赤霉素浸种对2种矿区修复先锋植物种子萌发和幼苗生长的影响

俞龙生 ，李卫，许铭宇, ，林泽帆

1. 广州草木蕃环境科技有限公司/广东省湿地修复工程技术研究中心，广东 广州510520；2. 仲恺农业工程学院园艺园林学院，广东 广州 510225；3. 华南理工大学环境与能源学院，广东 广州 510006

多金属矿山的露天开采导致采矿区、尾矿排土场等土地和植被破坏，引发水土流失、重金属污染和土地酸化、贫瘠等普遍性生态问题（束文圣等，2003）。植被生态恢复是修复和重建矿区生态系统的有效手段（彭少麟，2000），而筛选矿区指示植物、先锋植物等适宜物种是矿区生态修复的首要问题（党志等，2001）。为促进矿区裸地植被定居和植被演替（Cooke et al.，2002；Li，2006），豆科和禾本科植物具有较强的耐性和抗逆性，尤其是豆科植物因具有茎瘤或根瘤固氮、重金属耐受性、为后茬作物提供养分等特性，常被作为金属矿区生态修复的先锋物种（张志权等，2002；秦建桥等，2009；方文等，2015）。猪屎豆（Crotalaria pallida Ait.）和黄槐决明（Cassia surattensis Burm. F.）是矿区以及边坡生态修复工程中应用较多的两种豆科植物，具有耐贫瘠、耐旱、适应矿区土壤环境等特点（李彪等，2011；李江遐等，2016）。矿区植物修复大多采用种子撒播、喷播等经济高效的方式，但豆科植物种子硬实现象较为普遍，由于种皮致密、透水性较差往往会导致发芽受阻、出苗时间较长、种苗参差不齐，从而影响修复工程效果。

为解决种子硬实的问题，常采用人工破损种皮、温水浸泡、外源生长调节剂或激素浸种等方法促进种子快速萌发（Nathawat et al.，2007；廖富林等，2011；梁碧云等，2021）。赤霉素是一类双萜类化合物的植物激素，能够促进种子的软化和加快胚细胞的生长、分化，已有研究表明适宜浓度和时间的赤霉素浸种对多种植物种子的萌发具有促进作用（陈慧等，2014；马宏伦等，2018）。不同浓度赤霉素浸种对种子萌发和幼苗茎叶生长具有不同的促进效果，如300 mg·L-1赤霉素浸种能够促进豆科植物野火球（Trifolium lupinaster L.）种子萌发，超过500 mg·L-1则可能抑制发芽（刘晓兰等，2017）。种子浸泡时间对种子萌发和幼苗生长也较为关键，研究表明浸种1 d处理的紫花苜蓿（Medicago sativa L.）发芽率最好但萌发速度低，浸种3 d则影响种子发芽率和速度（赵满兴等，2018）。筛选适宜的浸种浓度和浸种时间是破解种子硬实问题的关键，可提高撒播植物种子的萌发率和生长速度，降低植被生态修复成本和提升生态修复效果。

针对两种供试植物种子萌发问题，陈慧等（2014）研究表明200 mg·L-1赤霉素浸种对猪屎豆种子的催芽效果最佳，梁碧云等（2021）采用69 mg·L-1赤霉素对猪屎豆的发芽率提高效果不显著，但利用温水浸种处理种子发芽率和吸胀率有明显提高；有研究表明适宜质量浓度的赤霉素和聚乙二醇对决明（Cassia obtusifolia L.）种子萌发有显著的提高作用（张春平等，2010），但赤霉素浸种对黄槐决明种子发芽的影响未见报道，而赤霉素浸种对供试植物幼苗生长是否有促进或抑制效果也需要进一步探讨。本文以不同浸种试剂和浸种时间对猪屎豆和黄槐决明 2种矿区修复常用植物种子的影响，以期了解赤霉素浸种对供试种子萌发和幼苗生长影响规律，为筛选适宜的浸种试剂和浸种时间提供科学依据，从而为矿区植物生态修复工程实践提供支撑。

