3 種看麥娘屬雜草的種子萌發(fā)及出苗特性

徐洪樂，吳希寶，梁少奇，孫蘭蘭，薛 飛，蘇旺蒼，吳仁海

（1. 河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所, 河南 鄭州 450002；2. 山東省農(nóng)藥科學(xué)研究院, 山東 濟(jì)南 250033；3. 南京農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院, 江蘇 南京 210095）

雜草占據(jù)作物的生存空間，與作物爭奪光照和養(yǎng)分，同時藏匿多種病蟲害，嚴(yán)重影響作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。雜草只有成功在農(nóng)田中萌發(fā)和出苗，才能為其造成危害和繁殖打下基礎(chǔ)，因此明確雜草的萌發(fā)和出苗特性對于雜草防除具有重要意義[1]。影響雜草萌發(fā)、出苗的外界環(huán)境因素主要有溫度、光照、鹽分、水勢以及埋土深度等[2]。溫度和光照是直接影響萌發(fā)的關(guān)鍵因素，不同種類雜草之間的適宜萌發(fā)溫度及光照范圍往往不同，從而導(dǎo)致同一時期田間雜草發(fā)生種類有所差異[3]。土壤過高的鹽分含量以及極端的水勢條件勢必會減少部分種類雜草種子的萌發(fā)，而能夠耐受這些極端條件的種群則可以繼續(xù)生長并危害。因此，不同的鹽分和水勢同樣會影響雜草種群在田間的分布和擴(kuò)展[4]。埋土深度是萌發(fā)種子成功出苗的決定性因素，不同的耕作方式會導(dǎo)致雜草種子處于不同深度的土層，從而導(dǎo)致出苗率不同。

看麥娘(Alopecurus aequalis)、日本看麥娘(A.japonicus)、大穗看麥娘(A. myosuroides)是看麥娘屬一年生或多年生草本，目前已成為我國農(nóng)田危害最為嚴(yán)重的雜草?？贷溎锖腿毡究贷溎镌谖覈植挤秶^廣，尤其在秦嶺淮河流域以南稻茬麥田和油菜(Brassica napus)田發(fā)生嚴(yán)重[5-6]。大穗看麥娘近年來在我國冬小麥(Triticum aestivum)種植區(qū)快速蔓延，山東、河南、天津、河北、安徽和陜西等地均發(fā)現(xiàn)有危害加重趨勢[7]。盡管看麥娘屬3 種雜草具有諸多相似之處，但是這3 種雜草在我國農(nóng)田的發(fā)生危害的范圍和程度存在差異，這3 種雜草的種子萌發(fā)和出苗特性也不甚清楚。本研究采用培養(yǎng)皿法和盆缽法，研究看麥娘屬3 種雜草種子在不同溫度、水勢、鹽分和埋土深度下的萌發(fā)和出苗特性，全面系統(tǒng)地比較3 種雜草在不同環(huán)境條件中萌發(fā)和出苗的差異，為3 種雜草的田間預(yù)測預(yù)報和綜合防治提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試種子：看麥娘和日本看麥娘種子2020 年5 月19 日采集于河南省信陽市平橋區(qū)枹樹塆小麥田(32°06′30.46″ N, 39°54′59.50″ E)。大穗看麥娘種子采集于2020 年5 月21 日河南省漯河市臨潁縣郝路口村小麥田(33°48′31.34″ N, 113°51′16.55″ E)。雜草種子均自然成熟，采集后自然風(fēng)干，室溫干燥保存。

1.2 試驗方法

1.2.1萌發(fā)試驗

采用培養(yǎng)皿法進(jìn)行萌發(fā)試驗。選取大小均勻一致的雜草種子置于墊有兩層濾紙的直徑9 cm 玻璃培養(yǎng)皿中，每皿移取5 mL 蒸餾水或測試液。除溫度對萌發(fā)的影響研究外，其余均放在溫度為20 ℃/10 ℃，光照強度為100 μmol·(m2·s)-1，光照時間為12 h (光照)/12 h (黑暗)的培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。自試驗開始，每隔2 d 統(tǒng)計萌發(fā)數(shù)并將萌發(fā)種子移除，直至萌發(fā)數(shù)不再變化。胚根長度大于2 mm 時視為萌發(fā)。每處理4 次重復(fù)，試驗重復(fù)兩次。

