溫度對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響

葛慶征，張衛(wèi)國，張靈菲，衛(wèi)萬榮

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州730020）

垂穗披堿草（Elymus nutans）是高寒草甸植被群落中具有代表性的禾本科草種之一［1］。由于垂穗披堿草是高寒草甸類草地中較為恒定的組分，其優(yōu)勢度的變化與植被演替進程有著高度的相關(guān)性，因而，也是決定草地牧用價值及判定草地健康狀況的重要因素之一［2］。目前，草地退化問題不但已經(jīng)成為制約高寒牧區(qū)畜牧業(yè)發(fā)展的根本性問題，而且也是導(dǎo)致生態(tài)和人類生存條件惡化的重要誘因。補播適宜的草種是恢復(fù)和改良草地植被的基本措施，垂穗披堿草由于其具有本土草種的高度適應(yīng)性且品質(zhì)優(yōu)良，因而成為高寒草地補播實踐中的首選草種。然而，由于垂穗披堿草為野生草種，其種子萌發(fā)條件與典型的栽培草種存在較大差異，采用常規(guī)種子質(zhì)量檢驗方法很難得出準確可靠的結(jié)果。目前，有關(guān)垂穗披堿草發(fā)芽條件的研究雖然也注意到了該草種的特殊性，并在變溫處理、光照處理等方面有所涉及［3－4］，但多數(shù)研究仍局限于常規(guī)方法［5］。即使考慮到了野生草種的特殊性，所涉及的廣度和深度仍顯欠缺和不足。因此，進一步探討垂穗披堿草對最佳萌發(fā)條件的要求，不僅是科學(xué)測定和評價種子真實品質(zhì)的需要，而且是補播實踐中正確計算播種量、合理制訂投資預(yù)算的基本依據(jù)。鑒于此，本研究僅就溫度和光照條件對垂穗披堿草種子發(fā)芽的影響進行了較為深入系統(tǒng)的研究，以期對當(dāng)前垂穗披堿草種子發(fā)芽條件的確定在理論上有所補充和完善。

1 材料與方法

1．1 供試種子 2010年9月15－25日分別在甘肅省甘南藏族自治州的瑪曲歐拉（海拔3 941m）、瑪曲阿孜（海拔3 528m）、夏河牙力吉（海拔3 213 m）、合作南郊（海拔2 925m）手工采集完全成熟的垂穗披堿草種子各2 000g，帶回實驗室作進一步清選后備用。

1．2 溫度處理 恒溫處理：設(shè)5、10、15、20、25和30℃共6個處理水平。用Φ12cm培養(yǎng)皿墊鋪吸水濾紙作發(fā)芽床，每個培養(yǎng)皿均勻放置100粒種子，發(fā)芽期間保持濾紙濕潤，在恒溫、恒濕及24h光照（人工光照培養(yǎng)箱）培養(yǎng)，每日09：00將發(fā)芽種子取出，并計數(shù)，直至第30天不發(fā)芽為止。每處理均重復(fù)3次。

變溫處理：以恒溫處理的6個溫度梯度為基準，分別降低10℃作為變溫幅度，并以高、低溫度在24 h內(nèi)各處理12h的組合構(gòu)成6個變溫處理，即：－5℃／5℃、0 ℃／10 ℃、5 ℃／15 ℃、10 ℃／20 ℃、15℃／25℃和20℃／30℃。其他條件同恒溫處理。

1．3 光照處理 以變溫處理的6個組合為基礎(chǔ)，只是將全天候不間斷光照改設(shè)為08：00－20：00光照、20：00－08：00黑暗。其他條件同上恒溫處理。

1．4 測定指標及統(tǒng)計分析

發(fā)芽率＝最終正常發(fā)芽的種子粒數(shù)／供試種子粒數(shù)×100%；

發(fā)芽勢＝在7d內(nèi)正常發(fā)芽的種子粒數(shù)／供試種子粒數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)（GI）＝∑（Gt／Dt）。

式中，Gt為在不同時間的發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽日數(shù)。

活力指數(shù)（VI）＝GI×S。

式中，S為7d內(nèi)幼苗長度（cm），GI為發(fā)芽指數(shù)。

發(fā)芽周期：種子置于培養(yǎng)箱開始發(fā)芽之日至最后一個種子發(fā)芽之日的天數(shù)，發(fā)芽持續(xù)期統(tǒng)一為30d。

