自然生境低温胁迫对留茬巨菌草再生特性的影响及再生能力评价

2021-05-25苏德伟罗海凌林冬梅林占熺

西南农业学报 2021年4期

苏德伟，林辉，罗海凌，林冬梅，林占熺

(福建农林大学国家菌草工程技术研究中心，福建福州 350002)

【研究意义】巨菌草(Pennisetumsp.)隶属禾本科，狼尾草属，直立丛生，植株高大，产量高，营养物质丰富[1]。适宜在温热地区生长，自然条件下可越冬为多年生，在常年气温较低的地区不能自然越冬为一年生[2]。巨菌草属于典型的C4 草本植物，光和效率高，生长速度快，与阔叶乔木相比，生物转化率提高了3～6.5倍。巨菌草分蘖能力强，茎秆粗壮，根系发达，抗折能力强，不易倒伏，易种易用，富含真菌、细菌等多种内生菌类[3-4]；拔节期株高3～5 m，成熟期最高可达7.08 m，全球多年平均鲜草产量可达200～400 t·a-1hm-2[5]。巨菌草营养价值高、抗营养因子低，具备优质饲料的品质，备受畜禽行业关注[2]。巨菌草作为青饲料或者制备青贮饲料饲喂牛、羊等牲畜以及鸭、鹅等家禽，饲喂效果好、经济效益高[6-10]。合理种植、高效利用，可有效缓解我国秋冬季饲料短缺问题，平衡“草畜矛盾”，为畜牧业绿色健康发展提供了新途径。巨菌草生长速度快、营养丰富、生物量大、利用价值高，是平菇[11]、竹荪[12]、秀珍菇[13]、灵芝[14]等多种食用菌和药用菌的优质栽培原料，可有效缓解菌业发展正面临的“菌林矛盾”。【前人研究进展】巨菌草抗逆性强、适应性广[15-17]，被广泛应用于水土流失治理[18]、崩岗治理[19]、重金属污染土壤修复[20]、防风固沙[21]、黄河流域生态治理[22]等领域，以及制备沼气[23-25]、纤维素[26-27]、造纸[28-29]、生物质燃料[30-31]、淡紫拟青霉[32]、内生菌菌肥[33]等工业化生产。【本研究切入点】有关巨菌草的各类基础研究已经很多，工业化利用也逐步拓展，面对迫切的产业化需求，如何提高产量、提高质量、控制成本、一年生如何向多年生转变，成为急需解决的问题。现阶段面临的最突出问题就是低温胁迫后，留茬巨菌草越冬、再生、产能问题，但是，有关自然生境低温胁迫对留茬巨菌草再生特性影响及再生能力评价的研究却未见报道。【拟解决的关键问题】本研究采取自然生境下低温胁迫的方法，测定了砒砂岩区留茬巨菌草的再生特性，并对其再生能力进行评价，以期为留茬巨菌草在砒砂岩区以及我国中部适宜地区自然条件下的越冬储备提供技术支撑，为巨菌草的高产稳产、高效利用提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

巨菌草(Pennisetumsp.)由福建农林大学国家菌草工程技术研究中心提供，2019年4月20日，巨菌草种植于砒砂岩区典型的两种生境：沟坝地(DF)、坡耕地(SF)，不同生境土壤的主要特性见表1。巨菌草种植规格：行距80 cm，株距40 cm。2019年10月9日，巨菌草植株高度386～434 cm，机械收割，地上部分留茬高度20 cm。

1.2 试验地概况

试验地位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗暖水乡圪秋沟小流域，属于黄土高原丘陵沟壑区的典型砒砂岩分布区，110°05′～110°27′ E、39°16′～40°20′ N，海拔1050～1200 m。试验地属大陆性季风气候，年平均气温6.2～8.7 ℃，多年平均降水量390 mm，无霜期145 d。

