施氮期和收獲期對羊草種子產量及質量的影響

潘多鋒，張瑞博，李道明，高 超，王建麗，申忠寶，李佶愷，張 睿，張舉梅

（黑龍江省農業(yè)科學院草業(yè)研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

羊草(Leymus chinensis)為多年生根莖型禾本科草本植物，是我國北方草原的優(yōu)質牧草。具有很強的耐寒、抗旱及耐鹽堿能力，是退化、鹽堿化草地改良和植被恢復的重要牧草[1-3]。羊草適口性好，營養(yǎng)價值豐富，素有“牧草中的細糧”之稱，被列為國家牧草產業(yè)技術體系“十二五”和“十三五”長期規(guī)劃牧草之一[4]。然而，在自然狀態(tài)下，羊草的有性繁殖能力弱，種子產量和質量低下，嚴重制約了羊草產業(yè)的發(fā)展[5]。針對羊草種子生產的問題，學者們從自然影響因素、品種選育和栽培管理等方面進行了大量研究。楊允菲等[6]提出前一年秋季低溫、多雨和少光照的氣候有利于第二年羊草種子產量的積累；潘多鋒等[4-5]、馬甜等[7]報道了采用誘變、雜交等育種技術選育種子產量高、質量優(yōu)的羊草新品種或遺傳材料。楊允菲[8]發(fā)現(xiàn)施入60 kg·hm-2的過磷酸鈣能夠顯著提高羊草的結實率，但孕穗后施肥降低結實率和千粒重。Wang等[9]指出當年施氮對羊草抽穗數(shù)量沒有影響，但能顯著提高結實率和千粒重。申忠寶等[10]研究表明返青期施氮肥顯著提高羊草的千粒重和種子產量。王俊鋒等[11]也提出，施用氮肥和鉀肥可通過提高羊草種群的結實數(shù)和結實率來增加種子產量。然而，有關施氮時期對羊草種子產量和質量影響的研究較少，并且所得出的結論各不相同[8,10-12]。此外，施氮期與收獲期對羊草種子產量和質量的影響尚未見報道。本研究分析不同施氮期及收獲期對羊草種子產量、質量(千粒重和發(fā)芽率)的影響，以期明確羊草種子生產時的最佳施氮期和收獲時間，為羊草高產優(yōu)質種子生產提供科學依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

本研究在黑龍江省農業(yè)科學院民主示范區(qū)內完成，地處哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)(44°04'-44°06' N，125°41'-125°44' E)。該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風氣候，冬長夏短，平均海拔151 m。年均日照時數(shù)2 900 h，年平均降水量426.9 mm，年平均氣溫3.1 ℃，≥ 10 ℃活動積溫2 546.2 ℃·d，無霜期150 d。土壤為黑土，土壤有機質含量3.27%～4.60%，pH 6.80～6.87。試驗地為2010年建植的羊草草地，羊草品種為“農菁4號”。建植時采用條播，行距為65 cm，播種量22.5 kg·hm-2。試驗時間為2011-2013年，試驗地5 - 10月的平均氣溫和降水量如圖1所示。

圖 1 試驗地2011-2013年5-10月平均溫度和降水量Figure 1 Average monthly temperature and precipitation from May to October of 2011, 2012,and 2013 in the experimental region

1.2 試驗設計

試驗采用兩因素(施N期和種子收獲期)隨機區(qū)組設計。施N期設置4個水平，分別為不施肥(A1)、前一年秋季施肥(9月20日，A2)、當年春季施肥(5月10日，A3)和當年分次施肥(秋季和春季各施一次，每次的施肥量為總量的50%，A4)。綜合前人的研究結果[10,13]，總施N量為90 kg·hm-2，N肥為尿素(含氮量46%)。種子收獲期設置9個水平，分別為盛花期后21、24、27、30、33、36、39、42和45 d收獲，分別記做B1、B2、B3、……、B9。試驗共36個處理，每處理3次重復。每重復小區(qū)面積24 m2(4 m × 6 m)，小區(qū)間隔1.5 m，區(qū)組間隔為2.0 m。秋季施肥在2011年進行，春季于2012年完成，2013年不施肥。2012年羊草的返青期為4月17日，孕穗期是5月22日，盛花期為6月13日，完熟期是7月19日。2013年返青期為4月22日，孕穗期是5月26日，盛花期為6月18日，完熟期是7月21日。

