賈風(fēng)勤 鄧 利 蘭健花 黎良財(cái)
(廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州 545004)
尋找可持續(xù)的經(jīng)營措施以實(shí)現(xiàn)人工林生態(tài)系統(tǒng)在獲取經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)又發(fā)揮其固碳釋氧、調(diào)節(jié)氣候環(huán)境等生態(tài)效益的目標(biāo),是當(dāng)前人工林經(jīng)營管理的主要任務(wù)。廣西是我國桉樹(Eucalyptusspp.)和杉木(Cunninghamialanceolata)主要生產(chǎn)區(qū),長期以來,桉樹和杉木人工林普遍存在種植面積大、樹種單一、多代連栽、大面積皆伐等粗放經(jīng)營方式,在很大程度上嚴(yán)重影響著人工林生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng),表現(xiàn)出生物量下降、土壤養(yǎng)分虧缺、物種多樣性減少、抵御氣候?yàn)?zāi)害能力減弱等特點(diǎn)[1]。林下經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)是“循環(huán)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)”的重要體現(xiàn),林下種養(yǎng)殖模式如林畜(如林下養(yǎng)豬、養(yǎng)牛)[2-3]、林禽(如林下養(yǎng)雞、養(yǎng)鵪鶉等)、林藥(桉樹+ 雞骨草[4]、杉木+ 草豆蔻(Alpiniakatsumadai)[5]模式)等使人工林所產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)得到緩解和初步改善,為提高人工林地綜合產(chǎn)出率、助推林業(yè)發(fā)展轉(zhuǎn)型提供了思路和方法。林下養(yǎng)殖為動(dòng)物生長提供良好生長環(huán)境,也為樹木提供氨等肥料,可創(chuàng)造更多經(jīng)濟(jì)和生態(tài)效益。但人工林下可供家畜采食的草本植物還是相當(dāng)有限的[6],種植草本植物時(shí),在考慮適地適草、家禽喜食性、營養(yǎng)成分的同時(shí),還需充分考慮草本植物對環(huán)境的適應(yīng)能力,因此,篩選適宜在桉樹、杉木林下生長且家禽喜食的飼料植物尤為重要。
莧菜(Amaranthustricolor)為莧科莧屬1年生草本植物,多見于農(nóng)田、路邊等生境。莧菜籽粒中富含粗脂肪,可增強(qiáng)動(dòng)物免疫力,莖、葉富含纖維及豐富的易于吸收的鈣、鐵等元素,適口性好[7-8]。莧菜以種子進(jìn)行繁殖,每株結(jié)籽數(shù)量可達(dá)數(shù)千粒至上萬粒,在野外調(diào)查中觀察到在廣西1月尚有大量植株處于籽實(shí)成熟期,種子可在整個(gè)春季和盛夏萌發(fā),在生長過程中對土壤氮磷淋失的阻控效果好,可通過C4植物獨(dú)特光合過程保證其在低CO2濃度下仍可進(jìn)行光合作用,實(shí)現(xiàn)物質(zhì)積累[9],可通過提高葉綠素(Chl a+Chl b)含量、降低Chl a/Chl b比值等適應(yīng)弱光環(huán)境[10],從而保證了莧菜能夠很好地適應(yīng)變化頻繁的環(huán)境。本研究通過開展莧菜種子萌發(fā)對環(huán)境改變的響應(yīng)研究,以期為發(fā)展林下養(yǎng)殖提供優(yōu)質(zhì)飼料植物、合理開發(fā)優(yōu)質(zhì)莧屬植物資源和增加人工林下物種多樣性,為維持林地長期生產(chǎn)力和維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性提供參考。
