氮引发对碱茅种子萌发特性的影响

王雅聪，王 菲，王聪聪，杨叶研，马杰宇，田 蓉，夏方山

（山西农业大学动物科技学院，山西 太谷 030801）

氮水平是决定植物生长发育的关键因子，其水平高低直接决定了草地植物的生产力高低[1]。然而，草地植物如何响应氮增加现象主要取决于其所处生态系统的氮水平，适度氮增加能促进草地植物的生长发育，氮过量则会对其造成负面影响[2]。近年来，我国高氮沉降地区正由东南向西北急剧蔓延，内蒙古草原地区每年的氮沉降量已高达3.43 g·m-2，并仍在持续升高[3-4]。氮沉降造成的氮素升高会导致生态系统的土壤养分及微生物平衡被打破、土壤酶活性与呼吸作用受抑制、土壤pH 及水分利用效率下降等不利变化，从而造成草地植物的光合效率、生物量积累及凋落物分解速率等降低，并改变草地植物的生物量分配及种间竞争关系，最终导致草地生态系统的群落结构发生改变，甚至会造成生物多样性下降及生态系统退化[5-7]。因此，氮沉降对陆地生态系统的影响已成为国内外生态学研究的热点问题[8]。目前，关于氮沉降影响草地植物的研究主要侧重于生境条件及以营养繁殖为主的群落结构特征变化，而氮沉降如何影响草地植物的种子繁殖却很少报道，因而氮沉降对草地植物种子萌发有何影响尚不清楚。

碱茅(Puccinellia distans)具有耐旱、耐瘠薄、耐碱盐等适应性强的优良特性，是盐碱地改良的特种先锋植物[9]。此外，碱茅还具有返青早、生长快、营养丰富、适口性好等优质饲草的特点，是调制干草或放牧的优质原料[10]。因此，碱茅已越来越多地被用于盐碱化草地生态恢复与重建。种子萌发与幼苗建成既是植物生长发育的关键时期，又是其对生态因子响应的最敏感时期[11]。研究发现，盐碱条件会造成植物种子活力下降，导致其发芽率、发芽指数及幼苗活力指数下降，并延迟其萌发[12]。种子引发已被认为是提高逆境条件下植物种子活力最简单、最经济、最有效的策略[13]，能有效促进植物种子的萌发、幼苗生长及产量增加[14]，既是商业种子公司最常用于提高种子活力的方法，也是当下种子科学领域研究的热点[15-16]。研究发现，合理的引发能有效提高植物种子的活力水平，促进其在盐碱条件下正常萌发及幼苗建成，从而为成功进行盐碱化草地生态系统的植被恢复与重建提供了保障[12]。然而，日趋严重的氮沉降对盐碱化草地中碱茅的种子繁殖有何影响尚不清楚。因此，本研究采用种子引发的手段，探讨不同硝酸铵浓度及引发时间模拟氮沉降对碱茅种子萌发的影响，以期为初步揭示氮沉降对碱茅种子萌发的影响提供参考依据，也为进一步阐明氮沉降对草地植物种子繁殖的影响提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 材料来源

碱茅种子由山西农业大学牧草种子实验室提供，2017 年7 月收集于山西农业大学右玉草地生态系统野外观测研究站，于-20 ℃密封保存至2019 年5 月试验进行。

1.2 引发处理

用10 mL 浓 度 为0、0.01%、0.04%、0.08%、0.16%、0.32%、0.64%和1.28% (w/w)的硝酸铵溶液将碱茅种子在20～30 ℃黑暗变温条件下分别浸泡 0 (对照)、3、6 和12 h，用蒸馏水冲洗两次，并在室温黑暗条件下风干3 d，重复4 次。