1.3 试验方法

根据巨菌草生物学特性表明，气温低于5 ℃时，巨菌草停止生长。结合当地的物候条件，试验设置5个处理：5、0、-5、-10、-15 ℃，随机取样，每个处理5个重复。为了更好的研究低温胁迫下留茬巨菌草的再生特性，密切结合生产实践，所有试验样品的低温胁迫均在野外自然条件下进行。由于野外空气温度较为波动，研究采用胁迫最低温度与胁迫积温(低温胁迫期间，当日最低温度且低于0 ℃的温度的总和)结合的方法(表2)。当野外空气温度达到设置温度后，低温胁迫1 h，取样栽培于花盆内。为了更好的模拟自然环境，温度逐渐升高，直至25 ℃，室内培养。因巨菌草分蘖多，室内盆栽较为困难，所以需对所取样品进行处理：选取植株地上部分相邻的3个分蘖，垂直于地面切割地下部分。试验期间定期浇水、施肥，每个处理条件相同，培养30 d。

表1 不同生境土壤的主要特性

表2 胁迫温度和胁迫积温

1.4 指标测定

1.4.1 植株出苗时间、出苗率、成苗率、出苗力指数植株种植2 d之后开始记录，之后每隔2 d记录出苗数和死亡苗数。由于巨菌草具备分蘖特性，在生长过程中会出现二次出苗或多次出苗现象，试验均以第1次出苗计算出苗时间、出苗率，成苗率以植株生长30 d后的出苗数量计算。出苗力指数采用公式(1)和(2)计算。

Gij=Sij×Rij×100 %

(1)

(2)

式中,Gij为i生境j胁迫温度下的出苗力指数；Sij为i生境j胁迫温度下的出苗系数;Rij为i生境j胁迫温度下的出苗率；Tij为i生境j胁迫温度测定的出苗时间；Tmin为i生境成活植株测定的最小出苗时间。

1.4.2 植株形态学指标测定植株生长30 d后，测定留茬巨菌草植株高度、分蘖数量、茎粗、叶片宽度、叶片长度和叶片数量。植株高度：将植株叶片拉直，测定地上部分的总高度；分蘖数量：留茬巨菌草新生的苗数；茎粗：植株高于地面1 cm处测得的直径；叶片宽度：测量植株顶端已经完全展开的第3片叶的宽度；叶片长度：测量植株顶端已经完全展开的第3片叶的长度；叶片数量：新生植株的总叶片数。

1.4.3 植株生物量测定相同生长期内测定巨菌草的地上部分鲜重。

1.4.4 植株根系主要测定巨菌草的根系长度、数量，并计算根长/株高的比值。

1.5 数据分析

试验设置5次重复，采用EXCEL 2010和SPSS 23.0软件进行数据处理和统计分析。应用隶属度函数法进行综合评判[34-35]，与留茬巨菌草的再生能力呈正相关的参数采用公式(3)计算；与其再生能力呈负相关的采用公式(4)计算。

R(Yij)=Yij-Ymin

(3)

(4)

式中，R(Yij)为留茬巨菌草i生境j性状测定的隶属函数值；Yij为i生境j性状测定值；Ymin为j性状中测定的最小值；Ymax为j性状中测定的最大值。

2 结果与分析

2.1 植株出苗时间、出苗率、成苗率、出苗力指数

如图1所示，胁迫温度越低，留茬巨菌草生理机能恢复的时间越长，出苗的时间也就越长，5 ℃时两组出苗时间分别为4.2 d、4.6 d，-10 ℃时两组出苗时间分别为9.6 d、9.8 d，-15 ℃时两组植株全部死亡。胁迫温度高于0 ℃时，沟坝地试验组出苗时间最短，与其他处理存在显著性差异(P<0.05)。胁迫温度小于0 ℃时，坡耕地试验组表现较差，出苗时间较长。胁迫温度达-10 ℃时，两组处理出苗时间最长。