1.3 測定項目與方法

種子產量：按照試驗設置的種子收獲時期，2012和2013年在各處理小區(qū)中隨機選取3個1 m ×1 m的樣方，收獲樣方內的種子后進行風干、清選并稱重，計算單位面積種子產量。

抽穗率和結實率：羊草種子產量主要取決于抽穗率和結實率[9-13]，因此，本研究主要調查不同施肥期處理下的抽穗率和結實率，調查時間為盛花期后25 d。抽穗率調查方法：在各處理小區(qū)內隨機選取3個0.5 m × 0.5 m的樣方，調查樣方中羊草的密度和抽穗植株的數(shù)量，并計算抽穗率[11]。抽穗率 = 抽穗植株/密度 × 100%。結實率調查方法在每小區(qū)隨機剪取30個完整的穗(為避免邊際效應，邊界1 m內不取樣)，重復3次，調查每穗小花數(shù)和結實的籽粒數(shù)。結實率 = 結實粒數(shù)/小花數(shù) × 100%[11]。

千粒重：種子風干(收獲后一周)、清選后，數(shù)100粒種子，重復5次，稱重量，計算千粒重。

發(fā)芽率：8月底室內測定發(fā)芽率。采用濾紙培養(yǎng)皿法，3次重復，每重復50粒飽滿種子，發(fā)芽溫度16 ℃/28 ℃，12 h黑暗/12 h光照，發(fā)芽時間為20 d[4-5]。發(fā)芽率 = 發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù) × 100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 10.0作圖，SPSS 16.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。采用一般線性混合效應模型(generalized linear mixed effect models，GLMMs)，施N期和收獲期作為固定因素(fixed factors)，區(qū)組作為隨機因素(random factor)，年份作為協(xié)變量(covariate)，分析實驗處理對羊草抽穗率、結實率、種子產量、發(fā)芽率以及千粒重的影響，LSD進行多重比較。

2 結果與分析

2.1 施N期對羊草抽穗率、結實率和種子產量的影響

2012和2013年在4個施肥期處理中，A4處理的抽穗率、結實率和種子產量基本上均顯著高于其他3個處理(P ＜ 0.05) (表1)。2012年A4處理的抽穗率、結實率和種子產量分別比對照(A1)高39.1%、37.7%和41.7%，2013年分別是對照的1.57、1.53和1.51倍。2012和2013年A2處理的抽穗率、結實率和種子產量顯著高于對照(P ＜ 0.05)。2012年，A3處理的抽穗率與對照沒有差異(P ＞ 0.05)，而2013年顯著高于對照(P ＜ 0.05)，這表明施氮肥對第2年的抽穗率有一定的正效應。在4個處理中2012年抽穗率和結實率高于2013年，但種子產量卻低于2013年。此外，在2013年所有施肥處理的種子產量顯著高于對照 (P ＜ 0.05)。

表 1 2012和2013年不同施氮期對種子產量、抽穗率和結實率的影響Table 1 Effects of nitrogen application times on the seed yield, heading rate, and seed setting rate in 2012 and 2013

2.2 施N期對羊草種子發(fā)芽率和千粒重的影響

施N期對羊草種子的發(fā)芽率和千粒重的影響基本相似(圖2)。在試驗期內，A2和A4處理的發(fā)芽率和千粒重均顯著高于A1(P ＜ 0.05)，A3處理略高于A1(P ＞ 0.05)。2012年，3個施肥處理間(A2、A3、A4)的發(fā)芽率和千粒重沒有差異，發(fā)芽率最大的是A2處理，千粒重最大的則是A4處理(圖2)。2013年A3與A4間的發(fā)芽率和千粒重差異顯著(P ＜ 0.05)，A3與A2間的發(fā)芽率差異不顯著，但千粒重差異顯著 (P ＜ 0.05) (圖 2)。

2.3 收獲期對羊草種子產量的影響

圖 2 施肥期對羊草種子發(fā)芽率及千粒重的影響Figure 2 Effects of N application time on seed germination rate and thousand-seed weight over the two experimental years圖中不同小寫字母表示同一年內不同施肥期處理間差異顯著(P ＜ 0.05)。Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among different N application time treatments in the same year at the 0.05 level.

