環(huán)境因子對云南扁穗雀麥種子萌發(fā)和出苗的影響

張敏，NIPAPAN Kanjana，李銣，傅楊，湯東生

（云南農業(yè)大學云南生物資源保護與利用國家重點實驗室，云南昆明650201）

雀麥（Bromusspp.）屬于禾本科（Poaceae）多年生或一年生草本植物。據中國植物志記載，全世界雀麥屬植物有約250 種，我國約有70 多個種。雀麥分布極廣，遍布于世界溫帶和熱帶高海拔地區(qū)，為天然草地和人工牧場中利用價值高的牧草資源［1］。由于雀麥具有抗旱、抗寒和抗病蟲等優(yōu)良特性，近年來隨著我國畜牧業(yè)的快速發(fā)展，無芒雀麥（B. inermis）［2-5］、扁穗雀麥（B. catharticus）［3，6-8］和旱雀麥（B. tectorum）［4，9-10］等牧草種類在我國已廣泛種植。牧草逃逸到農田就可能會變成雜草。雀麥入侵到農田成為危害性雜草的報道可追溯到100 多年前由歐洲傳入到美洲的旱雀麥［11］。從20 世紀50 年代開始，全球有關雜草雀麥的報道越來越多，報道最多的仍是旱雀麥，雙雄雀麥（B. diandrus）［12-13］、硬雀麥（B. rigidus）［14］、貧育雀麥（B. sterilis）［15］、無芒雀麥［16］等種類也有報道。對雀麥雜草的研究內容涉及生物學［16-18］、危害性［19-20］、競爭性［21-23］、防治［24-26］、抗藥性［27-29］等。我國自 1986 年報道雀麥危害［30］以來，在我國北方農田傳播擴展蔓延很快，成為麥田重要的惡性雜草。據維基百科報道，由于雀麥屬植物與小麥族（Triticeae）小麥屬（Triticum）和大麥屬（Hordeum）植物有很相近的親緣關系（linkage），在抽穗之前與大、小麥極其相似，在田間一般不易被發(fā)現，很難防治。扁穗雀麥曾作為一種優(yōu)質牧草在云南廣泛種植，由于云南大多數區(qū)域低緯度高海拔產生的溫暖氣候使扁穗雀麥表現周年生長繁殖的現象，近年來在綠化帶、次生荒地、田間快速擴張繁殖，成為潛在田間惡性雜草。其外形與麥類作物高度相似，防治比較困難，因此有必要開展雀麥的生物生態(tài)學研究，旨在為扁穗雀麥的精準防治措施制定科學依據。

種子萌發(fā)是雜草入侵農田和危害作物的前提條件。氣候、土壤等因子均會對雜草種子萌發(fā)產生影響。Beckstead 等［31］的研究發(fā)現，采自5 個不同區(qū)域的旱雀麥種子均能在5/15 ℃至20/30 ℃晝夜溫差的溫度環(huán)境中萌發(fā)。也有研究表明，15 ℃黑暗條件下培養(yǎng)的貧育雀麥種子發(fā)芽率高，而紅光處理卻抑制種子的萌發(fā)［32］。還有研究表明，提高空氣中的CO2濃度也可提高直立雀麥（B. erectus）種子萌發(fā)率［33］。雖然也有少量文獻報道了部分環(huán)境因子對扁穗雀麥種子萌發(fā)的作用［2-5］，但這些研究均只是部分揭示環(huán)境因子對種子萌發(fā)的效應，缺乏系統性的研究。而云南這種高海拔低緯度生長的扁穗雀麥群體種子的萌發(fā)規(guī)律是否具備區(qū)域性、獨特性有待明確。本研究擬從雜草生態(tài)學的角度，研究溫度、濕度、pH、鹽、滲透勢等環(huán)境因子對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響規(guī)律，旨在為扁穗雀麥的綜合防治措施的制定提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料采集

扁穗雀麥種子于2015 年9 月采集于云南省昆明市云南農業(yè)大學后山荒地，分批次收集成熟發(fā)黃的穗子帶回實驗室，自然風干1 個月左右，而后去除穎殼，混合后裝袋，室溫保藏2 個月破除休眠后進行試驗。

