禾豆牧草種子萌發(fā)對溫度和光照的響應(yīng)

趙丹丹，馬紅媛，亓雯雯，李紹陽，李景玉，賴憲明，夏江寶，曹琪琪，賀文君

（1.濱州學(xué)院, 山東省黃河三角洲生態(tài)環(huán)境重點實驗室, 山東 濱州 256603；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 吉林 長春 130102；3.白城市畜牧科學(xué)研究院, 吉林 白城 137000）

栽培草地是采用農(nóng)業(yè)技術(shù)措施結(jié)合環(huán)境條件，選擇適宜草種建立的草地群落，以獲得高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)牧草[1]。在國家生態(tài)文明建設(shè)與鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略的背景下，建立栽培草地能夠促進糧草兼顧立體農(nóng)業(yè)發(fā)展，推動草原生態(tài)恢復(fù)[2]?；觳ピ耘嗖莸赝ǔ１葐尾ピ耘嗖莸鼐哂懈叩纳a(chǎn)力、更好的牧草品質(zhì)以及更強的土壤改良作用[3-6]。禾本科和豆科等草本植物是我國草地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者主體，具有重要的生態(tài)價值和飼用價值，隨著天然草地退化和畜牧業(yè)發(fā)展需求增加，以禾豆植物為主的栽培草地的建植[7-9]、以及以禾豆混播和補播修復(fù)天然草地[10-11]成為彌補天然草地生產(chǎn)力不足的重要措施。

種子萌發(fā)是植被更新的第一個階段，關(guān)系到幼苗建成和個體存活，進而影響生物多樣性[12]。溫度是影響種子萌發(fā)機制的關(guān)鍵因素之一，種子萌發(fā)時產(chǎn)生的水解酶、膜結(jié)合蛋白等均受到溫度的影響[13]。不同的植物種子對于萌發(fā)溫度的需求不同，有些植物種子喜高溫，如蘇丹草(Sorghum sudanense)、黃竹草(Pennisetum sinese)等；有些植物種子喜冷涼，如早熟禾(Poa annua)、細葉羊茅(Festuca filiformis)、小糠草(Agrostis alba)等；有些植物種子發(fā)芽時需要變溫條件，如燈芯草(Juncus effuses)。晝夜溫度變化條件下，植物種子在最適時間萌發(fā)，童琪等[14]研究表明，變溫環(huán)境較恒溫環(huán)境更有利于種子萌發(fā)。Bhatt等[15]發(fā)現(xiàn)變溫環(huán)境能夠促進鹽生植物種子萌發(fā)。張義等[16]對8 種牧草種子發(fā)芽條件進行研究，表明不同溫度和不同預(yù)處理是因種而異的。云文麗等[17]研究表明低溫處理在不同程度上提高了大針茅(Stipa grandis)和克氏針茅(S.krylovii)的發(fā)芽率，加快了起始發(fā)芽時間。劉賀等[18]研究表明馬棘(Indigofera pseudotinctoria)種子適宜發(fā)芽的溫度為恒溫25 ℃或變溫20 ℃/30 ℃。王麗娟[19]研究表明，冰草(Agropyron cristatum)、毛苕子(Vicia villosa)和沙打旺(Astragalus adsurgens)種子萌發(fā)的最適溫度分別是變溫20 ℃/30 ℃、變溫10 ℃/20 ℃和恒溫20 ℃。劉華榮等[20]研究表明適宜于巴哈雀稗(Paspalum notatum)種子萌發(fā)的溫度為35 ℃。李陽等[21]研究表明紫花苜蓿(Medicago sativa)種子在10～30 ℃恒溫或變溫下都有較高的發(fā)芽率，一定的光照條件能夠促進種子萌發(fā)。