1 研究材料与方法

1.1 研究材料

试验材料猪屎豆、黄槐决明种子采自广东省韶关市粤北矿山与耕地土壤修复示范基地，种子用保鲜袋封口保存于植物生理生化试验室-4 ℃冷柜中，猪屎豆种子的千粒质量为9.2409 g，黄槐决明种子千粒质量为26.9843 g。去除杂质后，从供试种子中挑选色泽较好颗粒饱满、无损坏虫害的种子。生长调节物质：赤霉素，含量≥99%。消毒试剂：高锰酸钾。试验在仲恺农业工程学院白云校区实验室完成。

1.2 研究方法

1.2.1 供试种子处理和培养

种子发芽率的测定采用纸上发芽法（国家技术监督局，1995）。从供试的种子中选取成熟、大小饱满、形状相似、色泽较好、无虫害或破损的猪屎豆、黄槐决明种子，先用清水冲洗1遍，再用蒸馏水冲洗，吸干水分后，用适量0.3%高锰酸钾浸泡15 min对受试种子外表皮进行消毒，然后用蒸馏水冲洗数遍备用。不同处理的种子放置在不同烧杯，共设置6种处理和1个对照组：采用蒸馏水分别浸泡种子12 h（W1）、24 h（W2）、36 h（W3）；采用20 mL 的 200 mg·L-1赤霉素分别浸泡种子 12 h（T1）、24 h（T2）、36 h（T3）；不作浸种处理作为空白对照组（CK）；每组种子浸泡不少于120颗。

将完成浸泡处理的种子移至培养皿（Ǿ90 mm），每个培养皿均匀分布30颗种子，同一处理的种子设置4组重复（n=4）。培养皿底部铺双层滤纸，用蒸馏水湿润试纸，将种子均匀分布在培养皿后加盖，尽量减少水分蒸发，放置于温度25 ℃、湿度60%环境培养。每天光照培养14 h，黑暗培养10 h，试验过程中每天10:00 am适量添加1—2 mL蒸馏水。

1.2.2 数据统计和处理

（1）种子萌发指数

萌发开始后每天观测统计发芽种子数量，以突破种皮的胚轴长度超过种子长度的 1/2则记作发芽，发芽种子数连续3 d无增长视为发芽完成。统计分析各培养皿的种子发芽率（Germination rate，RG）、发芽势（Germination potential，Rm）、发芽指数（Germination index，IG）、活力指数（Vitality index，Iv）等，计算式如下（刘晓红等，2022）。

式中：

N——每个培养皿供试种子数量；

Ng——发芽种子的数量；

Nmax——日发芽数达到高峰期时发芽种子总数；

Lroot——根长；

RGi— —培养天数i时的发芽率，i=1, 2, 3, ……；

Di——培养天数i时对应的试验天数，i=1, 2,3, ……；

RG(relative)——不同处理组发芽率与对照组 CK发芽率之间的相对比值；

Rm(relative)——不同处理组发芽势与对照组 CK发芽势之间的相对比值。

（2）幼苗生长指数

各处理发芽数连续3 d无增长视为发芽完成，发芽完成后用直尺测量各苗长、胚根长后，取算术平均值，为该培养皿幼苗的平均幼苗长度（lseedling）、平均根长（lroot）。用千分之一电子天平称量各培养皿幼苗的叶片、茎、胚根的鲜质量mfresh，后将其放置于干燥箱，98 ℃高温烘3 h，后用千分之一电子天平称量叶片干质量ml、茎干质量ms、胚根干质量mr，三者合计得总干质量mdry，采用式（7）计算根冠质量比（Root to shoot biomass ratio，RRS）：

