草原毒害草—黄花棘豆种子萌发的影响因素探讨

陈 超， 丁 丹， 王庆海， 武菊英*， 莫重辉

(1.北京草业与环境研究发展中心， 北京 100097； 2.青海大学农牧学院， 青海 西宁 810016)

黄花棘豆(OxytropisochrocephalaBunge)为豆科多年生草本植物，是我国西部草场危害最为严重的毒害草之一，具有很强的抗旱、抗寒、耐盐碱能力且繁殖能力强[1]。同时，黄花棘豆所具有的化感作用可改变土壤中微生物比例，从而抑制周围植物的生长并建立有利于自身群落的土壤微环境[2]，增强自身的竞争力，形成以毒草为优势种的劣质草场，降低草地的利用率。其次，黄花棘豆中所含的生物碱会对反刍动物瘤胃中的微生物群落产生毒害作用[3]，降低消化酶活性[4-5]。动物采食后会降低自身的消化率并呈现慢性的体内积累中毒[6-7]，给畜牧业带来损失。目前，针对黄花棘豆在天然草场中的危害状况已经开展了防除方面的研究，其中化学防除是较为常见的防治措施，例如喷施迈士通[8-9]。但是，此方法通常很难将黄花棘豆从草场上彻底清除[10-14]。原因可能是此类方法主要针对于黄花棘豆植株，而对散落在土壤中的种子影响较小。黄花棘豆主要依靠种子进行扩繁，实生苗生长第2年即可开花结实。因此，针对黄花棘豆灭除后的复发现象，开展黄花棘豆种子的萌发特征和影响因素的研究对于了解黄花棘豆种群的重建和草地群落动态具有重要意义。

对于黄花棘豆种子的研究，主要集中在种子化学成份分析[15]、种子休眠的破除方法[16-19](如砂纸摩擦、浓硫酸酸蚀、热水浸种等)及光照和恒定温度等因素对种子萌发率的影响[20]，关于变温和发芽前种子贮存状况对黄花棘豆种子萌发率的影响还少见报道。变温条件下种子的萌发状况更接近自然状态，特别是在高寒地区，在黄花棘豆的自然分布区，例如青海和西藏等地，年均温较低、昼夜温差大而降水相对充足。因此，本研究主要探讨了不同温度条件及发芽前处理(低温处理和冷水浸种)对黄花棘豆种子萌发的影响，以了解黄花棘豆种子的萌发特性。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试种子：黄花棘豆种子于2015年9月采自青海省门源县皇城乡天然放牧草地，自然晾干后挑选籽粒饱满的种子保存于通风干燥处以备用。

1.2 试验方法

1.2.1千粒重测定 从净种子中随机抽取500粒种子，重复3次，用电子天平称重，求平均值，再转换成1 000粒种子的平均重量[21]。经测定，黄花棘豆种子千粒重为1.38± 0.01 g。

1.2.2试验处理 试验设有以下3个前期处理：(1)低温处理：将黄花棘豆种子置4℃冰箱中低温保存7 d；(2)冷水浸种试验：将黄花棘豆种子置于 4℃蒸馏水中浸泡24 h；(3)未经任何处理的种子作为对照组。试验组和对照组均设5个重复，每个重复50粒种子。将上述3种方法处理后的种子，分别放入铺有2层滤纸的直径为12 cm的培养皿，设置8个不同温度处理(10℃，10℃/5℃，15℃，15℃/5℃，20℃，20℃/5℃，25℃，25℃/5℃)的人工培养箱。人工培养箱的光照强度为80%，光照时间设为14 h光照/10 h黑暗[20]。

1.3 测定指标与方法

种子萌发以胚根伸出种皮2 mm为标准，每24 h记录1次，统计发芽种子数，并于试验的第30天按照《牧草种子检验规程GB/T2930-2011》[22]计算种子的发芽率(GP)、发芽指数(GI)、霉变率、畸形苗率和硬实率等。其中，发芽率GP=萌发的种子数/试验用种子数×100%；发芽指数GI=∑(Gt/Dt)(Gt为第t日的萌发数，Dt为相应的萌发日数)；霉变率=萌发过程中霉变的种子数/试验用种子数×100%；畸形苗率=畸形苗数/萌发的种子数×100%；硬实率=硬实种子数/试验用种子数×100%。

1.4 数据统计与分析

采用Microsoft Excel进行数据整理和绘图，发芽率、发芽指数、硬实率、发芽开始时间的差异性分析采用SAS进行方差分析。数据表示为平均值±标准差，差异显著性水平设为α=0.05。