随着胁迫温度降低，留茬巨菌草再生后的出苗率和成苗率呈下降趋势(图2)。胁迫温度达到-5 ℃时，坡耕地的出苗率和成苗率均为90 %，出现下降；胁迫温度达到-10 ℃时，沟坝地的出苗率和成苗率分别为90 %、80 %，下降趋势显著。随着胁迫温度下降，不同生境的留茬巨菌草出现再生苗死亡现象，其成苗率低于出苗率，-15 ℃时留茬巨菌草全部死亡，失去再生能力。

随着胁迫温度降低，留茬巨菌草再生后的出苗力指数呈下降趋势；不同生境对出苗力指数影响不同，沟坝地试验组整体好于坡耕地试验组(图3)。当胁迫温度小于-5 ℃时，2个试验组的出苗力指数均小于60 %，建议不再作为种质资源用于繁育种苗。

2.2 植株高度、分蘖数、茎粗

由图4可知，胁迫温度越低，留茬巨菌草再生植株高度也越矮，沟坝地试验组优于坡耕地试验组。胁迫温度高于-5 ℃时，各组处理无显著性差异，相同温度的沟坝地试验组和坡耕地试验组株高相差不大，仅为2.57 %、5.37 %；低于-5 ℃时，各胁迫温度之间差异显著(P<0.05)，-10 ℃时株高仅为5 ℃时株高的52.34 %、37.11 %，-15 ℃时植株死亡。

分蘖能力是影响禾本科植物产量的一个重要指标，而分蘖数量是分蘖能力的最直观体现。如图5～6所示，胁迫温度越低，留茬巨菌草分蘖数量越少，分蘖能力越弱，其中坡耕地试验组受胁迫温度影响更大，分蘖能力下降快、降幅大，分蘖数量更少。当胁迫温度达-5 ℃时，两组处理与5 ℃时存在显著性差异(P<0.05)，分别降低了30.77 %、41.67 %。砒砂岩区，沟坝地有效敏感低温区间是-5 ～ 0 ℃，坡耕地有效敏感低温区间是0 ～ 5 ℃，敏感降温区间对留茬巨菌草分蘖数影响最大。

如图7所示，随着胁迫温度变化，留茬巨菌草茎粗呈下降趋势。当胁迫温度不低于0 ℃时，沟坝地试验组不同处理之间，无显著性差异，坡耕地试验组不同处理之间，差异显著(P<0.05)。当胁迫温度低于0 ℃时，2个试验组的不同处理之间差异显著(P<0.05)，胁迫温度达-10 ℃时，茎粗降幅较大，仅为初始胁迫温度的43.09 %、40.87 %。

2.3 植株叶片长度、叶片宽度、叶片数量

如图8所示，不同试验组的叶片长度随胁迫温度变化呈下降的变化趋势。胁迫温度高于-5 ℃时，2个试验组的不同处理间降幅不大，仅为7.86 %、11.98 %；当胁迫温度从-5～-10 ℃时，降幅达到了55.58 %、55.63 %，差异显著(P<0.05)，而-10 ℃时沟坝地和坡耕地两组之间差距较小，分别为40.6、37.8 cm。

如图9所示，胁迫温度越低，留茬巨菌草的叶宽越小，其变化趋势与叶长保持一致。当胁迫温度不低于-5 ℃时，2个试验组的不同处理间差异不显著，2个试验组最大为2.16 cm(DF)、2.08 cm(SF)，最小为2.00 cm(DF)、1.94 cm(SF)。随着温度降低，叶宽变化逐渐凸显。当胁迫温度达到-10 ℃时，差异显著(P<0.05)，降幅较大，分别达到了39 %和47.94 %。

叶片数量是影响植物能否健康生长的重要指标之一。随着胁迫温度的降低，植株叶片数量呈下降趋势(图10)。当胁迫温度高于0 ℃时，2个试验组呈缓慢下降趋势，沟坝地试验组不同胁迫温度下，差异显著(P<0.05)，坡耕地试验组不同胁迫温度下，无显著差异；而当胁迫温度低于0 ℃时，2个试验组则呈快速下降趋势，-10 ℃时叶片数量仅为19.00和17.00。

