潘多鋒，張瑞博，李道明，高 超，王建麗，申忠寶，李佶愷，張 睿，張舉梅

（黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院草業(yè)研究所，黑龍江 哈爾濱 150086）

羊草(Leymus chinensis)為多年生根莖型禾本科草本植物，是我國北方草原的優(yōu)質(zhì)牧草。具有很強(qiáng)的耐寒、抗旱及耐鹽堿能力，是退化、鹽堿化草地改良和植被恢復(fù)的重要牧草[1-3]。羊草適口性好，營養(yǎng)價(jià)值豐富，素有“牧草中的細(xì)糧”之稱，被列為國家牧草產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系“十二五”和“十三五”長期規(guī)劃牧草之一[4]。然而，在自然狀態(tài)下，羊草的有性繁殖能力弱，種子產(chǎn)量和質(zhì)量低下，嚴(yán)重制約了羊草產(chǎn)業(yè)的發(fā)展[5]。針對羊草種子生產(chǎn)的問題，學(xué)者們從自然影響因素、品種選育和栽培管理等方面進(jìn)行了大量研究。楊允菲等[6]提出前一年秋季低溫、多雨和少光照的氣候有利于第二年羊草種子產(chǎn)量的積累；潘多鋒等[4-5]、馬甜等[7]報(bào)道了采用誘變、雜交等育種技術(shù)選育種子產(chǎn)量高、質(zhì)量優(yōu)的羊草新品種或遺傳材料。楊允菲[8]發(fā)現(xiàn)施入60 kg·hm-2的過磷酸鈣能夠顯著提高羊草的結(jié)實(shí)率，但孕穗后施肥降低結(jié)實(shí)率和千粒重。Wang等[9]指出當(dāng)年施氮對羊草抽穗數(shù)量沒有影響，但能顯著提高結(jié)實(shí)率和千粒重。申忠寶等[10]研究表明返青期施氮肥顯著提高羊草的千粒重和種子產(chǎn)量。王俊鋒等[11]也提出，施用氮肥和鉀肥可通過提高羊草種群的結(jié)實(shí)數(shù)和結(jié)實(shí)率來增加種子產(chǎn)量。然而，有關(guān)施氮時(shí)期對羊草種子產(chǎn)量和質(zhì)量影響的研究較少，并且所得出的結(jié)論各不相同[8,10-12]。此外，施氮期與收獲期對羊草種子產(chǎn)量和質(zhì)量的影響尚未見報(bào)道。本研究分析不同施氮期及收獲期對羊草種子產(chǎn)量、質(zhì)量(千粒重和發(fā)芽率)的影響，以期明確羊草種子生產(chǎn)時(shí)的最佳施氮期和收獲時(shí)間，為羊草高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)種子生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

本研究在黑龍江省農(nóng)業(yè)科學(xué)院民主示范區(qū)內(nèi)完成，地處哈爾濱市道外區(qū)民主鄉(xiāng)(44°04'-44°06' N，125°41'-125°44' E)。該地區(qū)屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬長夏短，平均海拔151 m。年均日照時(shí)數(shù)2 900 h，年平均降水量426.9 mm，年平均氣溫3.1 ℃，≥ 10 ℃活動(dòng)積溫2 546.2 ℃·d，無霜期150 d。土壤為黑土，土壤有機(jī)質(zhì)含量3.27%～4.60%，pH 6.80～6.87。試驗(yàn)地為2010年建植的羊草草地，羊草品種為“農(nóng)菁4號”。建植時(shí)采用條播，行距為65 cm，播種量22.5 kg·hm-2。試驗(yàn)時(shí)間為2011-2013年，試驗(yàn)地5 - 10月的平均氣溫和降水量如圖1所示。

圖 1 試驗(yàn)地2011-2013年5-10月平均溫度和降水量Figure 1 Average monthly temperature and precipitation from May to October of 2011, 2012,and 2013 in the experimental region

