外源氮引發(fā)對白羊草種子萌發(fā)特性的影響

李尹琳，畢 銘，夏方山，王聰聰，曾 佳

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，山西 太谷 030801）

種子植物是植物界最高等的類群，種子質(zhì)量 是決定農(nóng)業(yè)和草業(yè)生產(chǎn)成敗的關(guān)鍵所在，在實(shí)際生產(chǎn)中起著獨(dú)特而重要的作用。讓每一顆種子都最大限度地發(fā)揮其潛在能力，是提高農(nóng)牧業(yè)生產(chǎn)水平的必由之路［1-2］。種子引發(fā)是近來種子科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，是一種通過簡易操作便可以有效提高種子品質(zhì)且具有廣泛應(yīng)用前景的種子萌發(fā)處理技術(shù)［3］。種子引發(fā)技術(shù)是利用自然或人工合成的有機(jī)或無機(jī)物質(zhì)處理草種，以此提高植物抵抗逆境的一種簡便辦法。研究發(fā)現(xiàn)，采用適宜濃度的引發(fā)物質(zhì)對草種引發(fā)后，草種的活力與發(fā)芽力得到增強(qiáng)，抵抗逆境相關(guān)的生理生化指標(biāo)提高，最終產(chǎn)量及品質(zhì)得到顯著的改善［4］。

氮元素作為一切有機(jī)體不可缺少的元素，同時也是植物生長過程中必不可少的元素之一，肩負(fù)著為作物提供養(yǎng)分、供其生長的重任，對植物種子生長繁殖、產(chǎn)量及品質(zhì)有著舉足輕重的影響［5-6］。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展，環(huán)境中活性氮排放日益增加，從而提高了沉降到土壤中的氮水平，逐漸打破了植物-生境的氮平衡［7］。氮被植物利用后，剩余的氮素積聚在土壤中，經(jīng)過降解轉(zhuǎn)變后導(dǎo)致土壤緊實(shí)、肥力貧瘠等諸多問題［8］?，F(xiàn)有研究表明，在未來很長一段時間，沉降到土壤中的氮素水平仍將持續(xù)增加［9］。當(dāng)前，有關(guān)氮沉降的研究主要集中于草地生態(tài)系統(tǒng)及與其相關(guān)的交互領(lǐng)域［10-12］。在堿茅（Puccinellia distans）研究中發(fā)現(xiàn)，外源氮引發(fā)能夠改變堿茅種子的萌發(fā)，適當(dāng)濃度氮引發(fā)可以提高堿茅的種子活力［13］。而氮沉降對于其他草種萌發(fā)的研究卻鮮有報道，因而氮沉降對草地植物種子萌發(fā)的影響尚有待研究。

白羊草（Bothriochloa ischaemum）是禾本科孔穎草屬多年生草本植物，根部分枝多，隨著種植年限的延長，根能延伸很廣的范圍，為須根系。白羊草主要依靠種子繁殖與地下根莖營養(yǎng)繁殖，生命力旺盛，耐旱，適應(yīng)性強(qiáng)，主要分布于我國降水比較少的北方地區(qū)，多長于山坡草地和荒地［14］。白羊草在北方干旱地區(qū)有保持水土的重要作用，是黃土高原地區(qū)的一種優(yōu)質(zhì)鄉(xiāng)土草種［15］。白羊草是山西境內(nèi)放牧地和割草地的主要植物類群，也是山西省發(fā)展畜牧業(yè)的優(yōu)質(zhì)自然資源［16-17］。研究表明，適宜的引發(fā)處理可以增強(qiáng)草種抵御逆境的能力，從而為干旱與半干旱地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)植被的恢復(fù)與重建提供了理論基礎(chǔ)［18］。然而，與日俱增的氮沉降增加了草地中的氮素水平，這對白羊草種子的生長繁殖有何影響尚不明晰。為此，該研究以白羊草種子為試驗(yàn)材料，以不同濃度NH4NO3引發(fā)模擬氮沉降對白羊草種子萌發(fā)的影響，以期為探討氮沉降對草地植物種子的萌發(fā)及生長的影響提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試草種為“太行”白羊草，由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草種子實(shí)驗(yàn)室于2019 年10 月收集，在-20 ℃條件下密封保存至2021 年3 月進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