2.4 植株地上部分含水量和鲜重

如图11所示，随着胁迫温度的变化，留茬巨菌草地上部分含水量呈下降趋势，但是降幅不显著，变化不大。因为生长30 d的巨菌草仍然处于苗期，生长所需的水分较多。不同胁迫温度下，2个试验组的成活幼苗地上部分含水量均保持在90 %左右。

如图12所示，胁迫温度越低，留茬巨菌草的地上部分鲜重(产量)越低。不同胁迫温度之间，地上部分鲜重差异显著(P<0.05)，其中沟坝地产量高于坡耕地，产量的差异可能与不同生境土壤的特性有密切关系。当胁迫温度达到-5 ℃时，沟坝地试验组产量和坡耕地试验组产量为初始胁迫温度产量的67.92 %、57.32 %。当胁迫温度达到-10 ℃时，差异显著，降幅较大，分别达到了82.84 %、79.37 %。

2.5 植株地下部分新根长度和新根数量

根系优劣是影响留茬巨菌草再生特性的重要指标之一。随着胁迫温度降低，留茬巨菌草新根生长速度越慢、长度越短，沟坝地试验组均优于坡耕地试验组(图13)。胁迫温度5 ℃时，沟坝地试验组根长为23.19 cm，坡耕地试验组根长为17.27 cm。当胁迫温度5～0 ℃时，2个试验组降幅最大，差异显著(P<0.05)，分别达到26.56 %、26.98 %；当胁迫温度低于0 ℃时，2个试验组降幅较小，其中-5 ～ 0 ℃区间的降幅最小，仅为7.69 %、11.02 %。

如图14所示，胁迫温度越低，留茬巨菌草新根数量越少，长势越差。受实验条件限制，取样时已将留茬巨菌草地下部分切割，所有整体新生根系数量较少。胁迫温度高于0 ℃时，不同处理差异显著(P<0.05)，沟坝地试验组数量多于坡耕地试验组，其中沟坝地新根数量最多为15.33，沟坝地新根数量最多为13.33；胁迫温度低于0 ℃时，不同处理之间差异不显著，不同生境的新根数量相近，但与初始温度(5 ℃)相比，胁迫温度-5 ℃时新根数量为7.67和7.33，降幅达49.97 %、45.01 %，差异极显著(P<0.01)。

2.6 新根长度/植株高度的比值

如图15所示，随着胁迫温度越降，留茬巨菌草新根长度/株高的比值呈先下降后升高再下降的趋势，其中沟坝地试验组最大值为17.54(5 ℃)，最小值为12.99(-5 ℃)，坡耕地试验组最大值为19.48(-10 ℃)，最小值为10.02(-5 ℃)。5、0、-5 ℃ 3个处理都是沟坝地高于坡耕地；-10 ℃时坡耕地高于沟坝地。

2.7 低温胁迫留茬巨菌草再生能力综合评价

自然生境中留茬巨菌草受低温胁迫后，多种因素共同作用，通过某一个数据或者指标已经无法准确表达这一复杂的生理生化过程，更不能真实的反应留茬巨菌草经低温胁迫后的再生能力。因此，通过隶属函数法对获得的主要指标进行定量转换，根据数值大小对不同自然生境不同胁迫温度下的留茬巨菌草的再生能力进行综合评价，数值越大，再生能力越强，数值越小，再生能力越弱。由表3可知，同一试验组内，胁迫温度越低，留茬巨菌草再生能力越弱，其强弱顺序为：5 ℃>0 ℃>-5 ℃>-10 ℃>-15 ℃；不同试验组之间，由于自然生境有所差异，留茬巨菌草再生能力强弱顺序为：沟坝地>坡耕地。

