水氮互作对百农207种子发芽特性及贮藏物质转运的影响

王润豪 ，陈红卫 ，吴 俊 ，贾 改，王 洁，刘芳芳，欧行奇 ，黄 玲,2

(1.河南科技学院生命科技学院/现代生物育种河南省协同创新中心，河南新乡 453003；2.中国农业科学院农田灌溉研究所/农业部作物需水与调控重点实验室，河南新乡 453003)

作物的种子萌发和幼苗生长阶段是作物整个生长周期中最为关键的环节，选用高活力的种子是提高作物产量和品质的基础。研究表明，不同小麦品种的种子活力存在显著差异，幼苗干重作为种子活力指标表现出较高的遗传力，可通过遗传育种手段进行改良，其中发芽势、发芽指数和活力指数的遗传以加性效应为主，适宜早代选择[1]。转基因小麦种子的最终发芽率不受反义trxs基因导入的影响，但发芽势明显降低[2]。除品种基因型外，作物的生长环境、灌水与施肥和收获的时间等对种子发芽特性也存在影响[3-5]。在施氮150 kg·hm-2下，高羊茅种子发芽势、发芽指数、活力指数均达到最大值[6]。在0～135 kg·hm-2范围内，增施磷肥可以提高收获后小麦种子的发芽率、发芽势、活力指数、发芽指数，增加幼苗鲜重、干重和根系长度[7]。在施磷150 kg·hm-2、施氮300 kg·hm-2处理下春小麦的种子活力达到最大值，随着氮、磷肥施用量的逐渐增加，春小麦种子发芽率、发芽势、发芽指数、活力指数及幼苗苗长、根长、干重等指标均呈先增加后下降趋势；当施氮、磷量超出一定范围时，其各项指标呈显著下降的趋势[8]。

水分和氮素是影响作物生长发育和产量形成的重要因素。了解与生态环境相适应的灌溉施肥制度下收获的种子生理生化特性，对提高次年冬小麦籽粒产量非常重要。目前关于小麦水氮互作效应的研究主要集中于当季冬小麦生长发育特性和产量，而对收获后小麦种子活力和种子萌发过程中贮藏物质转运特性方面的研究相对较少。本研究在前人研究的基础上以冬小麦国审品种百农207为材料，分析了不同水氮处理下收获的小麦种子萌发特征及其贮藏物质转运特性，以期为冬小麦原种生产、品种加代、推广良种的适宜生态环境、大田高效栽培及科学的灌溉施肥提供理论依据和参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计

1.1.1 田间试验设置

试验材料为2013年国审半冬性小麦品种百农207。试验采用裂区设计，主区为水分，设W0(全生育期不灌水，冬小麦生长靠自然降水)、W1(返青后灌拔节水)、W2(返青后灌拔节水和开花水)和W3(返青后灌拔节水、开花水和灌浆水)4个灌溉水平；副区为氮素，设N0(对照，不施N肥)、N1(施纯N120 kg·hm-2)、N2(施纯N180 kg·hm-2)和N3(按当地农民施肥习惯，施纯N240 kg·hm-2)4个施氮水平，基追比均为4∶6，追肥在拔节期进行；共16个处理，每个处理重复3次。每个处理的磷肥和钾肥都作为基肥施入，施用量分别为P2O5120 kg·hm-2和K2O 120 kg·hm-2。小区长10 m，宽2.5m，畦埂宽40 cm，高20 cm。冬小麦于2015年10月11播种，播量为187.5 kg·hm-2，于2016年6月初收获，用收获后不同水氮处理的种子进行发芽实验。试验区灌溉水源为地下水，灌水方式为地面灌溉，用水表计量，每次灌水1 125 mm·hm-2，小区的田间管理措施同当地的高产田。

1.1.2 室内试验设置

根据《国际种子检验规程》开展标准室内发芽实验。从每个水氮处理收获的种子中选取50粒，要求大小均匀一致，称量风干种子质量，用3%的双氧水浸泡消毒5 min，用蒸馏水反复冲洗干净后，将种子置于发芽盒内，盒子底部铺有2层含饱和水分的滤纸，腹沟朝下，种胚朝上，每个处理重复五次。种子放置于智能人工气候培养箱中生长(温度设置为20±0.5 ℃，每天12 h光照，12 h暗处理培养，保持滤纸湿润)，每天统计正常发芽的种子数，第4天计算发芽势，第7天统计发芽率，7 d 后将幼苗取出，测定各指标。