挑選成熟、飽滿、大小一致的白羊草種子，將其完全浸入濃度為0（CK）、70、140、280、560、1 120 mmol/L 的NH4NO3溶液中，在25 ℃黑暗條件下分別引發(fā)0（CK）、3、6、9、12 h，之后用蒸餾水沖洗3 次，用濾紙吸干種子表面水分，并在室溫黑暗條件下自然風(fēng)干2 d。每個處理選取100 粒均勻飽滿的種子統(tǒng)一擺入培養(yǎng)皿中，每個處理設(shè)置4個重復(fù)，置于培養(yǎng)箱中，在25 ℃恒溫條件下進(jìn)行培養(yǎng)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)，末次計(jì)數(shù)為第12 天，最后統(tǒng)計(jì)每個培養(yǎng)皿中的正常種苗數(shù)，并測量其正常種苗的苗長，測定每個培養(yǎng)皿中的全部正常種苗的鮮重［15，19］。

1.3 指標(biāo)測定

發(fā)芽率（germination percentage，Gp）的計(jì)算參照國際種子檢驗(yàn)協(xié)會的種子檢驗(yàn)規(guī)程 （2020）［20］；發(fā)芽指數(shù)（germination index，Gi）和幼苗活力指數(shù)（seedling vigor index，SVI）參照Abdul-Baki 等［21］報道的方法計(jì)算；平均發(fā)芽時間 （mean germination time，MGT）參照Ellis 等［22］報道的方法計(jì)算。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步整理，利用SPSS 23.0 統(tǒng)計(jì)學(xué)軟件進(jìn)行方差分析，采用Duncan＇s 法進(jìn)行組間均數(shù)多重比較，P＜0.05 表示差異顯著。試驗(yàn)結(jié)果以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”的形式表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源氮引發(fā)對白羊草種子發(fā)芽率的影響

從表1 可以看出，NH4NO3濃度與引發(fā)時間對白羊草種子Gp 均有影響。引發(fā)時間相同時，白羊草種子Gp 隨著NH4NO3濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，引發(fā)3～12 h 時，白羊草種子Gp 在NH4NO3濃度為140 mmol/L 時最高，在NH4NO3濃度為1 120 mmol/L 時顯著 （P＜0.05）低于其他濃度。NH4NO3濃度為0 和560 mmol/L 時，白羊草種子Gp 在引發(fā)0～3 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為70 mmol/L 時，白羊草種子Gp 隨著引發(fā)時間的延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，并在引發(fā)3 h 時達(dá)到最高；NH4NO3濃度為140 mmol/L 時，白羊草種子Gp 在引發(fā)3～6 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為280 mmol/L 時，白羊草種子Gp 在引發(fā)3 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為1 120 mmol/L 時，白羊草種子Gp 在3～12 h 時顯著（P＜0.05）低于CK。在NH4NO3濃度為140 mmol/L 引發(fā)6 h 時，白羊草種子Gp 最高。

表1 氮引發(fā)對白羊草種子發(fā)芽率變化的影響

2.2 外源氮引發(fā)對白羊草種子發(fā)芽指數(shù)的影響

從表2 可以看出，NH4NO3濃度與引發(fā)時間對白羊草種子Gi 均有影響。引發(fā)時間相同時，白羊草種子Gi 隨著NH4NO3濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，引發(fā)3～12 h 時，白羊草種子Gi 在NH4NO3濃度為140 mmol/L 時最高，在NH4NO3濃度為1 120 mmol/L 時顯著 （P＜0.05）低于其他濃度。NH4NO3濃度為0 和1 120 mmol/L 時，白羊草種子Gi 隨著引發(fā)時間的延長呈下降趨勢；NH4NO3濃度為70 mmol/L 時，白羊草種子Gi 在引發(fā)3 h時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為140 mmol/L 時，白羊草種子Gi 在引發(fā)3～6 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為280 mmol/L 時，白羊草種子Gi 在引發(fā)3 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間，在引發(fā)12 h 時顯著（P＜0.05）低于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為560 mmol/L 時，白羊草種子Gi 隨著引發(fā)時間的延長呈下降趨勢。在NH4NO3濃度為140 mmol/L 引發(fā)6 h時，白羊草種子Gi 最高。