3 讨论

自然生境中温度是影响植物生长的重要因子，也是限制其分布的主要因素之一，温度过高或过低都会阻碍植物的正常生长，其中低温对植物的危害最大[36]。低温胁迫后，植物受到影响，最直接的体现就是形态特征的变化[37]。其中，植株的萌芽时间、出苗率、成苗率、株高、分蘖、茎粗、叶片等指标与胁迫后的植株关系最为紧密。段里成等[38]研究表明，胁迫温度越低，直播早稻出苗率、成苗率越低，幼苗植株高度也越矮。钟鹏等[39]研究表明，随着低温胁迫加剧，花生的出苗时间延长，出苗率降低。王树刚等[40]研究表明，小麦受到低温胁迫时，叶片萎蔫、下垂、失绿，严重时局部死亡，甚至植株死亡。植物组织中含水量越高，代谢活动越强，生长越快，反之则越弱[41]，这也与本试验的结果相一致。本研究结果表明，随着胁迫温度降低，留茬巨菌草的出苗时间延长、出苗率、成苗率、植株高度、分蘖数量、茎粗、叶片长度、叶片宽度、叶片数量、含水量等都呈降低趋势。试验中，同一胁迫温度下，成苗率低于出苗率，说明留茬巨菌草生理结构可能已经遭到了破坏，无法完成植株正常生长所需，在其达到生长极限后出现死亡。同时也从侧面说明，该胁迫温度已经达到了破坏留茬巨菌草维持再生特性平衡的极限温度。

表3 低温胁迫留茬巨菌草再生能力综合评价

本研究，0 ℃是影响留茬巨菌草植株再生高度的关键拐点，当胁迫温度低于0 ℃时，植株生理生态可能开始受到抑制，分蘖数、茎粗、叶片数、地上部分鲜重等指标显著降低，达到-5 ℃时局部结构受到破坏，-10 ℃时损坏严重，-15 ℃时植株死亡，建议-5～0 ℃(-24 ℃<胁迫积温<-12 ℃)作为能否自然安全越冬和具备一定再生能力的参考区间温度。

自然生境中，随着温度降低，植物地上部分逐渐死亡，能否安全越冬，地下部分所含有的贮藏性物质是重要保障[42]。本研究在取样时，将留茬巨菌草地下部分一同切割取出，保证了试验的科学性和准确性。试验前期接受自然生境下低温胁迫的是留茬巨菌草，其中地上部分已经死亡，具备生命机能的是地下部分。罗宁[43]研究表明，在低温胁迫下，玉米幼苗根系的长度、干重、密度等指标呈下降趋势，低温胁迫阻碍了根系的生长。孙波等[44]研究表明，在低温胁迫下甘蔗幼苗的根系长度、根系总体积显著减小，根系生理活性等显著降低，根系细胞变形散乱。低温胁迫可以显著降低抑制根系的生长[45]，降低根系的活力[46]。本研究结果与上述研究结果一致，受低温胁迫影响，留茬巨菌草的根系数量和长度显著降低。受根系变化影响，植株新陈代谢变慢，生长速度降低，甚至死亡。

留茬巨菌草的再生能力不仅受到自身遗传特性和生理结构的综合影响，而且受外部低温胁迫和土壤环境的影响。因此，单一指标很难评价留茬巨菌草的再生特性。本研究利用隶属函数法对分蘖数量、植株高度、茎粗、叶片长度、叶片宽度、叶片数量、植株鲜重、新根数量、新根长度、根长/株高等10项指标进行综合评价，得出同一试验组内，留茬巨菌草再生能力强弱顺序为：5 ℃>0 ℃>-5 ℃>-10 ℃>-15 ℃。本研究涉及砒砂岩区典型的沟坝地和坡耕地两种类型，两者土壤环境有所差别，含水量、有机质、酸碱度差异显著。不同的自然生境，可能对留茬巨菌草地下部分所含有的贮藏性物质也产生了一定的影响，进而影响了其再生能力，其强弱顺序为：沟坝地>坡耕地。