1.2.2不同溫度對3 種雜草種子萌發(fā)的影響

本研究設(shè)恒溫和變溫兩種試驗條件，其中恒溫條件溫度分別設(shè)置為5、10、20、30 和40 ℃；變溫條件黑暗/光照溫度分別設(shè)置為5 ℃/15 ℃、10 ℃/20 ℃、15 ℃/25 ℃、20 ℃/30 ℃和25 ℃/35 ℃。每個培養(yǎng)皿中放置20 粒種子。

1.2.3 不同水勢對3 種雜草種子萌發(fā)的影響

將種子置于水勢分別為-0.1、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0、-1.2、-1.4、-1.6 MPa 的聚乙二醇8000(polyethylene glycol, PEG 8000)水溶液中，濃度與水勢換算參照參考文獻(xiàn)[8]。以蒸餾水為對照，其他條件不變。每個培養(yǎng)皿中放置20 粒種子。

1.2.4 不同鹽分對3 種雜草種子萌發(fā)的影響

使用氯化鈉(NaCl)溶液進(jìn)行鹽脅迫試驗，濃度設(shè)計為0、50、100、200、300、400 mmol·L-1，其他條件不變。每個培養(yǎng)皿中放置25 粒種子。

1.2.5 不同埋土深度對3 種雜草出苗的影響

采用盆缽法。設(shè)置6 個播種深度，即0、1、2、4、6、8 cm。先在盆缽底部放入營養(yǎng)土，使其達(dá)到預(yù)計高度，并且保證土壤吸水飽滿，防止土層高度下降。播種覆土后底部吸水使土壤水分充分飽和。將盆缽置于盤子中，隨機分布，且保持盤中水層1 cm 左右。其中0 cm 處理的盆缽表面每天用噴壺霧化噴施清水一次，防止土壤表層過干影響出苗。所有盆缽置于20 ℃/10 ℃、12 h/12 h (光照/黑暗)的光照培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。幼芽露出土面1 mm 視為出苗，每2 d 統(tǒng)計一次，連續(xù)統(tǒng)計28 d。每個盆缽中放置25 粒種子。

1.3 數(shù)據(jù)分析

使用Excel 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總計算，使用Sigmaplot 軟件對種子萌發(fā)、出苗過程以及鹽脅迫、水勢脅迫下的萌發(fā)狀況進(jìn)行非線性擬合，使用SPSS 軟件對統(tǒng)計量進(jìn)行顯著性分析(LSD 法檢驗，P＜ 0.05 水平)。

式中：E為在時間x時的累積萌發(fā)或出苗率(%)，a為最大萌發(fā)或出苗率(%)，t50為達(dá)到最終萌發(fā)或出苗50%時的時間，b為方程在t50時的斜率。

平均萌發(fā)(出苗) 時間(mean germination time,MGT; mean emergence time, MET)和萌發(fā)(出苗)指數(shù)(germination index, GI; emergence index, EI)計算公式如下：

式中：Ni為在時間Di天時的種子萌發(fā)或出苗數(shù)。

鹽脅迫和水勢脅迫對種子萌發(fā)率的影響非線性擬合公式為：G=Gmax/[1 + (x/x50)g]。式中：G為在NaCl 濃度或水勢x時的最終萌發(fā)率(%)，Gmax為最大萌發(fā)率(%)，x50為達(dá)到最大萌發(fā)率50%時的NaCl濃度或水勢，g為方程斜率。