1.2 試驗方法

1.2.1 溫度試驗 將購置的石英砂（粒徑≤2 mm 用清水沖洗3 遍，在120 ℃烘箱中烘足3 h，冷涼后精確稱取60 g 石英砂鋪于直徑為9 cm 的培養(yǎng)皿中，鋪設厚度約5 mm，各處理精選30 粒籽粒飽滿的種子均勻地置于砂上，每皿加滅菌純水15 mL，使水面剛好沒過砂面，蓋上培養(yǎng)皿，并用保鮮膜封好置于人工智能培養(yǎng)箱中培養(yǎng)。培養(yǎng)條件為12 h 光照/12 h 黑暗，光照強度為2400 lx。種子萌發(fā)以胚根突破種皮1 mm 為統計標準，逐日統計發(fā)芽數直至第10 天，計算萌發(fā)率和萌發(fā)勢。溫度設置5 個恒溫處理水平即30、25、20、15、10 ℃和10 個變溫處理水平即30/25、30/20、30/15、30/10、25/20、25/15、25/10、20/15、20/10、15/10 ℃。在變溫處理情況下，高溫與光照處理相對應，低溫與黑暗處理相對應。4 次重復。

1.2.2 pH 試驗 培養(yǎng)條件基本同溫度試驗，只是將水換成不同pH 值的溶液，溫度設置為恒溫25 ℃。用于培養(yǎng)種子的 pH 值緩沖液配制參照 Chachalis 等［34］的方法。即用 1 mol·L-1HCl 調節(jié) 2 mmol·L-1鄰苯二甲酸氫鉀配制 pH 為 4 的緩沖液；用 1 mol·L-1NaOH 調節(jié) 2 mmol·L-1的 MES［2-（N-嗎啉）乙磺酸］配制 pH 為 5 和 6 的緩沖液；用1 mol·L-1NaOH 調節(jié)2 mmol·L-1HEPES［N-（2-羥甲基）哌嗪-N′-（2-乙磺酸）］配制pH 為7 和8 的緩沖液。用 1 mol·L-1NaOH 調節(jié) 2 mmol·L-1三甲基甘氨酸配制 pH 為 9 和 10 的緩沖液。

1.2.3 耐鹽性試驗 基本培養(yǎng)條件同溫度試驗，只是將培養(yǎng)溶液換成不同濃度的NaCl 溶液。NaCl 的濃度設置為 0、10、20 、40、80、160、320、500 mmol·L-1［35］。恒溫 25 ℃培養(yǎng)。

1.2.4 耐旱性試驗 基本培養(yǎng)條件同溫度試驗，只是將培養(yǎng)溶液換成不同滲透勢的PEG 8000 溶液。參照Chauhan 等［36］的方法配制滲透勢為0、-0.1、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0 MPa 的溶液。恒溫25 ℃培養(yǎng)。

1.2.5 土壤濕度試驗 將田土風干磨碎，過2 mm 篩，在120 ℃烘箱烘干至恒重。將篩后的土壤混合均勻后倒入塑料杯，土面距杯口2 cm，分別配制100%、90%、80%、70%、60%、50%、40%相對含水量的土壤。將加足水的杯子用封口膜封好后靜置12 h，均勻播入種子30 粒，播種深度為1 cm。用封口膜密封杯口，然后將放有種子的杯子置于人工智能培養(yǎng)箱中恒溫25 ℃培養(yǎng)，每日記錄出苗數。其他設置同溫度處理試驗。

1.2.6 播種深度試驗 取上述烘干的土壤，將篩后的土壤混合均勻后倒入高12 cm 的塑料杯中。設置0、2、4、6、8、10 cm 共6 種播種深度。將底層土鋪好后，均勻播入30 粒種子，蓋上不同厚度的細土。土壤含水量控制在60%，然后用封口膜封住杯口，置于恒溫25 ℃人工智能培養(yǎng)箱中培養(yǎng)，每日記錄出苗數，連續(xù)3 d 不再出苗為止。其他設置同溫度處理試驗。

1.3 數據處理

采用Excel 2010 進行試驗數據的初步處理，采用SAS 9.4 軟件分析各處理之間的差異顯著性（Duncan’s 方差分析法），種子最終萌發(fā)率和累積萌發(fā)率對各處理因素的響應規(guī)律采用SigmaPlot 14 軟件繪圖，并擬合鹽度、滲透勢、深度對種子最終萌發(fā)率的回歸模型。