光照是打破種子休眠的信號刺激，而不是直接參與種子萌發(fā)的能量物質(zhì)[22]。植物種子萌發(fā)對光照條件的響應(yīng)是一個復(fù)雜的生理過程，也是一個信號傳遞和基因表達的過程。趙篤樂[23]研究表明，光照能夠影響930 種植物種子萌發(fā)，其中萌發(fā)受到促進作用的有672 種。在種子萌發(fā)過程中，光照作為一種刺激信號解除種子休眠，從而誘導(dǎo)種子萌發(fā)[24]。

種子萌發(fā)特性對植物建植和生長過程至關(guān)重要，只有全面深入地了解植物種子萌發(fā)特性，才能夠充分利用植物的生態(tài)功能。鑒于溫度和光照對植物種子萌發(fā)的重要影響，在全球變化的背景下，栽培草地建植、禾豆混播和補播修復(fù)天然草地有必要了解禾豆植物種子萌發(fā)過程對環(huán)境變化的響應(yīng)機制。因此，本文研究了我國北方干旱半干旱草原6 種常見禾豆牧草種子萌發(fā)對不同溫度(30 ℃、25 ℃、20 ℃、15 ℃、10 ℃、15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃、20 ℃/10 ℃、30 ℃/15 ℃) 和不同光照處理(光暗交替、全黑暗)的響應(yīng)，探討禾豆牧草植物生態(tài)適應(yīng)性機制，為栽培草地建植和草地恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試草種共計6 種，禾本科牧草為冰草和巴哈雀稗種子，豆科牧草包括沙打旺、毛苕子和兩個不同品種紫花苜蓿[‘阿爾岡金’(‘Algonqiun’) 和‘公農(nóng)1 號’(‘Gongnong No.1’)]種子，其中前5 種牧草種子由北京克勞沃草業(yè)中心提供，紫花苜?！r(nóng)1 號’種子由吉林省農(nóng)科院提供，種子均放在紙袋中貯藏在4 ℃下備用。試驗前用0.1% HgCl2溶液對種子表面進行消毒10 min，再用蒸餾水沖洗3 次后備用。

1.2 試驗方法

共設(shè)置10 個溫度梯度，其中5 個恒溫處理，分別為30、25、20、15、10 ℃；5 個變溫處理，分別為15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃、20 ℃/10 ℃、30 ℃/15 ℃，

每種溫度下設(shè)置兩個光照處理：光暗交替(12 h 光照/12 h 黑暗)，全黑暗(24 h 黑暗)，全黑暗處理是用雙層錫箔紙包裹培養(yǎng)皿，萌發(fā)過程中不調(diào)查全黑暗處理的種子萌發(fā)數(shù)，試驗結(jié)束后調(diào)查最終萌發(fā)數(shù)量。種子以5 × 5 的方陣形式擺放在墊單層濾紙的9 cm培養(yǎng)皿中[25-26]，每個培養(yǎng)皿放置25 粒種子，每個處理4 次重復(fù)。每個培養(yǎng)皿加入6 mL 蒸餾水，用封口膜封口，防止水分蒸發(fā)。將培養(yǎng)皿置于上述不同溫度的HPG-208 人工氣候箱內(nèi)培養(yǎng)，光照強度為54 μmol·(m2·s)-1，以后每天統(tǒng)計萌發(fā)情況，當(dāng)胚根長度大于2 mm 時統(tǒng)計為萌發(fā)[27]，直到連續(xù)3 d 沒有新增的種子萌發(fā)為止。

累計萌發(fā)率(G)計算公式：

式中：n為規(guī)定時間累計萌發(fā)數(shù)，N為供試種子總數(shù)。

平均萌發(fā)時間(mean germination time，MGT)計算公式：

式中：Ni為第i天萌發(fā)的種子數(shù)，Di表示萌發(fā)天數(shù)。

發(fā)芽指數(shù)(germination index，GI)計算公式：

式中：Gt表示第t天的種子發(fā)芽數(shù)，Dt為對應(yīng)天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用SPSS 20.0 和Excel 2016 對種子發(fā)芽率、累計萌發(fā)率、平均萌發(fā)時間、發(fā)芽指數(shù)等數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。采用雙因素方差分析，將不同溫度和光照處理作為固定因子，分析不同溫度和光照處理及其交互作用對種子發(fā)芽率的影響。光暗交替條件下，不同溫度處理之間種子萌發(fā)特性的差異采用單因素方差分析和鄧肯多重比較法(Duncan’s multiple range rest)，以確定各處理之間的差異顯著性，P＜0.05 表示差異顯著，P＞ 0.05 表示差異不顯著。使用Origin 8.5 繪圖。