表2 氮引發(fā)對白羊草種子發(fā)芽指數(shù)變化的影響

2.3 外源氮引發(fā)對白羊草種子平均發(fā)芽時間的影響

從表3 可以看出，NH4NO3濃度與引發(fā)時間對白羊草種子MGT 均有一定影響。引發(fā)時間相同時，白羊草種子MGT 隨著NH4NO3濃度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，引發(fā)3 h 時，白羊草種子MGT 在NH4NO3濃度為0 時顯著（P＜0.05）高于其他濃度，NH4NO3濃度為70 mmol/L 顯著 （P＜0.05）低于其他濃度；引發(fā)6～9 h 時，白羊草種子MGT隨著NH4NO3濃度的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢，均在NH4NO3濃度為0 時達(dá)到最高，在NH4NO3濃度為140 mmol/L 時達(dá)到最低；引發(fā)12 h 時，白羊草種子MGT 在NH4NO3濃度為1 120 mmol/L 時顯著（P＜0.05）高于其他濃度。NH4NO3濃度為0～70 mmol/L 和560～1 120 mmol/L 時，白羊草種子MGT 隨引發(fā)時間的延長呈上升的趨勢，在引發(fā)12 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為140～280 mmol/L 時，白羊草種子MGT 隨著引發(fā)時間的延長呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，均在引發(fā)9 h 時達(dá)到最高。在NH4NO3濃度為1 120 mmol/L 引發(fā)12 h 時，白羊草種子MGT 最高。

表3 氮引發(fā)對白羊草種子平均發(fā)芽時間變化的影響

2.4 外源氮引發(fā)對白羊草種子幼苗活力指數(shù)的影響

從表4 可以看出，NH4NO3濃度與引發(fā)時間對白羊草種子SVI 均有影響。引發(fā)時間相同時，白羊草種子SVI 隨著NH4NO3濃度的增加呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢，引發(fā)3 h 和9～12 h 時，白羊草種子SVI 在NH4NO3濃度為70 mmol/L 時最高，引發(fā)6 h時，白羊草種子SVI 在NH4NO3濃度為140 mmol/L時 最 高，引 發(fā)3～12 h 時，白 羊 草 種 子SVI 在NH4NO3濃度為1 120 mmol/L 時顯著 （P＜0.05）低于其他濃度。NH4NO3濃度為0 和560 mmol/L 時，白羊草種子SVI 在引發(fā)0～3 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為70 mmol/L 時，白羊草種子SVI 隨著引發(fā)時間的延長呈先升高后降低的趨勢，并在引發(fā)3 h 時達(dá)到最高；NH4NO3濃度為140 mmol/L 時，白羊草種子SVI 在引發(fā)6 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為280 mmol/L 時，白羊草種子SVI 在引發(fā)3～6 h 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間；NH4NO3濃度為1 120 mmol/L 時，白羊草種子SVI 在CK 時顯著（P＜0.05）高于其他引發(fā)時間。在NH4NO3濃度為140 mmol/L 引發(fā)6 h 時，白羊草種子SVI 最高。

