環(huán)境因子對云南扁穗雀麥種子萌發(fā)和出苗的影響

張敏，NIPAPAN Kanjana，李銣，傅楊，湯東生

（云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南生物資源保護(hù)與利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明650201）

雀麥（Bromusspp.）屬于禾本科（Poaceae）多年生或一年生草本植物。據(jù)中國植物志記載，全世界雀麥屬植物有約250 種，我國約有70 多個(gè)種。雀麥分布極廣，遍布于世界溫帶和熱帶高海拔地區(qū)，為天然草地和人工牧場中利用價(jià)值高的牧草資源［1］。由于雀麥具有抗旱、抗寒和抗病蟲等優(yōu)良特性，近年來隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，無芒雀麥（B. inermis）［2-5］、扁穗雀麥（B. catharticus）［3，6-8］和旱雀麥（B. tectorum）［4，9-10］等牧草種類在我國已廣泛種植。牧草逃逸到農(nóng)田就可能會(huì)變成雜草。雀麥入侵到農(nóng)田成為危害性雜草的報(bào)道可追溯到100 多年前由歐洲傳入到美洲的旱雀麥［11］。從20 世紀(jì)50 年代開始，全球有關(guān)雜草雀麥的報(bào)道越來越多，報(bào)道最多的仍是旱雀麥，雙雄雀麥（B. diandrus）［12-13］、硬雀麥（B. rigidus）［14］、貧育雀麥（B. sterilis）［15］、無芒雀麥［16］等種類也有報(bào)道。對雀麥雜草的研究內(nèi)容涉及生物學(xué)［16-18］、危害性［19-20］、競爭性［21-23］、防治［24-26］、抗藥性［27-29］等。我國自 1986 年報(bào)道雀麥危害［30］以來，在我國北方農(nóng)田傳播擴(kuò)展蔓延很快，成為麥田重要的惡性雜草。據(jù)維基百科報(bào)道，由于雀麥屬植物與小麥族（Triticeae）小麥屬（Triticum）和大麥屬（Hordeum）植物有很相近的親緣關(guān)系（linkage），在抽穗之前與大、小麥極其相似，在田間一般不易被發(fā)現(xiàn)，很難防治。扁穗雀麥曾作為一種優(yōu)質(zhì)牧草在云南廣泛種植，由于云南大多數(shù)區(qū)域低緯度高海拔產(chǎn)生的溫暖氣候使扁穗雀麥表現(xiàn)周年生長繁殖的現(xiàn)象，近年來在綠化帶、次生荒地、田間快速擴(kuò)張繁殖，成為潛在田間惡性雜草。其外形與麥類作物高度相似，防治比較困難，因此有必要開展雀麥的生物生態(tài)學(xué)研究，旨在為扁穗雀麥的精準(zhǔn)防治措施制定科學(xué)依據(jù)。

種子萌發(fā)是雜草入侵農(nóng)田和危害作物的前提條件。氣候、土壤等因子均會(huì)對雜草種子萌發(fā)產(chǎn)生影響。Beckstead 等［31］的研究發(fā)現(xiàn)，采自5 個(gè)不同區(qū)域的旱雀麥種子均能在5/15 ℃至20/30 ℃晝夜溫差的溫度環(huán)境中萌發(fā)。也有研究表明，15 ℃黑暗條件下培養(yǎng)的貧育雀麥種子發(fā)芽率高，而紅光處理卻抑制種子的萌發(fā)［32］。還有研究表明，提高空氣中的CO2濃度也可提高直立雀麥（B. erectus）種子萌發(fā)率［33］。雖然也有少量文獻(xiàn)報(bào)道了部分環(huán)境因子對扁穗雀麥種子萌發(fā)的作用［2-5］，但這些研究均只是部分揭示環(huán)境因子對種子萌發(fā)的效應(yīng)，缺乏系統(tǒng)性的研究。而云南這種高海拔低緯度生長的扁穗雀麥群體種子的萌發(fā)規(guī)律是否具備區(qū)域性、獨(dú)特性有待明確。本研究擬從雜草生態(tài)學(xué)的角度，研究溫度、濕度、pH、鹽、滲透勢等環(huán)境因子對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響規(guī)律，旨在為扁穗雀麥的綜合防治措施的制定提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料采集