数据分析采用 Microsoft EXCEL、PASW Statistics软件对试验数据进行统计分析和 Duncan单因素方差分析。

2 研究结果

2.1 不同处理对种子发芽的影响

2.1.1 不同处理对猪屎豆种子发芽的影响

未经浸种处理的猪屎豆种子平均发芽率为52.50%，当经过蒸馏水或赤霉素浸种后 12、24及36 h，种子发芽率均超过空白对照组（图 1）。发芽率最高的处理为赤霉素浸种 12 h，发芽率为75.83%，相比对照组发芽率提高了23.33%且差异显著（P＜0.001）；浸种24 h与对照组发芽率差异不显著（P＞0.05），而浸种36 h发芽率为73.83%，相比对照组发芽率提高了 20.33%且差异显著（P=0.001）。未经浸种处理的种子发芽势为43.33%，蒸馏水浸种处理后发芽势有所下降，赤霉素处理后仅赤霉素浸种36 h发芽势提高为55.00%，比对照组高 11.67%（P=0.051），发芽势最低的处理是蒸馏水浸种36 h，发芽势为26.50%。所有处理的发芽指数、活力指数高于对照组，蒸馏水浸种处理中12 h的发芽指数最高，而浸种超过12 h后发芽指数与对照组相比差异不显著（P＞0.05），而赤霉素浸种处理随着时间增加发芽指数呈增加趋势，其中发芽指数、活力指数最高的处理均是赤霉素浸种36 h，发芽指数为55.00，比对照组高11.66，活力指数为440.3，比对照组高189.3。

图1 不同处理对猪屎豆种子萌发各指标的影响Figure 1 Effect of different treatments on the germination indices of C. pallida

如控制浸种时间一致，将赤霉素处理与蒸馏水处理对比，猪屎豆种子萌发效果要比蒸馏水处理的高，其中浸种12 h发芽率差距最大，赤霉素高比蒸馏水浸种处理高15.83%。而赤霉素浸种36 h的发芽势较蒸馏水高，种子萌发指数呈相同趋势。从种子活力的数据来看，赤霉素浸种12 h的种子活力与蒸馏水浸种处理的差距最大。由此可见，在相同浸种时间下，赤霉素有促进猪屎豆种子发芽的效果；同时赤霉素对猪屎豆种子活力也有一定的促进作用，但效果不明显。

图2表明浸种时间对猪屎豆种子萌发相对指标的影响呈现先降低后升高的趋势，赤霉素浸种相对发芽率均高于蒸馏水浸种处理。而赤霉素浸种36 h相对发芽势高于蒸馏水浸种处理，浸种12、24 h则低于蒸馏水处理组。总体来说赤霉素浸种能有效促进种子萌发，最佳的浸种时长为12 h，但随着浸种时间延长，促进发芽的效果呈现先降后升趋势，促进效果是赤霉素浸种12 h＞赤霉素浸种36 h＞赤霉素浸种24 h。

图2 浸种时间对猪屎豆种子相对发芽率（a）和相对发芽势（b）的影响Figure 2 Effect of soaking time on the relative germination rate (a) and relative germination potential (b) of C. pallida

2.1.2 不同处理对黄槐决明种子发芽的影响

不浸种处理的黄槐决明种子发芽率为33.33%，本试验所有浸种处理后的黄槐决明种子发芽率均超过对照组（图3），蒸馏水浸种12 h和赤霉素浸种24 h的发芽率最高，分别为68.33%和67.5%，相比空白对照组发芽率分别高 35.00%（P＜0.001）和34.17%（P＜0.001）且差异显著。空白对照组的黄槐决明种子发芽势为16.67%，浸种处理后种子发芽势均超过对照，蒸馏水浸种12 h和赤霉素浸种24 h的发芽势最高，分别为55.00%和52.50%，相比空白对照组发芽率分别高38.33%（P＜0.001）和35.83%（P=0.001）且差异显著。表明黄槐决明经过浸种处理对种子萌发有较为明显的促进作用。对照组种子的发芽指数为 13.24、活力指数为 185.03，浸种处理后的黄槐决明种子发芽指数、活力指数均高于对照组，其中赤霉素浸种24 h发芽指数和活力指数最高、其次为蒸馏水浸种24 h发芽指数和活力指数，但各处理组间发芽指数差异不显著（P＞0.05），活力指数最高为赤霉素浸种24 h，活力指数为508.93，比对照组高323.89且差异显著（P=0.021）。

