氮引發對堿茅種子萌發特性的影響

王雅聰，王 菲，王聰聰，楊葉研，馬杰宇，田 蓉，夏方山

（山西農業大學動物科技學院，山西 太谷 030801）

氮水平是決定植物生長發育的關鍵因子，其水平高低直接決定了草地植物的生產力高低[1]。然而，草地植物如何響應氮增加現象主要取決于其所處生態系統的氮水平，適度氮增加能促進草地植物的生長發育，氮過量則會對其造成負面影響[2]。近年來，我國高氮沉降地區正由東南向西北急劇蔓延，內蒙古草原地區每年的氮沉降量已高達3.43 g·m-2，并仍在持續升高[3-4]。氮沉降造成的氮素升高會導致生態系統的土壤養分及微生物平衡被打破、土壤酶活性與呼吸作用受抑制、土壤pH 及水分利用效率下降等不利變化，從而造成草地植物的光合效率、生物量積累及凋落物分解速率等降低，并改變草地植物的生物量分配及種間競爭關系，最終導致草地生態系統的群落結構發生改變，甚至會造成生物多樣性下降及生態系統退化[5-7]。因此，氮沉降對陸地生態系統的影響已成為國內外生態學研究的熱點問題[8]。目前，關于氮沉降影響草地植物的研究主要側重于生境條件及以營養繁殖為主的群落結構特征變化，而氮沉降如何影響草地植物的種子繁殖卻很少報道，因而氮沉降對草地植物種子萌發有何影響尚不清楚。

堿茅(Puccinellia distans)具有耐旱、耐瘠薄、耐堿鹽等適應性強的優良特性，是鹽堿地改良的特種先鋒植物[9]。此外，堿茅還具有返青早、生長快、營養豐富、適口性好等優質飼草的特點，是調制干草或放牧的優質原料[10]。因此，堿茅已越來越多地被用于鹽堿化草地生態恢復與重建。種子萌發與幼苗建成既是植物生長發育的關鍵時期，又是其對生態因子響應的最敏感時期[11]。研究發現，鹽堿條件會造成植物種子活力下降，導致其發芽率、發芽指數及幼苗活力指數下降，并延遲其萌發[12]。種子引發已被認為是提高逆境條件下植物種子活力最簡單、最經濟、最有效的策略[13]，能有效促進植物種子的萌發、幼苗生長及產量增加[14]，既是商業種子公司最常用于提高種子活力的方法，也是當下種子科學領域研究的熱點[15-16]。研究發現，合理的引發能有效提高植物種子的活力水平，促進其在鹽堿條件下正常萌發及幼苗建成，從而為成功進行鹽堿化草地生態系統的植被恢復與重建提供了保障[12]。然而，日趨嚴重的氮沉降對鹽堿化草地中堿茅的種子繁殖有何影響尚不清楚。因此，本研究采用種子引發的手段，探討不同硝酸銨濃度及引發時間模擬氮沉降對堿茅種子萌發的影響，以期為初步揭示氮沉降對堿茅種子萌發的影響提供參考依據，也為進一步闡明氮沉降對草地植物種子繁殖的影響提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 材料來源

堿茅種子由山西農業大學牧草種子實驗室提供，2017 年7 月收集于山西農業大學右玉草地生態系統野外觀測研究站，于-20 ℃密封保存至2019 年5 月試驗進行。

1.2 引發處理

用10 mL 濃 度 為0、0.01%、0.04%、0.08%、0.16%、0.32%、0.64%和1.28% (w/w)的硝酸銨溶液將堿茅種子在20～30 ℃黑暗變溫條件下分別浸泡 0 (對照)、3、6 和12 h，用蒸餾水沖洗兩次，并在室溫黑暗條件下風干3 d，重復4 次。