扁穗雀麥種子于2015 年9 月采集于云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)后山荒地，分批次收集成熟發(fā)黃的穗子帶回實(shí)驗(yàn)室，自然風(fēng)干1 個(gè)月左右，而后去除穎殼，混合后裝袋，室溫保藏2 個(gè)月破除休眠后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 溫度試驗(yàn) 將購置的石英砂（粒徑≤2 mm 用清水沖洗3 遍，在120 ℃烘箱中烘足3 h，冷涼后精確稱取60 g 石英砂鋪于直徑為9 cm 的培養(yǎng)皿中，鋪設(shè)厚度約5 mm，各處理精選30 粒籽粒飽滿的種子均勻地置于砂上，每皿加滅菌純水15 mL，使水面剛好沒過砂面，蓋上培養(yǎng)皿，并用保鮮膜封好置于人工智能培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為12 h 光照/12 h 黑暗，光照強(qiáng)度為2400 lx。種子萌發(fā)以胚根突破種皮1 mm 為統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，逐日統(tǒng)計(jì)發(fā)芽數(shù)直至第10 天，計(jì)算萌發(fā)率和萌發(fā)勢。溫度設(shè)置5 個(gè)恒溫處理水平即30、25、20、15、10 ℃和10 個(gè)變溫處理水平即30/25、30/20、30/15、30/10、25/20、25/15、25/10、20/15、20/10、15/10 ℃。在變溫處理情況下，高溫與光照處理相對應(yīng)，低溫與黑暗處理相對應(yīng)。4 次重復(fù)。

1.2.2 pH 試驗(yàn) 培養(yǎng)條件基本同溫度試驗(yàn)，只是將水換成不同pH 值的溶液，溫度設(shè)置為恒溫25 ℃。用于培養(yǎng)種子的 pH 值緩沖液配制參照 Chachalis 等［34］的方法。即用 1 mol·L-1HCl 調(diào)節(jié) 2 mmol·L-1鄰苯二甲酸氫鉀配制 pH 為 4 的緩沖液；用 1 mol·L-1NaOH 調(diào)節(jié) 2 mmol·L-1的 MES［2-（N-嗎啉）乙磺酸］配制 pH 為 5 和 6 的緩沖液；用1 mol·L-1NaOH 調(diào)節(jié)2 mmol·L-1HEPES［N-（2-羥甲基）哌嗪-N′-（2-乙磺酸）］配制pH 為7 和8 的緩沖液。用 1 mol·L-1NaOH 調(diào)節(jié) 2 mmol·L-1三甲基甘氨酸配制 pH 為 9 和 10 的緩沖液。

1.2.3 耐鹽性試驗(yàn) 基本培養(yǎng)條件同溫度試驗(yàn)，只是將培養(yǎng)溶液換成不同濃度的NaCl 溶液。NaCl 的濃度設(shè)置為 0、10、20 、40、80、160、320、500 mmol·L-1［35］。恒溫 25 ℃培養(yǎng)。

1.2.4 耐旱性試驗(yàn) 基本培養(yǎng)條件同溫度試驗(yàn)，只是將培養(yǎng)溶液換成不同滲透勢的PEG 8000 溶液。參照Chauhan 等［36］的方法配制滲透勢為0、-0.1、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0 MPa 的溶液。恒溫25 ℃培養(yǎng)。

1.2.5 土壤濕度試驗(yàn) 將田土風(fēng)干磨碎，過2 mm 篩，在120 ℃烘箱烘干至恒重。將篩后的土壤混合均勻后倒入塑料杯，土面距杯口2 cm，分別配制100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%相對含水量的土壤。將加足水的杯子用封口膜封好后靜置12 h，均勻播入種子30 粒，播種深度為1 cm。用封口膜密封杯口，然后將放有種子的杯子置于人工智能培養(yǎng)箱中恒溫25 ℃培養(yǎng)，每日記錄出苗數(shù)。其他設(shè)置同溫度處理試驗(yàn)。