图3 不同处理对黄槐决明种子各萌发指标的影响Figure 3 Effect of different treatments on the germination indices of C. surattensis

如控制浸种时间一致，将赤霉素处理与蒸馏水处理对比，除赤霉素浸种24 h黄槐决明种子萌发率要比蒸馏水处理高外，其它处理均低于蒸馏水，而赤霉素浸种24、36 h的的发芽势较蒸馏水高。而各浸种时间的种子萌发指数、种子活力来看则呈现赤霉素处理与蒸馏水处理高，赤霉素浸种24 h的种子活力与蒸馏水浸种处理的差距最大。由此可见，在相同浸种时间下，赤霉素浸种24 h有促进黄槐决明种子发芽的效果，而排除浸种时间的影响赤霉素黄槐决明种子活力也有明显促进作用。

图4表明蒸馏水浸种对黄槐决明种子萌发相对指标的影响持续降低趋势，赤霉素浸种时间对黄槐决明种子萌发相对指标的影响呈现先升高后降低的趋势。而赤霉素浸种24 h的相对发芽率和发芽势高于蒸馏水浸种处理，浸种12 h则低于蒸馏水处理组、浸种36 h与蒸馏水处理组相差不大。总体来说蒸馏水浸种和赤霉素浸种均能促进黄槐决明种子萌发，其中蒸馏水浸种最佳时长为12 h，蒸馏水浸种随着浸种时间增加促进效果下降，而赤霉素最佳的浸种时长为24 h，随着浸种时间延长，促进发芽的效果呈现降低趋势，促进效果赤霉素浸种24 h＞赤霉素浸种12 h＞赤霉素浸种36 h。

图4 浸种时间对黄槐决明种子相对发芽率（a）和相对发芽势（b）的影响Figure 4 Effect of soaking time on the relative germination rate (a) and relative germination potential (b)of C. surattensis

2.2 不同处理对幼苗生长的影响

2.2.1 不同处理对猪屎豆幼苗生物量的影响

表1显示未经浸种处理的猪屎豆幼苗平均苗长为3.39 cm，除赤霉素浸种12 h苗长大于对照组，其余幼苗苗长均低于对照组。浸种12、24、36 h后种子根冠比均低于空白对照组，其中赤霉素浸种12 h所得猪屎豆幼苗苗长最长，为3.5 cm，比对照组长0.11 cm，苗长最短的处理为蒸馏水浸种12 h为2.99 cm，比对照组短0.4 cm，但各处理组对于苗长的促进或抑制效果并不显著。不浸种处理的平均胚根长为0.69 cm，平均胚根数为1.67，赤霉素浸种 12 h平均胚根长最长为 0.92 cm比对照组长0.23cm且差异显著（P=0.026），但胚根数为1.44最少，相反蒸馏水浸种24 h生根数量最多，但胚根长最短。对照组鲜质量为 68.11 mg、干质量为7.3 mg，除蒸馏水浸种12 h所得幼苗鲜质量、干质量高于对照组，其余处理均低于处理组，因此认为浸种处理会对幼苗生物量产生抑制作用，其中相同的浸种时间下，赤霉素浸泡处理的抑制效果更为明显。对照组的根冠质量比为0.47，除赤霉素浸种36 h根冠比高于对照组，其他处理与对照组持平或略低于对照组，但抑制效果并不显著。总体来看，赤霉素浸种对猪屎豆幼苗生物量促进效果不明显，但赤霉素浸种12 h处理后对猪屎豆种子胚根长有明显促进作用。

表1 不同处理对猪屎豆幼苗生物量的影响Table 1 Effect of different treatments on the seedling biomass of C. pallida