1.2 测定项目

测定种子发芽势、发芽率、发芽指数、活力指数，以及苗长、根长、鲜重、干重、贮藏物质转运量、贮藏物质转运率、贮藏物质转化效率。随机选取4个处理的25粒风干种子称重，80 ℃烘干后称重，计算种子含水量。4个处理的种子风干含水量差别极其微小，用其平均值代表所有处理种子的含水量，用种子含水量和风干种子重计算种子最初干重。

发芽势=(第4天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽率=(第7天发芽种子数/供试种子数)×100%；

发芽指数=∑(Gt/Dt)，Gt为在td的种子发芽数，Dt为对应的种子发芽天数；

活力指数=发芽指数×根长[7]；

贮藏物质转运量=最初种子干重-残留物干重；

贮藏物质转运率=(种子贮藏物质转运量/最初种子干重)×100%；

贮藏物质转化效率=(幼苗干重/种子贮藏物质转运量)× 100%。

呼吸消耗=种子初始干重-幼苗干重-种子残留干重

1.3 数据分析

用 Excel2010进行数据处理，用DPS17.05统计分析软件进行方差分析和显著性检验(Duncan 新复极差法)。

2 结果与分析

2.1 水氮互作对收获的百农207种子萌发特性的影响

灌水、施氮和水氮交互作用对百农207种子发芽指数和活力指数的影响均达到极显著水平，且灌水效应大于施氮效应。灌水和施氮对种子的发芽率和发芽势影响不显著，而水氮交互作用对种子的发芽势影响极显著(表1)。不同水氮处理下百农207种子的发芽率均达到99%以上；种子发芽势并未随灌水和施氮的变化表现出规律性。相同施氮条件下，种子的发芽指数和活力指数在W3处理下均最大，在W0处理下均最小，W0处理的发芽指数在N0～N3条件下比W3处理分别降低104.3%、74.2%、44.7%和33.9%；活力指数分别降低91.1%、61.1%、53.8%和99.8%；相同灌水条件下，种子的发芽指数和活力指数在N3处理下均最大，在N0处理下均最小，N0处理的发芽指数比N3处理在W0～W3条件下分别降低80.1%、64.3%、33.0%和18.0%，活力指数分别降低24.2%、81.8%和29.9%。低水(W1)条件下，N2处理的发芽势表现为最低，中水(W2)条件下N2处理的发芽势与其他氮素处理差异显著。在一定灌水和施氮范围内，低水(W0、W1)和低氮(N1)处理降低了收获的百农207种子活力，随着施氮量和灌水量的增加，种子的发芽指数递增幅度减缓；不同水分条件下中高氮处理对收获种子的发芽势有一定影响。

2.2 水氮互作对百农207幼苗生长的影响

水分和氮素对百农207幼苗的芽干重、根冠比、根长、芽长和根芽长比影响均极显著，表明灌水和施氮对百农207幼苗的生长指标有显著的促进作用。水分和氮素交互作用对幼苗的芽干重、根长、芽长和根芽长比影响极显著，对根干重和根冠比影响不显著(表2)。相同施氮条件下，根系干重随灌水次数的增多呈增加的趋势，但不同处理间差异不显著。四种氮素条件下都以W3处理的芽干重、根长和芽长最大，说明水分对小麦根芽生长有明显的促进作用。N0条件下，W0处理的根冠比最大，较W2和W3处理分别增加26.9%和34.4%。N0～N2条件下根长表现为W0、W1

表1 水氮互作下冬小麦种子的萌发比较Table 1 Comparison of seed germination of winter wheat under water and nitrogen interaction

小写字母表示不同水氮处理之间差异显著(P<0.05)。下同。GI：发芽指数；VI：活力指数；GR：发芽率； GP：发芽势。

Different lower-case letters indicate significant difference among water and nitrogen treatments(P<0.05). The same in tables 2 and 3. GI:Germination index; VI:Vigor index; GR:Germination rate; GP:Germination potential.