1.2.6 播種深度試驗(yàn) 取上述烘干的土壤，將篩后的土壤混合均勻后倒入高12 cm 的塑料杯中。設(shè)置0、2、4、6、8、10 cm 共6 種播種深度。將底層土鋪好后，均勻播入30 粒種子，蓋上不同厚度的細(xì)土。土壤含水量控制在60%，然后用封口膜封住杯口，置于恒溫25 ℃人工智能培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每日記錄出苗數(shù)，連續(xù)3 d 不再出苗為止。其他設(shè)置同溫度處理試驗(yàn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2010 進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的初步處理，采用SAS 9.4 軟件分析各處理之間的差異顯著性（Duncan’s 方差分析法），種子最終萌發(fā)率和累積萌發(fā)率對各處理因素的響應(yīng)規(guī)律采用SigmaPlot 14 軟件繪圖，并擬合鹽度、滲透勢、深度對種子最終萌發(fā)率的回歸模型。

2 結(jié)果與分析

2.1 扁穗雀麥種子萌發(fā)對溫度的響應(yīng)

在恒溫條件下，25 ℃處理的種子發(fā)芽率高達(dá)89%；溫度增加到30 ℃，種子萌發(fā)率顯著下降；而當(dāng)溫度下降至20 ℃，種子萌發(fā)率從90%左右下降到50%；而當(dāng)給予10 ℃的恒溫處理后，種子幾乎不能萌發(fā)。在大多數(shù)情況下，變溫處理促進(jìn)種子萌發(fā)（圖1）。在白天30 ℃的高溫環(huán)境下，隨著晝夜溫差擴(kuò)大，種子萌發(fā)率呈先增加再降低的趨勢，30/20 ℃的種子萌發(fā)率最高達(dá)到92.1%，恒溫30 ℃萌發(fā)率最低。在白天為25 ℃的條件下，種子萌發(fā)率隨晝夜溫差的擴(kuò)大而降低。而白天溫度在20 ℃情況下，20/15 ℃的變溫條件種子萌發(fā)率最高。白天溫度低于20 ℃以后，種子萌發(fā)率低于40%。

圖1 不同培養(yǎng)溫度條件對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig. 1 Effect of incubation temperature conditions on seed germination of B. catharticus

2.2 扁穗雀麥種子萌發(fā)對pH 值的響應(yīng)

扁穗雀麥在pH 4～10 的環(huán)境下，種子萌發(fā)率均高于90%。種子萌發(fā)率和萌發(fā)勢在弱酸和弱堿環(huán)境下要顯著高于中性環(huán)境（圖2）。種子在pH 為6 時(shí)萌發(fā)率最高，達(dá)到98.3%，但與種子在pH 為5、9、10 的處理之間沒有顯著差異性。當(dāng)pH 低至4 時(shí)，種子萌發(fā)率最低，為90.2%。在pH 為9 和10 的情況下，扁穗雀麥種子保持著高達(dá)96.0%的萌發(fā)率。同時(shí)，種子的萌發(fā)勢差異更大，種子在pH 為7 時(shí)，萌發(fā)勢不到80%，而pH 為9 的處理萌發(fā)勢已經(jīng)超過90%。由此可見，種子萌發(fā)率高的處理，其種子萌發(fā)勢也高。可以推知，扁穗雀麥對酸堿度有廣泛的適應(yīng)性，最適條件為弱酸環(huán)境，但也對堿性環(huán)境表現(xiàn)出極高的適應(yīng)性。

圖2 pH 對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.2 Effect of incubation pH on seed germination of B. catharticus

2.3 扁穗雀麥種子萌發(fā)對NaCl 的響應(yīng)