2.2.2 不同处理对黄槐决明幼苗生物量的影响

未经浸种处理的黄槐决明幼苗苗长为3.19 cm，除蒸馏水浸种12、24 h苗长低于对照组外，其余处理苗长均高于对照组，其中黄槐决明幼苗苗长最长的处理组为赤霉素浸种36 h，苗长为4.29 cm，比对照组长1.1 cm，最短的处理为蒸馏水浸种24 h，为2.9 cm。表2显示对照组胚根长为1.39 cm，胚根数为1.63，所有处理组幼苗的胚根长均显著高于对照组（P=0.004），其中赤霉素浸种24 h幼苗胚根长最长，为1.78 cm、蒸馏水浸种24 h胚根数最多，为2.16。不浸种处理的种子幼苗鲜质量为66.42 mg，干质量为10.95 mg，除蒸馏水浸种24 h幼苗干质量低于对照组外，其余处理组幼苗的鲜质量（P=0.013）以及干质量（P=0.082）高于空白对照组。鲜质量最高的处理为赤霉素浸种 36 h，鲜质量为109.44，比对照组高43.02。赤霉素浸种12 h干质量最高，为14.07。黄槐决明对照组根冠比为0.23，除蒸馏水浸种12、24 h根冠比低于对照组，其余处理组均高于对照组，根冠比最高的处理为蒸馏水浸种36 h，为0.28。总体来看，赤霉素浸种对黄槐决明幼苗生物量有一定促进作用，其中赤霉素浸种36 h处理后对黄槐决明苗长有明显促进作用、赤霉素浸种 24 h处理后对黄槐决明胚根长有明显促进作用、浸种12、24 h对黄槐决明种子鲜质量、干质量都有促进作用。

表2 不同处理对黄槐决明幼苗生物量的影响Table 2 Effect of different treatments on the seedling biomass of C. surattensis

3 结论与讨论

3.1 结论

通过分析各浸种处理对猪屎豆、黄槐决明种子萌发指标的影响，结果表明适当地浸种可以有效的促进猪屎豆、黄槐决明的发芽率、发芽势。对于猪屎豆种子，赤霉素浸种比蒸馏水浸种对于促进发芽的效果更显著，对于黄槐决明种子，赤霉素浸种与蒸馏水浸种对发芽率、发芽势均有促进作用。总体来说赤霉素浸种能有效促进种子萌发，200 mg·L-1赤霉素浸种12 h的发芽率、苗长、根长等指标反馈最好，最佳的浸种时长宜为12 h，但随着浸种时间延长，促进发芽的效果呈现先降后升趋势。而蒸馏水浸种和赤霉素浸种均能促进黄槐决明种子萌发，赤霉素最佳的浸种时长为24 h，随着浸种时间延长，促进发芽的效果呈现降低趋势。通过对猪屎豆、黄槐决明各处理的生物量指标来看，浸种处理对于猪屎豆幼苗在苗长有抑制作用，但在根长、根数还是以促进效果为主。在相同浸种时间下，赤霉素对黄槐决明幼苗苗长、根长、根冠比等都有促进作用。试验表明赤霉素适当浸种可提高猪屎豆和黄槐决明两种矿区修复先锋植物种子萌发指标，但对种子幼苗生物量的促进作用不明显。

3.2 讨论

3.2.1 赤霉素浸种对猪屎豆的影响

采用赤霉素浸种处理后猪屎豆（C. pallida）种子发芽率相比对照组都有所提高，发芽率最高的处理为赤霉素浸种12 h，比不浸种提高23.30%，相较蒸馏水浸种处理提高15.80%。与陈慧等（2014）研究结果趋势总体一致，200 mg·L-1赤霉素浸种12 h可视为促进猪屎豆种子萌发的最佳参数。赤霉素是解决种子硬实问题常用的外源激素，可促进种子萌发和根茎叶伸长，能够激活种子细胞以及多种水解酶，从而有效打破种子休眠、促进新陈代谢和其他酶的合成，与擦破种皮、添加其它外源激素等方式相比，能够更快更好的萌发（黄镜瑜等，2021）。采用200 mg·L-1赤霉素浸种猪屎豆种子12、24、36 h处理后的发芽率、发芽势、发芽指数、苗长等数据均高于对照组，总体来说赤霉素浸种对猪屎豆种子萌发都有一定促进作用，这与以往研究结果一致。赤霉素浸种对猪屎豆幼苗生物量促进效果不明显，只有浸种12 h的处理对猪屎豆种子的苗长和根长有一定的促进作用，选用赤霉素作为猪屎豆的浸种剂时，需要更加注意剂量和时间的选取。