2 結(jié)果

2.1 不同溫度對3 種雜草種子萌發(fā)的影響

由恒溫對3 種看麥娘屬雜草種子萌發(fā)影響試驗結(jié)果可以看出(表1、圖1)，三者在10 ℃條件下均有80%以上的萌發(fā)率且相互之間無顯著差異(P＞ 0.05)，但大穗看麥娘的萌發(fā)時間(t50和MGT)明顯長于看麥娘和日本看麥娘。當(dāng)溫度降低至恒溫5 ℃時，三者最終萌發(fā)率均有所降低，但日本看麥娘萌發(fā)率大于80% 且顯著高于看麥娘和大穗看麥娘(P＜0.05)，而三者的萌發(fā)時間為看麥娘 ＞ 日本看麥娘 ＞大穗看麥娘。當(dāng)溫度上升至恒溫20 ℃時，看麥娘和日本看麥娘的最終萌發(fā)率基本不變，大穗看麥娘則有所降低并顯著低于日本看麥娘(P＜ 0.05)，同時其平均萌發(fā)時間也顯著長于日本看麥娘。恒溫30 ℃時，日本看麥娘和大穗看麥娘最終萌發(fā)率降低到40%以下，而看麥娘則不再萌發(fā)，此時大穗看麥娘t50顯著短于日本看麥娘。溫度達(dá)到恒溫40 ℃時，三者均無法正常萌發(fā)。萌發(fā)指數(shù)的計算結(jié)果表明(表1)，相比于看麥娘和大穗看麥娘，日本看麥娘在恒溫10～20 ℃條件下均擁有較高的萌發(fā)活力。

圖1 不同恒溫處理3 種看麥娘屬雜草種子的最終萌發(fā)率Figure 1 Effect of constant temperature on the germination of Alopecurus seeds

由變溫對3 種看麥娘屬雜草的種子萌發(fā)影響試驗結(jié)果可以看出(表1、圖2)，在5 ℃/15 ℃時看麥娘和日本看麥娘的最終萌發(fā)率近100%，而大穗看麥僅為76.75%，顯著低于前兩者(P＜ 0.05)；5 ℃/15 ℃時大穗看麥娘的萌發(fā)時間(t50) 同樣低于兩者并同看麥娘呈現(xiàn)顯著差異(P＜ 0.05)。溫度上升至10 ℃/20 ℃時，大穗看麥娘最終萌發(fā)率有所上升但依舊顯著低于看麥娘和日本看麥娘，此條件下三者萌發(fā)時間無顯著差異(P＞ 0.05)。溫度上升至15 ℃/25 ℃時，三者最終萌發(fā)率均為90%以上且無顯著差異(P＞0.05)，但大穗看麥娘的平均萌發(fā)時間則顯著長于看麥娘(P＜ 0.05)。溫度達(dá)到20 ℃/30 ℃時，日本看麥娘和大穗看麥娘最終萌發(fā)率仍在90%以上，而看麥娘則降低至80%以下，萌發(fā)時間也顯著長于前兩者(P＜ 0.05)。在最高溫25 ℃/35 ℃條件下，看麥娘不再萌發(fā)，日本看麥娘萌發(fā)率顯著低于大穗看麥娘(P＜0.05)，表明大穗看麥娘在高溫下的萌發(fā)能力強于另外兩種雜草。萌發(fā)指數(shù)的計算結(jié)果也反映出了類似趨勢，最高溫時大穗看麥娘的萌發(fā)指數(shù)顯著高于日本看麥娘(P＜ 0.05)。

圖2 不同變溫處理3 種看麥娘屬雜草種子的最終萌發(fā)率Figure 2 Effect of fluctuating temperature on the germination of Alopecurus seeds

表1 不同溫度對3 種看麥娘屬雜草種子萌發(fā)的影響Table 1 Effect of temperature on time to 50% of the final seed germination, mean germination time,and germination index of Alopecurus