種子在NaCl 濃度≤20 mmol·L-1，種子萌發(fā)率高于95%；在濃度為80 mmol·L-1時(shí)，種子萌發(fā)率高于90%；在濃度為160 mmol·L-1時(shí)，種子萌發(fā)率高于85%；在濃度320 mmol·L-1時(shí)，種子萌發(fā)率高于50%；NaCl 在濃度500 mmol·L-1時(shí)方能完全抑制種子萌發(fā)（圖3）。經(jīng)回歸分析，NaCl 對種子的萌發(fā)影響規(guī)律符合三參數(shù)S 型曲線模型｛y=97.96/［1+exp（x+212.0）/83.25］，R2=0.99｝。種子萌發(fā)勢的規(guī)律基本同于種子萌發(fā)率。NaCl 的濃度越低，種子的萌發(fā)勢越高，盡管在低濃度下各處理的最終萌發(fā)率差異不顯著。由此可見，扁穗雀麥種子萌發(fā)對鹽脅迫表現(xiàn)出較高的適應(yīng)性和耐受性。

圖3 NaCl 對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.3 Effect of NaCl on seed germination of B. catharticus

2.4 扁穗雀麥種子萌發(fā)對滲透勢的響應(yīng)

隨著培養(yǎng)液滲透勢的降低，扁穗雀麥種子的萌發(fā)率和萌發(fā)勢均呈下降的趨勢（圖4）。對照和-0.1 MPa 的處理，在培養(yǎng)6 d 后，種子萌發(fā)率基本接近最終萌發(fā)率；而滲透勢低的處理，種子萌發(fā)率一直呈緩慢增長的過程。經(jīng)回歸分析，滲透勢對種子萌發(fā)的影響規(guī)律符合三參數(shù)S 型曲線模型｛y=96.02/［1+exp（-x-0.88）/0.15］，R2=0.99｝。根據(jù)這個(gè)模型，50%抑制種子萌發(fā)率的滲透勢為-0.98 MPa。顯然，扁穗雀麥在滲透勢極低的土壤環(huán)境中具有萌發(fā)的能力。由此可見，扁穗雀麥有較高的抗脅迫能力。

圖4 滲透勢對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.4 Effect of osmotic potential on seed germination of B. catharticus

2.5 扁穗雀麥種子萌發(fā)對土壤濕度的響應(yīng)

隨著土壤含水量的增加，種子萌發(fā)率和萌發(fā)勢均呈先增大后減少的趨勢（圖5）。0.6 相對含水量的處理最終種子萌發(fā)率最高，達(dá)到100%。1.0 相對含水量處理的種子完全不能萌發(fā)。萌發(fā)率高的處理，在種子培養(yǎng)5 d 后，種子的萌發(fā)率基本接近最終萌發(fā)率。對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤相對濕度對種子萌發(fā)的影響規(guī)律符合二項(xiàng)式曲線回歸模型（y=-198.09+948.17x-736.11x2，R2=0.94）。根據(jù)這個(gè)回歸模式，種子萌發(fā)率最高時(shí)土壤相對濕度為0.63，與相對濕度0.6 的結(jié)果非常接近。0.4 的相對濕度對大多數(shù)植物種子幾乎難以萌發(fā)的情況下，扁穗雀麥種子萌發(fā)率超過60%；而飽和含水量的處理種子不能萌發(fā)。以上結(jié)果表明，扁穗雀麥更適應(yīng)干旱而不是濕潤的土壤條件。

圖5 土壤濕度對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.5 Effect of soil humidity（RH）on seed germination of B. catharticus

2.6 扁穗雀麥出苗對播種深度的響應(yīng)

在土壤表面培育的種子萌發(fā)率最高達(dá)100%，隨著播種深度的增加，扁穗雀麥的出苗率逐漸降低，但0～4 cm的處理之間差異不顯著，播種10 cm 的處理種子幾乎不出苗（圖6）。對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn)，土壤深度對種子萌發(fā)的影響規(guī)律符合三參數(shù)S 型曲線模型為y=97.15｛1+exp［（x-7.81）/0.78］｝，R2=0.99。根據(jù)這個(gè)模型，抑制種子出苗率50%的土壤深度為8.58 cm。種子在土壤中培育4 d 后，播種深度為0 cm 的處理有48%的出苗率，播種2 cm 的處理有78%的出苗率，其他播種深度均未出苗。各處理首次出苗的時(shí)間隨著播種深度的增加而延后。培養(yǎng)結(jié)束時(shí)，將播種深度為10 cm 的處理倒出，發(fā)現(xiàn)土壤中萌發(fā)的種苗已腐爛。可見10 cm 的播種深度不能滿足扁穗雀麥的出苗條件。