2 結(jié)果

2.1 溫度和光照對種子發(fā)芽率的影響

冰草和巴哈雀稗等禾本科植物種子發(fā)芽率受溫度、光照及其交互作用的顯著影響(P＜ 0.05) (表1)?？傮w上全黑暗條件下冰草種子發(fā)芽率高于光暗交替條件，變溫有利于冰草種子萌發(fā)，其中30 ℃/15 ℃下冰草種子發(fā)芽率最高，為83.00%，其次是20 ℃/30 ℃，發(fā)芽率為66.00%，而恒溫條件下冰草種子發(fā)芽率低于5.00% (圖1)。溫度為30 ℃、15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃和20 ℃/10 ℃時，光暗交替條件下巴哈雀稗種子發(fā)芽率高于全黑暗處理；恒溫條件下，巴哈雀稗種子發(fā)芽率隨溫度降低而降低，溫度為10 ℃時，沒有種子萌發(fā)；全黑暗條件下，20 ℃/30 ℃巴哈雀稗種子發(fā)芽率達到最高，為71.00%，其次是30 ℃/15 ℃，發(fā)芽率為70.00%，顯著高于其他處理(圖1)。

圖1 溫度和光照對禾豆牧草種子發(fā)芽率的影響Figure 1 Effects of temperature and light on germination percentage of Gramineae and legumes

表1 溫度處理、光照處理及其交互作用對禾豆牧草種子發(fā)芽率影響的雙因素方差分析Table 1 Results of two-way ANOVAs for the effects of temperature, light, and their interactions on germination of Gramineae and legumes

紫花苜?！r(nóng)1 號’和毛苕子種子發(fā)芽率受溫度和光照的顯著影響(P＜ 0.05)，紫花苜?！枌稹蜕炒蛲N子發(fā)芽率受溫度、光照及其交互作用的極顯著影響(P＜ 0.01) (表1)。與全黑暗相比，光暗交替能夠提高紫花苜?！r(nóng)1 號’、紫花苜?！枌稹蜕炒蛲N子發(fā)芽率(圖1)。光暗交替條件下，20 ℃/30 ℃時沙打旺種子發(fā)芽率低于其他溫度；全黑暗條件下，10 ℃時沙打旺種子發(fā)芽率達到最大，為46.00%。不同處理下，毛苕子發(fā)芽率均高于80.00%，適宜萌發(fā)的溫度范圍較寬，光暗交替條件下，不同溫度處理對毛苕子種子發(fā)芽率沒有顯著影響，全黑暗條件下，15 ℃處理毛苕子種子發(fā)芽率顯著高于30 ℃，提高了17.90%。

2.2 不同溫度對種子累計萌發(fā)率的影響

光暗交替條件下，不同溫度處理對禾豆牧草種子萌發(fā)時間進程曲線的影響有明顯差異(圖2)。20℃/30 ℃、30 ℃/15 ℃和25 ℃/15 ℃處理下，冰草種子在第7 天開始萌發(fā)，20 ℃/30 ℃和30 ℃/15 ℃處理下冰草種子于7～12 d 迅速萌發(fā)，曲線快速上升達到拐點，然后進入一個緩慢萌發(fā)期，25 ℃/15 ℃處理下種子萌發(fā)進程曲線相對平滑而緩慢，在第23 天到達拐點。20 ℃、15 ℃和20 ℃/10 ℃萌發(fā)啟動較晚，在第12 天開始萌發(fā)，15 ℃/6 ℃處理下，冰草種子在第16 天開始萌發(fā)，且萌發(fā)率較低，說明20 ℃、15 ℃、20 ℃/10 ℃和15/6 ℃處理不適合冰草種子的萌發(fā)(圖2)。30 ℃和20 ℃/30 ℃處理下，巴哈雀稗種子第6 天開始萌發(fā)，25 ℃處理下第8 天開始萌發(fā)，20 ℃、15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃和30 ℃/15 ℃處理下第10 天開始萌發(fā)，15 ℃和20 ℃/10 ℃處理下巴哈雀稗種子萌發(fā)啟動時間最晚，為第27 天，巴哈雀稗種子萌發(fā)的時間進程比較平緩(圖2)。