1.3 发芽试验及指标测定

发芽试验条件参照《草种子检验规程 发芽试验》(GB/T 2930.4-2017)[17]的规定进行，选取100 粒均匀饱满的碱茅种子放入培养皿中，设4 次重复，在20～30 ℃变温条件下培养，每天统计发芽种子数，末次计数为第21 天，最终统计正常种苗数，并测定每个培养皿中全部正常种苗鲜重。发芽率的计算参照国际种子检验协会(International Seed Testing Association，ISTA)的 种 子 检 验 规 程(2015)[18]进行，发芽指数及幼苗活力指数的计算参照Abdul-Baki 和Anderson[19]的方法进行，平均发芽时间的计算参照Ellis 和Roberts[20]的方法进行，具体计算公式参考文献[21]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 统计分析软件处理试验数据，采用Duncan’s (P = 0.05)法进行多重比较，结果以平均值 ± 标准误表示。

2 结果与分析

2.1 氮浓度和引发时间对碱茅种子活力的双因素方差分析

双因素方差分析结果表明(表1)，氮浓度、引发时间及二者的互作对碱茅种子的发芽率、发芽指数及幼苗活力指数有显著影响(P＜0.05)；而氮浓度和氮浓度与引发时间的互作对碱茅种子平均发芽时间无显著影响(P ＞ 0.05)。

表 1 氮浓度和引发时间对碱茅种子萌发影响的双因素方差分析Table 1 Variance analysis of the effects of nitrogen concentration and priming time on the germination of Puccinellia distans seeds

2.2 氮引发对碱茅种子发芽率的影响

碱茅种子发芽率随硝酸铵浓度和引发时间的变化而变化(表2)。在相同引发时间时，碱茅种子发芽率随硝酸铵浓度的增加呈先升高后降低的趋势。碱茅种子发芽率在浓度为0.08%硝酸铵引发3 h 时达到最大值，而在浓度为1.28%硝酸铵引发3～12 h 时 显 著(P＜0.05)降 低。硝 酸 铵 浓 度 为0.01%～0.16%时，碱茅种子发芽率随引发时间的延长也呈先升高后降低的趋势；硝酸铵浓度为0 和0.32%～1.28%时，碱茅种子发芽率随引发时间的延长基本呈降低趋势。

表 2 氮引发对碱茅种子发芽率变化的影响Table 2 Influence of nitrogen priming on the germination percentage in Puccinellia distans seeds%

2.3 氮引发对碱茅种子发芽指数的影响

碱茅种子发芽指数的变化与硝酸铵浓度和引发时间有关(表3)。硝酸铵浓度为0～0.32%时，碱茅种子发芽指数随引发时间的延长呈先升高后降低的趋势；硝酸铵浓度为0.64%～1.28%时，碱茅种子发芽指数随引发时间的延长呈降低趋势。引发3～12 h 时，碱茅种子发芽指数随硝酸铵浓度的增加有先升高后降低的趋势，且在硝酸铵浓度为1.28%时显著(P＜0.05)降低；在引发3 h，硝酸铵浓度为0.08%时达到最大值，为13.34。

2.4 氮引发对碱茅种子幼苗活力指数的影响

碱茅种子幼苗活力指数随硝酸铵浓度和引发时间的变化而变化(表4)。硝酸铵浓度相同时，碱茅种子幼苗活力指数随引发时间的延长有降低的趋势，且引发12 h (除硝酸铵浓度为0.08%)显著(P ＜0.05)低于CK。引发时间相同时，碱茅种子幼苗活力指数随硝酸铵浓度的增加呈先升高后降低的趋势，在硝酸铵浓度为1.28%时显著(P＜0.05)降低。

2.5 氮引发对碱茅种子平均发芽时间的影响

碱茅种子平均发芽时间随硝酸铵浓度和引发时间的变化而变化(表5)。硝酸铵浓度相同时，碱茅种子平均发芽时间随引发时间的延长有先降低后延长的趋势，浓度为0～0.01%和0.08%～0.16%引发3 h 时，碱茅种子平均发芽时间显著(P＜0.05)低于CK。引发时间相同时，碱茅种子平均发芽时间随氮浓度的增加有增加的趋势。

表 3 氮引发对碱茅种子发芽指数变化的影响Table 3 Influence of nitrogen priming on the germination index in Puccinellia distans seeds