2.2 不同水勢對3 種雜草種子萌發(fā)的影響

不同水勢對3 種看麥娘屬雜草種子萌發(fā)影響的試驗結(jié)果(圖3)可知，伴隨水勢的不斷降低，3 種雜草種子的最終萌發(fā)率均出現(xiàn)降低趨勢，在-1.0 MPa時接近于0。當(dāng)水勢降低至-0.8 MPa 時，日本看麥娘的最終萌發(fā)率出現(xiàn)明顯下降，而看麥娘和大穗看麥娘則在-0.6 MPa 時就已出現(xiàn)明顯下降。將不同水勢下看麥娘、日本看麥娘、大穗看麥娘的最終萌發(fā)率進(jìn)行非線性擬合，得出抑制最大萌發(fā)率50%的水勢分別為-0.63、-0.76 和-0.62 MPa，表明看麥娘和大穗看麥娘對水勢降低的耐受能力基本相同，而日本看麥娘萌發(fā)時則能夠承受更低的水勢脅迫。伴隨著水勢的降低，三者的t50和MGT 均呈現(xiàn)上升趨勢，GI 則呈現(xiàn)降低趨勢(表2)。盡管在部分條件下看麥娘和大穗看麥娘的萌發(fā)時間要短于日本看麥娘，但在較低水勢條件(-0.4、-0.6、-0.8 MPa)時，日本看麥娘的萌發(fā)指數(shù)仍明顯高于看麥娘和大穗看麥娘，充分說明日本看麥娘在萌發(fā)時更能夠耐受較低水勢。

表2 不同水勢對3 種看麥娘屬雜草種子萌發(fā)的影響Table 2 Effect of osmotic potential on time to 50% of the final seed germination, mean germination time,and germination index of Alopecurus

圖3 水勢對3 種看麥娘屬雜草萌發(fā)的影響Figure 3 Effect of osmotic potential on the germination of Alopecurus seeds

2.3 不同鹽分對3 種雜草種子萌發(fā)的影響

不同鹽分對3 種看麥娘屬雜草種子萌發(fā)影響的試驗結(jié)果(圖4) 可知，伴隨NaCl 濃度的不斷升高，3 種雜草種子的最終萌發(fā)率均呈現(xiàn)出降低趨勢，在300 mmol·L-1時看麥娘不再萌發(fā)，日本看麥娘和大穗看麥娘則在400 mmol·L-1時不再萌發(fā)。將不同NaCl 濃度下看麥娘、日本看麥娘、大穗看麥娘的最終萌發(fā)率進(jìn)行非線性擬合，得出抑制最大萌發(fā)率50% 的濃度分別為205.80、263.16 和240.35 mmol·L-1。綜合各個濃度下3 種雜草的最終萌發(fā)率可以得出，日本看麥娘和大穗看麥娘萌發(fā)時對鹽脅迫的耐受能力明顯強于看麥娘。3 種雜草的t50和MGT 結(jié)果表明， NaCl 濃度的提高明顯延長了3 種雜草萌發(fā)的時間(表3)，特別是NaCl 濃度≥200 mmol·L-1時，3 種雜草萌發(fā)時間升高較大。由3 種雜草的GI 數(shù)據(jù)可知，看麥娘在低于300 mmol·L-1時具有同日本看麥娘和大穗看麥娘相近的萌發(fā)指數(shù)，表明其在低于300 mmol·L-1條件下時仍具有較高的萌發(fā)活力(表3)。

圖4 NaCl 濃度對3 種看麥娘屬雜草種子萌發(fā)的影響Figure 4 Effect of NaCl concentration on the germination of Alopecurus seeds

表3 不同鹽分對3 種看麥娘屬雜草種子萌發(fā)的影響Table 3 Effect of NaCl concentration on 50% of the final seed germination, mean germination time and germination index of Alopecurus