1.3 發芽試驗及指標測定

發芽試驗條件參照《草種子檢驗規程 發芽試驗》(GB/T 2930.4-2017)[17]的規定進行，選取100 粒均勻飽滿的堿茅種子放入培養皿中，設4 次重復，在20～30 ℃變溫條件下培養，每天統計發芽種子數，末次計數為第21 天，最終統計正常種苗數，并測定每個培養皿中全部正常種苗鮮重。發芽率的計算參照國際種子檢驗協會(International Seed Testing Association，ISTA)的 種 子 檢 驗 規 程(2015)[18]進行，發芽指數及幼苗活力指數的計算參照Abdul-Baki 和Anderson[19]的方法進行，平均發芽時間的計算參照Ellis 和Roberts[20]的方法進行，具體計算公式參考文獻[21]。

1.4 數據處理與分析

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 統計分析軟件處理試驗數據，采用Duncan’s (P = 0.05)法進行多重比較，結果以平均值 ± 標準誤表示。

2 結果與分析

2.1 氮濃度和引發時間對堿茅種子活力的雙因素方差分析

雙因素方差分析結果表明(表1)，氮濃度、引發時間及二者的互作對堿茅種子的發芽率、發芽指數及幼苗活力指數有顯著影響(P＜0.05)；而氮濃度和氮濃度與引發時間的互作對堿茅種子平均發芽時間無顯著影響(P ＞ 0.05)。

表 1 氮濃度和引發時間對堿茅種子萌發影響的雙因素方差分析Table 1 Variance analysis of the effects of nitrogen concentration and priming time on the germination of Puccinellia distans seeds

2.2 氮引發對堿茅種子發芽率的影響

堿茅種子發芽率隨硝酸銨濃度和引發時間的變化而變化(表2)。在相同引發時間時，堿茅種子發芽率隨硝酸銨濃度的增加呈先升高后降低的趨勢。堿茅種子發芽率在濃度為0.08%硝酸銨引發3 h 時達到最大值，而在濃度為1.28%硝酸銨引發3～12 h 時 顯 著(P＜0.05)降 低。硝 酸 銨 濃 度 為0.01%～0.16%時，堿茅種子發芽率隨引發時間的延長也呈先升高后降低的趨勢；硝酸銨濃度為0 和0.32%～1.28%時，堿茅種子發芽率隨引發時間的延長基本呈降低趨勢。

表 2 氮引發對堿茅種子發芽率變化的影響Table 2 Influence of nitrogen priming on the germination percentage in Puccinellia distans seeds%

2.3 氮引發對堿茅種子發芽指數的影響

堿茅種子發芽指數的變化與硝酸銨濃度和引發時間有關(表3)。硝酸銨濃度為0～0.32%時，堿茅種子發芽指數隨引發時間的延長呈先升高后降低的趨勢；硝酸銨濃度為0.64%～1.28%時，堿茅種子發芽指數隨引發時間的延長呈降低趨勢。引發3～12 h 時，堿茅種子發芽指數隨硝酸銨濃度的增加有先升高后降低的趨勢，且在硝酸銨濃度為1.28%時顯著(P＜0.05)降低；在引發3 h，硝酸銨濃度為0.08%時達到最大值，為13.34。

2.4 氮引發對堿茅種子幼苗活力指數的影響

堿茅種子幼苗活力指數隨硝酸銨濃度和引發時間的變化而變化(表4)。硝酸銨濃度相同時，堿茅種子幼苗活力指數隨引發時間的延長有降低的趨勢，且引發12 h (除硝酸銨濃度為0.08%)顯著(P ＜0.05)低于CK。引發時間相同時，堿茅種子幼苗活力指數隨硝酸銨濃度的增加呈先升高后降低的趨勢，在硝酸銨濃度為1.28%時顯著(P＜0.05)降低。

2.5 氮引發對堿茅種子平均發芽時間的影響

堿茅種子平均發芽時間隨硝酸銨濃度和引發時間的變化而變化(表5)。硝酸銨濃度相同時，堿茅種子平均發芽時間隨引發時間的延長有先降低后延長的趨勢，濃度為0～0.01%和0.08%～0.16%引發3 h 時，堿茅種子平均發芽時間顯著(P＜0.05)低于CK。引發時間相同時，堿茅種子平均發芽時間隨氮濃度的增加有增加的趨勢。

