低溫與土壤水分含量對(duì)玉米種子萌發(fā)的影響

曹士亮 王成波 于 滔 李 波 趙 韋（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，哈爾濱150086）

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低溫與土壤水分含量對(duì)玉米種子萌發(fā)的影響

曹士亮 王成波 于 滔 李 波 趙 韋
（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所，哈爾濱150086）

摘要：以5個(gè)玉米品種為試驗(yàn)材料，設(shè)置了25℃、10℃及5℃ 3個(gè)發(fā)芽溫度及5個(gè)土壤水分含量，研究了溫度和土壤水分含量與玉米發(fā)芽率的關(guān)系。結(jié)果表明在各個(gè)溫度條件下，玉米種子的萌發(fā)率在品種間及品種與土壤水分含量的互作下均呈極顯著差異，土壤水分含量間僅在25℃處理7d時(shí)差異不顯著，其他情況均呈顯著或極顯著差異。玉米品種10℃處理21d與5℃處理4d+25℃處理3d發(fā)芽率呈顯著正相關(guān)，與發(fā)芽勢(shì)呈極顯著正相關(guān)。土壤水分含量為15%時(shí)，發(fā)芽率的變異系數(shù)最小。初步明確了玉米萌發(fā)期耐冷性鑒定的條件為：5℃處理4d+25℃處理3d，土壤水分含量為15%。

關(guān)鍵詞：玉米；溫度；土壤水分含量 ；耐冷性

玉米是喜溫作物，其種子萌發(fā)、生長發(fā)育及干物質(zhì)積累一般需要較高的溫度。然而，隨著玉米種植向高緯度及冷涼地區(qū)擴(kuò)展，玉米生產(chǎn)對(duì)品種的耐冷性提出了新的要求。以黑龍江省北部地區(qū)為例，受玉米大豆比較效益較高的影響，傳統(tǒng)的大豆種植區(qū)域紛紛改種玉米，來自于德國KWS公司的德美亞系列品種因表現(xiàn)出極強(qiáng)的耐冷性，頗受農(nóng)民歡迎。最近兩年，受早春低溫影響，黑龍江省第一積溫帶也出現(xiàn)了春季玉米出苗差的情況，個(gè)別地區(qū)補(bǔ)種和毀種的情況嚴(yán)重，給玉米生產(chǎn)帶來了一定損失。因此，選育耐冷性強(qiáng)、出苗快的玉米品種已經(jīng)成為黑龍江等高緯度地區(qū)玉米育種的重要目標(biāo)。

玉米種質(zhì)資源的耐冷性鑒定是實(shí)現(xiàn)耐冷品種選育的基礎(chǔ)。前人已經(jīng)開展了大量的關(guān)于玉米萌發(fā)期耐冷性的研究工作。按照試驗(yàn)條件玉米萌發(fā)期耐冷性鑒定主要分為田間鑒定和人工鑒定。在人工鑒定條件的設(shè)定上，李紅飛等[1]在常溫（25℃）和低溫（10℃）脅迫下分別測(cè)定種子的發(fā)芽率，對(duì)654 份玉米自交系的耐低溫特性進(jìn)行了鑒定。扈光輝[2]將恒溫光照培養(yǎng)箱設(shè)定為20℃、11℃、7℃ 3種溫度梯度，以出苗率和出苗指數(shù)為鑒定指標(biāo)，對(duì)60份穩(wěn)定系逐級(jí)鑒定篩選。李俊明等[3]研究了8個(gè)玉米自交系在6℃、8℃、11℃和28℃條件下的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，在此基礎(chǔ)上求出各玉米自交系的發(fā)芽臨界溫度，可以對(duì)發(fā)芽期耐冷性做出可靠估計(jì)。然而，在玉米生產(chǎn)實(shí)踐中，玉米萌發(fā)期耐冷性不僅受溫度的影響，還與低溫持續(xù)的時(shí)間、土壤水分含量有很大關(guān)系。本研究設(shè)計(jì)了玉米不同的溫度和土壤水分含量下的萌發(fā)試驗(yàn)，以明確低溫和土壤水分含量對(duì)玉米種子萌發(fā)的影響，期望為玉米萌發(fā)期耐冷性研究和選育耐冷性種質(zhì)資源奠定一定基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料 5個(gè)玉米品種（雜交組合），分別為R1：遼作1號(hào)，R2：鑫鑫1號(hào)，R3：NF01，R4：鐵研53，R5：遼單569，均由黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院玉米研究所輻射育種研究室提供，5份品種（雜交組合）生育期均為120～125d左右，適宜黑龍江省第一積溫帶、第二積溫帶種植。試驗(yàn)前對(duì)種子進(jìn)行挑選，保證同一材料種子的均勻一致。

