王雅聰，王 菲，王聰聰，楊葉研，馬杰宇，田 蓉，夏方山

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院，山西 太谷 030801）

氮水平是決定植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵因子，其水平高低直接決定了草地植物的生產(chǎn)力高低[1]。然而，草地植物如何響應(yīng)氮增加現(xiàn)象主要取決于其所處生態(tài)系統(tǒng)的氮水平，適度氮增加能促進(jìn)草地植物的生長(zhǎng)發(fā)育，氮過量則會(huì)對(duì)其造成負(fù)面影響[2]。近年來，我國(guó)高氮沉降地區(qū)正由東南向西北急劇蔓延，內(nèi)蒙古草原地區(qū)每年的氮沉降量已高達(dá)3.43 g·m-2，并仍在持續(xù)升高[3-4]。氮沉降造成的氮素升高會(huì)導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)的土壤養(yǎng)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(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，最終導(dǎo)致草地生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，甚至?xí)斐缮锒鄻有韵陆导吧鷳B(tài)系統(tǒng)退化[5-7]。因此，氮沉降對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的影響已成為國(guó)內(nèi)外生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問題[8]。目前，關(guān)于氮沉降影響草地植物的研究主要側(cè)重于生境條件及以營(yíng)養(yǎng)繁殖為主的群落結(jié)構(gòu)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(bào)道，因而氮沉降對(duì)草地植物種子萌發(fā)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(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)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(zhǎng)快、營(yíng)養(yǎng)豐富、適口性好等優(yōu)質(zhì)飼草的特點(diǎn)，是調(diào)制干草或放牧的優(yōu)質(zhì)原料[10]。因此，堿茅已越來越多地被用于鹽堿化草地生態(tài)恢復(fù)與重建。種子萌發(fā)與幼苗建成既是植物生長(zhǎng)發(fā)育的關(guān)鍵時(shí)期，又是其對(duì)生態(tài)因子響應(yīng)的最敏感時(shí)期[11]。研究發(fā)現(xiàn)，鹽堿條件會(huì)造成植物種子活力下降，導(dǎo)致其發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)下降，并延遲其萌發(fā)[12]。種子引發(fā)已被認(rèn)為是提高逆境條件下植物種子活力最簡(jiǎn)單、最經(jīng)濟(jì)、最有效的策略[13]，能有效促進(jìn)植物種子的萌發(fā)、幼苗生長(zhǎng)及產(chǎn)量增加[14]，既是商業(yè)種子公司最常用于提高種子活力的方法，也是當(dāng)下種子科學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)[15-16]。研究發(fā)現(xiàn)，合理的引發(fā)能有效提高植物種子的活力水平，促進(jìn)其在鹽堿條件下正常萌發(fā)及幼苗建成，從而為成功進(jìn)行鹽堿化草地生態(tài)系統(tǒng)的植被恢復(fù)與重建提供了保障[12]。然而，日趨嚴(yán)重的氮沉降對(duì)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(fā)的手段，探討不同硝酸銨濃度及引發(fā)時(shí)間模擬氮沉降對(duì)堿茅種子萌發(fā)的影響，以期為初步揭示氮沉降對(duì)堿茅種子萌發(fā)的影響提供參考依據(jù)，也為進(jìn)一步闡明氮沉降對(duì)草地植物種子繁殖的影響提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 材料來源

堿茅種子由山西農(nóng)業(yè)大學(xué)牧草種子實(shí)驗(yàn)室提供，2017 年7 月收集于山西農(nóng)業(yè)大學(xué)右玉草地生態(tài)系統(tǒng)野外觀測(cè)研究站，于-20 ℃密封保存至2019 年5 月試驗(yàn)進(jìn)行。

1.2 引發(fā)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(duì)照)、3、6 和12 h，用蒸餾水沖洗兩次，并在室溫黑暗條件下風(fēng)干3 d，重復(fù)4 次。

1.3 發(fā)芽試驗(yàn)及指標(biāo)測(cè)定

發(fā)芽試驗(yàn)條件參照《草種子檢驗(yàn)規(guī)程 發(fā)芽試驗(yàn)》(GB/T 2930.4-2017)[17]的規(guī)定進(jìn)行，選取100 粒均勻飽滿的堿茅種子放入培養(yǎng)皿中，設(shè)4 次重復(fù)，在20～30 ℃變溫條件下培養(yǎng)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)，末次計(jì)數(shù)為第21 天，最終統(tǒng)計(jì)正常種苗數(shù)，并測(cè)定每個(gè)培養(yǎng)皿中全部正常種苗鮮重。發(fā)芽率的計(jì)算參照國(guó)際種子檢驗(yàn)協(xié)會(huì)(International Seed Testing Association，ISTA)的 種 子 檢 驗(yàn) 規(guī) 程(2015)[18]進(jìn)行，發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)的計(jì)算參照Abdul-Baki 和Anderson[19]的方法進(jìn)行，平均發(fā)芽時(shí)間的計(jì)算參照Ellis 和Roberts[20]的方法進(jìn)行，具體計(jì)算公式參考文獻(xiàn)[21]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel 2010 和SPSS 19.0 統(tǒng)計(jì)分析軟件處理試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采用Duncan’s (P = 0.05)法進(jìn)行多重比較，結(jié)果以平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 氮濃度和引發(fā)時(shí)間對(duì)堿茅種子活力的雙因素方差分析