圖6 土壤深度對扁穗雀麥種子出苗的影響Fig.6 Effect of soil depth on seedling emergence of B. catharticus

3 討論與結(jié)論

扁穗雀麥?zhǔn)窃颇辖陙戆l(fā)展較快的入侵雜草。適應(yīng)性強(qiáng)是入侵雜草的顯著特征之一。而對各因子響應(yīng)的生態(tài)幅度是量化其生態(tài)適應(yīng)性的重要指標(biāo)。種子萌發(fā)是雜草入侵的第一步，萌發(fā)率和萌發(fā)勢的強(qiáng)弱對其建立種群和危害作物起決定作用。種子萌發(fā)對土壤溫度、濕度、埋藏深度、pH、鹽濃度和滲透勢的響應(yīng)是常用描述雜草種子適應(yīng)性的主要指標(biāo)。本研究表明，日均溫度在15～30 ℃的晝夜溫差環(huán)境中，種子有超過50%的萌發(fā)率，恒溫條件下25 ℃種子萌發(fā)率最高，30℃種子萌發(fā)率下降到不足70%。本研究表明，在土壤相對含水量40%～80%、土壤深度低于6 cm、pH 介于4～10 時(shí)扁穗雀麥種子均可保持60%以上的萌發(fā)率。土壤鹽濃度低于160 mmol·L-1和滲透勢低于-0.4 MPa 的處理時(shí)，雀麥種子萌發(fā)均可達(dá)到80%以上。

植物生長對環(huán)境因子的響應(yīng)規(guī)律是分階段的，種子萌發(fā)所需的最適溫度往往不同于苗期所需。田宏等［3］的研究表明，扁穗雀麥種子在25～35 ℃恒溫條件下發(fā)芽率均超過96%，遠(yuǎn)高于本研究的萌發(fā)率，但最適萌發(fā)溫度為25 ℃，本研究與之相同。本研究表明變溫處理種子萌發(fā)率更高，與Ahshallash［37］的研究趨勢基本一致。周志彬等［10］研究了溫度對旱雀麥、扁穗雀麥、無芒雀麥種子萌發(fā)的影響，但僅設(shè)定了5、15 和25 ℃三種溫度處理?xiàng)l件，得出高溫處理有利于種子萌發(fā)的結(jié)論；本研究結(jié)果也支持在10～25 ℃，高溫更有利于扁穗雀麥種子的萌發(fā)。有研究表明，旱雀麥種子在恒溫條件下比變溫條件下種子萌發(fā)率更高，這與許多植物種子萌發(fā)規(guī)律相背［38］。在大多數(shù)情況下，光照處理通過刺激生長物質(zhì)的合成促進(jìn)種子的萌發(fā)。本研究表明光照處理對扁穗雀麥種子萌發(fā)無抑制作用，但有研究表明光照處理卻抑制貧育雀麥和旱雀麥種子萌發(fā)。本研究表明扁穗雀麥種子在土壤表面的種子萌發(fā)率最高，而隨著種子深度的增加而降低。Andersson 等［39］的研究卻是土壤表面的種子比埋藏在土壤的種子更受抑制，這說明貧育雀麥和旱雀麥?zhǔn)菂捁庑头N子，與扁穗雀麥差異巨大。進(jìn)一步研究表明光照對貧育雀麥種子的抑制程度與溫度有關(guān)［40］。光照和溫度是影響種子萌發(fā)最基本的環(huán)境要素，以上研究結(jié)果表明雀麥不同種間甚至同種不同群體之間對溫度和光照響應(yīng)差異大。事實(shí)上有證據(jù)支持采自不同區(qū)域不同群體的旱雀麥種子萌發(fā)對環(huán)境的響應(yīng)差異較大，并推斷這種較大的差異可能與居群和母株植物的生長環(huán)境有關(guān)［41-42］。Li 等［43］的研究發(fā)現(xiàn)，普通雀麥（B. japonicus）在pH 5～10 有超過80%的萌發(fā)率，土壤滲透勢在-0.6 MPa 和鹽濃度達(dá)到140 mmol·L-1左右，種子萌發(fā)率也能達(dá)到80%，本研究與其基本一致。Tavili 等［44］的研究表明，Bromus tomentellus和貧育雀麥對鹽和滲透勢均有較高的耐受性，申忠寶等［45］的研究表明，80 mmol·L-1混合鹽處理，無芒雀麥的種子萌發(fā)率仍達(dá)80%左右，胡生榮等［46］的研究表明，1.5%的NaCl 可完全抑制本地和引進(jìn)無芒雀麥的群體種子的萌發(fā)。王瑩等［47］的研究表明，無芒雀麥在5 種禾本牧草中抗旱性是最強(qiáng)的，可耐受-0.6 MPa 的滲透勢。盡管不同群體的雀麥對光照和溫度的響應(yīng)差異巨大，但前人和本研究均表明雀麥種子萌發(fā)具有較高的抗脅迫能力，種間和居群之間的差異不大。雀麥?zhǔn)鞘澜绶秶鷥?nèi)重要的雜草，盡管上述研究得到種子萌發(fā)的部分規(guī)律，但從目前公開報(bào)道的文獻(xiàn)來看，對各種雀麥種子萌發(fā)生態(tài)學(xué)的研究報(bào)道模棱兩可，仍缺乏系統(tǒng)性的工作。