表 2 2012和2013年收獲期對種子產量的影響Table 2 Effects of harvest times on seed yield in 2012 and 2013 kg·hm-2

2012與2013年不同收獲期內羊草種子產量的變化規(guī)律基本相似，均表現(xiàn)為隨著收獲時間的延后呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(表2)。兩個年份內種子產量從盛花后27 d開始顯著增加(P ＜ 0.05)，在33 d達到最大值，且顯著高于其他收獲時間(P ＜0.05)。以兩年施肥期A4處理為例，盛花后33 d種子產量分別為130.5和173.2 kg·hm-2。盛花后21～33 d，種子產量日增加分別為5.7和8.2 kg·hm-2；33～45 d，種子產量日減少2.7和4.8 kg·hm-2。方差分析結果表明，羊草種子千粒重受施肥期、收獲期以及兩者交互作用的顯著影響(表3)。年份對羊草種子產量的影響極顯著(P ＜ 0.01)，并且與施肥期、收獲期存在顯著的互作(P ＜ 0.05)。

2.4 收獲期對羊草種子發(fā)芽率和千粒重的影響

收獲期處理對羊草種子發(fā)芽率有極顯著影響(P ＜0.01) (表3)，而施肥期處理對發(fā)芽率影響不大(P ＞0.05)。此外，試驗年份也對發(fā)芽率有顯著影響(P ＜0.05)。施肥期、收獲期和年份三者的互作不顯著(P ＞ 0.05) (表3)。兩個年份內盛花期后21～33 d的羊草種子發(fā)芽率隨收獲時間的延長而增加(P ＜ 0.05)，33 d后基本趨于穩(wěn)定(表4)。

不同收獲期內羊草種子千粒重的變化規(guī)律基本與發(fā)芽率一致，在所有處理中種子千粒重均在盛花后33 d達到最大值(表5)。方差分析結果表明，收獲期和施肥期對羊草種子千粒重影響顯著，其中，收獲期處理達到極顯著水平(P ＜ 0.01) (表3)。2012和2013年在每個收獲時期A4處理的千粒重最大。不同年份間種子千粒重變化不大，但施肥期和收獲期的互作對千粒重影響極顯著(P ＜ 0.01) (表3)。

表 3 羊草種子產量、發(fā)芽率和千粒重的方差分析Table 3 ANOVA analyses of seed yield, germination rate, and thousand seed weight of Leymus chinensis

表 4 2012和2013年不同收獲期的種子發(fā)芽率Table 4 Germination rate of seeds harvested at different time in 2012 and 2013%

表 5 2012和2013年不同收獲期的種子千粒重Table 5 Thousand-seed weight of seeds harvested at different time in 2012 and 2013 g

3 討論

3.1 施N期對羊草種子產量及質量的影響

氮素是決定植物籽粒產量最為重要的營養(yǎng)元素之一[14]，施氮肥對羊草種子產量具有明顯的促進作用。申忠寶等[10]研究發(fā)現(xiàn)施氮處理羊草種子的平均產量達到109.3 kg·hm-2，比未施肥處理增產59.8%。王俊峰等[11]也指出盛花期施氮肥后羊草種子產量為51.64 kg·hm-2，是未施肥處理的2.2倍。與上述研究結果一致，本研究得出施肥后羊草種子產量顯著增加，施肥后平均種子產量為118.8 kg·hm-2，是未施肥處理的1.44倍。另外，本研究中的種子產量數(shù)據(jù)與王俊峰等[11]的結果相差很大，這可能與所選用試驗材料本身特性不同有關，且其研究的羊草草地建植時間較長(6齡栽培草地，2000年種植，試驗時間為2006年)，羊草已過最佳生長期[1,3]。氮肥對植物種子生產的影響因施肥時間不同而有較大的變化[15]。Hasegaw等[16]在研究氮肥對水稻(Oryza sativa)產量貢獻率時指出，與其他施氮時期相比，在開花前10-15 d施氮能夠改變水稻籽粒C、N的源-庫關系，并對水稻的最終產量起決定性作用。無芒雀麥(Bromus inermis)在夏季末施氮肥比春季施氮肥的種子增產效果顯著，春季和秋季分次施氮的種子產量最高，并且顯著增加種子千粒重和種子數(shù)/花序[17]。Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)：當年春季早期施氮肥能夠提高羊草的結實粒數(shù)和結實率，進而顯著增加羊草的種子產量。本研究表明，不同時期施氮對羊草種子產量以及其影響因素(抽穗率和結實率)不同。當年春季施肥對羊草產量影響不大，主要是由于抽穗率變化不大。在設置的3個施肥期中分次施肥(A4)的增產效果最明顯，2013年的種子產量、抽穗率和結實率都顯著高于其他施肥處理。此外，本研究中2012年抽穗率和結實率高于2013年，但種子產量卻低于2013年，這可能由于2011年秋季降水多有關，上年秋季多雨會增加單位面積內的生殖枝密度[6]。

