發芽的研究，但針對同屬植物鈍葉決明（C.obtusifolia）則有少量研究。張春平等（2010）研究表明適宜濃度赤霉素浸種 24 h可有效解決決明種子硬實問題，金正律（2009）研究表明選用 300 mg·L-1赤霉素對決明浸種24 h發芽率最高。本試驗以200 mg·L-1赤霉素對黃槐決明浸種處理，與決明的研究結果趨勢一致，赤霉素浸種后相關萌發指數都有明顯增長，其中浸種24 h后種子萌發和活力等指標相比蒸餾水浸種處理要高，種子發芽率較不浸種處理提高34.16%，比蒸餾水浸種提高6.66%，赤霉素對黃槐決明種子萌發有一定促進效果，但其他處理則與蒸餾水浸種相當或較低，說明蒸餾水浸種亦有促進效果。研究表明赤霉素浸種對決明種子促萌發和幼苗生長效果比1-萘乙酸、6-芐氨基嘌呤等其它種類外源激素要好（朱霞等，2010），本試驗采用赤霉素浸種后苗長、胚根長等指標均高于對照，其中赤霉素浸種36 h后對黃槐決明苗長和根長的促進效果最好，與朱霞等（2010）對決明種子的研究結果較為相近。

3.2.3 對礦區植物生態修復的指導意義

采用豆科植物開展礦區生態修復時，為促進修復植物快速萌發和生長，可采用外源激素浸種，采用赤霉素浸種則較人工擦破種皮、清水浸種、其它試劑都更為有效，能夠起到節約工期和成本的作用。本次供試的豬屎豆、黃槐決明在赤霉素浸種處理適宜時間后，都表現出較好的萌發效率。但浸種時間對種子萌發的影響會有較大差異，目前還沒有統一的認識，除了外源激素劑量有明顯影響外，還和受試種子品種、質地、產地等都有一定的關聯性。浸種達到適宜時間后再繼續浸泡，可能會出現一定的抑制作用，供試的黃槐決明種子最佳浸種時間在24 h，浸種36 h萌發指標則會下降。而豬屎豆種子則呈現先降后增的趨勢，最佳浸種時間為12 h，但浸種36 h較24 h萌發指數要高，可能在浸種超24 h后種皮受到損傷后更易發芽，有研究設置7個浸種時間考察濕地松種子活力的影響中呈現由低到高再到低的趨勢（馬宏倫等，2018），與本試驗豬屎豆表現的發芽趨勢一致。在工程實踐中，可設計更加優化的浸種時間梯度試驗，以精確選擇浸種試劑、劑量和時間。

本試驗表明隨著浸種時間的延長，對豬屎豆幼苗的生物量促進效果不再明顯，赤霉素浸種24、36 h后豬屎豆幼苗苗長低于對照組，表明浸種超過適宜時間總體上不利于豬屎豆幼苗生長，可能是由于較長時間的浸泡，發生的無氧發酵使種子內部產生酸性物質，抑制了幼苗的伸長，另外對不同植物種類的影響規律也會有所差異。而赤霉素浸種對黃槐決明幼苗苗長、根長和生物量的影響總體上呈現促進作用，其中浸種12 h對黃槐決明幼苗鮮質量提升作用最大，與王紅俊等（2014）研究認為浸種處理可以提高幼苗的鮮質量一致。所以在實踐上應綜合考慮赤霉素促生長效果和經濟成本，以合理控制不同浸種劑的浸種時間，如針對黃槐決明可采用蒸餾水浸種12 h來代替赤霉素浸種24 h，可節約工程成本和工期。