雀麥屬于冷季草系，與小麥（Triticum aestivum）、大麥（Hordeum vulgare）和燕麥（Avena sativa）同屬于小麥簇。雀麥屬植物對人類具有重要經(jīng)濟(jì)價(jià)值，可用作牧草、也有少數(shù)種被用作草坪草、觀賞植物、防止水土流失的植物等。當(dāng)前我國外來惡性雜草中，大多數(shù)是被作為有用植物引入后逃逸到野外而成為雜草。人們在種植雀麥的過程中必須防治其逃逸，因?yàn)榇蠖鄶?shù)雀麥具有快速擴(kuò)張、演變?yōu)槿肭蛛s草的潛力，如旱雀麥成為美國西北部嚴(yán)重的惡性雜草［48］。在歐洲，黑麥狀雀麥（B. cecalinus）和粗雀麥（B. grossus）成為黑麥（Secale cereale）田、B. bromoideus成為小麥田的重要田間雜草［49］。目前國內(nèi)外很少有關(guān)于扁穗雀麥作為入侵雜草的報(bào)道。扁穗雀麥起源于地中海，在我國引種后作為北亞熱帶和暖溫帶地區(qū)的牧草種植，本研究結(jié)果證明這種植物對生態(tài)環(huán)境有廣闊的適應(yīng)性，具備入侵雜草的典型特征。當(dāng)前我國城市建設(shè)速度很快，城市綠化需要從野外荒地取土壤種植景觀植物，保留在土壤中的雀麥種子也被帶入到人類的生活區(qū)，這也許是扁穗雀麥由牧草變成農(nóng)田和環(huán)境雜草的重要原因。雀麥屬包含幾十個(gè)種，在國外多個(gè)種已經(jīng)入侵農(nóng)田成為田間惡性雜草；而我國目前還缺乏有關(guān)全國麥區(qū)不同雀麥作為潛在雜草的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警研究。由于雀麥與麥類作物高度的形態(tài)相似性，植保工作者很難在苗期區(qū)分，人工防治和化學(xué)防治都較為困難。因此，今后國內(nèi)同行要積極行動(dòng)起來，細(xì)致地開展我國農(nóng)田雜草雀麥不同種的分類學(xué)調(diào)查、分布情況、危害狀況等生物生態(tài)學(xué)研究，為我國雀麥的防控和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警做出貢獻(xiàn)。