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(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧 810016)

黃花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge)為豆科多年生草本植物，是我國(guó)西部草場(chǎng)危害最為嚴(yán)重的毒害草之一，具有很強(qiáng)的抗旱、抗寒、耐鹽堿能力且繁殖能力強(qiáng)[1]。同時(shí)，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?chē)参锏纳L(zhǎng)并建立有利于自身群落的土壤微環(huán)境[2]，增強(qiáng)自身的競(jìng)爭(zhēng)力，形成以毒草為優(yōu)勢(shì)種的劣質(zhì)草場(chǎng)，降低草地的利用率。其次，黃花棘豆中所含的生物堿會(huì)對(duì)反芻動(dòng)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(dòng)物采食后會(huì)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(lái)?yè)p失。目前，針對(duì)黃花棘豆在天然草場(chǎng)中的危害狀況已經(jīng)開(kāi)展了防除方面的研究，其中化學(xué)防除是較為常見(jiàn)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(chǎng)上徹底清除[10-14]。原因可能是此類(lèi)方法主要針對(duì)于黃花棘豆植株，而對(duì)散落在土壤中的種子影響較小。黃花棘豆主要依靠種子進(jìn)行擴(kuò)繁，實(shí)生苗生長(zhǎng)第2年即可開(kāi)花結(jié)實(shí)。因此，針對(duì)黃花棘豆滅除后的復(fù)發(fā)現(xiàn)象，開(kāi)展黃花棘豆種子的萌發(fā)特征和影響因素的研究對(duì)于了解黃花棘豆種群的重建和草地群落動(dòng)態(tài)具有重要意義。

對(duì)于黃花棘豆種子的研究，主要集中在種子化學(xué)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(duì)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(duì)黃花棘豆種子萌發(fā)率的影響還少見(jiàn)報(bào)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(duì)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(duì)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(mén)源縣皇城鄉(xiāng)天然放牧草地，自然晾干后挑選籽粒飽滿(mǎn)的種子保存于通風(fēng)干燥處以備用。

1.2 試驗(yàn)方法

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

1.2.2試驗(yàn)處理 試驗(yàn)設(shè)有以下3個(gè)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(yàn)：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(duì)照組。試驗(yàn)組和對(duì)照組均設(shè)5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)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(gè)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(qiáng)度為80%，光照時(shí)間設(shè)為14 h光照/10 h黑暗[20]。

1.3 測(cè)定指標(biāo)與方法

種子萌發(fā)以胚根伸出種皮2 mm為標(biāo)準(zhǔn)，每24 h記錄1次，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)，并于試驗(yàn)的第30天按照《牧草種子檢驗(yàn)規(guī)程GB/T2930-2011》[22]計(jì)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(shí)率等。其中，發(fā)芽率GP=萌發(fā)的種子數(shù)/試驗(yàn)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(yīng)的萌發(fā)日數(shù))；霉變率=萌發(fā)過(guò)程中霉變的種子數(shù)/試驗(yàn)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(shí)率=硬實(shí)種子數(shù)/試驗(yàn)用種子數(shù)×100%。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

采用Microsoft Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)整理和繪圖，發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、硬實(shí)率、發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間的差異性分析采用SAS進(jìn)行方差分析。數(shù)據(jù)表示為平均值±標(biāo)準(zhǔn)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(duì)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(dá)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(shì)；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(duì)應(yīng)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(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)上的意義，本文未作進(jìn)一步的探討。

表1 培養(yǎng)溫度對(duì)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(shí)(15℃/5℃、10℃、10℃/5℃)，黃花棘豆種子發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間較長(zhǎng)，硬實(shí)率較高，最長(zhǎng)發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間為22.3 d，硬實(shí)率最高達(dá)97.2%；當(dāng)溫度較高時(shí)(25℃、20℃、15℃)，發(fā)芽時(shí)間較短，4～5 d即可發(fā)芽，同時(shí)，種子硬實(shí)率較低，最低為79.2%(表1)?？傮w表現(xiàn)為，隨著溫度的上升，種子發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間顯著縮短，種子硬實(shí)率顯著降低，但變溫可以明顯推遲種子發(fā)芽的開(kāi)始時(shí)間。

2.2 前期處理對(duì)黃花棘豆種子萌發(fā)的影響

2.2.1前期處理對(duì)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(duì)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(duì)照相當(dāng)，僅當(dāng)培養(yǎng)溫度為10℃時(shí)，冷水浸種可促進(jìn)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(shì)更為明顯；在培養(yǎng)溫度較高時(shí)，發(fā)芽前低溫處理組的種子平均發(fā)芽率略高于對(duì)照組；在培養(yǎng)溫度較低時(shí)(15℃/5℃、10℃/5℃和10℃)，處理組的發(fā)芽率低于對(duì)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(duì)黃花棘豆的發(fā)芽指數(shù)無(wú)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(duì)照組，且冷水浸泡對(duì)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(duì)照組(圖2)。