圖2 不同溫度下禾豆牧草種子累計萌發(fā)率隨時間的變化Figure 2 Differences in cumulative germination rate of Gramineae and legumes under different temperatures

豆科牧草種子萌發(fā)開始時間均較早，為1～2 d。10 種溫度處理下紫花苜蓿‘公農(nóng)1 號’種子在1～4 d迅速萌發(fā)，曲線快速上升達到拐點，然后進入一個緩慢萌發(fā)期(圖2)；紫花苜蓿‘阿爾岡金’種子在2～5 d迅速萌發(fā)，曲線快速上升到拐點，然后趨于平緩；沙打旺種子在1～7 d 迅速萌發(fā)，曲線快速上升然后趨于平緩(圖2)；毛苕子種子在1～4 d 迅速萌發(fā)，且不同溫度處理下毛苕子種子累計萌發(fā)率沒有明顯差異。

2.3 不同溫度對種子平均萌發(fā)時間的影響

同一溫度條件下，禾本科牧草冰草和巴哈雀稗種子平均萌發(fā)時間高于豆科植物紫花苜?！r(nóng)1 號’、紫花苜蓿‘阿爾岡金’、沙打旺和毛苕子，即豆科植物種子萌發(fā)速度較快(表2)。禾豆牧草種子平均萌發(fā)時間在不同溫度處理下差異較大。20 ℃/10 ℃條件下冰草、巴哈雀稗和紫花苜?！枌稹N子平均萌發(fā)時間均大于其他溫度條件，萌發(fā)速度較慢，分別為20.67、29.33 和5.14 d；不同溫度條件對紫花苜?！r(nóng)1 號’種子平均萌發(fā)時間沒有顯著影響(P＞ 0.05)；沙打旺和毛苕子種子平均萌發(fā)時間均在30 ℃條件下最短，分別為2.63 和2.75 d。

表2 不同溫度對禾豆牧草種子平均萌發(fā)時間的影響Table 2 Effects of different temperature on mean germination time of Gramineae and legumes d

2.4 不同溫度對種子發(fā)芽指數(shù)的影響

禾本科牧草種子發(fā)芽指數(shù)低于豆科牧草(表3)，紫花苜?！r(nóng)1 號’種子發(fā)芽指數(shù)較高，且不同溫度處理對紫花苜?！r(nóng)1 號’種子發(fā)芽指數(shù)的影響不顯著(P＞ 0.05)；紫花苜?！枌稹N子在20 ℃/30 ℃、20 ℃、15 ℃、25 ℃和30 ℃條件下發(fā)芽指數(shù)均在7 以上，以20 ℃/30 ℃條件下最高，能達到8.91，10 ℃條件下最低，為4.44；沙打旺種子發(fā)芽指數(shù)隨恒溫溫度增加呈上升趨勢；毛苕子種子在30 ℃條件下發(fā)芽指數(shù)高于其他溫度處理，為10.03，15 ℃/6 ℃條件下毛苕子種子發(fā)芽指數(shù)最低，比30 ℃降低了31.80%。

表3 不同溫度對禾豆牧草種子發(fā)芽指數(shù)的影響Table 3 Effects of different temperatures on the germination index of Gramineae and legumes