2021年12月下旬于廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園附近農(nóng)田收集新成熟的莧菜種子,種子自然風(fēng)干、去雜。為能準(zhǔn)確分析室溫干藏對種子萌發(fā)的影響,在種子收集后10 d內(nèi)進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)。檸 檬 桉(Eucalyptuscitriodora)和 杉 木新鮮葉片于2021年12月采自廣西生態(tài)工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院校園,收集新鮮葉片陰干,剪碎后備用。
1.2.1 鮮葉浸提液試驗(yàn)
參照李善魁等[11]的方法,取陰干、剪碎后的各樹種鮮葉50 g分別置于500 mL蒸餾水中,攪拌均勻,置于搖床上震蕩48 h后,用2層紗布過濾后再經(jīng)2層中速濾紙過濾,得干物質(zhì)含量為0.1 g/mL的母液。將此母液用蒸餾水稀釋配制成干物質(zhì)含量分別為0.01、0.005 g/mL的溶液用于試驗(yàn)處理,以蒸餾水處理為對照(CK)。
1.2.2 貯藏試驗(yàn)
室溫干藏處理:將每50粒種子裝入1個(gè)10 cm ×10 cm紙袋內(nèi),置于23℃室溫條件下干燥貯藏;冷層積處理:將種子均勻放置鋪有2層濾紙的9 cm培養(yǎng)皿中,種子數(shù)量為50粒/皿,加入5 mL蒸餾水使種子處于浸濕狀態(tài),置于4℃冰箱;室外埋藏處理:每50粒種子裝入1個(gè)10 cm ×10 cm的布袋中(種子袋),在苗木種植試驗(yàn)地內(nèi)選取平整、地面無植被的地塊作為種子埋藏點(diǎn),在種子埋藏點(diǎn)埋入備好的種子袋,埋深約2 cm,做好標(biāo)記,種子袋間距離約15 cm。所有處理下的種子每7 d取1次,第28天取完。
1.2.3 pH試驗(yàn)
參照嚴(yán)文斌等[12]的方法,先將濃H2SO4和濃HNO3按照摩爾比為4∶1配制出母液,然后添加蒸餾水調(diào)節(jié)得到pH值為3.0、3.5、4.0和4.5的4個(gè)處理水平pH緩沖液,進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn),以蒸餾水處理為對照(CK)。
所有種子萌發(fā)試驗(yàn)于2022年1月初進(jìn)行,將莧菜種子置于直徑為9 cm、鋪有雙層濾紙的培養(yǎng)皿中進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn),所有試驗(yàn)均在溫度30℃/25℃,光周期為12 h光照/12 h黑暗人工氣候箱中進(jìn)行。每個(gè)處理水平均設(shè)5次重復(fù),每次重復(fù)種子數(shù)均為50粒。
從置種之日開始,以胚根突破種皮1 mm為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn),每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù),第10天結(jié)束試驗(yàn)。試驗(yàn)期間根據(jù)需要補(bǔ)充對應(yīng)濃度浸提液、相應(yīng)pH值溶液和蒸餾水。本試驗(yàn)測定的種子萌發(fā)指標(biāo)包括發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和日萌發(fā)率,具體計(jì)算公式為:
式中:Gt為第t天萌發(fā)的種子數(shù),Dt為對應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。Wt+1為第t +1天的種子萌發(fā)數(shù),Wt為第t天的種子萌發(fā)數(shù),N為種子萌發(fā)總數(shù)[13]。