圖1 不同發(fā)芽前處理方法對(duì)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(duì)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(duì)黃花棘豆種子發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間及硬實(shí)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(kāi)始時(shí)間。低溫處理降低黃花棘豆的發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間；冷水浸種在溫度較高時(shí)(25℃、20℃)降低黃花棘豆的發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間，在溫度較低時(shí)(15℃、10℃)延長(zhǎng)黃花棘豆的發(fā)芽開(kāi)始時(shí)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(kāi)始時(shí)間，而低溫對(duì)黃花棘豆的發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間影響不大。分析表明，變溫培養(yǎng)條件下僅當(dāng)溫度為25℃/5℃時(shí)，不同前處理方式下種子萌發(fā)起始時(shí)間差異顯著，而其他溫度下均無(wú)顯著差異(圖3)。

圖3 不同發(fā)芽前處理方式對(duì)黃花棘豆發(fā)芽開(kāi)始時(shí)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(duì)黃花棘豆種子硬實(shí)率無(wú)顯著影響，但在同一溫度下，未經(jīng)處理種子的硬實(shí)率均略低于處理后的種子硬實(shí)率。

圖4 不同發(fā)芽前處理方式對(duì)黃花棘豆硬實(shí)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(duì)黃花棘豆萌發(fā)的影響

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

表2 培養(yǎng)溫度與發(fā)芽前處理對(duì)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(jī)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(jìn)行種群延續(xù)的重要過(guò)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(guò)間接調(diào)節(jié)種子休眠影響種子萌發(fā)[36]。本試驗(yàn)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(duì)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(duì)應(yīng)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(shì)。種子萌發(fā)對(duì)溫度的反應(yīng)機(jī)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(jī)率，保證種群延續(xù)。但是，相關(guān)的研究也表明，對(duì)于大部分物種來(lái)說(shuō)，變溫更有利于種子的萌發(fā)[37-39]；也有學(xué)者認(rèn)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?yàn)辄S花棘豆種子為休眠性很強(qiáng)的種子，溫度的變化對(duì)種皮影響較小，不能很好的打破休眠，因而不能促進(jìn)其發(fā)芽。因此，對(duì)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(jī)會(huì)較小，不利于黃花棘豆快速建立種群和擴(kuò)繁。但是，黃花棘豆種子的強(qiáng)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(kuò)散的機(jī)會(huì),例如，王生耀等[42]的研究表明棘豆屬種子經(jīng)過(guò)5～6年后依然具有一定的活力。

本試驗(yàn)比較了低溫處理和冷水浸種對(duì)黃花棘豆種子發(fā)芽的影響，結(jié)果表明2種處理方法對(duì)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(shí)，預(yù)冷對(duì)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(yàn)也表明雖然發(fā)芽前低溫處理對(duì)于黃花棘豆發(fā)芽率的影響不顯著，但在溫度較高時(shí)，其種子平均發(fā)芽率高于對(duì)照組。整體上，黃花棘豆種子萌發(fā)對(duì)低溫和冷水浸種2種處理方式響應(yīng)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(duì)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(huì)對(duì)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(dá)98%[8]。但是，黃花棘豆種子產(chǎn)量大、硬實(shí)率高，在土壤中可以存活較長(zhǎng)時(shí)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(dá)萬(wàn)粒以上[2]，并且黃花棘豆種子具有很高的硬實(shí)率，該特點(diǎn)可以保護(hù)種子在不適宜的條件下延遲或分散萌發(fā)，進(jìn)而提高成活和傳播的機(jī)會(huì)[43-44]。本研究表明，黃花棘豆的硬實(shí)率高達(dá)97.2%，因此，對(duì)于天然草地黃花棘豆植株防除后，土壤中種子庫(kù)的萌發(fā)特性和發(fā)生機(jī)制還需要進(jìn)一步深入的研究。

4 結(jié)論

通過(guò)比較不同培養(yǎng)溫度及不同預(yù)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(duì)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(duì)應(yīng)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(duì)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(shí)影響較小而溫度較低時(shí)影響較大，例如在10℃時(shí)，低溫處理降低發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)，減少發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間而冷水浸種促進(jìn)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(shí)影響較大而溫度較低時(shí)影響較小，當(dāng)溫度為25℃/5℃時(shí)，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(kāi)始時(shí)間，而其他溫度下則無(wú)顯著差異。

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