2 结果与分析

2.1 培养温度对黄花棘豆种子萌发特性的影响

由表1可知，不同温度处理间，黄花棘豆种子发芽率及发芽指数差异均达到了极显著水平(P<0.01)。随着温度的上升，种子发芽率和发芽指数均呈现增加趋势；并且恒温条件下黄花棘豆种子的发芽率、发芽指数均高于与之对应的变温。其中，在25℃恒温条件下，发芽率和发芽指数最高，分别为15.3%和0.86；在10℃/5℃变温条件下，其发芽率和发芽指数最低，分别为1.3%和0.05。另外，各温度条件下其霉变率和畸形苗率较低，无统计学上的意义，本文未作进一步的探讨。

表1 培养温度对黄花棘豆种子萌发的影响Table 1 Effect of temperature on germination of Oxytropis ochrocephala

温度较低时(15℃/5℃、10℃、10℃/5℃)，黄花棘豆种子发芽开始时间较长，硬实率较高，最长发芽开始时间为22.3 d，硬实率最高达97.2%；当温度较高时(25℃、20℃、15℃)，发芽时间较短，4～5 d即可发芽，同时，种子硬实率较低，最低为79.2%(表1)。总体表现为，随着温度的上升，种子发芽开始时间显著缩短，种子硬实率显著降低，但变温可以明显推迟种子发芽的开始时间。

2.2 前期处理对黄花棘豆种子萌发的影响

2.2.1前期处理对黄花棘豆种子发芽率和发芽指数的影响 前期的冷水浸种和低温处理对黄花棘豆种子发芽率的影响与培养温度有关。冷水浸种处理的发芽率和对照相当，仅当培养温度为10℃时，冷水浸种可促进黄花棘豆种子发芽(P<0.01)，且变温条件下发芽率增加的趋势更为明显；在培养温度较高时，发芽前低温处理组的种子平均发芽率略高于对照组；在培养温度较低时(15℃/5℃、10℃/5℃和10℃)，处理组的发芽率低于对照组(图1)。

在恒温条件下，除培养温度为10℃低温条件下冷水浸种可提高种子发芽指数，降低种子发芽指数外，其他温度条件下2种处理方式对黄花棘豆的发芽指数无显著影响。在25℃/5℃变温培养条件下，2种处理方式下黄花棘豆的发芽指数明显高于对照组，且冷水浸泡对于提高发芽指数的效果更为明显；其他培养温度下，2种前期处理方式下黄花棘豆的发芽指数都低于对照组(图2)。

图1 不同发芽前处理方法对发芽率的影响Fig.1 Pregermination treatments on germination rate of Oxytropis ochrocephala

图2 不同发芽前处理方法对发芽指数的影响Fig.2 Pregermination treatments on vigor index of Oxytropis ochrocephala

2.2.2前期处理对黄花棘豆种子发芽开始时间及硬实率的影响 在恒温培养条件下，2种发芽前处理明显影响黄花棘豆的发芽开始时间。低温处理降低黄花棘豆的发芽开始时间；冷水浸种在温度较高时(25℃、20℃)降低黄花棘豆的发芽开始时间，在温度较低时(15℃、10℃)延长黄花棘豆的发芽开始时间。在变温培养条件，冷水浸种降低了黄花棘豆的发芽开始时间，而低温对黄花棘豆的发芽开始时间影响不大。分析表明，变温培养条件下仅当温度为25℃/5℃时，不同前处理方式下种子萌发起始时间差异显著，而其他温度下均无显著差异(图3)。

图3 不同发芽前处理方式对黄花棘豆发芽开始时间的影响Fig.3 Pregermination treatments on initiatory time of seed germination of Oxytropis ochrocephala

由图4可知，发芽前期2种处理方式对黄花棘豆种子硬实率无显著影响，但在同一温度下，未经处理种子的硬实率均略低于处理后的种子硬实率。

图4 不同发芽前处理方式对黄花棘豆硬实率的影响Fig.4 Pregermination treatments on hard seed rate of Oxytropis ochrocephala

2.3 培养温度与发芽前处理对黄花棘豆萌发的影响

培养温度与发芽前处理对黄花棘豆种子的萌发存在明显的互作效应。结果表明，发芽前处理和温度对于黄花棘豆的发芽时间和发芽指数存在互作；而在发芽率和硬实率方面，发芽前处理和温度对黄花棘豆的萌发无明显互作关系(表2)。

表2 培养温度与发芽前处理对黄花棘豆种子萌发的影响Table 2 Interactions of temperature and pregermination on germination of Oxytropis ochrocephala