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

表 1 氮濃度和引發(fā)時(shí)間對(duì)堿茅種子萌發(fā)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(fā)對(duì)堿茅種子發(fā)芽率的影響

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

表 2 氮引發(fā)對(duì)堿茅種子發(fā)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(fā)對(duì)堿茅種子發(fā)芽指數(shù)的影響

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

2.4 氮引發(fā)對(duì)堿茅種子幼苗活力指數(shù)的影響

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

2.5 氮引發(fā)對(duì)堿茅種子平均發(fā)芽時(shí)間的影響

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

表 3 氮引發(fā)對(duì)堿茅種子發(fā)芽指數(shù)變化的影響Table 3 Influence of nitrogen priming on the germination index in Puccinellia distans seeds

表 4 氮引發(fā)對(duì)堿茅幼苗活力指數(shù)變化的影響Table 4 Influence of nitrogen priming on the seedling vigor index of Puccinellia distans

表 5 氮引發(fā)對(duì)堿茅種子平均發(fā)芽時(shí)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(xì)胞的重要組成部分，是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素之一[22]，也是大多數(shù)陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要限制因素[3]。研究發(fā)現(xiàn)，適宜的氮沉降會(huì)直接對(duì)草地植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生促進(jìn)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(fā)可提高堿茅種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，并縮短其平均發(fā)芽時(shí)間，這與油菜(Brassica napus)[26]和辣椒(Capsicumannum)[27]等植物種子的研究結(jié)果相似，表明適宜濃度的氮引發(fā)促進(jìn)了堿茅種子的萌發(fā)，因而適宜的氮沉降可能會(huì)促進(jìn)鹽堿化草地中堿茅種子的萌發(fā)。研究發(fā)現(xiàn)，氮預(yù)處理能提高種子內(nèi)貯藏物質(zhì)的轉(zhuǎn)化與利用，激活種子萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)發(fā)育所需的多種酶活性[27]；種子在吸脹萌發(fā)過程會(huì)產(chǎn)生大量活性氧[28]，而氮預(yù)處理能夠提高種子內(nèi)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(duì)其細(xì)胞結(jié)構(gòu)與功能的損傷，從而促進(jìn)其萌發(fā)及幼苗生長(zhǎng)發(fā)育[27]。

然而，植物吸收過量的氮素會(huì)打破其體內(nèi)營(yíng)養(yǎng)平衡，進(jìn)而影響其生長(zhǎng)發(fā)育[29]。因此，過量的氮沉降會(huì)對(duì)植物生物量的積累造成影響，甚至?xí)?dǎo)致草地植物多樣性的下降[30-31]。研究發(fā)現(xiàn)，過量的氮沉降會(huì)抑制草地植物的生長(zhǎng)發(fā)育，導(dǎo)致其生物量下降[23,32]。本研究表明，高濃度氮引發(fā)導(dǎo)致堿茅種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和幼苗活力指數(shù)均顯著(P ＜0.05)降低，這表明堿茅種子的萌發(fā)能力下降，所以鹽堿地中堿茅的種子繁殖能力可能會(huì)被過量氮沉降抑制。過量氮沉降會(huì)導(dǎo)致草地植物生長(zhǎng)環(huán)境的土壤pH 下降，抑制了不適應(yīng)酸性環(huán)境植物種類的正常代謝反應(yīng)[30]；同時(shí)，過量氮沉降還破壞了草地植物生長(zhǎng)環(huán)境的營(yíng)養(yǎng)平衡，導(dǎo)致其光合作用等生理生化過程發(fā)生紊亂，從而抑制其正常的生長(zhǎng)發(fā)育[32-33]。此外，高濃度的引發(fā)試劑會(huì)使植物種子在吸脹萌發(fā)過程發(fā)生細(xì)胞膜滲透損傷，從而抑制其正常的萌發(fā)[12]，這也是高濃度的氮引發(fā)導(dǎo)致種子萌發(fā)能力下降的原因。

引發(fā)時(shí)間也會(huì)直接影響植物種子的萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)[21,34]。本研究表明，堿茅種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)均隨氮引發(fā)時(shí)間的延長(zhǎng)而顯著(P＜0.05)降低，而其平均發(fā)芽時(shí)間則顯著(P ＜0.05)增加，這表明氮引發(fā)延遲了堿茅種子的萌發(fā)能力。研究表明，引發(fā)時(shí)間太久會(huì)使種子發(fā)生吸脹損傷[35]，且長(zhǎng)時(shí)間浸泡會(huì)使種子發(fā)生無氧呼吸毒害，這可能是長(zhǎng)時(shí)間氮引發(fā)導(dǎo)致堿茅種子萌發(fā)能力下降的主要原因。氮沉降也是一個(gè)長(zhǎng)期而連續(xù)的過程，其不斷積累會(huì)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(fā)會(huì)抑制堿茅種子的萌發(fā)。因此，長(zhǎng)期的氮沉降可能會(huì)使鹽堿化草地中堿茅種子的萌發(fā)能力下降。

4 結(jié)論

不同的氮濃度、引發(fā)時(shí)間及二者的互作對(duì)堿茅種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及幼苗活力指數(shù)的影響存在顯著影響(P＜0.05)。濃度為0～0.08%的氮引發(fā)時(shí)堿茅種子萌發(fā)呈上升趨勢(shì)，而濃度0.16%～1.28%的氮引發(fā)時(shí)則相反。綜合分析，濃度為0.08%的氮引發(fā)3 h 是促進(jìn)堿茅種子萌發(fā)的最佳處理。