以上指標皆以SPSS 13．0版統(tǒng)計軟件進行方差分析和差異顯著性檢驗。

2 結(jié)果與分析

2．1 恒溫處理 在恒溫處理的6個梯度中，發(fā)芽率在5℃和30℃的溫度條件下分別為74．1%和71．2%，二者間的差異不顯著（P＞0．05），但二者卻均顯著低于（P＜0．05）10、15、20和25℃的4個處理，其發(fā)芽率的分布區(qū)間為80．3%～81．5%（圖1）。發(fā)芽勢隨溫度的上升先增加后下降（圖2），最低值出現(xiàn)在最低溫度（5℃，66．7%）梯度點上，最高值出現(xiàn)在15℃（77．5%）梯度點上，6個溫度梯度間除5和30、15℃和20、10和25℃間無顯著差異（P＞0．05）外，其他各梯度間均存在顯著差異（P＜0．05）。種子活力指數(shù)在5～20℃梯度區(qū)間內(nèi)表現(xiàn)為隨溫度的上升而增加，各相鄰梯度間差異顯著（P＜0．05），20℃與25℃間無顯著差異（P＞0．05），但30℃梯度點卻顯著低于25℃（P＜0．05）（圖3）。發(fā)芽周期總體上表現(xiàn)為隨溫度的升高而縮短的趨勢（圖4），5℃時平均歷時約27d，10、15℃時則降至18．7和14．7d，各溫度梯度間均存在顯著差異（P＜0．05），其中15～30℃間，下降幅度趨于平緩，但15℃與20℃間仍存在顯著差異（P＜0．05），僅20與25℃、25與30℃間無顯著差異（P＞0．05）。

圖1 恒定溫條件下的發(fā)芽率變化Fig．1 Germination rate under constant temperature conditions

圖2 恒溫條件下的發(fā)芽勢變化Fig．2 Germination power under constant temperature conditions

圖3 恒溫條件下的活力指數(shù)變化Fig．3 Vigour indexes under constant temperature conditions

圖4 恒溫條件下的發(fā)芽周期變化Fig．4 Germination periods under constant temperature conditions

就4個采自不同海拔高度的草籽而言，在5℃的低溫條件下，歐拉、阿孜和牙力吉3地的種子發(fā)芽率差異較?。≒＞0．05），但均顯著高于合作地區(qū)（P＜0．05），在10℃條件下亦表現(xiàn)出類似的特征，但各產(chǎn)地間的差異不顯著（P＞0．05）；在15℃時，四地間發(fā)芽率趨于一致，但在20℃以上的3個梯度下情況發(fā)生逆轉(zhuǎn)，高海拔產(chǎn)地開始明顯低于低海拔產(chǎn)地，尤以30℃時最為明顯，合作和牙力吉兩地的種子發(fā)芽率顯著高于（P＜0．05）海拔相對較高的歐拉和阿孜。發(fā)芽勢的情況與發(fā)芽率有所不同，在5和10℃的低溫條件下，發(fā)芽勢表現(xiàn)為隨海拔高度下降而上升的趨勢，歐拉和阿孜顯著低于（P＜0．05）牙力吉和合作，而歐拉與阿孜、牙力吉與合作之間無顯著差異（P＞0．05）；15和20℃條件下，各海拔高度間均無顯著差異（P＞0．05），而溫度上升至25℃高海拔地與低海拔地間的差異又重新顯現(xiàn)，且仍以高海拔地顯著小于（P＜0．05）低海拔地為特征，當(dāng)溫度升至30℃時，雖也表現(xiàn)為與25℃時的相同趨勢，但其差異程度則明顯減?。≒＞0．05）?；盍χ笖?shù)只有在5℃時表現(xiàn)出了高海拔地高于低海拔地的明顯差異，而10℃至25℃的4個梯度水平則均表現(xiàn)為低海拔明顯高于高海拔的變化，30℃時，不同海拔間的差異基本消失；在小于15℃的3個溫度梯度下，發(fā)芽周期均表現(xiàn)為隨海拔高度的上升而延長的基本態(tài)勢，但只有歐拉與其他3地存在顯著差異（P＜0．05），而其他3地間差異均不顯著（P＞0．05）；20℃至30℃的3個梯度，發(fā)芽周期在4個海拔高度間均無顯著性差異（P＞0．05）。