表 4 氮引发对碱茅幼苗活力指数变化的影响Table 4 Influence of nitrogen priming on the seedling vigor index of Puccinellia distans

表 5 氮引发对碱茅种子平均发芽时间变化的影响Table 5 Influence of nitrogen priming on the mean germination time of Puccinellia distans seeds d

3 讨论

氮素是植物细胞的重要组成部分，是植物生长发育所必需的营养元素之一[22]，也是大多数陆地生态系统的重要限制因素[3]。研究发现，适宜的氮沉降会直接对草地植物的生长发育产生促进作用，从而增加其生物量，禾本科植物尤为明显[23-25]。本研究表明，低浓度(0～0.16%)氮引发可提高碱茅种子的发芽率和发芽指数，并缩短其平均发芽时间，这与油菜(Brassica napus)[26]和辣椒(Capsicumannum)[27]等植物种子的研究结果相似，表明适宜浓度的氮引发促进了碱茅种子的萌发，因而适宜的氮沉降可能会促进盐碱化草地中碱茅种子的萌发。研究发现，氮预处理能提高种子内贮藏物质的转化与利用，激活种子萌发及其幼苗生长发育所需的多种酶活性[27]；种子在吸胀萌发过程会产生大量活性氧[28]，而氮预处理能够提高种子内自由基清除酶超氧化物歧化酶、过氧化物酶和过氧化氢酶活性，有效缓解活性氧过量积累对其细胞结构与功能的损伤，从而促进其萌发及幼苗生长发育[27]。

然而，植物吸收过量的氮素会打破其体内营养平衡，进而影响其生长发育[29]。因此，过量的氮沉降会对植物生物量的积累造成影响，甚至会导致草地植物多样性的下降[30-31]。研究发现，过量的氮沉降会抑制草地植物的生长发育，导致其生物量下降[23,32]。本研究表明，高浓度氮引发导致碱茅种子发芽率、发芽指数和幼苗活力指数均显著(P ＜0.05)降低，这表明碱茅种子的萌发能力下降，所以盐碱地中碱茅的种子繁殖能力可能会被过量氮沉降抑制。过量氮沉降会导致草地植物生长环境的土壤pH 下降，抑制了不适应酸性环境植物种类的正常代谢反应[30]；同时，过量氮沉降还破坏了草地植物生长环境的营养平衡，导致其光合作用等生理生化过程发生紊乱，从而抑制其正常的生长发育[32-33]。此外，高浓度的引发试剂会使植物种子在吸胀萌发过程发生细胞膜渗透损伤，从而抑制其正常的萌发[12]，这也是高浓度的氮引发导致种子萌发能力下降的原因。

引发时间也会直接影响植物种子的萌发及其幼苗生长[21,34]。本研究表明，碱茅种子的发芽率、发芽指数及幼苗活力指数均随氮引发时间的延长而显著(P＜0.05)降低，而其平均发芽时间则显著(P ＜0.05)增加，这表明氮引发延迟了碱茅种子的萌发能力。研究表明，引发时间太久会使种子发生吸胀损伤[35]，且长时间浸泡会使种子发生无氧呼吸毒害，这可能是长时间氮引发导致碱茅种子萌发能力下降的主要原因。氮沉降也是一个长期而连续的过程，其不断积累会使草地植物群落的物种多样性降低[36]。本研究中，浓度为1.28%的硝酸铵溶液引发会抑制碱茅种子的萌发。因此，长期的氮沉降可能会使盐碱化草地中碱茅种子的萌发能力下降。

4 结论

不同的氮浓度、引发时间及二者的互作对碱茅种子的发芽率、发芽指数及幼苗活力指数的影响存在显著影响(P＜0.05)。浓度为0～0.08%的氮引发时碱茅种子萌发呈上升趋势，而浓度0.16%～1.28%的氮引发时则相反。综合分析，浓度为0.08%的氮引发3 h 是促进碱茅种子萌发的最佳处理。