3 討論與結(jié)論

栽培草地建植需要對牧草種子進行全面的發(fā)芽研究，以更好地了解植物對環(huán)境條件的早期生命階段適應(yīng)，并制定更有力的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)策略。溫度和光照對種子萌發(fā)特性的研究能夠揭示植物群落結(jié)構(gòu)與功能方面的諸多問題。種子萌發(fā)特性影響物種在群落中的動態(tài)，種間的萌發(fā)差異影響物種在群落中的作用及分布，并且影響群落結(jié)構(gòu)[28-29]。本研究中，毛苕子種子在恒溫和變溫條件下有84.00%～99.00%的發(fā)芽率，表明其種子萌發(fā)溫度范圍較寬；光暗交替處理對紫花苜?！r(nóng)1 號’、紫花苜?！枌稹蜕炒蛲N子萌發(fā)存在促進作用。紫花苜?！枌稹蜕炒蛲诤銣貤l件下種子平均萌發(fā)率高于變溫條件，而冰草、巴哈雀稗、紫花苜蓿‘公農(nóng)1 號’和毛苕子在變溫條件下種子平均萌發(fā)率高于恒溫條件。變溫有利于種子萌發(fā)的原因可能是在自然條件下溫度是晝夜交替的變溫，自然選擇的過程中牧草種子保留了適應(yīng)溫度變化的特性；一般情況下，變溫能促進酶的活性，有利于貯藏物質(zhì)轉(zhuǎn)化，促進種皮發(fā)生機械變化而有利于透氣和透水，從而促進種子萌發(fā)[30-31]。

溫度是種子萌發(fā)的必要條件，種子萌發(fā)需要達到一定的積溫[32]，無論是在光照還是黑暗的條件下溫度顯著影響種子萌發(fā)開始時間，這與本研究結(jié)果一致。較高溫度可使種子較快達到有效積溫而萌發(fā)，不同植物種子自身生理特性不同，比如種子大小、所需有效積溫及酶活性等不同，則對環(huán)境變化的感知能力不同，導(dǎo)致萌發(fā)開始時間不同。本研究中，豆科植物萌發(fā)開始時間早于禾本科植物，物種間萌發(fā)開始時間的差異使它們時間生態(tài)位上的分化變大，降低種間競爭，有利于物種共存。較早萌發(fā)的物種更好地利用資源進行快速生長進而對較晚萌發(fā)的物種種子或幼苗產(chǎn)生影響[33-34]。

最適溫度條件下，植物種子內(nèi)部酶活性高，酶促反應(yīng)速度快，呼吸作用增強，能夠為種子萌發(fā)提供充足的物質(zhì)和能量[35-36]，不同植物種子屬性不同，適宜種子萌發(fā)的最適溫度也不同[37-39]。本研究表明，溫度對禾本科牧草冰草和巴哈雀稗種子萌發(fā)影響較大。30 ℃/15 ℃下的冰草種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)最高，且種子萌發(fā)開始時間較早，持續(xù)萌發(fā)的時間較短，說明30 ℃/15 ℃下冰草種子發(fā)芽率高，而且出苗快、出苗整齊，恒溫條件和低溫不利于冰草種子萌發(fā)；光暗交替條件下，30 ℃時巴哈雀稗種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)最大，全黑暗條件下，20 ℃/30 ℃巴哈雀稗種子發(fā)芽率最大，為71.00%?？赡苁怯捎谠摐囟饶軌虼龠M巴哈雀稗種子吸水膨脹、種皮軟化，加快酶促反應(yīng)速度，為種子萌發(fā)和胚的生長提供能量及物質(zhì)。低于15 ℃，冰草和巴哈雀稗種子發(fā)芽率較低，可能與種子萌發(fā)所需的積溫不足，不能在一定時間內(nèi)積累到種子萌發(fā)所需的熱量有關(guān)[40]。