2．2 變溫處理 在6個變溫處理中，發(fā)芽率在－5℃／5℃條件下最低，其次為20℃／30℃，二者均顯著低于其他4個處理（P＜0．05），且二者間亦存在顯著差異（P＜0．05）；0 ℃／10 ℃、5 ℃／15 ℃、10℃／20℃和20℃／30℃的4個處理間雖以10℃／20℃略高于其他3個處理，但差異均不顯著（P＞0．05）（圖5）。發(fā)芽勢總的變化態(tài)勢與發(fā)芽率基本相同（圖6）。活力指數(shù)在－5℃／5℃、0℃／10℃、5℃／15℃、10℃／20℃和15℃／25℃的4個處理中，基本呈隨溫度的上升而顯著增加的趨勢，除10℃／20℃、15℃／25℃和20℃／30℃三者之間差異不顯著外（P＞0．05），其他相鄰各處理間均存在顯著差異（P＜0．05）；至20℃／30℃的峰值后，活力指數(shù)隨溫度繼續(xù)上升而逐漸（15℃／25℃）下降（圖7）。發(fā)芽周期總體上表現(xiàn)為隨溫度的上升而下降，發(fā)芽周期最長的處理為－5℃／5℃，歷時18．8d，最短的處理為20℃／30℃，歷時12．2d，二者相差6．6d，存在顯著差異（P＜0．01）。溫度相對較低的3個處理，發(fā)芽周期差異較為明顯（P＜0．05），且均顯著高于溫度較高的3個處理（P＜0．05），而溫度較高的3個處理間，發(fā)芽周期則無顯著差異（P＞0．05）（圖8）。不同海拔高度的草籽，發(fā)芽率、發(fā)芽勢在各溫度梯度下差異不顯著（P＞0．05）；在2個低溫梯度下，種子活力有隨海拔升高而上升的微弱趨勢（P＞0．05），但在5℃／15℃、10℃／20℃、15℃／25℃和20℃／30℃的4個梯度上卻普遍表現(xiàn)為相反的結(jié)果，即隨海拔的上升而明顯下降的趨勢（P＜0．05）；發(fā)芽周期總體上呈雖海拔上升而增加的趨勢，但只有在低溫的3個梯度下歐拉和阿孜顯著高于牙力吉和合作（P＜0．05），而在溫度相對較高的3個溫度梯度下，各海拔高度間差異不顯著（P＞0．05）。

圖5 變溫條件下發(fā)芽率的變化Fig．5 Germination rate under variable temperature conditions

圖6 變溫條件下發(fā)芽勢的變化Fig．6 Germination power under variable temperature conditions

圖7 變溫條件下的活力指數(shù)的變化Fig．7 Vigour indexes under variable temperature conditions

2．3 光照處理 無論是發(fā)芽率、發(fā)芽勢，還是活力指數(shù)和發(fā)芽周期，在光照處理條件下的表現(xiàn)均與變溫處理條件下極其相似，略有不同的是，在變溫處理下，種子的活力指數(shù)在中高溫區(qū)段有隨處理溫度上升而加強的明顯趨勢，而在添加了光照處理之后，這種差異有所減?。▓D9－12）。這一結(jié)果總體上表明，光照對垂穗披堿草種子萌發(fā)的影響微乎其微。

2．4 綜合比較 在不考慮溫度梯度和不同采集地因素，僅以不同溫度處理方式為比較基準的條件下，垂穗披堿草種子發(fā)芽情況如圖13、14所示。

發(fā)芽率在恒溫條件下均顯著低于（P＜0．05）變溫和光照處理，而變溫和光照處理間差異不顯著（P＞0．05）（圖13）。種子活力在變溫處理下雖明顯高于恒溫處理，但差異不顯著（P＞0．05），而光照處理則顯著高于（P＜0．05）恒溫處理，變溫與光照處理間差異不顯著（圖14）。發(fā)芽周期在恒溫處理下平均為16．4d，顯著高于（P＜0．05）變溫（14．6 d）和光照（14．0d）處理，而變溫與光照處理間差異不顯著（P＞0．05）。