2 結果與分析

2.1 扁穗雀麥種子萌發(fā)對溫度的響應

在恒溫條件下，25 ℃處理的種子發(fā)芽率高達89%；溫度增加到30 ℃，種子萌發(fā)率顯著下降；而當溫度下降至20 ℃，種子萌發(fā)率從90%左右下降到50%；而當給予10 ℃的恒溫處理后，種子幾乎不能萌發(fā)。在大多數情況下，變溫處理促進種子萌發(fā)（圖1）。在白天30 ℃的高溫環(huán)境下，隨著晝夜溫差擴大，種子萌發(fā)率呈先增加再降低的趨勢，30/20 ℃的種子萌發(fā)率最高達到92.1%，恒溫30 ℃萌發(fā)率最低。在白天為25 ℃的條件下，種子萌發(fā)率隨晝夜溫差的擴大而降低。而白天溫度在20 ℃情況下，20/15 ℃的變溫條件種子萌發(fā)率最高。白天溫度低于20 ℃以后，種子萌發(fā)率低于40%。

圖1 不同培養(yǎng)溫度條件對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig. 1 Effect of incubation temperature conditions on seed germination of B. catharticus

2.2 扁穗雀麥種子萌發(fā)對pH 值的響應

扁穗雀麥在pH 4～10 的環(huán)境下，種子萌發(fā)率均高于90%。種子萌發(fā)率和萌發(fā)勢在弱酸和弱堿環(huán)境下要顯著高于中性環(huán)境（圖2）。種子在pH 為6 時萌發(fā)率最高，達到98.3%，但與種子在pH 為5、9、10 的處理之間沒有顯著差異性。當pH 低至4 時，種子萌發(fā)率最低，為90.2%。在pH 為9 和10 的情況下，扁穗雀麥種子保持著高達96.0%的萌發(fā)率。同時，種子的萌發(fā)勢差異更大，種子在pH 為7 時，萌發(fā)勢不到80%，而pH 為9 的處理萌發(fā)勢已經超過90%。由此可見，種子萌發(fā)率高的處理，其種子萌發(fā)勢也高。可以推知，扁穗雀麥對酸堿度有廣泛的適應性，最適條件為弱酸環(huán)境，但也對堿性環(huán)境表現出極高的適應性。

圖2 pH 對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.2 Effect of incubation pH on seed germination of B. catharticus

2.3 扁穗雀麥種子萌發(fā)對NaCl 的響應

種子在NaCl 濃度≤20 mmol·L-1，種子萌發(fā)率高于95%；在濃度為80 mmol·L-1時，種子萌發(fā)率高于90%；在濃度為160 mmol·L-1時，種子萌發(fā)率高于85%；在濃度320 mmol·L-1時，種子萌發(fā)率高于50%；NaCl 在濃度500 mmol·L-1時方能完全抑制種子萌發(fā)（圖3）。經回歸分析，NaCl 對種子的萌發(fā)影響規(guī)律符合三參數S 型曲線模型｛y=97.96/［1+exp（x+212.0）/83.25］，R2=0.99｝。種子萌發(fā)勢的規(guī)律基本同于種子萌發(fā)率。NaCl 的濃度越低，種子的萌發(fā)勢越高，盡管在低濃度下各處理的最終萌發(fā)率差異不顯著。由此可見，扁穗雀麥種子萌發(fā)對鹽脅迫表現出較高的適應性和耐受性。

圖3 NaCl 對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.3 Effect of NaCl on seed germination of B. catharticus

2.4 扁穗雀麥種子萌發(fā)對滲透勢的響應

隨著培養(yǎng)液滲透勢的降低，扁穗雀麥種子的萌發(fā)率和萌發(fā)勢均呈下降的趨勢（圖4）。對照和-0.1 MPa 的處理，在培養(yǎng)6 d 后，種子萌發(fā)率基本接近最終萌發(fā)率；而滲透勢低的處理，種子萌發(fā)率一直呈緩慢增長的過程。經回歸分析，滲透勢對種子萌發(fā)的影響規(guī)律符合三參數S 型曲線模型｛y=96.02/［1+exp（-x-0.88）/0.15］，R2=0.99｝。根據這個模型，50%抑制種子萌發(fā)率的滲透勢為-0.98 MPa。顯然，扁穗雀麥在滲透勢極低的土壤環(huán)境中具有萌發(fā)的能力。由此可見，扁穗雀麥有較高的抗脅迫能力。

圖4 滲透勢對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.4 Effect of osmotic potential on seed germination of B. catharticus