用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)基本計(jì)算并繪圖,通過SPSS 16.0(one-way ANOVA)對同一樹種不同濃度鮮葉浸提液、同一貯藏方式不同貯藏時(shí)間和不同pH溶液進(jìn)行種子萌發(fā)各指標(biāo)的方差分析,以Duncan's方差分析法進(jìn)行差異顯著性分析,顯著性水平為0.05(ɑ= 0.05),擬合鮮葉浸提液濃度和種子最終萌發(fā)率的回歸模型。
莧菜種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)對各樹種不同濃度鮮葉浸提液的響應(yīng)差異較大(表1)。與對照相比,檸檬桉浸提液對莧菜種子的所有發(fā)芽指標(biāo)均有顯著抑制作用(P<0.05)(除0.005 g/mL 處理下的發(fā)芽率),且浸提液濃度越高抑制作用越強(qiáng);當(dāng)浸提液濃度為0.005 g/mL時(shí),種子發(fā)芽勢和發(fā)芽指數(shù)與CK相比顯著降低了36.15%和21.77%,在濃度為0.1 g/mL時(shí)種子萌發(fā)幾乎完全受到抑制,且3個(gè)發(fā)芽指標(biāo)均達(dá)到最低值,發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)僅為2.00%和0.10,發(fā)芽勢幾乎為0;對莧菜種子萌發(fā)率(y)與浸提液濃度(x)間相關(guān)性進(jìn)行回歸分析發(fā)現(xiàn),兩者間存在極顯著的線性關(guān)系(P<0.01),回歸方程為y=93.13-914.87x(R2=0.996),根據(jù)該模型,種子萌發(fā)率為0時(shí)檸檬桉浸提液濃度為0.102 g/mL,與本試驗(yàn)濃度0.1 g/mL的結(jié)果非常接近,也由此回歸方程可知,浸提液濃度小于0.047 g/mL時(shí)將有超過50%莧菜種子能夠萌發(fā)。杉木浸提液對種子萌發(fā)沒有顯著影響,不同濃度處理下種子發(fā)芽率均大于95.00%,所有發(fā)芽指標(biāo)與對照相比均無顯著差異。盡管2個(gè)樹種鮮葉浸提液不同程度影響著莧菜種子萌發(fā),但莧菜種子最終萌發(fā)率均超過80%(除0.1 g/mL檸檬桉浸提液處理)。
表1 莧菜種子在不同樹種鮮葉浸提液處理下的發(fā)芽指標(biāo)Table 1 Germination indicators of A.tricolor under different fresh leaf extract concentration
從發(fā)芽率來看,與對照相比,室外埋藏和冷層積2種貯藏方式下貯藏14 d處理能促進(jìn)種子萌發(fā),貯藏21 d對種子萌發(fā)的促進(jìn)作用達(dá)到最高,而短時(shí)間(7 d)和長時(shí)間(28 d)均對莧菜種子萌發(fā)有抑制作用;室內(nèi)干藏處理下種子萌發(fā)率隨貯藏時(shí)間增加,萌發(fā)率呈增加趨勢,貯藏28 d種子萌發(fā)率達(dá)最高為99.62%。室外埋藏的4個(gè)貯藏時(shí)間處理與對照間差異不顯著;冷層積處理7 d的莧菜種子萌發(fā)率顯著低于處理14 d和21 d的種子(P< 0.05),萌發(fā)率分別降低了4.80%和5.15%,與對照和其余2個(gè)處理間無顯著差異;室內(nèi)干藏28 d的種子萌發(fā)率最高,貯藏7 d種子的萌發(fā)率最低為91.02%,且該處理下種子萌發(fā)率與其余各處理間存在顯著差異(P<0.05)(圖1)。