相同灌水条件下，百农207幼苗的根系干重和长度表现为N2、N3>N1、N0，表明在不同灌水条件下，中氮和高氮处理有利于小麦根系生长发育。在W1条件下N1处理的芽干重最大，比其他施氮处理增加8.9%～14.0%，而N0和N1处理的根冠比较N2和N3处理降低29.2%～44.7%，表明低水(W1)条件下，低氮(N0、N1)处理对小麦芽生长的影响大于根系生长，中高氮(N2、N3)处理对根系生长的影响较大，促进了根冠比的增加。W3条件下，N1处理的芽干重比N0、N2处理增加8.4%～12.5%，表明高水低氮对小麦芽干重影响较大。

2.3 水氮互作对百农207种子贮藏物质转运特性的影响

冬小麦幼苗的生长主要靠胚乳贮藏物质的分解转运提供碳源和能量。由表3可知，水分、氮素及水分与氮素互作对冬小麦收获后种子的物质贮藏转运特性存在显著的影响。在N0～N3条件下，幼苗干重表现为W3>W2>W1、W0，N0和N1水平下，贮藏物质转运量和贮藏物质转运效率以W3处理最高，表明在低氮条件下，增加灌水有助于种子贮藏物质的转运。N2条件下，贮藏物质转化效率表现为W3、W2>W1、W0，N3条件下贮藏物质转运量和转运率以W1处理最大，贮藏物质转化效率表现为W3>W2>W1>W0，表明适量氮肥可以提高种子贮藏物质的转运量和转化效率，高氮低水也会提高种子贮藏物质转运量，而贮藏物质转化效率在高水高氮条件下较高。N0、N2和N3条件下，W3处理的种子呼吸消耗最小，N1条件下幼苗生长的呼吸消耗表现为W3、W2>W1、W0，表明低氮条件下，高水处理对种子呼吸具有一定抑制作用，低氮低水处理会促进种子呼吸消耗。

表2 水氮互作下冬小麦幼苗的生长比较Table 2 Comparison of seeding growth of winter wheat under water and nitrogen interaction

表中根系干重为10株幼苗测定结果。RDW：根系干重；SDW：芽干重；R/S：根冠比；RL：根长；SL：芽长；RL/SL：根冠比。

The value of root dry weight is calculated by the measurement of ten seedlings. RDW:Root dry weight; SDW:Shoot dry weight; R/S:Root dry weight /shoot dry weight; RL:Root length; SL:Shoot length; RL/SL:Root length/root length.

在W0、W1和W2条件下，幼苗干重以N3处理最大，以N0处理最小，贮藏物质转化效率以N1处理最大；在W3条件下，幼苗干重表现为N3、N1>N2、N0，贮藏物质转化效率以N3处理最大。W0条件下贮藏物质转运量、转运率以N1处理最低，在W1、W2和W3条件下表现为N2、N3>N0、N1。W1条件下贮藏物质转运率以N3处理最高，W3条件下贮藏物质转运率表现为N0、N1>N2、N3。这表明水分和氮素互作会影响种子贮藏物质转运特性。在灌水条件下，中高氮(N2、N3)有利于幼苗干重和贮藏物质转运量的增加，低氮(N0、N1)有助于贮藏物质的转化。高水条件下，低氮有利于贮藏物质转运率的提高，高氮也会促进贮藏物质的转化效率增加。

2.4 水氮互作下百农207的发芽特性、幼苗生长特性和种子贮藏物质转运特性的回归分析

经多元回归分析，氮素对根冠比、根芽长比、种子活力指数、贮藏物质转运率、贮藏物质转化效率的贡献率分别为96.6%、27.3%、76.5%、4.5%和16.4%；水分对根冠比、根芽长比、种子活力指数、贮藏物质转运率、贮藏物质转化效率的贡献率分别为56.6%、28.4%、85.4%、73.0%和49.9%(表5)。灌水和施氮对根冠比、种子活力指数、贮藏物质转运率和转化效率有正向耦合效应，苗期决定小麦活力指数、转运率和转化效率的因子主要为水分。氮素是决定苗期根冠比的主要因子。在一定灌水和施肥范围内水氮互作对收获后的籽粒发芽特性和物质转运特性有一定耦合效应。

表3 水氮互作下冬小麦种子贮藏物质转运指标比较Table 3 Comparison of storage substance transport indices in winter wheat under water and nitrogen interaction

幼苗干重为50株。

The value of seedling dry weight is calculated by the measurement of fifty seedlings. SW:seeding dry weight; SA:Transport amount of storage matter; SR:Transport rate of storage matter; SE:Transport efficiency of storage matter; BC:Breathing consumption.