1.2 試驗(yàn)方法 試驗(yàn)設(shè)置5個(gè)不同土壤水分含量，分別是5%、10%、15%、20%和25%。為比較不同低溫對(duì)玉米萌發(fā)影響，溫度設(shè)置為5℃、10℃和25℃（正常發(fā)芽溫度）。其中5℃低溫處理4d后（此時(shí)所有玉米材料均未長出蛭石，無法統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率），再經(jīng)25℃處理3d，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率；10℃處理21d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率，再經(jīng)25℃處理3d，再記錄發(fā)芽率1次；25℃正常發(fā)芽溫度，4d和7d分別記錄發(fā)芽率。發(fā)芽率的統(tǒng)計(jì)方法為計(jì)算玉米伸長超過蛭石表面0.5cm的芽數(shù)的百分比。

種子在發(fā)芽盤中萌發(fā)，基質(zhì)為蛭石，土壤水分含量采用土壤水分測(cè)定儀檢測(cè)，確定好土壤水分含量后，連同發(fā)芽盤稱重，定期補(bǔ)充水分，保證土壤水分含量穩(wěn)定，試驗(yàn)設(shè)置2次重復(fù)，每個(gè)重復(fù)100粒。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米品種25℃條件下萌發(fā)分析 從25℃條件下玉米發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率方差分析結(jié)果（表1、表2）可以看出，區(qū)組間差異均不顯著，說明試驗(yàn)條件比較均勻一致，達(dá)到了較好的局部控制。無論是發(fā)芽勢(shì)還是發(fā)芽率，品種間差異達(dá)到極顯著差異。對(duì)于土壤水分含量因素而言，發(fā)芽勢(shì)的各土壤水分含量處理間呈極顯著差異，而發(fā)芽率在各土壤水分含量間差異不顯著，說明玉米發(fā)芽的不同階段對(duì)土壤水分含量的反應(yīng)不同。而對(duì)品種與土壤水分含量互作一項(xiàng)來說，無論是發(fā)芽勢(shì)還是發(fā)芽率，都呈極顯著差異。說明玉米種子萌發(fā)存在品種和土壤水分含量的極顯著互作。

表1　玉米發(fā)芽勢(shì)方差分析

表2　 玉米發(fā)芽率方差分析

為了便于比較不同土壤水分含量下玉米發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的差異，對(duì)各品種的發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率進(jìn)行多重比較（表3），可以看出，25℃條件下發(fā)芽勢(shì)的均值隨著水分含量的增大呈先增加再降低再增加趨勢(shì)，各品種間發(fā)芽勢(shì)變異系數(shù)越來越小，說明隨著土壤水分含量的增大，品種間發(fā)芽勢(shì)變化越來越小。特別是當(dāng)土壤水分含量為25%時(shí)，R1、R2、R3和R4品種間差異不顯著，但都與R5間呈極顯著差異。發(fā)芽率的變異系數(shù)最大為0.12（發(fā)芽勢(shì)的最大變異系數(shù)為0.44），發(fā)芽率的最小變異系數(shù)為0.03（發(fā)芽勢(shì)的最小變異系數(shù)為0.07），而且，每個(gè)土壤水分含量下發(fā)芽率的差異都小于發(fā)芽勢(shì)的差異，表明發(fā)芽率的差異要小于發(fā)芽勢(shì)的差異。

表3　25℃條件下玉米發(fā)芽勢(shì)和發(fā)芽率的多重比較

2.2 玉米品種10℃條件下萌發(fā)研究 10℃條件下各品種萌發(fā)21d的發(fā)芽率方差分析結(jié)果見表4。由表4可知，10℃條件下玉米萌發(fā)21d后，品種間、土壤水分含量間以及品種和土壤水分含量的互作間均呈極顯著差異。說明在10℃條件下，玉米品種的發(fā)芽率受基因型、土壤水分含量以及兩者的互作影響都很大。