表 3 氮引發對堿茅種子發芽指數變化的影響Table 3 Influence of nitrogen priming on the germination index in Puccinellia distans seeds

表 4 氮引發對堿茅幼苗活力指數變化的影響Table 4 Influence of nitrogen priming on the seedling vigor index of Puccinellia distans

表 5 氮引發對堿茅種子平均發芽時間變化的影響Table 5 Influence of nitrogen priming on the mean germination time of Puccinellia distans seeds d

3 討論

氮素是植物細胞的重要組成部分，是植物生長發育所必需的營養元素之一[22]，也是大多數陸地生態系統的重要限制因素[3]。研究發現，適宜的氮沉降會直接對草地植物的生長發育產生促進作用，從而增加其生物量，禾本科植物尤為明顯[23-25]。本研究表明，低濃度(0～0.16%)氮引發可提高堿茅種子的發芽率和發芽指數，并縮短其平均發芽時間，這與油菜(Brassica napus)[26]和辣椒(Capsicumannum)[27]等植物種子的研究結果相似，表明適宜濃度的氮引發促進了堿茅種子的萌發，因而適宜的氮沉降可能會促進鹽堿化草地中堿茅種子的萌發。研究發現，氮預處理能提高種子內貯藏物質的轉化與利用，激活種子萌發及其幼苗生長發育所需的多種酶活性[27]；種子在吸脹萌發過程會產生大量活性氧[28]，而氮預處理能夠提高種子內自由基清除酶超氧化物歧化酶、過氧化物酶和過氧化氫酶活性，有效緩解活性氧過量積累對其細胞結構與功能的損傷，從而促進其萌發及幼苗生長發育[27]。

然而，植物吸收過量的氮素會打破其體內營養平衡，進而影響其生長發育[29]。因此，過量的氮沉降會對植物生物量的積累造成影響，甚至會導致草地植物多樣性的下降[30-31]。研究發現，過量的氮沉降會抑制草地植物的生長發育，導致其生物量下降[23,32]。本研究表明，高濃度氮引發導致堿茅種子發芽率、發芽指數和幼苗活力指數均顯著(P ＜0.05)降低，這表明堿茅種子的萌發能力下降，所以鹽堿地中堿茅的種子繁殖能力可能會被過量氮沉降抑制。過量氮沉降會導致草地植物生長環境的土壤pH 下降，抑制了不適應酸性環境植物種類的正常代謝反應[30]；同時，過量氮沉降還破壞了草地植物生長環境的營養平衡，導致其光合作用等生理生化過程發生紊亂，從而抑制其正常的生長發育[32-33]。此外，高濃度的引發試劑會使植物種子在吸脹萌發過程發生細胞膜滲透損傷，從而抑制其正常的萌發[12]，這也是高濃度的氮引發導致種子萌發能力下降的原因。

引發時間也會直接影響植物種子的萌發及其幼苗生長[21,34]。本研究表明，堿茅種子的發芽率、發芽指數及幼苗活力指數均隨氮引發時間的延長而顯著(P＜0.05)降低，而其平均發芽時間則顯著(P ＜0.05)增加，這表明氮引發延遲了堿茅種子的萌發能力。研究表明，引發時間太久會使種子發生吸脹損傷[35]，且長時間浸泡會使種子發生無氧呼吸毒害，這可能是長時間氮引發導致堿茅種子萌發能力下降的主要原因。氮沉降也是一個長期而連續的過程，其不斷積累會使草地植物群落的物種多樣性降低[36]。本研究中，濃度為1.28%的硝酸銨溶液引發會抑制堿茅種子的萌發。因此，長期的氮沉降可能會使鹽堿化草地中堿茅種子的萌發能力下降。

4 結論

不同的氮濃度、引發時間及二者的互作對堿茅種子的發芽率、發芽指數及幼苗活力指數的影響存在顯著影響(P＜0.05)。濃度為0～0.08%的氮引發時堿茅種子萌發呈上升趨勢，而濃度0.16%～1.28%的氮引發時則相反。綜合分析，濃度為0.08%的氮引發3 h 是促進堿茅種子萌發的最佳處理。