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用兩因素(施N期和種子收獲期)隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。施N期設(shè)置4個(gè)水平，分別為不施肥(A1)、前一年秋季施肥(9月20日，A2)、當(dāng)年春季施肥(5月10日，A3)和當(dāng)年分次施肥(秋季和春季各施一次，每次的施肥量為總量的50%，A4)。綜合前人的研究結(jié)果[10,13]，總施N量為90 kg·hm-2，N肥為尿素(含氮量46%)。種子收獲期設(shè)置9個(gè)水平，分別為盛花期后21、24、27、30、33、36、39、42和45 d收獲，分別記做B1、B2、B3、……、B9。試驗(yàn)共36個(gè)處理，每處理3次重復(fù)。每重復(fù)小區(qū)面積24 m2(4 m × 6 m)，小區(qū)間隔1.5 m，區(qū)組間隔為2.0 m。秋季施肥在2011年進(jìn)行，春季于2012年完成，2013年不施肥。2012年羊草的返青期為4月17日，孕穗期是5月22日，盛花期為6月13日，完熟期是7月19日。2013年返青期為4月22日，孕穗期是5月26日，盛花期為6月18日，完熟期是7月21日。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

種子產(chǎn)量：按照試驗(yàn)設(shè)置的種子收獲時(shí)期，2012和2013年在各處理小區(qū)中隨機(jī)選取3個(gè)1 m ×1 m的樣方，收獲樣方內(nèi)的種子后進(jìn)行風(fēng)干、清選并稱重，計(jì)算單位面積種子產(chǎn)量。

抽穗率和結(jié)實(shí)率：羊草種子產(chǎn)量主要取決于抽穗率和結(jié)實(shí)率[9-13]，因此，本研究主要調(diào)查不同施肥期處理下的抽穗率和結(jié)實(shí)率，調(diào)查時(shí)間為盛花期后25 d。抽穗率調(diào)查方法：在各處理小區(qū)內(nèi)隨機(jī)選取3個(gè)0.5 m × 0.5 m的樣方，調(diào)查樣方中羊草的密度和抽穗植株的數(shù)量，并計(jì)算抽穗率[11]。抽穗率 = 抽穗植株/密度 × 100%。結(jié)實(shí)率調(diào)查方法在每小區(qū)隨機(jī)剪取30個(gè)完整的穗(為避免邊際效應(yīng)，邊界1 m內(nèi)不取樣)，重復(fù)3次，調(diào)查每穗小花數(shù)和結(jié)實(shí)的籽粒數(shù)。結(jié)實(shí)率 = 結(jié)實(shí)粒數(shù)/小花數(shù) × 100%[11]。

千粒重：種子風(fēng)干(收獲后一周)、清選后，數(shù)100粒種子，重復(fù)5次，稱重量，計(jì)算千粒重。

發(fā)芽率：8月底室內(nèi)測定發(fā)芽率。采用濾紙培養(yǎng)皿法，3次重復(fù)，每重復(fù)50粒飽滿種子，發(fā)芽溫度16 ℃/28 ℃，12 h黑暗/12 h光照，發(fā)芽時(shí)間為20 d[4-5]。發(fā)芽率 = 發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù) × 100%。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 10.0作圖，SPSS 16.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。采用一般線性混合效應(yīng)模型(generalized linear mixed effect models，GLMMs)，施N期和收獲期作為固定因素(fixed factors)，區(qū)組作為隨機(jī)因素(random factor)，年份作為協(xié)變量(covariate)，分析實(shí)驗(yàn)處理對羊草抽穗率、結(jié)實(shí)率、種子產(chǎn)量、發(fā)芽率以及千粒重的影響，LSD進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 施N期對羊草抽穗率、結(jié)實(shí)率和種子產(chǎn)量的影響

