扁秆荆三棱球茎萌发条件分析

许同心, 李 涛, 王浩东, 钱灿灿, 马江锋, 杨德松

(石河子大学农学院 /新疆绿洲农业病虫害治理与植保资源利用重点实验室,新疆石河子 832003)

0 引 言

【研究意义】扁秆荆三棱(Bolboschoenusplaniculmis)隶属莎草科三棱草属一年生杂草，在我国大部分地区均有分布[1,2]，其繁殖方式多样，主要以球茎或根茎繁殖为主(无性繁殖)，球茎不仅能长成植株，还可生出2～5条根茎，待根茎伸长到一定程度，开始向上弯曲膨大并逐渐形成球茎，之后伸出土表长成新植株，一颗球茎繁殖植株可达5 336株[3,4]，次以种子繁殖(有性繁殖)，大多生长在水田、湖泊、湿地等潮湿环境[5,6]。扁秆荆三棱既是湿地恢复的重要植物[7]，也是危害稻田杂草之一[8]，近些年成为新疆棉田恶性杂草之一，对棉花苗期生长影响严[9,10]。【前人研究进展】种子或球茎萌发是杂草生活史的开始，也是一个复杂的过程，种子或球茎能否正常萌发受到诸多外界环境的直接或间接影响，例如温度、光照、pH、盐分浓度、土壤含水量和埋土深度等[11]，通过对外界环境因子对种子或球茎萌影响的研究，系统了解种子或球茎球茎萌发特性，可以合理减施除草剂，为农田杂草制定更为科学的综合防除体系。杨蕊等[12]2018年研究发现，碱蓬(Suaedasalsa)种子萌发率随着埋土深度的增加反而降低，在埋土深度为3 cm时，抑制种子萌发;播娘蒿(Descurainiasophia)种子对照光非常敏感，光照条件下明显抑制其种子萌发，黑暗条件下适宜其萌发[13]。【本研究切入点】在农业实践生产中利用农业防除措施，深翻土地，将种子埋入深层或翻出土表见光晾晒，可减少农田碱蓬和播娘蒿的发生基数，目前对其防除还是以化学药剂防除为主[9,14]，防除效果一般，而其他防除方法尚未研究。需系统研究扁秆荆三棱萌发特性，分析棉田扁秆荆三棱的生物学特性，进一步指导扁秆荆三棱的科学防除和新型除草剂的研制。【拟解决的关键问题】采用培养皿法和盆钵法分析扁秆荆三棱球茎萌发和出苗的最适环境条件，记录球茎萌发和出苗数量，计算球茎萌发率、萌发指数、平均萌发时间和启动萌发时间，研究扁秆荆三棱球茎休眠特性，为棉田扁秆荆三棱的综合防除提供理论参考。

1 材料与方法

1.1 材 料

1.1.1 供试球茎及土壤

扁秆荆三棱球茎于2020年6月采集于新疆石河子市三分场二连的一块棉田；土壤来源于石河子城郊处一块无使用除草剂且无发生过扁秆荆三棱农田，pH值为8.19，速效钾含量362.46 mg/kg，速效磷含量41.83 mg/kg，全氮含量为0.87 g/kg，有机质含量为38.76 g/kg，将土壤与有机质土壤按2:1的比例充分混匀备用。

1.1.2 试剂及仪器

氢氧化钠、氯化钠、分析纯、2-(N-吗啡啉)乙磺酸(MES)、4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(Hepes)、N-三(羟甲基)甲基甘氨酸(Tricine)

1.2 方 法

1.2.1 储存方式对扁秆荆三棱球茎休眠解除的影响

对新采收的扁秆荆三棱球茎洗净晒干，分别用5种方式储存：(1)4℃冰箱干燥储存；(2)温室干燥储存；(3)利用0.5 %次氯酸钠消毒后置于水中浸泡储存；(4)放入5～10 cm土层中保存；(5)-20℃冰箱储存。每隔10 d从各个处理中取出部分球茎进行萌发试验，共3次。采用培养皿法测定萌发率，将扁秆荆三棱球茎放置在铺有定性滤纸铺直径为12 cm的培养皿中，每皿均匀放置15颗球茎，放入25～30℃、光周期为L∶D =12∶12、光照强度为8 000 lx的培养箱中，每个处理3次重复，试验进行2次，每次试验观察15 d，计算球茎的萌发率。扁秆荆三棱球茎萌发率以胚根或胚芽鞘伸出表面2 mm视为萌发，萌发率在60%以上，球茎解除休眠。