從發(fā)芽勢來看,與對照相比,室外埋藏、冷層積和室內(nèi)干藏處理能提高種子發(fā)芽勢(除冷層積和室內(nèi)干藏7 d處理),有利于種子快速而整齊地萌發(fā),其中對種子發(fā)芽勢提高程度最大的貯藏時(shí)間為14 d。各貯藏方式處理下,貯藏14、21、28 d處理的種子發(fā)芽勢顯著高于貯藏7 d和CK種子,但3個(gè)貯藏時(shí)間處理之間差異不顯著(圖1)。
圖1 莧菜種子在不同貯藏方式下的發(fā)芽指標(biāo)Fig.1 Germination indicators of A.tricolor under different storagemethods
對發(fā)芽指數(shù)進(jìn)行分析,與對照相比,各貯藏方式下4個(gè)貯藏時(shí)間處理對莧菜種子發(fā)芽指數(shù)均有不同程度的促進(jìn)作用(除冷層積7 d處理),對種子發(fā)芽指數(shù)促進(jìn)作用由強(qiáng)及弱的順序?yàn)橘A藏14 d>貯藏28 d>貯藏21 d>貯藏7 d。室外埋藏中埋藏14 d種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于埋藏21 d和28 d,埋藏7 d和對照處理種子發(fā)芽指數(shù)顯著低于貯藏21 d和28 d處理(P< 0.05);冷層積處理下,層積14 d和28 d種子發(fā)芽指數(shù)較層積21 d有顯著提高,而層積7 d和對照處理種子發(fā)芽指數(shù)較層21 d呈顯著下降(P<0.05);室內(nèi)干藏處理下,從新鮮種子到貯藏28 d的5個(gè)時(shí)間的種子發(fā)芽指數(shù)依次為20.81、18.21、39.04、26.89和36.08,其中貯藏14、28、21 d的種子發(fā)芽指數(shù)間差異顯著,且均顯著高于貯藏7 d和對照(P< 0.05)(圖1)。
莧菜在pH 3.0~4.5處理下,種子發(fā)芽率均高于97.00%,且發(fā)芽率總體上隨酸性增強(qiáng)(pH值降低)而升高(圖2),各處理與對照間差異不顯著。種子在pH為3.0、3.5、4.0和4.5時(shí)的發(fā)芽率較對照(發(fā)芽率為96.57%)分別增加了1.46%、0.74%、1.48%和1.53%。種子發(fā)芽勢在pH為3.0和3.5時(shí)與對照間差異達(dá)到顯著水平,發(fā)芽勢分別為88.09%和85.82%,較CK增加了24.83%和21.61%;pH為4.0和4.5時(shí),發(fā)芽勢略有降低,但與對照相比無顯著差異。隨著溶液酸性逐漸增強(qiáng),莧菜種子的發(fā)芽指數(shù)逐漸增加,當(dāng)pH為3.0時(shí),種子發(fā)芽指數(shù)最高為24.38(P<0.05)。
圖2 莧菜種子在不同p H處理下的發(fā)芽指標(biāo)Fig.2 Germination indicators of A.tricolor under different pH values
由圖3可知,通過對莧菜種子日萌發(fā)動(dòng)態(tài)觀測發(fā)現(xiàn),2種經(jīng)濟(jì)樹種鮮葉浸提液處理中,莧菜種子在置種后第2天即有超過50%的種子萌發(fā)(除0.01 g/mL和0.1 g/mL檸檬桉鮮葉浸提液處理),第3天種子萌發(fā)的數(shù)量急劇下降,第6天后萌發(fā)基本趨于穩(wěn)定;其中,0.1 g/mL檸檬桉浸提液造成莧菜種子延遲萌發(fā)至置種后第10天,且僅有極少量種子萌發(fā)。不同貯藏處理中,3種貯藏方式下,貯藏14 d和28 d使種子初始萌發(fā)時(shí)間提前了1 d,且置種后第1天即達(dá)到日萌發(fā)高峰期,均有超過50%的種子萌發(fā),置種后第4天萌發(fā)基本結(jié)束;貯藏21 d同樣使種子萌發(fā)初始時(shí)間提前至置種后第1天,但種子日萌發(fā)高峰期出現(xiàn)在置種后第2天,萌發(fā)持續(xù)至第8天。貯藏7 d的種子與對照處理種子均在置種后第2天開始萌發(fā),且達(dá)到日萌發(fā)率最高值,置種后第5天萌發(fā)趨于結(jié)束。不同pH處理中,種子日萌發(fā)高峰期與鮮葉浸提液相一致,但初始萌發(fā)時(shí)間和發(fā)芽結(jié)束時(shí)間均有所變化;其中,所有pH處理下,置種后第1天即觀察到莧菜種子萌發(fā),但萌發(fā)數(shù)量很少,在置種后第5天種子萌發(fā)基本結(jié)束;同時(shí),pH為3.0~4.0處理能顯著增加置種后第2天發(fā)芽種子數(shù)。