3 讨论

种子繁殖是植物躲避恶劣环境的一种重要机制，而种子萌发则是植物生活史中的关键环节，是植物进行种群延续的重要过程。种子萌发主要受到温度[20,22-23]、光照[24-26]、水分[27-28]、贮藏条件[29-30]、种子大小[31-33]及埋藏深度[34-35]的影响。其中，温度是影响种子萌发的重要因子，直接影响种子萌发或通过间接调节种子休眠影响种子萌发[36]。本试验主要比较了黄花棘豆种子在不同发芽前处理及不同培养温度下种子的萌发情况，结果表明培养温度对黄花棘豆种子有明显的影响，并且恒温下种子的萌发率均高于与之对应的变温条件。

本研究中，在10℃～25℃范围内，随着温度的升高，种子发芽率增大，25℃的发芽率最高为15.3%，10℃/5℃的发芽率最低仅为1.3%。这与赵清梅等[20]的研究有相似的趋势。种子萌发对温度的反应机制，可确保大部分种子在合适的环境下萌发，从而增加幼苗成活的机率，保证种群延续。但是，相关的研究也表明，对于大部分物种来说，变温更有利于种子的萌发[37-39]；也有学者认为除了在极端温度下，种子总的发芽率不受变温的影响[40-41]，该两方面结果与本文的研究都存在一定的差异。本研究表明，相比于恒温条件，黄花棘豆在变温条件下发芽率更低,这可能是因为黄花棘豆种子为休眠性很强的种子，温度的变化对种皮影响较小，不能很好的打破休眠，因而不能促进其发芽。因此，对于高寒草甸年平均温度较低而昼夜温差较大的情况，黄花棘豆种子快速萌发的机会较小，不利于黄花棘豆快速建立种群和扩繁。但是，黄花棘豆种子的强休眠性可以使种子延迟或分散萌发，以提高其成活和传播扩散的机会,例如，王生耀等[42]的研究表明棘豆属种子经过5～6年后依然具有一定的活力。

本试验比较了低温处理和冷水浸种对黄花棘豆种子发芽的影响，结果表明2种处理方法对黄花棘豆种子发芽率影响效果较小，且与培养温度有关，这与赵清梅[20]等人的研究结果一致,但汤涛等[17]的研究表明，在20℃时，预冷对黄花棘豆发芽率的影响显著,这可能与培养温度有关。本试验也表明虽然发芽前低温处理对于黄花棘豆发芽率的影响不显著，但在温度较高时，其种子平均发芽率高于对照组。整体上，黄花棘豆种子萌发对低温和冷水浸种2种处理方式响应较弱，表明在自然环境中特别是高寒草甸草原上，降雨量可能对其种子萌发影响不显著。高寒草甸年均气温和积温较低，例如青海地区年均温4.6℃，1月份年均温-7.6℃，7月份年均温15.4℃[42]，且昼夜温差变化幅度较大，这些环境因子可能都会对黄花棘豆种子萌发产生不利影响。

在天然草地喷施迈士通后，黄花棘豆植株出现干枯、死亡，防除效果可达98%[8]。但是，黄花棘豆种子产量大、硬实率高，在土壤中可以存活较长时间[43-44]。研究表明，中等大小的黄花棘豆单株每年可产生800～2 000粒种子，植株大者可达万粒以上[2]，并且黄花棘豆种子具有很高的硬实率，该特点可以保护种子在不适宜的条件下延迟或分散萌发，进而提高成活和传播的机会[43-44]。本研究表明，黄花棘豆的硬实率高达97.2%，因此，对于天然草地黄花棘豆植株防除后，土壤中种子库的萌发特性和发生机制还需要进一步深入的研究。

4 结论

通过比较不同培养温度及不同预处理方式下黄花棘豆种子的萌发情况，得出以下主要结论：

(1)温度对黄花棘豆种子萌发的影响较为显著。随着温度的升高，种子发芽率增加，25℃下发芽率最高为15.3%，10℃/5℃下最低为1.3%；恒温条件下其种子发芽率均高于与之对应的变温条件。

(2)前期的低温处理和冷水浸种两种处理方式对黄花棘豆种子萌发的影响效果与温度有关。恒温条件下，两种处理方式在温度较高时影响较小而温度较低时影响较大，例如在10℃时，低温处理降低发芽率、发芽指数，减少发芽开始时间而冷水浸种促进黄花棘豆种子的萌发。变温条件下，两种处理方式在温度较高时影响较大而温度较低时影响较小，当温度为25℃/5℃时，2种处理方式可显著影响黄花棘豆种子的发芽指数与发芽开始时间，而其他温度下则无显著差异。

综上所述，对于高寒草甸昼夜温差较大的情况，黄花棘豆依靠种子进行快速建植下一代的机会较小。但是，黄花棘豆具有很高的硬实率，其是否通过分散萌发而建立种群还需要进一步的研究和探讨。