1.2.2 扁秆荆三棱球茎吸水率测定

取10颗扁秆荆三棱球茎称重记为m1，而后放入烧杯中，加蒸馏水200 mL，置于30℃培养箱，第2、4、12、24、48、72、96 h分别取出球茎，用吸水纸将球茎表面水分吸干后称重记为m2，记录各个时间段称量数据，计算球茎吸水率，重复3次，最终计算平均值。

1.2.3 扁秆荆三棱球茎萌发条件

1.2.3.1 温度对扁秆荆三棱萌发影响

对已解除休眠的球茎用5 %次氯酸钠消毒30 s后，用蒸馏水清洗3次，均匀撒入铺有滤纸的培养皿中15颗球茎，放入培养箱中，培养箱温度分别设置为10、15、20、25、30和35℃。每个处理3次重复，试验2次，每次试验连续观察15 d，计算扁秆荆三棱球茎萌发率、初始萌发时间、平均萌发时间、萌发指数。

1.2.3.2 光照对扁秆荆三棱球茎萌发影响

每个温度加入一组用不透光的黑布包裹的黑暗处理，每个处理3次重复，试验共进行两次，连续记录15 d，每天记录扁秆荆三棱球茎萌发情况。

1.2.3.3 pH对扁秆荆三棱球茎萌发影响

将解除休眠的扁秆荆三棱球茎放置于pH为5、6、7、8、9的缓冲液中。按照Chauhan[15]方法，制备pH为5和6的缓冲液用2 mmol/L的2-(N-吗啡啉)乙磺酸和1 mmol/L的氢氧化钠配制；pH为7和8的缓冲液用2 mmol/L的4-(2-羟乙基)-1-哌嗪乙磺酸(Hepes)和1 mmol/L的氢氧化钠配制；pH为9的缓冲液用2 mmol/L的N-三(羟甲基)甲基甘氨酸和1 mmol/L氢氧化钠配制，以纯水(pH为7.2)为对照，每个处理3个重复，置于培养箱中萌发，连续观察15 d球茎萌发情况并记录。

1.2.3.4 盐分胁迫对扁秆荆三棱球茎萌发影响

利用氯化钠配制盐分为25、50、75、100、125、150 mmol/L盐溶液，将已解除休眠的球茎放入不同浓度的盐溶液中进行培养，每个处理3次重复，每个重复15颗球茎，观察15d球茎萌发数。

1.2.3.5 土壤湿度对扁秆荆三棱球茎萌发影响

取备好土壤，风干后放入110℃烘箱中，1 h烘干至恒重除去土壤中水分，并杀死土壤中原有的杂草种子，称取烘干土壤200 g于塑料盆钵中，加水配制成含水量0 %、10 %、20 %、30 %、40 %、50 %、60 %的5种土壤处理，每个盆钵中播种扁秆荆三棱球茎15个，用保鲜膜封住盆口，防治水分蒸发，每个处理重复3次，20 d后记录萌发球茎数，计算萌发率。

1.2.3.6 土壤深度对扁秆荆三棱球茎萌发影响

1.2.4 计算

萌发率(%)=萌发球茎数/供试球茎数×100%。

(1)

(2)

萌发指数：供试球茎发芽整齐程度的指标；n表示萌发持续时间(d)。

(3)

式中Ni表示第i天球茎萌发数，Di表示相应的萌发时间(d)。

球茎吸水率=(m2-m1)/m1.

(4)

式中m1为球茎初始质量，m2为球茎吸水2、4、12、24、48、72、96 h后球茎质量。

2002年7月，我国实施了《转基因食品卫生管理办法》，该法律法规规定了转基因产品安全监管的一系列制度。对转基因产品安全监管的一系列制度进行了详细、明确的规定。但随着2007年《新资源食品管理办法》的施行，这部对转基因产品安全监管具有重要意义的部门规章被废止。使得我国没有专门的转基因产品标识立法。转基因产品标识管理过程中只能适用其他相关、相近的法律法规。

1.3 数据处理

采用Spss20.0软件和Excel 2019软件对试验数据进行方差分析，利用Duncan法分析显著性。利用Sigma Plot 12.5数据处理软件对扁秆荆三棱球茎萌发曲线拟合。

盐分胁迫对扁秆荆三棱球茎萌发率的影响拟合公式[16]为：

G=Gmax/(1+(x/x50)Grate)x100%.