表4　不同玉米品種10℃條件下發(fā)芽率方差分析

為進(jìn)一步明確玉米在不同土壤水分含量下的發(fā)芽情況，對(duì)不同土壤水分含量下玉米發(fā)芽率進(jìn)行多重比較（表5），由表5可知，在當(dāng)發(fā)芽溫度為10℃時(shí)，不同土壤水分含量下，品種間的發(fā)芽率變化很大。從發(fā)芽率均值來看，當(dāng)土壤水分含量由5%增加到25%時(shí)，發(fā)芽率呈先增加后降低的趨勢(shì)，以土壤水分含量為25%時(shí)平均發(fā)芽率最低，僅為33.00%；土壤水分含量為15%時(shí)，平均發(fā)芽率最高，為58.90%。而在25℃條件下（表3），土壤水分含量為5%時(shí)平均發(fā)芽勢(shì)最低，為41.80%；而土壤水分含量為25%時(shí)，平均發(fā)芽勢(shì)相對(duì)最高，分別為94.90%，對(duì)發(fā)芽率而言，土壤水分含量為20%和25%的發(fā)芽率（分別為96.90%和96.20%）也要高于土壤水分含量為5%、10%和15%的發(fā)芽率（分別為91.00%、90.50%和91.50%）。分析其原因可能是，一方面低溫條件下土壤水分含量低造成種子萌動(dòng)緩慢，一定程度對(duì)種子進(jìn)行了“保護(hù)”，在短期內(nèi)，實(shí)際上是一種對(duì)種子的低溫貯藏；另一方面，盡管土壤水分含量較低，但隨著試驗(yàn)進(jìn)行要不斷補(bǔ)充水分以維持土壤5%的相對(duì)水分含量，部分水分逐漸被種子吸收，為發(fā)芽提供較好的條件。而對(duì)于土壤水分含量為20%和25%時(shí)，較高的水分含量導(dǎo)致土壤氧氣含量低，有害物質(zhì)逐漸積累，因而后期發(fā)芽率較低。而在正常溫度條件下，一定程度上，較高的土壤水分含量會(huì)加快種子儲(chǔ)藏物質(zhì)的分解和代謝，促進(jìn)種子快速發(fā)芽。

表5　10℃下不同土壤水分含量下玉米發(fā)芽率比較

2.3 玉米品種在5℃條件下萌發(fā)研究 試驗(yàn)設(shè)置了5℃低溫條件，低溫發(fā)芽4d后轉(zhuǎn)移到25℃條件下繼續(xù)發(fā)芽試驗(yàn)3d，對(duì)發(fā)芽率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)（表6）。由表6可知，5℃低溫和常溫處理后，區(qū)組之間差異不顯著，說明試驗(yàn)條件較為均勻一致。玉米發(fā)芽率在水分含量間呈顯著差異，品種間、以及品種與土壤含水量互作均呈極顯著差異。各土壤水分含量下品種間多重比較結(jié)果見表7。由表7可以看出，土壤水分含量為5%和25%時(shí)，各品種的發(fā)芽率均相對(duì)較低，土壤水分含量為15%時(shí)，品種間發(fā)芽率差異相對(duì)較小。

表6　不同玉米品種5℃條件下發(fā)芽率的方差分析

表7　5℃處理4d+25℃處理3d玉米發(fā)芽率比較

2.4 各溫度條件下玉米萌發(fā)情況比較研究 為明確各溫度條件下玉米發(fā)芽率關(guān)系，對(duì)玉米發(fā)芽率進(jìn)行相關(guān)分析（表8）。由表8可以看出，正常條件下玉米發(fā)芽勢(shì)（25℃處理4d）與10℃處理21d呈極顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.96，顯著水平0.008），與5℃處理4d+25℃處理3d的發(fā)芽率呈顯著正相關(guān)。玉米正常條件下的發(fā)芽率（25℃處理7d）與其他3種處理?xiàng)l件下的發(fā)芽率相關(guān)不顯著。而10℃處理21d與5℃處理4d+25℃處理3d玉米發(fā)芽率呈顯著正相關(guān)（相關(guān)系數(shù)0.96，顯著水平0.011）。為明確不同土壤水分含量下玉米發(fā)芽率的變異情況，將不同土壤水分含量下玉米發(fā)芽率的均值、平均偏差、變異系數(shù)等參數(shù)列于表9，由表9可知，土壤水分含量為15%時(shí)品種發(fā)芽率的變異系數(shù)最小，為0.19；土壤水分含量為25%時(shí)發(fā)芽率的變異系數(shù)最大，為0.39。說明土壤水分含量為中等水平（15%）時(shí)，發(fā)芽率的變化情況最小。

表8　各溫度條件下玉米萌發(fā)率相關(guān)關(guān)系

表9　各土壤水分含量下發(fā)芽率的變化情況

2.5 玉米耐冷性鑒定溫度和土壤水分含量的確定 玉米萌發(fā)期遭遇低溫后，發(fā)芽受到一定影響，萌發(fā)時(shí)間變長，后期隨著溫度的升高，發(fā)芽率會(huì)進(jìn)一步升高，但部分種子在長時(shí)間受低溫作用下失去發(fā)芽能力。為了模擬玉米萌發(fā)期田間冷害，10℃處理21d，統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率后，又對(duì)其進(jìn)行了25℃3d常溫處理，再次統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率。各處理下玉米發(fā)芽率結(jié)果見圖1。由圖1可知，要保證種子在10℃處理21d后，常溫恢復(fù)后的發(fā)芽率達(dá)到80%，5℃處理4d，25℃處理3d的玉米種子發(fā)芽率至少應(yīng)該為80%。同時(shí)常溫條件下，種子的發(fā)芽勢(shì)也應(yīng)該在80%以上。