圖8 變溫條件下的發(fā)芽周期變化Fig．8 Germination periods under variable temperature conditions

圖9 光照條件下的發(fā)芽率變化Fig．9 Germination rate under illumination conditions

圖10 光照條件下的發(fā)芽勢變化Fig．10 Germination power under illumination conditions

圖11 光照條件下的活力指數(shù)的變化Fig．11 Vigour indexes under illumination conditions

圖12 光照條件下的發(fā)芽周期變化Fig．12 Germination periods under illumination conditions

圖13 不同處理條件下發(fā)芽率和發(fā)芽勢的比較Fig．13 Comparison of germination rate and power under different treatments

圖14 不同處理條件下活力指數(shù)和發(fā)芽周期的比較Fig．14 Comparison of seed vigour indexes and germination periods under different treatments

3 討論

垂穗披堿草作為高寒地區(qū)的本土草種，近年來在栽培草地建植和天然草地恢復(fù)與改良中的應(yīng)用日趨廣泛，用量不斷增加，并以其高度的適應(yīng)性和優(yōu)良的品質(zhì)而成為高寒地區(qū)的當(dāng)家草種［6］。然而，垂穗披堿草雖經(jīng)20余年的栽培馴化，其基本的野生性狀并未得到完全去除，因此，在應(yīng)用實踐中，難免因其不適合一般的栽培規(guī)范而在具體的技術(shù)操作上無法做到精準無誤。比如，對于種子用量的確定，最重要的參數(shù)便是種子的發(fā)芽率，如果不能取得這一參數(shù)的準確數(shù)值就不能求得精準無誤的理論用種量，因而就會影響到對草籽種用價值的估算，進而影響草地的建植質(zhì)量和成本。對一般栽培草種而言，發(fā)芽率的測定均有一定的標準規(guī)程［7］，但對于垂穗披堿草而言，應(yīng)用常規(guī)的技術(shù)規(guī)程就很難準確測出其真實的發(fā)芽率，因為實驗室所設(shè)定的條件并不代表其最佳的發(fā)芽條件，而野生環(huán)境條件可能更有利于其種子萌發(fā)［8］。在實踐中，常會出現(xiàn)在實驗室所測發(fā)芽率極低的種子在播種之后其出苗數(shù)遠高于理論預(yù)測值的情況，也正因為如此，種子質(zhì)量檢測的委托方經(jīng)常會對種子檢測部門出具的檢測報告提出質(zhì)疑。這也是證明垂穗披堿草因其野生特性的存在而不應(yīng)以栽培草種等同對待的實證。本研究的結(jié)果也充分證明，垂穗披堿草種子的適宜萌發(fā)條件更接近于其野生的自然環(huán)境，至少對溫度條件的選擇表現(xiàn)出了對原產(chǎn)地萌發(fā)溫度特別是變溫環(huán)境的高度適應(yīng)性。

在本研究中，垂穗披堿草在恒溫條件下發(fā)芽率的適宜溫度為10～25℃，其間的4個梯度以20℃最高（82．4%），之后依次為10 ℃（80．9%）、25 ℃（80．9%）和15℃（80．3%），但4個梯度間差異均不顯著。此外，即使在5℃的低溫條件下，其發(fā)芽率亦可達到74．1%的較高水平。發(fā)芽勢的結(jié)果進一步縮小了垂穗披堿草對種子最適發(fā)芽溫度的選擇范圍，發(fā)芽勢的最高值出現(xiàn)在15～20℃，且顯著高于其他4個溫度梯度?；盍χ笖?shù)的峰值則偏向于稍高的溫度條件，最高值分別出現(xiàn)在20和25℃，但仍以20℃時最高。從發(fā)芽周期來看，整體上隨溫度的上升而縮短，但15～30℃之間的4個梯度間差異卻不顯著（P＞0．05）。這一結(jié)果說明，垂穗披堿草種子對發(fā)芽溫度的要求相對較低，其上限為25℃，最適溫度更接近于20℃左右，且生態(tài)變幅較大。在變溫和光照處理中，發(fā)芽率和發(fā)芽勢的最高值均出現(xiàn)在10℃／20℃的溫度梯度上，盡管種子活力和發(fā)芽周期同樣有傾向于較高溫度的明顯趨勢，但總體上仍無法動搖垂穗披堿草種子的適宜發(fā)芽溫度明顯低于一般栽培草種的基本結(jié)論。