2012和2013年在4個(gè)施肥期處理中，A4處理的抽穗率、結(jié)實(shí)率和種子產(chǎn)量基本上均顯著高于其他3個(gè)處理(P ＜ 0.05) (表1)。2012年A4處理的抽穗率、結(jié)實(shí)率和種子產(chǎn)量分別比對照(A1)高39.1%、37.7%和41.7%，2013年分別是對照的1.57、1.53和1.51倍。2012和2013年A2處理的抽穗率、結(jié)實(shí)率和種子產(chǎn)量顯著高于對照(P ＜ 0.05)。2012年，A3處理的抽穗率與對照沒有差異(P ＞ 0.05)，而2013年顯著高于對照(P ＜ 0.05)，這表明施氮肥對第2年的抽穗率有一定的正效應(yīng)。在4個(gè)處理中2012年抽穗率和結(jié)實(shí)率高于2013年，但種子產(chǎn)量卻低于2013年。此外，在2013年所有施肥處理的種子產(chǎn)量顯著高于對照 (P ＜ 0.05)。

表 1 2012和2013年不同施氮期對種子產(chǎn)量、抽穗率和結(jié)實(shí)率的影響Table 1 Effects of nitrogen application times on the seed yield, heading rate, and seed setting rate in 2012 and 2013

2.2 施N期對羊草種子發(fā)芽率和千粒重的影響

施N期對羊草種子的發(fā)芽率和千粒重的影響基本相似(圖2)。在試驗(yàn)期內(nèi)，A2和A4處理的發(fā)芽率和千粒重均顯著高于A1(P ＜ 0.05)，A3處理略高于A1(P ＞ 0.05)。2012年，3個(gè)施肥處理間(A2、A3、A4)的發(fā)芽率和千粒重沒有差異，發(fā)芽率最大的是A2處理，千粒重最大的則是A4處理(圖2)。2013年A3與A4間的發(fā)芽率和千粒重差異顯著(P ＜ 0.05)，A3與A2間的發(fā)芽率差異不顯著，但千粒重差異顯著 (P ＜ 0.05) (圖 2)。

2.3 收獲期對羊草種子產(chǎn)量的影響

圖 2 施肥期對羊草種子發(fā)芽率及千粒重的影響Figure 2 Effects of N application time on seed germination rate and thousand-seed weight over the two experimental years圖中不同小寫字母表示同一年內(nèi)不同施肥期處理間差異顯著(P ＜ 0.05)。Different lowercase letters in the figure indicate significant differences among different N application time treatments in the same year at the 0.05 level.

表 2 2012和2013年收獲期對種子產(chǎn)量的影響Table 2 Effects of harvest times on seed yield in 2012 and 2013 kg·hm-2

2012與2013年不同收獲期內(nèi)羊草種子產(chǎn)量的變化規(guī)律基本相似，均表現(xiàn)為隨著收獲時(shí)間的延后呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(表2)。兩個(gè)年份內(nèi)種子產(chǎn)量從盛花后27 d開始顯著增加(P ＜ 0.05)，在33 d達(dá)到最大值，且顯著高于其他收獲時(shí)間(P ＜0.05)。以兩年施肥期A4處理為例，盛花后33 d種子產(chǎn)量分別為130.5和173.2 kg·hm-2。盛花后21～33 d，種子產(chǎn)量日增加分別為5.7和8.2 kg·hm-2；33～45 d，種子產(chǎn)量日減少2.7和4.8 kg·hm-2。方差分析結(jié)果表明，羊草種子千粒重受施肥期、收獲期以及兩者交互作用的顯著影響(表3)。年份對羊草種子產(chǎn)量的影響極顯著(P ＜ 0.01)，并且與施肥期、收獲期存在顯著的互作(P ＜ 0.05)。

2.4 收獲期對羊草種子發(fā)芽率和千粒重的影響

收獲期處理對羊草種子發(fā)芽率有極顯著影響(P ＜0.01) (表3)，而施肥期處理對發(fā)芽率影響不大(P ＞0.05)。此外，試驗(yàn)?zāi)攴菀矊Πl(fā)芽率有顯著影響(P ＜0.05)。施肥期、收獲期和年份三者的互作不顯著(P ＞ 0.05) (表3)。兩個(gè)年份內(nèi)盛花期后21～33 d的羊草種子發(fā)芽率隨收獲時(shí)間的延長而增加(P ＜ 0.05)，33 d后基本趨于穩(wěn)定(表4)。