表4 氮引發(fā)對白羊草種子幼苗活力指數(shù)變化的影響

2.5 外源氮濃度和引發(fā)時間對白羊草種子活力的雙因素方差分析

從表5 雙因素方差分析結(jié)果可以看出，氮濃度、引發(fā)時間及二者的互作對白羊草種子Gp、Gi、MGT 及SVI 的影響極顯著（P＜0.01）。

表5 氮濃度和引發(fā)時間對白羊草種子活力影響的雙因素方差分析

3 討論

氮是土壤有機(jī)元素中一種比較活躍的因子［23］，氮含量的多少影響著土壤中的養(yǎng)分狀況［24］，同時，氮也是大多數(shù)植物細(xì)胞的組成部分，植物生長發(fā)育所引起的一些生理生化反應(yīng)都有其介入，是至關(guān)重要的營養(yǎng)元素［25］。種子萌發(fā)是一個復(fù)雜的生理過程，在植物生命周期中扮演著重要角色，水分、光照、溫度、土壤基質(zhì)等都會影響種子萌發(fā)［26］。種子的Gp、Gi、MGT、SVI 是用來評價種子萌發(fā)速率和生長整齊程度的指標(biāo)［27］。研究發(fā)現(xiàn)，低濃度的NH4NO3溶液處理下，堿茅種子的Gp 和Gi都有所提升，MGT 下降［13］；適宜濃度的NH4NO3處理提高了油菜（Brassica napus）種子的Gp 和Gi［28］。該研究表明，低濃度（0～280 mmol/L）氮引發(fā)能提高白羊草種子的Gp、Gi、SVI，并且縮短MGT。這可能是低濃度的氮沉降能夠激活并提高白羊草種子內(nèi)部的生理功能［29］，使得種子內(nèi)部抗氧化酶活性升高，清除內(nèi)部活性氧的能力增強(qiáng)，從而減緩了種子細(xì)胞損傷，促進(jìn)白羊草種子的萌發(fā)，縮短MGT。然而，高濃度（560～1 120 mmol/L）氮引發(fā)則相反，這與王雅聰?shù)龋?3］研究報道相似，說明過量的氮引發(fā)不利于白羊草種子萌發(fā)。研究表明，過量的氮沉降導(dǎo)致土壤中氮素過剩，打破了植物-生境之間的氮平衡，從而影響土壤的理化性質(zhì)［30-31］，造成土壤整體結(jié)構(gòu)被破壞，表面變硬，土壤酸性化加深，從而影響地上植被的生長［32］；研究氮沉降對苦竹人工林生長的影響發(fā)現(xiàn)，高濃度的氮沉降能夠促進(jìn)其生長［33］，這與該研究結(jié)果相反，這可能是因?yàn)橹参飳Φ盏哪褪苣芰Σ煌?4］，并且不同植物生長的環(huán)境也有一定的差距。

引發(fā)時間對植物種子的萌發(fā)及幼苗生長也是不可忽略的一項(xiàng)因素［8，35］。該研究表明，白羊草種子的Gp、Gi、SVI 隨著引發(fā)時間的延長最終呈降低趨勢，而白羊草種子的MGT 隨著時間的延長最終基本呈上升趨勢，這說明引發(fā)時間對白羊草種子的活力水平有重要影響，長時間的引發(fā)使白羊草種子萌發(fā)速度下降，且有抑制其萌發(fā)和幼苗生長能力。研究表明，隨著引發(fā)時間的延長，種子發(fā)生吸脹損傷，引起種子內(nèi)部一部分生理生化指標(biāo)發(fā)生改變，從而影響種子活力［36］。該研究表明，氮濃度、引發(fā)時間及二者的交互作用對白羊草種子Gp、Gi、MGT 及SVI 的影響極顯著（P＜0.01），且濃度為1 120 mmol/L 時的氮引發(fā)對白羊草種子活力的抑制最為嚴(yán)重。適宜濃度氮引發(fā)可以增強(qiáng)草種在逆境脅迫中的抗性，從而提高種子的產(chǎn)量和品質(zhì)，因此，在實(shí)際的生產(chǎn)中要正確利用種子引發(fā)，要合理把握氮引發(fā)在白羊草種子中的使用，過度的氮添加則可能會引起相反的效果，在生產(chǎn)中造成不良影響。

4 結(jié)論

白羊草種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時間及幼苗活力指數(shù)與外源氮濃度和引發(fā)時間均有關(guān)系。NH4NO3溶液濃度為0～140 mmol/L 時，白羊草種子萌發(fā)能力呈上升趨勢，但在NH4NO3濃度為280～1 120 mmol/L 時呈下降趨勢。濃度為140 mmol/L 的氮引發(fā)6 h 時，白羊草種子活力最高，最利于種子萌發(fā)。