許多研究證明，對于野生植物而言，變溫條件具有刺激種子萌發(fā)、提高種子發(fā)芽率的顯著作用［9－10］，此外，對于部分草種而言，一定的光照條件也具有類似的明顯功效［11－12］。對此，學(xué)者們普遍認為，野生草種的種子具有較栽培草種更強的休眠特性，這是對野生環(huán)境的一種適應(yīng)性，具有重要的生態(tài)學(xué)意義［13］。在本研究中，變溫處理除－5℃／5℃梯度水平外，其余5個梯度水平的發(fā)芽率和發(fā)芽勢均顯著高于（P＜0．05）其所對應(yīng)的恒溫處理，如果在統(tǒng)計中同時剔除變溫處理－5℃／5℃及其對應(yīng)的恒溫處理5℃的數(shù)據(jù)，5個變溫處理水平下的平均發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別可達94．6%和87．8%，而恒溫處理則分別為79．5%和73．3%，差異均極顯著（P＜0．01）。這說明，垂穗披堿草種子的野生性狀仍較為突出，在恒溫條件下所獲取的種子發(fā)芽率與其實際發(fā)芽率存在著很大的差異。然而，在本研究中，無論是發(fā)芽率、發(fā)芽勢和種子活力，還是發(fā)芽周期，在晝夜交替式光照和晝夜全光照兩種處理間差異均不顯著（P＞0．05），這說明，垂穗披堿草種子的萌發(fā)對光照條件反應(yīng)不敏感，但也有可能與人工光照條件和自然光照條件存在較大差異有關(guān)。

生活于不同海拔高度和緯度的同種植物由于生存環(huán)境的差異也可造成種子對萌發(fā)條件的適應(yīng)性分異［14－15］。在本研究中，不同海拔高度種子的發(fā)芽能力因溫度條件不同而表現(xiàn)出較為明顯的差異?？傮w而言，在低溫條件下，高海拔種子的綜合發(fā)芽能力要優(yōu)于低海拔種子，而在高溫條件下則表現(xiàn)為低海拔優(yōu)于高海拔的趨勢，但在中溫條件下，各海拔高度間卻無明顯差異。另外，如果單純考慮海拔因素，這種差異的產(chǎn)生顯然與海拔高度的差異程度密切相關(guān)，而且只有當(dāng)海拔高度的差異達到一定程度時，種子發(fā)芽特性的差異才會有較為明顯的表現(xiàn)［16］。在本研究中，這種可導(dǎo)致垂穗披堿草種子發(fā)芽特性發(fā)生明顯分異的海拔高度差至少應(yīng)在700m以上，而這種差異性表現(xiàn)是否來自于遺傳基因的支配還有待做進一步研究。

4 結(jié)論

1）垂穗披堿草具有較強的野生特性，對種子萌發(fā)溫度要求較低，在恒溫條件下的適宜發(fā)芽溫度范圍為15～25℃。

2）晝夜變溫條件可顯著提高垂穗披堿草種子的發(fā)芽率和整齊度，最佳變溫組合為10℃／20℃，發(fā)芽率和發(fā)芽勢分別較20℃恒溫條件提高20%。

3）垂穗披堿草種子萌發(fā)對光照條件反應(yīng)不敏感。

4）不同海拔高度的垂穗披堿草種子在相同發(fā)芽條件下的發(fā)芽性狀存在一定差異，但這種差異在不同發(fā)芽條件下卻有著不同的表現(xiàn)。在高溫條件下，低海拔種子的總體發(fā)芽能力要優(yōu)于高海拔種子，而在低溫條件下則表現(xiàn)為高海拔優(yōu)于低海拔的趨勢。

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