在種子生產過程中，氮肥對植物種子質量有著一定的影響[18]，氮肥能夠提高紫花苜蓿(Medicago sativa)[19]、高羊茅(Festuca arundinacea)[20]、蘇丹草(Sorghums udanens)[21-22]等的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等。馬春暉等[20]指出，施氮能夠顯著增加種子磷酸酯酶和脫氫酶的活性，從而使得其活力增加，發(fā)芽率增加。諸多研究已經證實施氮肥能夠顯著增加植物代謝物質向生殖器官的轉移和積累，這一過程可增加植物的飽滿度和千粒重[20,23]。與大多數(shù)研究相似，本研究發(fā)現(xiàn)春季施氮和分次施氮能夠顯著提高羊草種子的發(fā)芽率和千粒重。根據(jù)試驗結果，建議黑龍江地區(qū)生產羊草種子時，在上年秋季和當年春季各施45 kg·hm-2的氮肥可獲得較高的種子產量和質量。

3.2 羊草種子收獲的最佳時期

植物種子在成熟過程中，各種元素、營養(yǎng)物質不斷積累，致使種子在形態(tài)和生理上產生一系列的變化[24-25]。此外，許多植物都存在著花期長、抽穗不齊的現(xiàn)象，在不同的發(fā)育階段，種子質量及實際產量等差異很大[26-27]。收獲時間過早，種子成熟度低、活力弱、質量較差；相反，收獲過晚營養(yǎng)物質下降，還會因落粒等造成一定程度的減產[28]。因此，把握種子收獲的最佳時期對獲得高產、優(yōu)質的種子具有重要的實踐價值。大多數(shù)的研究通過種子顏色、含水量、種子活力等來確定種子最適宜的收獲時間。Andrade等[29]指出高羊茅種子在含水量35%～41%時收獲具有最高產量，并且此時種子的干重和發(fā)芽率最高。徐榮和韓建國[30]研究發(fā)現(xiàn)，高羊茅種子活力與成熟度密切相關，成熟度越高活力越強。結合含水量以及種子產量等指標確定了高羊茅種子最佳收獲時期為盛花后23-31 d。謝國平等[31]研究認為，西藏野生垂穗披堿草(Elymus nutans)種子的最佳收獲時間為盛花后28-31 d，此時活力處于很高水平，種子干重和種子產量接近最高值。藺吉祥和穆春生[12]研究發(fā)現(xiàn)，建植9年的吉生一號羊草在盛花后33 d，其種子的千粒重達到最大值。種子發(fā)芽率和抗老化能力則在盛花后39 d最大，因此提出在盛花后39 d及時收獲可以獲得最高品質與產量的羊草種子。另外，收獲過晚，種子落粒造成產量下降問題也十分突出[32]。本研究發(fā)現(xiàn)：在盛花后33 d，羊草種子的千粒重基本恒定，33 d的實際產量顯著高于其他收獲時期，該時期相對應的發(fā)芽率也基本達到最大值。本研究與藺吉祥和穆春生[12]結果不同的原因可能是研究的羊草品種、羊草的生長年限以及試驗地點不同。本研究建議在黑龍江地區(qū)生產羊草種子時，在盛花后33 d及時收獲，羊草種子的產量最高、質量最佳。