圖3 不同處理下莧菜種子萌發(fā)進(jìn)程Fig.3 Germination processof of A.tricolor under different treatments
莧菜種子在檸檬桉和杉木鮮葉浸提液處理下均能正常萌發(fā)(除0.1 g/mL檸檬桉鮮葉浸提液),發(fā)芽率超過80.00%;在不同貯藏處理下莧菜種子各發(fā)芽指標(biāo)均較高,貯藏14 d和28 d更有利于種子萌發(fā);莧菜種子具有較寬的pH耐受范圍,酸性增強(qiáng)有利于種子快速、整齊和較早地萌發(fā);在各樹種鮮葉浸提液處理下,莧菜種子在置種后第2天開始萌發(fā)并達(dá)到萌發(fā)高峰;在不同pH處理下,置種后第1天種子即萌發(fā),萌發(fā)高峰期在置種后第2天出現(xiàn);3種貯藏處理下,貯藏14、21 、28 d種子初始萌發(fā)時(shí)間為置種后第1天,其中貯藏14、28 d種子日萌發(fā)高峰期為置種后第1天,貯藏21 d種子日萌發(fā)高峰期為置種后第2天,貯藏7 d的種子在置種后第2天開始萌發(fā)且達(dá)日萌發(fā)高峰期。莧菜種子萌發(fā)具有對檸檬桉、杉木化感作用不敏感、高酸性環(huán)境下高萌發(fā)以及耐貯藏的特點(diǎn),可考慮用作發(fā)展林下種養(yǎng)殖的飼料植物進(jìn)行播種。
化感作用是自然界中普遍存在的一種現(xiàn)象,化感作用研究涉及多個(gè)領(lǐng)域如雜草防治、生物多樣性維持等,如利用杉木粉能有效去除兩種赤潮藻,對控制赤潮有一定應(yīng)用前景[14],李欣欣等[15]研究發(fā)現(xiàn)毛竹根際土浸提液能促進(jìn)杉木種子萌發(fā),為毛竹和杉木混交林大面積種植提供科學(xué)依據(jù)。普遍存在于樹枝、樹皮和葉片等植物器官中的水溶性化感化合物可通過淋洗、植物殘?bào)w分解等方式釋放到周圍環(huán)境中,直接對自身或其他植物種子萌發(fā)、幼苗生長等起到抑制作用。有研究表明,尾巨桉(E. urophylla×E. grandis)葉片水浸提液在較高濃度(0.1 g/mL)時(shí)使楓香和火力楠種子發(fā)芽率顯著下降[16];檸檬桉鮮葉中的萜烯類物質(zhì)可抑制兵豆屬植物種子萌發(fā)[17];本試驗(yàn)結(jié)果表明,檸檬桉鮮葉浸提液造成莧菜種子發(fā)芽率顯著降低,但仍有超過80.00%的種子可以萌發(fā)(除0.1 g/mL檸檬桉浸提液),這與曹潘榮等[18]通過對檸檬桉鮮葉水浸提液對農(nóng)作物如蘿卜、水稻,農(nóng)田雜草如馬唐(Digitariasanguinalis)、狗尾草(Setariaviridis)和入侵植物如三葉鬼針草(Bidens pilosa)等種子萌發(fā)都有顯著抑制作用的結(jié)論相一致。杉木凋落物、鮮葉、根系水浸提液中含有香草醛、阿魏酸等化感物質(zhì),對植物作用的基本特征是抑制種子萌發(fā)[19],本研究結(jié)果顯示,杉木鮮葉水浸提液對莧菜種子萌發(fā)的抑制作用非常微弱,整體表現(xiàn)為促進(jìn)作用,所有濃度處理下均有95%以上的種子可萌發(fā),這與馬祥慶等[20]對杉木人工林自毒作用的研究結(jié)論也有較大差異,也表明莧菜種子在萌發(fā)過程中對杉木釋放的化感物質(zhì)不敏感。本試驗(yàn)表明莧菜在2個(gè)樹種鮮葉浸提液處理下能正常萌發(fā),對化感物質(zhì)有較高的耐受性,可在維持林下物種多樣性方面發(fā)揮一定作用。