2.4 不同埋土深度對3 種雜草出苗的影響

不同埋土深度對3 種看麥娘屬雜草種子出苗影響的試驗結(jié)果(圖5) 可知，伴隨埋土深度的提高，3 種雜草的出苗率均呈現(xiàn)降低趨勢，其中看麥娘降低趨勢最為明顯，在土埋深度為4 cm 條件下已沒有種子能夠出苗。對三者的最終出苗率進(jìn)行非線性擬合可以得出，抑制看麥娘、日本看麥娘和大穗看麥娘出苗50%的埋土深度分別為2.27、9.26 和8.17 cm，表明日本看麥娘和大穗看麥娘出苗能力明顯高于看麥娘。3 種雜草的t50和MGT 結(jié)果表明，看麥娘在不同處理的出苗時間顯著長于日本看麥娘和大穗看麥娘；而在覆土條件下，日本看麥娘平均出苗時間均顯著短于大穗看麥娘，表明日本看麥娘出苗最快(表4)。EI 的計算結(jié)果表明，在覆土條件下日本看麥娘出苗指數(shù)明顯高于其他兩種雜草，說明其出苗能力最強(表4)。

表4 不同埋土深度對3 種看麥娘屬雜草種子出苗的影響Table 4 Effect of burial depth concentration on 50% of the final seed emergence, mean emergence time,and emergence index of Alopecurus

圖5 埋土深度對3 種看麥娘屬雜草種子出苗的影響Figure 5 Effect of burial depth on the emergence of Alopecurus seeds

3 討論與結(jié)論

本研究中日本看麥娘在各個條件下均具有較高的萌發(fā)和出苗活力，表明其種子對各種環(huán)境條件具有廣泛的適應(yīng)性，這為日本看麥娘在田間傳播奠定了良好的基礎(chǔ)。這與前人的研究結(jié)果一致，即日本看麥娘能夠在很廣的溫度范圍、濕度范圍及較深的埋土深度下成功萌發(fā)及出苗[9-10]。目前，日本看麥娘主要在秦嶺淮河流域以南以及長江中下游地區(qū)分布危害，該地區(qū)年平均溫度17 ℃左右，溫度適宜日本看麥娘萌發(fā)，這與本研究表明的日本看麥娘在恒溫5 ℃～30 ℃，變溫5 ℃/15 ℃～25 ℃/35 ℃均可萌發(fā)相符[11-12]?？贷溎锖腿毡究贷溎镌谖覈姆植紖^(qū)域較為一致，但是據(jù)研究表明日本看麥娘在小麥田等作物田的危害更為嚴(yán)重，在農(nóng)田中的發(fā)生頻度和綜合優(yōu)勢度均更高[13-15]，這可能與日本看麥娘具有較高的萌發(fā)和出苗活力有重要關(guān)系。日本看麥娘不僅危害嚴(yán)重，同時也對多種除草劑產(chǎn)生了抗藥性，已成為小麥等作物田雜草防除的難題[16-17]。因此，鑒于日本看麥娘較強的適應(yīng)能力以及當(dāng)前的發(fā)生危害情況，應(yīng)當(dāng)作為農(nóng)田雜草中的重點監(jiān)測對象，并積極采取綜合防治措施對其進(jìn)行治理。