表4 水分和氮素与冬小麦发芽特性和贮藏物质转运的回归分析Table 4 Regression analysis between water and nitrogen with germination traits and storage matter transportation ratio

3 讨 论

种子活力是一个综合性状，受遗传背景、栽培环境和气候条件影响较大。在幼苗生长的早期，种子干重与幼苗干重呈显著的正相关，不受外界营养条件的制约[9]。也有研究表明，正常水肥条件下收获的种子发芽会受到水分胁迫的影响[10]。在本研究中不同水氮处理下收获后的百农207种子发芽率没有显著差异，表明种子的质量主要取决于播种后的生态环境和管理措施，不同灌溉施肥制度下收获的种子播种时只要给予足够的基肥和充足的水分，种子的发芽率都较高。低水低氮处理降低了收获后的种子发芽指数和活力指数，灌溉施肥都有助于提高收获后种子的发芽指数，高水高氮处理增加了种子干物质的积累，提高了收获种子的发芽指数和活力指数。随着灌水和施氮量的增加，水分和氮素对收获后的百农207种子发芽指数增加影响效应表现为降低，灌水和施肥超过一定范围后，边际效应呈现下降趋势。

小麦幼苗生长过程中地上部和地下部生物量分配比例是受自身遗传因素和生长环境因素相互作用而表现出的综合结果。相同施氮条件下，不同水分处理间收获后的百农207种子的根系干重差异不显著，表明在种子发芽阶段，为获取足够的自身生长所需资源，根系优先生长，种子胚乳贮藏的物质可以优先供应幼苗根系正常生长。相同灌水条件下，不同施氮量对根系干重影响有差异，百农207幼苗的根系干重和长度表现为N2、N3>N1、N0，表明在不同灌水条件下，中氮高氮处理有利于根系干重和长度增加，施氮促进了种子营养物质的积累，为种子发芽和幼苗生长奠定基础。灌水量和施氮量的增加均促进百农207种子发芽时期芽干重的增加，幼苗的根长和芽长普遍高于灌水施肥少的处理，高氮处理促进了种子的淀粉积累，有利于收获的种子萌发生长。低水低氮条件下收获的种子萌发过程中淀粉酶的活性受到影响，导致储存的淀粉向可溶性糖转化的过程受阻，影响了根系和芽的生长。低水条件下，低氮对芽生长的影响大于根系生长，中、高氮对根系的生长影响较大，从而促进了根冠比的增加。水分和氮素的交互作用也会影响幼苗的生长，高水低氮互作对幼苗冠干重影响较大。这表明受到水分和养分胁迫后收获的种子在发芽时具备了主动调节自身物质转化特性，以适应外界环境。

种子萌发到幼苗生长主要依靠贮藏在种子中的有机物质提供能力和合成原料，胚乳中的贮藏物质一部分分解转化后转运到胚轴中，用于合成建造新组织、新器官，一部分用于呼吸作用，另有少部分转移到萌发介质中。由于呼吸作用，种子萌发呼吸消耗干物质会影响到幼苗生物量的积累，小麦的幼苗干重总是低于种子贮藏物质转运量。贮藏物质转运量的降低也会降低幼苗的生物产量，种子的贮藏物质转运效率在一定程度上决定胚根(芽)的生长[11]。本研究也得出相同结论，百农207种子的发芽特性、幼苗生长特性和种子贮藏物质转运特性存在一定的相关关系，种子的发芽指数和活力指数与种子贮藏物质转运量和转运率呈显著正相关，种子贮藏转运量和转运率与苗长、根干重、冠干重和根长呈显著正相关，种子的发芽指数高和活力指数大表明种子贮藏物质转运量高，贮藏物质转运率大，贮藏物质转化效率高，幼苗生长时期的干物质积累高，为其中后期生长发育奠定基础。

前人研究表明，种子贮藏物质转运量对水分胁迫十分敏感，而贮藏物质转运效率对水分胁迫有较强的适应性[12]。本研究中，灌水和施氮对根冠比、种子活力指数、贮藏物质转运率和转化效率呈正向耦合效应，苗期决定小麦活力指数、转运率和转化效率的因子主要为水分。氮素是决定苗期根冠比的主要因子。在一定灌水和施肥范围内水氮互作对收获后的籽粒发芽特性和物质转运特性有一定耦合效应。W2(拔节水和开花水)、W3(拔节水、开花水和灌浆水)条件下，各种施氮处理的冬小麦种子的贮藏物质转运率和贮藏物质转运效率均高于60%，增施氮肥对冬小麦种子的贮藏物质转运率和贮藏物质转运效率的提升不明显，应当适当控制施肥量，避免肥料的浪费和降低肥料对环境的污染。本研究中水中氮处理(N2W2)下幼苗干重大，种子贮藏物质转运量、贮藏物质转运率和贮藏物质转化效率相对最优，可以选择为灌溉施肥制度指导百农207种植生产。