不同收獲期內(nèi)羊草種子千粒重的變化規(guī)律基本與發(fā)芽率一致，在所有處理中種子千粒重均在盛花后33 d達(dá)到最大值(表5)。方差分析結(jié)果表明，收獲期和施肥期對羊草種子千粒重影響顯著，其中，收獲期處理達(dá)到極顯著水平(P ＜ 0.01) (表3)。2012和2013年在每個(gè)收獲時(shí)期A4處理的千粒重最大。不同年份間種子千粒重變化不大，但施肥期和收獲期的互作對千粒重影響極顯著(P ＜ 0.01) (表3)。

表 3 羊草種子產(chǎn)量、發(fā)芽率和千粒重的方差分析Table 3 ANOVA analyses of seed yield, germination rate, and thousand seed weight of Leymus chinensis

表 4 2012和2013年不同收獲期的種子發(fā)芽率Table 4 Germination rate of seeds harvested at different time in 2012 and 2013%

表 5 2012和2013年不同收獲期的種子千粒重Table 5 Thousand-seed weight of seeds harvested at different time in 2012 and 2013 g

3 討論

3.1 施N期對羊草種子產(chǎn)量及質(zhì)量的影響

氮素是決定植物籽粒產(chǎn)量最為重要的營養(yǎng)元素之一[14]，施氮肥對羊草種子產(chǎn)量具有明顯的促進(jìn)作用。申忠寶等[10]研究發(fā)現(xiàn)施氮處理羊草種子的平均產(chǎn)量達(dá)到109.3 kg·hm-2，比未施肥處理增產(chǎn)59.8%。王俊峰等[11]也指出盛花期施氮肥后羊草種子產(chǎn)量為51.64 kg·hm-2，是未施肥處理的2.2倍。與上述研究結(jié)果一致，本研究得出施肥后羊草種子產(chǎn)量顯著增加，施肥后平均種子產(chǎn)量為118.8 kg·hm-2，是未施肥處理的1.44倍。另外，本研究中的種子產(chǎn)量數(shù)據(jù)與王俊峰等[11]的結(jié)果相差很大，這可能與所選用試驗(yàn)材料本身特性不同有關(guān)，且其研究的羊草草地建植時(shí)間較長(6齡栽培草地，2000年種植，試驗(yàn)時(shí)間為2006年)，羊草已過最佳生長期[1,3]。氮肥對植物種子生產(chǎn)的影響因施肥時(shí)間不同而有較大的變化[15]。Hasegaw等[16]在研究氮肥對水稻(Oryza sativa)產(chǎn)量貢獻(xiàn)率時(shí)指出，與其他施氮時(shí)期相比，在開花前10-15 d施氮能夠改變水稻籽粒C、N的源-庫關(guān)系，并對水稻的最終產(chǎn)量起決定性作用。無芒雀麥(Bromus inermis)在夏季末施氮肥比春季施氮肥的種子增產(chǎn)效果顯著，春季和秋季分次施氮的種子產(chǎn)量最高，并且顯著增加種子千粒重和種子數(shù)/花序[17]。Wang等[9]研究發(fā)現(xiàn)：當(dāng)年春季早期施氮肥能夠提高羊草的結(jié)實(shí)粒數(shù)和結(jié)實(shí)率，進(jìn)而顯著增加羊草的種子產(chǎn)量。本研究表明，不同時(shí)期施氮對羊草種子產(chǎn)量以及其影響因素(抽穗率和結(jié)實(shí)率)不同。當(dāng)年春季施肥對羊草產(chǎn)量影響不大，主要是由于抽穗率變化不大。在設(shè)置的3個(gè)施肥期中分次施肥(A4)的增產(chǎn)效果最明顯，2013年的種子產(chǎn)量、抽穗率和結(jié)實(shí)率都顯著高于其他施肥處理。此外，本研究中2012年抽穗率和結(jié)實(shí)率高于2013年，但種子產(chǎn)量卻低于2013年，這可能由于2011年秋季降水多有關(guān)，上年秋季多雨會(huì)增加單位面積內(nèi)的生殖枝密度[6]。

