7种绿肥作物种子萌发期耐低温性的研究

赵阳佳，麻玲源，南张杰，周吉红，王俊英，周继华，宋振伟，李润枝*

(1.农业应用新技术北京市重点实验室，植物生产国家级实验教学示范中心，北京农学院，北京102206；2.北京市农业技术推广站，北京100029；3.中国农业科学院作物科学研究所，农业部作物生理生态重点实验室，北京 100081)

化肥、农药、植物生长调节剂等化学物质的使用，为大幅度提高农作物产量做出巨大贡献，但是也造成土壤中有机质减少，土壤的保肥、保水能力下降，加剧了环境污染[1]。种植绿肥是中国农业生产可持续发展的重要举措，是提升耕地土壤有机质水平的主要方法之一。种植绿肥，不仅可以改善土壤结构，培肥地力，提供作物所需的养分，增加作物产量；还可以保持土壤的生产能力[2]。

中国北方地区主要是温带大陆性气候，冬季寒冷，夏季温热[3]。北京的冬季农田休闲时间从每年10月到翌年4月，冬春季干旱、多风，对生态环境造成了恶劣影响。同时，小麦等高耗水粮食作物面积的调减，加剧了京郊休闲农田生态功能的恶化。因此，种植可替代小麦的越冬型绿肥或早春耐低温型绿肥品种对建立高产、高效、优质的京郊绿色农业发展体系具有十分重要的意义。

本研究通过对低温条件下绿肥种子萌发特性的研究，比较不同绿肥作物种子萌发期的耐低温能力，筛选适宜京郊农田早春种植的绿肥作物种类，为京郊农田可持续发展提供技术支撑。

1 材料和方法

1.1 供试材料

7种绿肥作物种子为材料，包括红三叶(Trifoliumpretense)、田菁(SesbaniaCannabina)、黑麦草(LoliumperenneL.)、紫云英(AstragalussinicusL.)、毛叶苕子(ViciavillosaRoth)、油菜(BrassicacampestrisL.)和白三叶(TrifoliumpretenseL.)，以小麦(TriticumaestivumL.)为对照。其中，紫云英、毛叶苕子、小麦、油菜和白三叶种子为北京市农业技术推广站提供，红三叶、田菁和黑麦草种子在种子市场购买。

1.2 试验方法

从供试种子中选取成熟、饱满且大小适中、均匀一致、无病虫害的健康种子，用1%的次氯酸钠溶液浸种消毒10 min，无菌水冲洗3次，待用。

标准发芽试验(CK)：在发芽盒中(12 cm×12 cm×6 cm)置2层滤纸，加入无菌水至滤纸饱和，消毒后的种子随机选取100粒均匀摆放在发芽盒中的滤纸上，3次重复。然后，置于20 ℃人工智能植物培养箱中培养10 d，种子发芽期间，每天观察种子萌发情况并记录发芽粒数，直到第10天发芽试验结束。种子发芽标准：胚根突破种皮2 mm为发芽种子。

低温发芽试验(CT)：种子发芽温度为4 ℃，其他处理同标准发芽试验。

1.3 测定项目

发芽试验期间和结束时测定发芽数，按照以下公式计算种子萌发指标：发芽势GE=初次计数发芽数/发芽试验样品粒数×100%；发芽率GP=末次计数发芽数/发芽试验样品粒数×100%；发芽指数GI=Σ(Gt/Dt)；平均发芽时间MGT=Σ(Gt×Dt) /ΣGt。式中：Dt—发芽时间，Gt—与Dt相对应的每天发芽种子数。

萌发指标的相对值：相对发芽势GGE=低温发芽势/对照发芽势×100%；相对发芽率GGP=低温发芽率/对照发芽率×100%；相对发芽指数GGI=低温发芽指数/对照发芽指数×100%；相对平均发芽时间GMGT(倍)=低温相对发芽时间/对照种子发芽时间。

1.4 耐低温能力评价方法

种子萌发期的耐低温能力的评价，参照何学青等[4]、孙景宽等[5]、穆怀彬等[6]提供的模糊数学隶属法进行评价，等级评价参照田山君等[8]的方法，其中，D值表示种子的耐低温能力，该值越大，则表示耐低温能力越强，反之越弱。