(5)

其中，G为盐浓度为x时扁秆荆三棱球茎的萌发率；Gmax为最大萌发率；x50为抑制中浓度；Grate为方程斜率。

2 结果与分析

2.1 储存方式对扁秆荆三棱球茎休眠解除影响

研究表明，室温水储条件对扁秆荆三棱球茎休眠解除效果最好，随着储存时间的延长，其萌发率逐渐增高，在室温水储30 d，萌发率高达88.89%，与其他储存条件呈显著差异；土壤层积与室温干储两个储存条件对扁秆荆三棱球茎休眠解除效果一般，储存30 d后萌发率分别为62.22 %和51.11 %；-20℃干储条件对扁秆荆三棱球茎休眠解除效果最差，储存前10 d内萌发率为4.44 %，随后储存20 d、30 d，扁秆荆三棱球茎均未能萌发。图1

图1 不同储存方式下扁秆荆三棱球茎休眠解除变化

2.2 扁秆荆三棱球茎吸水率的测定

研究表明，扁秆荆三棱球茎对吸水量呈现出一个逐渐上升趋势，第1 d吸水速度较快，达到了球茎干重的35.56%，其中在0～2 h吸水速度最快，随后球茎吸水速度有所放缓，浸种72 h，吸水率达到63.23%，球茎开始露芽，球茎吸水基本进入停滞期，球茎吸水量达到球茎重量的2/3时，扁秆荆三棱胚根从球茎表面伸出，达到萌发所需水量。图2

图2 扁秆荆三棱球茎吸水率变化

2.3 扁秆荆三棱球茎萌发条件

2.3.1 温度和光照对扁秆荆三棱球茎萌发影响

研究表明，在光照条件下，温度在25和30℃时扁秆荆三棱球茎萌发率在70%以上，显著高于其他温度，其中30℃萌发率最高为82.22 %，而在35℃时，球茎萌发率明显下降，在25～30℃是扁秆荆三棱球茎萌发的适宜温度，其中30℃为最适萌发温度，之后随温度的升高抑制球茎的萌发。在10℃时扁秆荆三棱球茎不能萌发，15℃时仅有极少部分球茎萌发，扁秆荆三棱球茎萌发初始温度为15℃；黑暗处理与光照处理球茎萌发趋势相同，有无光照对扁秆荆三棱球茎萌发无影响。图3

图3 不同温度和光照下扁秆荆三棱球茎萌发变化

2.3.2 pH对扁秆荆三棱球茎萌发的影响

研究表明，pH在5～9内扁秆荆三棱球茎均能萌发，萌发率在70 %～90 %，其中pH为8时，萌发最高为88.89 %，pH为5时萌发率最低为71.11 %，与对照呈现显著性差异，扁秆荆三棱球茎萌发不受pH的限制，球茎更适合在碱性或中性条件下萌发。图4

图4 不同pH对扁秆荆三棱球茎萌发变化

2.3.3 盐分对扁秆荆三棱球茎萌发的影响

研究表明，NaCl浓度在0～25 mmol/L，对扁秆荆三棱球茎萌发无影响，萌发率均高于80%，之后随着NaCl浓度的升高，扁秆荆三棱球茎萌发率逐渐降低，盐分胁迫与扁秆荆三棱球茎萌发率拟合方程为G=82.09/(1+(x/102.34)3.49) 100%(R2=0.98)，当萌发率为50%时，NaCl浓度为90.1 mmol/L，当NaCl浓度为150 mmol/L时，球茎萌发为13.33%，即使在高盐浓度下扁秆荆三棱球茎也能萌发，其耐盐程度较高。图5,表1

表1 不同处理下扁秆荆三棱球茎萌发变化

图5 不同盐分胁迫对扁秆荆三棱球茎萌发变化

2.3.4 土壤湿度对扁秆荆三棱球茎萌发影响

研究表明，土壤含水量在0～60 %，扁秆荆三棱球茎出苗率随土壤含水量的增加而逐渐升高，土壤湿度在10 %～20 %，扁秆荆三棱出苗率在24.44 %～42.22 %；当土壤含水量超过50 %时，扁秆荆三棱球茎出苗率达到最高，均在70 %以上，各处理之间并无显著性差异，扁秆荆三棱是一种喜湿植物，易在潮湿的环境中萌发生长，但在干旱条件下仍能出苗，具有较强的耐旱性。图6

图6 不同土壤含水量下扁秆荆三棱球茎出苗变化

2.3.5 埋土深度对扁秆荆三棱球茎萌发的影响

研究表明，埋土深度在5 cm～25 cm范围内，出苗率呈现出现上升后下降的趋势，拟合方程为y= 0.034 1x3- 1.952 4x2+ 29.83x- 53.778(R2= 0.998 5)埋土深度在5 cm～10 cm时，扁秆荆三棱球茎出苗率呈上升趋势，在10 cm时出苗率达到最大，为82.22%，随后在10～25 cm出苗率迅速下降，在25 cm时，出苗率最小为4.44%，说明埋土深度在5～15 cm之间为扁秆荆三棱球茎更易出苗，而埋土深度超过15 cm，抑制其出苗，超过25 cm时几乎不出苗。图7