水浸提法是研究植物化感作用的常用方法,水浸提液濃度的高低是化感作用對植物種子萌發(fā)影響的關(guān)鍵數(shù)量指標(biāo)[21],化感物質(zhì)對種子萌發(fā)的“濃度效應(yīng)”通常表現(xiàn)為“低促高抑”。但并非所有研究結(jié)果都與這種常見的高濃度抑制、低濃度促進(jìn)的普遍規(guī)律相一致,在本研究中觀察到檸檬桉鮮葉浸提液對莧菜種子萌發(fā)有顯著抑制作用,抑制強(qiáng)度隨濃度增加而增加,這與夏虹等[22]對紫莖澤蘭(Eupatoriumadenophorum)種子發(fā)芽率隨桉樹化學(xué)成分1,8-桉葉油素水溶液濃度增加顯著降低的結(jié)論相一致。本研究中還觀察到杉木鮮葉浸提液促進(jìn)莧菜種子萌發(fā),濃度為0.1 g·mL-1時(shí)促進(jìn)作用最明顯,達(dá)到98.05%,但3個(gè)濃度均未為對種子萌發(fā)造成顯著影響。對于檸檬桉和杉木鮮葉浸提液對莧菜種子萌發(fā)的這種濃度效應(yīng),有待深入研究。
土壤種子庫是植被更新種源的提供者,種子散布后或貯藏于凋落物層,或埋藏于土壤表層或土壤基質(zhì)中,形成瞬時(shí)種子庫或持久種子庫,也是植物對不可預(yù)測環(huán)境做出的風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)偛呗浴Q芯勘砻饕荒晟参锿ǔP纬沙志梅N子庫和瞬時(shí)種子庫避免種群滅絕的風(fēng)險(xiǎn)[23],如一年生植物狗尾草的持久種子庫[24]和長芒草(Stipabungeana)[25]的瞬時(shí)種子庫。在本試驗(yàn)中,室內(nèi)干藏和冷層積處理表明莧菜種子無休眠現(xiàn)象,室外埋藏處理28 d后的種子可在置種后第1天或第2天有超過50%的種子萌發(fā),理論上而言,莧菜種子在土壤中傾向于形成瞬時(shí)種子庫。但有關(guān)種子形態(tài)、重量和土壤種子庫關(guān)系研究表明,重量小于3 mg的小粒、近圓球形種子易于形成持久種子庫[26],莧菜種子千粒重為0.452 g,種子近球形,依據(jù)前人研究結(jié)果,其也可能形成持久種子庫,因此,還需通過試驗(yàn)進(jìn)一步研究其是否存在持久種子庫。
土壤酸堿度常會(huì)成為影響植物生長的限制因子。前人的研究表明,不同物種種子萌發(fā)對環(huán)境酸堿度的響應(yīng)是有差異的,pH較高或較低的環(huán)境通常都不利于種子萌發(fā),pH 為8時(shí)入侵雜草銀膠菊(Partheniumhysterophorus)種子不能萌發(fā)[27];草原毒草醉馬草(Achnatheruminebrians)種子在pH <4的酸性環(huán)境下,發(fā)芽率僅為20.00%[28]。還有很多物種種子的萌發(fā)對pH的適應(yīng)范圍很廣,入侵植物意大利蒼耳(Xanthiumitalicum)在pH=2和pH=12的強(qiáng)酸/強(qiáng)堿條件下,種子萌發(fā)數(shù)量超過75%;在本試驗(yàn)中,莧菜在pH為3.0~4.5酸性條件下種子可正常萌發(fā),萌發(fā)率均高達(dá)97.00%以上,較強(qiáng)的酸性環(huán)境能更好地促進(jìn)種子萌發(fā),這與錦蔡(Malva parviflora)種子在酸性環(huán)境下萌發(fā)率高的研究結(jié)果[29]相似,也與結(jié)縷草(Zoysia japonica)種子隨酸度增加(pH值降低)發(fā)芽率增加的結(jié)論[30]相一致,并且強(qiáng)酸性處理液使莧菜種子初始萌發(fā)時(shí)間較CK提前了1 d,表明高酸性環(huán)境不但能促使種子更多地萌發(fā),還能促進(jìn)種子更早萌發(fā),這在一定程度上反映了莧菜具有在土壤酸化嚴(yán)重加劇的人工林中正常生長的潛力。