3.2.2 赤霉素浸种对黄槐决明的影响

黄槐决明（C. surattensis）作为南方矿区常见绿化植物，具有一定的抗逆性和观赏价值，十分适宜作为矿区修复植物品种。目前未见对黄槐决明种子发芽的研究，但针对同属植物钝叶决明（C.obtusifolia）则有少量研究。张春平等（2010）研究表明适宜浓度赤霉素浸种 24 h可有效解决决明种子硬实问题，金正律（2009）研究表明选用 300 mg·L-1赤霉素对决明浸种24 h发芽率最高。本试验以200 mg·L-1赤霉素对黄槐决明浸种处理，与决明的研究结果趋势一致，赤霉素浸种后相关萌发指数都有明显增长，其中浸种24 h后种子萌发和活力等指标相比蒸馏水浸种处理要高，种子发芽率较不浸种处理提高34.16%，比蒸馏水浸种提高6.66%，赤霉素对黄槐决明种子萌发有一定促进效果，但其他处理则与蒸馏水浸种相当或较低，说明蒸馏水浸种亦有促进效果。研究表明赤霉素浸种对决明种子促萌发和幼苗生长效果比1-萘乙酸、6-苄氨基嘌呤等其它种类外源激素要好（朱霞等，2010），本试验采用赤霉素浸种后苗长、胚根长等指标均高于对照，其中赤霉素浸种36 h后对黄槐决明苗长和根长的促进效果最好，与朱霞等（2010）对决明种子的研究结果较为相近。

3.2.3 对矿区植物生态修复的指导意义

采用豆科植物开展矿区生态修复时，为促进修复植物快速萌发和生长，可采用外源激素浸种，采用赤霉素浸种则较人工擦破种皮、清水浸种、其它试剂都更为有效，能够起到节约工期和成本的作用。本次供试的猪屎豆、黄槐决明在赤霉素浸种处理适宜时间后，都表现出较好的萌发效率。但浸种时间对种子萌发的影响会有较大差异，目前还没有统一的认识，除了外源激素剂量有明显影响外，还和受试种子品种、质地、产地等都有一定的关联性。浸种达到适宜时间后再继续浸泡，可能会出现一定的抑制作用，供试的黄槐决明种子最佳浸种时间在24 h，浸种36 h萌发指标则会下降。而猪屎豆种子则呈现先降后增的趋势，最佳浸种时间为12 h，但浸种36 h较24 h萌发指数要高，可能在浸种超24 h后种皮受到损伤后更易发芽，有研究设置7个浸种时间考察湿地松种子活力的影响中呈现由低到高再到低的趋势（马宏伦等，2018），与本试验猪屎豆表现的发芽趋势一致。在工程实践中，可设计更加优化的浸种时间梯度试验，以精确选择浸种试剂、剂量和时间。

本试验表明随着浸种时间的延长，对猪屎豆幼苗的生物量促进效果不再明显，赤霉素浸种24、36 h后猪屎豆幼苗苗长低于对照组，表明浸种超过适宜时间总体上不利于猪屎豆幼苗生长，可能是由于较长时间的浸泡，发生的无氧发酵使种子内部产生酸性物质，抑制了幼苗的伸长，另外对不同植物种类的影响规律也会有所差异。而赤霉素浸种对黄槐决明幼苗苗长、根长和生物量的影响总体上呈现促进作用，其中浸种12 h对黄槐决明幼苗鲜质量提升作用最大，与王红俊等（2014）研究认为浸种处理可以提高幼苗的鲜质量一致。所以在实践上应综合考虑赤霉素促生长效果和经济成本，以合理控制不同浸种剂的浸种时间，如针对黄槐决明可采用蒸馏水浸种12 h来代替赤霉素浸种24 h，可节约工程成本和工期。