图7 不同埋土深度下扁秆荆三棱球茎萌发变化

3 讨 论

3.1扁秆荆三棱的防除方式关键是阻断其繁殖，相对于种子繁殖，球茎繁殖控制难度更大。新疆土壤盐碱化程度较高[17]。大多数种子具有休眠特性，是种子和球茎对外界恶劣环境条件适应的一种生理反应，也是物种长期进化过程的结果[18-20]。从球茎吸水特性研究中，其在72 h吸水率达到63.23%，且开始萌发，扁秆荆三棱球茎没有明显的物理休眠，在自然状态下可以吸水萌发。但杂草种子及球茎休眠特性的存在，不利于农田杂草科学防除，了解扁秆荆三棱球茎解除休眠具对其防除具有生产实践意义。高温相比较低温更容易解除种子休眠[21,22]，早熟禾、藜、狗尾草等杂草种子在高温下才能解除休眠[23-25]。

3.2适宜的温度、充足的水分是种子和球茎萌发过程必不可少的环境条件，扁秆荆三棱是喜湿喜温的植物。从球茎吸水特性研究中，其在72 h吸水率达到63.23 %，且开始萌发，扁秆荆三棱球茎没有明显的物理休眠，在自然状态下可以吸水萌发。在15℃是其球茎萌发的初始温度，25～30℃为最适萌发温度，之后随着温度的升高，其球茎萌发受到抑制，与藨草属的另一种植物海三棱藨草(Scirpusmariqueter)球茎萌发有着相同的趋势[26]，但扁秆荆三棱比棉田其他杂草马齿苋(Portulacaoleracea)、田旋花(ConvolvulusarvensisL.)等适应温度范围更窄[27,28]，夏季温度过高会抑制其球茎萌发，这会减少扁秆荆三棱对农作物的危害。扁秆荆三棱球茎萌发不受光照影响，光照与黑暗条件下均能萌发，且在不同温度下萌发率相近，这与棉田杂草苍耳(Xanthiumstrumarium)的萌发有相似的特性[29]。大多数杂草种子萌发对酸碱度条件在pH为4～10，适应性较为广泛[30,31]，扁秆荆三棱球茎具有相同的特性，本试验中其球茎在pH为5～9均能萌发，因此在新疆盐碱化程度较高的地方仍可正常，表明酸碱度不能成为扁秆荆三棱球茎萌发和繁殖的控制条件之一；而高盐分条件下可抑制扁秆荆三棱球茎萌发，随着NaCl浓度增大，球茎萌发率逐渐降低，当盐分150 mmol/L时，球茎萌发率低至13.33 %，较高盐分可以抑制球茎吸水从而抑制其萌发，与田旋花、马齿苋、苍耳种子在盐分胁迫条件下萌发具有相同趋势；扁秆荆三棱球茎在土壤含水量为60 %萌发率最高，而在土壤含水率为0时不萌发，扁秆荆三棱是喜湿植物，这与他常发生在水田、河岸、湿地特点相吻合，而新疆属于干旱少雨地区，但由于新疆早期种植水稻，加之棉田膜下滴灌为其提供了高温湿润的环境，为其萌发创造了较好的条件，成为新疆棉田常见杂草之一[9,32]；扁秆荆三棱球茎在土层25 cm仍能发芽，间接证明其球茎萌发不受光照限制，由于扁秆荆三棱是喜湿植物，土壤表面受太阳直射含水率低，致使球茎萌发个数较少。扁秆荆三棱球茎在土层10～15 cm时为最适萌发土壤深度，萌发率最高，高于15 cm或低于10 cm都会降低球茎萌发率，扁秆荆三棱发生量与其球茎在土壤中的垂直分布量有着密切关系，将土层中分布在5 cm～15 cm的球茎深翻至土层30 cm以下让其休眠或者翻至土表层晾干使球茎失去水分无法萌发。

4 结 论

扁秆荆三棱已经在新疆大部分棉田发生，对棉花苗期生长和后期产量造成了严重影响，但未有棉田专用除草剂防除扁秆荆三棱，使其防除难度加重。扁秆荆三棱球茎萌发不受pH的限制；NaCl浓度在0～25 mmol/L时，萌发率在80%以上，随着浓度的增大，扁秆荆三棱球茎萌发逐渐降低，在NaCl浓度为150 mmol/L时，球茎萌发率仅为11.11%，在高盐浓度下，扁秆荆三棱球茎仍能萌发；随着土壤湿度的增加，其发芽率随之增大；埋土深度10 cm时发芽率最大，为82.22%，扁秆荆三棱一般处于土层10 cm。扁秆荆三棱喜温湿且耐受性强，属于棉田恶性杂草。