在種子生產(chǎn)過程中，氮肥對植物種子質(zhì)量有著一定的影響[18]，氮肥能夠提高紫花苜蓿(Medicago sativa)[19]、高羊茅(Festuca arundinacea)[20]、蘇丹草(Sorghums udanens)[21-22]等的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)等。馬春暉等[20]指出，施氮能夠顯著增加種子磷酸酯酶和脫氫酶的活性，從而使得其活力增加，發(fā)芽率增加。諸多研究已經(jīng)證實(shí)施氮肥能夠顯著增加植物代謝物質(zhì)向生殖器官的轉(zhuǎn)移和積累，這一過程可增加植物的飽滿度和千粒重[20,23]。與大多數(shù)研究相似，本研究發(fā)現(xiàn)春季施氮和分次施氮能夠顯著提高羊草種子的發(fā)芽率和千粒重。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，建議黑龍江地區(qū)生產(chǎn)羊草種子時(shí)，在上年秋季和當(dāng)年春季各施45 kg·hm-2的氮肥可獲得較高的種子產(chǎn)量和質(zhì)量。

3.2 羊草種子收獲的最佳時(shí)期

植物種子在成熟過程中，各種元素、營養(yǎng)物質(zhì)不斷積累，致使種子在形態(tài)和生理上產(chǎn)生一系列的變化[24-25]。此外，許多植物都存在著花期長、抽穗不齊的現(xiàn)象，在不同的發(fā)育階段，種子質(zhì)量及實(shí)際產(chǎn)量等差異很大[26-27]。收獲時(shí)間過早，種子成熟度低、活力弱、質(zhì)量較差；相反，收獲過晚營養(yǎng)物質(zhì)下降，還會(huì)因落粒等造成一定程度的減產(chǎn)[28]。因此，把握種子收獲的最佳時(shí)期對獲得高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)的種子具有重要的實(shí)踐價(jià)值。大多數(shù)的研究通過種子顏色、含水量、種子活力等來確定種子最適宜的收獲時(shí)間。Andrade等[29]指出高羊茅種子在含水量35%～41%時(shí)收獲具有最高產(chǎn)量，并且此時(shí)種子的干重和發(fā)芽率最高。徐榮和韓建國[30]研究發(fā)現(xiàn)，高羊茅種子活力與成熟度密切相關(guān)，成熟度越高活力越強(qiáng)。結(jié)合含水量以及種子產(chǎn)量等指標(biāo)確定了高羊茅種子最佳收獲時(shí)期為盛花后23-31 d。謝國平等[31]研究認(rèn)為，西藏野生垂穗披堿草(Elymus nutans)種子的最佳收獲時(shí)間為盛花后28-31 d，此時(shí)活力處于很高水平，種子干重和種子產(chǎn)量接近最高值。藺吉祥和穆春生[12]研究發(fā)現(xiàn)，建植9年的吉生一號羊草在盛花后33 d，其種子的千粒重達(dá)到最大值。種子發(fā)芽率和抗老化能力則在盛花后39 d最大，因此提出在盛花后39 d及時(shí)收獲可以獲得最高品質(zhì)與產(chǎn)量的羊草種子。另外，收獲過晚，種子落粒造成產(chǎn)量下降問題也十分突出[32]。本研究發(fā)現(xiàn)：在盛花后33 d，羊草種子的千粒重基本恒定，33 d的實(shí)際產(chǎn)量顯著高于其他收獲時(shí)期，該時(shí)期相對應(yīng)的發(fā)芽率也基本達(dá)到最大值。本研究與藺吉祥和穆春生[12]結(jié)果不同的原因可能是研究的羊草品種、羊草的生長年限以及試驗(yàn)地點(diǎn)不同。本研究建議在黑龍江地區(qū)生產(chǎn)羊草種子時(shí)，在盛花后33 d及時(shí)收獲，羊草種子的產(chǎn)量最高、質(zhì)量最佳。