大穗看麥娘在冬小麥田中具有極強的競爭能力，能夠充分利用自身生長優(yōu)勢搶占生存空間并造成小麥大量減產(chǎn)，近幾年在山東、河南、河北等地的部分田塊接連發(fā)生[18-19]。大穗看麥娘田間種群的建立，尤其是萌發(fā)和出苗過程同外界環(huán)境條件密切相關(guān)，溫度、水分等均是制約其萌發(fā)的關(guān)鍵因素[20-21]。本研究表明，大穗看麥娘在恒溫5～30 ℃，變 溫5 ℃/15 ℃～25 ℃/35 ℃，水 勢-0.1～1.0 MPa，鹽 分0～300 mmol·L-1，埋 土 深 度0～8 cm 均 可 萌發(fā)，該結(jié)果與Colbach 等[21-22]的結(jié)果一致，即大穗看麥娘具有較高的萌發(fā)適應(yīng)性。相比于另外兩種看麥娘屬雜草，大穗看麥娘在低溫條件下萌發(fā)率有所降低，但在高溫時仍表現(xiàn)出較高的萌發(fā)活力，這將會成為其未來在氣候溫度較高地區(qū)擴(kuò)張的優(yōu)勢之一。在水勢、鹽分及埋土深度方面，大穗看麥娘的萌發(fā)和出苗能力均稍弱于日本看麥娘，但實際田間條件完全在其正常萌發(fā)或出苗的環(huán)境條件范圍之內(nèi)，即大穗看麥娘現(xiàn)有的種子活力完全能夠適應(yīng)田間絕大多數(shù)環(huán)境。大穗看麥娘在歐洲多個國家發(fā)生分布，并且對小麥生產(chǎn)造成了嚴(yán)重的危害[23-26]。研究表明，黃淮海區(qū)域暴發(fā)的大穗看麥娘已經(jīng)對多種除草劑產(chǎn)生抗性，而存在多種基因突變的抗性種群也未產(chǎn)生萌發(fā)及出苗的適合度代價，依然能夠在田間正常生長繁殖[27-29]，這些都與其較強的萌發(fā)出苗能力密不可分。鑒于大穗看麥娘種子較強的萌發(fā)和出苗能力以及抗藥性的發(fā)生現(xiàn)狀，如不及時進(jìn)行有效防控，該雜草會在我國冬小麥種植區(qū)繼續(xù)擴(kuò)展危害，甚至?xí)蔀橥毡究贷溎镆粯游：?yán)重的惡性雜草。

看麥娘是河南、江蘇、山東等小麥主產(chǎn)區(qū)的常見惡性雜草，20 世紀(jì)70 年代就已開始對其田間發(fā)生規(guī)律和綜合防控進(jìn)行研究[30]。近年來，伴隨著看麥娘在農(nóng)田的危害加劇，人們越來越重視從生物學(xué)特性角度入手對其進(jìn)行綜合防控[31-32]。以往對看麥娘萌發(fā)和出苗特性的研究只涉及到溫度、光照等環(huán)境條件[33-34]；而田間環(huán)境復(fù)雜多樣，針對其在不同水分、鹽分條件下的萌發(fā)特性研究是十分必要的。本研究結(jié)果表明，看麥娘能夠萌發(fā)的溫度范圍較另外兩種雜草稍小，尤其是在30 ℃左右的高溫下便已不再萌發(fā)，與前人研究結(jié)果一致。此外，看麥娘萌發(fā)對鹽分的耐受能力、能夠成功出苗的埋土深度范圍均顯著小于日本看麥娘和大穗看麥娘，其原因可能為看麥娘種子較小，儲存營養(yǎng)物質(zhì)偏少使其不足以對抗較為惡劣的萌發(fā)出苗環(huán)境?？贷溎锏拿劝l(fā)及出苗能力要弱于日本看麥娘和大穗看麥娘，其在田間擴(kuò)展會受到一定限制。看麥娘種子在埋土深度大于4 cm 即不可萌發(fā)，因此田間防除看麥娘可采用土壤翻耕、秸稈覆蓋等措施，使看麥娘處于4 cm 以下土層，從而降低看麥娘種子成功出苗數(shù)量，減少看麥娘的危害[35]。

3 種看麥娘屬雜草種子對溫度、水勢、鹽分及種子所處土層深度均具有較強的適應(yīng)能力，但整體上日本看麥娘和大穗看麥娘強于看麥娘。長期以來，日本看麥娘和看麥娘均為我國農(nóng)田危害較為嚴(yán)重的雜草，本研究結(jié)果表明日本看麥娘種子萌發(fā)和出苗特性強于看麥娘，這從一定層面上解釋了兩種雜草的危害程度差異。近年來，大穗看麥娘逐漸在我國擴(kuò)散危害，鑒于其較強的種子萌發(fā)及出苗能力，未來可能成為與日本看麥娘同樣危害嚴(yán)重的農(nóng)田惡性雜草。為避免看麥娘、日本看麥娘、大穗看麥娘進(jìn)一步危害加劇，應(yīng)加強對3 種雜草的監(jiān)測，進(jìn)一步明確其發(fā)生危害特性，采用多種措施對其進(jìn)行綜合防治。