2.5 扁穗雀麥種子萌發(fā)對土壤濕度的響應

隨著土壤含水量的增加，種子萌發(fā)率和萌發(fā)勢均呈先增大后減少的趨勢（圖5）。0.6 相對含水量的處理最終種子萌發(fā)率最高，達到100%。1.0 相對含水量處理的種子完全不能萌發(fā)。萌發(fā)率高的處理，在種子培養(yǎng)5 d 后，種子的萌發(fā)率基本接近最終萌發(fā)率。對數據進行回歸分析發(fā)現，土壤相對濕度對種子萌發(fā)的影響規(guī)律符合二項式曲線回歸模型（y=-198.09+948.17x-736.11x2，R2=0.94）。根據這個回歸模式，種子萌發(fā)率最高時土壤相對濕度為0.63，與相對濕度0.6 的結果非常接近。0.4 的相對濕度對大多數植物種子幾乎難以萌發(fā)的情況下，扁穗雀麥種子萌發(fā)率超過60%；而飽和含水量的處理種子不能萌發(fā)。以上結果表明，扁穗雀麥更適應干旱而不是濕潤的土壤條件。

圖5 土壤濕度對扁穗雀麥種子萌發(fā)的影響Fig.5 Effect of soil humidity（RH）on seed germination of B. catharticus

2.6 扁穗雀麥出苗對播種深度的響應

在土壤表面培育的種子萌發(fā)率最高達100%，隨著播種深度的增加，扁穗雀麥的出苗率逐漸降低，但0～4 cm的處理之間差異不顯著，播種10 cm 的處理種子幾乎不出苗（圖6）。對數據進行回歸分析發(fā)現，土壤深度對種子萌發(fā)的影響規(guī)律符合三參數S 型曲線模型為y=97.15｛1+exp［（x-7.81）/0.78］｝，R2=0.99。根據這個模型，抑制種子出苗率50%的土壤深度為8.58 cm。種子在土壤中培育4 d 后，播種深度為0 cm 的處理有48%的出苗率，播種2 cm 的處理有78%的出苗率，其他播種深度均未出苗。各處理首次出苗的時間隨著播種深度的增加而延后。培養(yǎng)結束時，將播種深度為10 cm 的處理倒出，發(fā)現土壤中萌發(fā)的種苗已腐爛。可見10 cm 的播種深度不能滿足扁穗雀麥的出苗條件。

圖6 土壤深度對扁穗雀麥種子出苗的影響Fig.6 Effect of soil depth on seedling emergence of B. catharticus

3 討論與結論

扁穗雀麥是云南近年來發(fā)展較快的入侵雜草。適應性強是入侵雜草的顯著特征之一。而對各因子響應的生態(tài)幅度是量化其生態(tài)適應性的重要指標。種子萌發(fā)是雜草入侵的第一步，萌發(fā)率和萌發(fā)勢的強弱對其建立種群和危害作物起決定作用。種子萌發(fā)對土壤溫度、濕度、埋藏深度、pH、鹽濃度和滲透勢的響應是常用描述雜草種子適應性的主要指標。本研究表明，日均溫度在15～30 ℃的晝夜溫差環(huán)境中，種子有超過50%的萌發(fā)率，恒溫條件下25 ℃種子萌發(fā)率最高，30℃種子萌發(fā)率下降到不足70%。本研究表明，在土壤相對含水量40%～80%、土壤深度低于6 cm、pH 介于4～10 時扁穗雀麥種子均可保持60%以上的萌發(fā)率。土壤鹽濃度低于160 mmol·L-1和滲透勢低于-0.4 MPa 的處理時，雀麥種子萌發(fā)均可達到80%以上。