由于土壤相對(duì)水分含量為15%時(shí)，發(fā)芽率變異最小，因此在鑒定種子萌發(fā)期耐冷性時(shí)，土壤水分含量以15%為宜。

圖1　不同處理?xiàng)l件下發(fā)芽率的比較

3 討論與結(jié)論

玉米萌發(fā)期耐冷性鑒定屬于玉米種子活力鑒定的范疇。國外對(duì)玉米種子活力測(cè)定也普遍采用抗冷測(cè)定研究，如法國的利馬格蘭公司和德國的KWS公司均采用低溫活力測(cè)定法檢測(cè)玉米種子活力，采用的方法分別是10℃7d～25℃3d和5℃4d～25℃6d統(tǒng)計(jì)發(fā)芽率[4]。我國學(xué)者也采用低溫發(fā)芽的方法來進(jìn)行玉米種子耐冷性研究[5-7]。然而，國內(nèi)研究多側(cè)重抗冷篩選，對(duì)土壤水分含量、低溫持續(xù)時(shí)間等條件考慮較少。通過多年觀察和研究發(fā)現(xiàn)，黑龍江省玉米生產(chǎn)的冷害一般主要有2種情況：（1）秋、冬、春季雨水（降雪）大，春季氣溫回升慢，地溫低，這種情況下生產(chǎn)中常采用延遲播種來應(yīng)對(duì)。（2）春季氣溫回升正?；蛘咻^快，但玉米播種后氣溫下降較大，持續(xù)時(shí)間較長的“倒春寒”，這種情況發(fā)生較多，一旦發(fā)生往往造成“粉種”，給生產(chǎn)造成的危害更大。筆者根據(jù)2015年春季黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院哈爾濱道外區(qū)民主鄉(xiāng)試驗(yàn)地的農(nóng)業(yè)氣象站觀測(cè)結(jié)果得出，2015年春播后（5月1-21日），土壤10～15cm土層平均溫度均為10.2℃，低于正常年份溫度，許多地塊出苗率低，整齊度差。因此，本試驗(yàn)以10℃發(fā)芽21d來模擬田間低溫條件對(duì)低溫發(fā)芽能力進(jìn)行鑒定，同時(shí)為了研究低溫對(duì)種子的影響，10℃處理21d后，又25℃處理3d。此外，為了縮短耐冷性鑒定時(shí)間，設(shè)定了5℃低溫4d和25℃常溫3d的處理?xiàng)l件。

試驗(yàn)研究了5個(gè)品種（雜交組合）不同溫度和土壤水分含量條件下發(fā)芽率的變化情況。結(jié)果表明玉米發(fā)芽率和發(fā)芽勢(shì)基因型之間存在極顯著差異，并且存在著基因型與土壤水分含量的極顯著互作。因此，在進(jìn)行品種耐冷性鑒定時(shí)必須考慮土壤水分含量。通過不同土壤水分含量下發(fā)芽率的變化情況的研究（表9），發(fā)現(xiàn)土壤水分含量為15%時(shí)，玉米發(fā)芽率的變異系數(shù)最小，因此，在進(jìn)行玉米耐冷性鑒定時(shí)，土壤（蛭石）相對(duì)水分含量應(yīng)以15%為宜。要保證種子在10℃處理21d后，常溫恢復(fù)后的發(fā)芽率達(dá)到80%，5℃處理4d，25℃處理3d的玉米種子發(fā)芽率至少應(yīng)該為80%（圖1）。

隨著玉米種植向高緯度及冷涼地區(qū)擴(kuò)展，玉米生產(chǎn)對(duì)品種的耐冷性提出了新的要求。然而，目前我國對(duì)種子活力鑒定上還未強(qiáng)制采取耐冷性鑒定要求，只是對(duì)種子的發(fā)芽率、純度、凈度等有明確的規(guī)定，對(duì)耐冷性鑒定只停留在研究階段。從不同溫度條件下玉米萌發(fā)率相關(guān)關(guān)系來看，玉米發(fā)芽率（25℃7d）與發(fā)芽勢(shì)、10℃21d處理的發(fā)芽率相關(guān)性并不顯著。因此，建議應(yīng)盡快制定和實(shí)施玉米種子耐冷性鑒定的方案。

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收稿日期：（2015-12-03）

基金項(xiàng)目：黑龍江省農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新工程（2012ZD026）