测定的数据采用Microsoft office 2010软件整理，然后利用SPSS 23.0软件对数据进行统计分析，数据的多重比较采用LSD最小显著差异法。

2 结果与分析

2.1 低温胁迫对7种绿肥作物种子活力的影响

8种作物种子经低温胁迫后种子的发芽指标(表1)均受到不同程度的影响。其中，种子发芽势、发芽率、发芽指数均下降，平均发芽时间均增加，说明低温下种子发芽能力降低。其中，在标准发芽试验中，小麦种子发芽势最高，为94%，显著(P<0.05)高于其他几种绿肥作物；黑麦草发芽势为4%，显著(P<0.05)低于其他几种作物种子。低温下，小麦、黑麦草、红三叶、田菁和油菜的发芽势均降低为0，显著低于其他几种作物种子。紫云英的发芽势降低为2%；毛叶苕子、白三叶发芽势分别为13%、9%，显著高于其他几种作物种子。

在标准发芽试验中，小麦、毛叶苕子、黑麦草的发芽率分别为99%、95%、93%，显著(P<0.05)高于其他几种作物种子；田菁的发芽率为68%，显著低于其他几种作物种子。低温下，田菁、黑麦草、红三叶、油菜的发芽率均降低至2%以下，毛叶苕子发芽率最高，为76%，显著高于其他几种作物种子。

在标准发芽试验中，油菜和小麦的发芽指数最高，分别为34.1和32.4，显著(P<0.05)高于其他几种作物种子；田菁与黑麦草的发芽指数显著低于其他几种作物种子。低温下，油菜、红三叶、黑麦草、田菁的发芽指数均降低至0.2以下，显著低于其他几种作物种子。毛叶苕子发芽指数最高，为9.3，显著高于其他几种作物种子。

在标准发芽试验中，油菜平均发芽时间最短，为2.7 d，说明出苗速度最快，显著(P<0.05)快于其他几种作物种子；黑麦草平均发芽时间最长，为4.3 d，说明出苗速度最慢，显著慢于其他几种作物种子。低温下，8种作物种子发芽时间均增加，且田菁、小麦、红三叶、黑麦草、紫云英的平均发芽时间均显著高于白三叶和毛叶苕子。

2.2 7种绿肥作物种子萌发期耐低温能力的差异

从表2看出，毛叶苕子和白三叶的相对发芽势分别为21%和20%，显著(P<0.05)高于其他几种作物种子。其他几种作物种子的相对发芽势仅为0～2%，且无显著差异；毛叶苕子的相对发芽率最高，为80%，显著高于其他几种作物种子；紫云英、小麦的相对发芽率分别为51%、44%，显著低于毛叶苕子；田菁、黑麦草、油菜和红三叶的相对发芽率仅为0～2%，显著低于其他几种作物种子；毛叶苕子的相对发芽指数最高，为32.1%，显著高于其他几种作物种子；小麦和紫云英的相对发芽指数分别为13.5%、16.4%，显著低于毛叶苕子；油菜、红三叶、黑麦草、田菁的相对发芽指数分别为0.7%、0.7%、0.3%、0.0，显著低于其他几种作物种子；小麦的相对平均发芽时间最长，为3.2 d，与油菜、紫云英差异不显著，与其他几种作物种子差异显著，其受影响最大，相对出苗时间最长；白三叶和黑麦草的相对平均发芽时间最短，分别2.0 d和2.3 d，显著低于其他几种作物种子，受影响最小，萌发速度最快。

2.3 不同萌发指标的相关性分析

低温胁迫下不同作物萌发指标相关分析表明相对发芽势与低温发芽势呈极显著正相关，相关系数为0.985，与低温平均发芽时间呈显著(P<0.05)负相关，相关系数为-0.805；相对发芽率与低温发芽率、低温发芽指数、相对发芽指数均呈极显著正相关，相关系数分别为0.999、0.995和0.988；相对发芽指数与低温发芽率、低温发芽指数、相对发芽率呈极显著(P<0.01)正相关，相关系数分别为0.986、0.998和0.988；相对平均发芽时间与标准发芽势呈正相关，与标准平均发芽时间呈负相关，相关系数分别为0.777和-0.810(表3)。由此可见，不同萌发指标间存在相关性，对多个指标综合分析有助于减少鉴定误差。

表1 小麦和7种绿肥作物种子在标准和低温发芽试验中的萌发指标Tab.1 Germination indexes of wheat and 7 green manure crops in standard and low temperature germination tests

a,b,c表示在0.05水平上有显著性差异。

Note:a,b,c indicate a significant difference at the 0.05 level.