植物生長對環(huán)境因子的響應規(guī)律是分階段的，種子萌發(fā)所需的最適溫度往往不同于苗期所需。田宏等［3］的研究表明，扁穗雀麥種子在25～35 ℃恒溫條件下發(fā)芽率均超過96%，遠高于本研究的萌發(fā)率，但最適萌發(fā)溫度為25 ℃，本研究與之相同。本研究表明變溫處理種子萌發(fā)率更高，與Ahshallash［37］的研究趨勢基本一致。周志彬等［10］研究了溫度對旱雀麥、扁穗雀麥、無芒雀麥種子萌發(fā)的影響，但僅設定了5、15 和25 ℃三種溫度處理條件，得出高溫處理有利于種子萌發(fā)的結論；本研究結果也支持在10～25 ℃，高溫更有利于扁穗雀麥種子的萌發(fā)。有研究表明，旱雀麥種子在恒溫條件下比變溫條件下種子萌發(fā)率更高，這與許多植物種子萌發(fā)規(guī)律相背［38］。在大多數情況下，光照處理通過刺激生長物質的合成促進種子的萌發(fā)。本研究表明光照處理對扁穗雀麥種子萌發(fā)無抑制作用，但有研究表明光照處理卻抑制貧育雀麥和旱雀麥種子萌發(fā)。本研究表明扁穗雀麥種子在土壤表面的種子萌發(fā)率最高，而隨著種子深度的增加而降低。Andersson 等［39］的研究卻是土壤表面的種子比埋藏在土壤的種子更受抑制，這說明貧育雀麥和旱雀麥是厭光型種子，與扁穗雀麥差異巨大。進一步研究表明光照對貧育雀麥種子的抑制程度與溫度有關［40］。光照和溫度是影響種子萌發(fā)最基本的環(huán)境要素，以上研究結果表明雀麥不同種間甚至同種不同群體之間對溫度和光照響應差異大。事實上有證據支持采自不同區(qū)域不同群體的旱雀麥種子萌發(fā)對環(huán)境的響應差異較大，并推斷這種較大的差異可能與居群和母株植物的生長環(huán)境有關［41-42］。Li 等［43］的研究發(fā)現，普通雀麥（B. japonicus）在pH 5～10 有超過80%的萌發(fā)率，土壤滲透勢在-0.6 MPa 和鹽濃度達到140 mmol·L-1左右，種子萌發(fā)率也能達到80%，本研究與其基本一致。Tavili 等［44］的研究表明，Bromus tomentellus和貧育雀麥對鹽和滲透勢均有較高的耐受性，申忠寶等［45］的研究表明，80 mmol·L-1混合鹽處理，無芒雀麥的種子萌發(fā)率仍達80%左右，胡生榮等［46］的研究表明，1.5%的NaCl 可完全抑制本地和引進無芒雀麥的群體種子的萌發(fā)。王瑩等［47］的研究表明，無芒雀麥在5 種禾本牧草中抗旱性是最強的，可耐受-0.6 MPa 的滲透勢。盡管不同群體的雀麥對光照和溫度的響應差異巨大，但前人和本研究均表明雀麥種子萌發(fā)具有較高的抗脅迫能力，種間和居群之間的差異不大。雀麥是世界范圍內重要的雜草，盡管上述研究得到種子萌發(fā)的部分規(guī)律，但從目前公開報道的文獻來看，對各種雀麥種子萌發(fā)生態(tài)學的研究報道模棱兩可，仍缺乏系統性的工作。

雀麥屬于冷季草系，與小麥（Triticum aestivum）、大麥（Hordeum vulgare）和燕麥（Avena sativa）同屬于小麥簇。雀麥屬植物對人類具有重要經濟價值，可用作牧草、也有少數種被用作草坪草、觀賞植物、防止水土流失的植物等。當前我國外來惡性雜草中，大多數是被作為有用植物引入后逃逸到野外而成為雜草。人們在種植雀麥的過程中必須防治其逃逸，因為大多數雀麥具有快速擴張、演變?yōu)槿肭蛛s草的潛力，如旱雀麥成為美國西北部嚴重的惡性雜草［48］。在歐洲，黑麥狀雀麥（B. cecalinus）和粗雀麥（B. grossus）成為黑麥（Secale cereale）田、B. bromoideus成為小麥田的重要田間雜草［49］。目前國內外很少有關于扁穗雀麥作為入侵雜草的報道。扁穗雀麥起源于地中海，在我國引種后作為北亞熱帶和暖溫帶地區(qū)的牧草種植，本研究結果證明這種植物對生態(tài)環(huán)境有廣闊的適應性，具備入侵雜草的典型特征。當前我國城市建設速度很快，城市綠化需要從野外荒地取土壤種植景觀植物，保留在土壤中的雀麥種子也被帶入到人類的生活區(qū)，這也許是扁穗雀麥由牧草變成農田和環(huán)境雜草的重要原因。雀麥屬包含幾十個種，在國外多個種已經入侵農田成為田間惡性雜草；而我國目前還缺乏有關全國麥區(qū)不同雀麥作為潛在雜草的風險預警研究。由于雀麥與麥類作物高度的形態(tài)相似性，植保工作者很難在苗期區(qū)分，人工防治和化學防治都較為困難。因此，今后國內同行要積極行動起來，細致地開展我國農田雜草雀麥不同種的分類學調查、分布情況、危害狀況等生物生態(tài)學研究，為我國雀麥的防控和風險預警做出貢獻。