種子萌發(fā)對光照的需求與否是由植物遺傳特性和環(huán)境條件共同決定的[41]。本研究中，6 種禾豆牧草種子萌發(fā)均不受光照條件限制，但是全黑暗條件下，紫花苜蓿‘公農(nóng)1 號’、‘阿爾岡金’和沙打旺種子發(fā)芽率低于相同溫度的光暗交替條件，即光照不是冰草、巴哈雀稗、紫花苜蓿‘公農(nóng)1 號’、‘阿爾岡金’、沙打旺和毛苕子種子萌發(fā)所必需的條件，薛焱和王迎春[42]、段春華等[43]也得出相似結(jié)果。而趙富王等[44]研究發(fā)現(xiàn)，光照對植物種子萌發(fā)的影響很大，其中光照條件下發(fā)芽率大于黑暗條件下的物種有益母草(Leonurus japonicus)、白羊草(Bothriochloa ischcemum)、 鐵 桿 蒿(Artemisia gmelinii)、 敗醬(Patrinia scabiosifolia)；光照條件下發(fā)芽率小于黑暗條件下的有杠柳(Periploca sepium)、丁香(Syringa oblata)、狗尾草(Setaria viridis)。劉波等[45]研究發(fā)現(xiàn)黑暗條件下蘆葦(Phragmites australis)種子發(fā)芽率高于光照條件。李發(fā)明等[46]對沙生針茅(Stipa glareosa)種子萌發(fā)也得出相似結(jié)論。本研究中冰草(25 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃、20 ℃/10 ℃、20 ℃/30 ℃、30 ℃/15 ℃) 和 巴 哈 雀 稗(30 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃)種子在光暗交替條件下發(fā)芽率小于全黑暗條件。大部分物種在光照條件下發(fā)芽率較高，可能是由于植被覆蓋率低及生物結(jié)皮豐富，導(dǎo)致種子長期暴露在光照下，是植物的一種生存策略[47]。光照不僅影響種子萌發(fā)啟動階段，也會持續(xù)影響種子萌發(fā)過程。

綜上，不同禾豆牧草種子萌發(fā)特性對溫度和光照的響應(yīng)不同?？傮w上，我國北方草地植物種子的萌發(fā)特性對溫度的響應(yīng)強于對光照的響應(yīng)。冰草的最適萌發(fā)溫度為30 ℃/15 ℃，恒溫和15 ℃/6 ℃變溫條件下冰草發(fā)芽率接近于零；巴哈雀稗最適萌發(fā)溫度為20 ℃/30 ℃(全黑暗)，低溫10 ℃和15 ℃條件下巴哈雀稗發(fā)芽率顯著降低；與冰草相比，巴哈雀稗種子萌發(fā)溫度范圍較大，較為寬幅的萌發(fā)溫度能夠保證巴哈雀稗在春季(15 ℃/6 ℃、20 ℃/10 ℃)、夏季(30 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃) 以 及 秋 季(30 ℃/15 ℃、25 ℃/15 ℃) 等季節(jié)進行播種。豆科牧草紫花苜?！r(nóng)1 號’、紫花苜?！枌稹?、沙打旺和毛苕子的最適萌發(fā)溫度分別是15 ℃/6 ℃、20 ℃/30 ℃、25 ℃和15 ℃(全黑暗)，其中毛苕子發(fā)芽率均高于80.00%，適宜萌發(fā)的溫度范圍較寬，播種時期范圍較廣。禾本科植物種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)低于豆科植物種子；禾本科植物種子萌發(fā)開始時間較晚( ＞ 6 d)，而豆科植物萌發(fā)開始時間均早于禾本科植物，為1～2 d；光暗交替條件對紫花苜蓿‘公農(nóng)1 號’、‘阿爾岡金’和沙打旺種子萌發(fā)存在明顯的促進作用。每個物種都有自己的萌發(fā)策略，物種選擇對栽培草地建植及退化草地補播具有決定作用，合理的禾本科和豆科草種組合可以顯著提高草地穩(wěn)定性，實際生產(chǎn)中需要選擇適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件的禾豆牧草進行混播，從而達到時間短、恢復(fù)快的目的。