表2 小麦和7种绿肥作物种子在低温胁迫下的相对萌发指标Tab.2 The relative germination index of wheat and 7 green manure crops under low temperature stress

a,b,c表示在0.05水平上有显著性差异。

Note: a,b,c indicate a significant difference at the 0.05 level.

表3 低温胁迫下8种作物各指标间相关性分析Tab.3 Correlation analysis of various indicators of 8 green manure crops under low temperature stress

**.在0.01级别(双尾)，相关性显著。**. At the 0.01 level (two-tailed), the correlation is significant.

*.在0.05级别(双尾)，相关性显著。*. At the 0.05 level (two-tailed), the correlation is significant.

2.4 模糊隶属函数法对8种绿肥耐低温能力综合评价

供试的8种作物种子的12项发芽指标的隶属函数值(D值)表明，供试的8种作物种子的耐低温能力差异较大，D值表示耐低温能力的强弱，D值越大，表示其耐低温能力就越强。因此，得出8种作物种子的耐低温能力由强到弱依次为：毛叶苕子>白三叶>紫云英>小麦>油菜>红三叶>黑麦草>田菁(表4)。

参照田山君等[8]的耐低温能力的等级评价方法，可以分为3类：平均综合评价值为0.34，将综合评价值大于0.4的三种绿肥种子归为强耐低温种子，包括紫云英、毛叶苕子、白三叶；将在0.4～0.3范围内的小麦种子归为中等耐低温种子；将小于0.3的红三叶、田菁、黑麦草、油菜的种子归为弱耐低温种子。

3 讨论和结论

种子的活力至关重要，低温在一定程度上会抑制种子活力，限制植物的正常生长，降低其产量，甚至造成植株死亡[9-11]。在本试验中，由于低温胁迫，导致8种作物的萌发指标均显著下降，李素玲和马彦军等[11-12]研究结果同样表明，在低温胁迫下，甜瓜、玉米和番茄种子发芽均受到显著影响，发芽率降低，幼苗生长缓慢。

表4 8种作物在低温胁迫下各发芽指标隶属函数值及综合评价值

Tab.4 The subordinate function values and comprehensive evaluation values of the eight indicators of green manure under low temperature stress

处理Deal with萌发指标Germinate Index作物Crop红三叶田菁黑麦草紫云英毛叶苕子小麦油菜白三叶低温Low Temper-ature发芽势0.0000.0000.0000.1251.0000.0000.0250.700发芽率0.0220.0000.0090.6071.0000.5680.0220.201发芽指数0.0190.0000.0080.5361.0000.4730.0250.222平均发芽时间0.0930.0000.1390.2400.6740.0340.6501.000标准Standard发芽势0.4740.5070.0000.8590.6671.0000.8520.478发芽率0.4950.0000.8060.7530.8821.0000.6340.570发芽指数0.2630.0000.1310.7240.6190.8801.0000.311平均发芽时间0.3460.4800.0000.7500.5820.7921.0000.332相对Relative发芽势0.0000.0000.0000.0951.0000.0000.0190.941发芽率0.0240.0000.0090.6321.0000.5460.0240.223发芽指数0.0220.0000.0100.5091.0000.4200.0220.260平均发芽时间0.5200.3400.8060.1800.6230.0000.1231.000D值0.1190.0650.1040.4300.8890.3710.2430.534排序68731452

种子萌发受种子自身因素影响很大，单一指标不能充分说明种子耐低温能力的综合情况[12-13]，本研究采用标准发芽试验和低温发芽试验中的发芽势、发芽率、发芽指数、平均发芽时间以及它们的相对值进行分析，并通过耐低温指标的隶属值进行综合评价，目的就是排除种子自身因素的干扰，准确评价出种子耐低温能力大小。作物的耐低温能力是受多种因素共同影响的复杂性状，萌发期鉴定出的较强抗性的种质材料是否在苗期或者整个生育期也具有同样的抗性还未可知，其相关程度还有待进行苗期和全生育期的进一步研究。

2008年开始，北京市土肥工作站在房山、大兴、顺义等6个区县示范二月兰—春玉米种植技术，多年示范结果表明[14-15]早春种植绿肥作物，春季土壤覆盖度达75%以上，防风固沙效果明显，而且能提升土壤有机质含量，有利于培肥地力。因此，筛选适宜京郊早春种植的绿肥品种至关重要，本研究筛选出毛叶苕子、白三叶、紫云英种子的耐低温性较强，可以作为京郊早春种植的备选绿肥品种，上述结果可为京郊进一步发展绿肥作物提供参考。