两种植物生长调节剂对黑沙蒿开花及群落特征的影响*

乔占国，汪芳，张泽宁，张婵婵，申世永，刘龙，王生源

(1.陕西省榆林市林业科学研究所，陕西 榆林 719000;2.陕西省榆林职业技术学院，陕西 榆林 719000)

黑沙蒿(ArtemisiaordosicaKrasch.)群落是荒漠与半荒漠地区常见的植物群落，也是毛乌素沙地植物群落最主要的建群种之一，在防风固沙和生态保护中具有举足轻重的地位。然而，其花粉导致多种过敏性疾病[1-2]，如鼻炎、哮喘等花粉症。现今对花粉症的研究主要集中于致敏花粉种类、变应原分离鉴定、流行病学及基因等[3-5]方面。植物生长调节剂能调控经济林和观赏植物开花[6-9]，对植物花芽分化、性别决定等代谢过程具有重要作用，为防控花粉过敏提供了速效途径[10-11]，如：罗羽洧等[12]发现外源GA3(赤霉素)对果树花芽分化有抑制作用；乔占国等[13]喷洒YH1(抑花1号)和GA3有效抑制了沙蒿花芽分化；安丽君等[14]在成花诱导期用GA3(浓度为100 mg/L)处理桃能显著抑制花诱导和进一步正常分化。然而，植物调节剂对植物开花性状的影响因不同植物而异，而且对环境很敏感，植物调节剂种类、浓度和植物调节剂处理时间长短的不同，会使植物开花性状表现出显著差异[15]。施用植物调节剂抑制黑沙蒿花芽分化的最适浓度和最适时间尚需确定，在有效抑制黑沙蒿花芽分化的同时，对群落其它特征是否会产生显著影响有待于研究。因此，本研究采用2020年单因素对比试验筛选出的YH1和GA32种植物调节剂，在野外进行单因素回归试验，研究不同生长季节施用2种不同浓度植物生长调节剂对沙蒿开花和群落特征的影响，为速效控制黑沙蒿花粉浓度以防控花粉过敏提供相关参数和理论依据。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

试验地位于毛乌素沙地南缘的榆林市小纪汗林场(38°22′49.01″N、109°37′50.69″E)。该区域属温带半干旱大陆性季风气候，降水少而蒸发量大、风大沙多、光照充足，年均气温8.3～10.1 ℃，极端高温42.1 ℃、极端低温-31.8 ℃，大于等于10 ℃的积温2 800～3 400 ℃；年降水量350～503 mm，集中于6—9月，年蒸发量2 000～2 500 mm；地表主要是第四纪松散堆积物，土壤为风沙土；地带性植被以栗钙土的干草原为主，从东南向西北由森林草原向荒漠草原过渡，其间有大面积人工植被分布[16]。黑沙蒿为荒漠与半荒漠地区常见植物群落的优势种或主要伴生种，也生长于干草原与干旱的坡地上，花果期7—10月。

1.2 供试材料

供试材料为毛乌素沙地飞播次生黑沙蒿群落株丛。植物生长调节剂YH1(抑花1号25 g瓶装)为北京园林科学研究院研制；GA3(瓶装50 mL赤霉酸，有效成分3%)购自四川国光农化股份有限公司。

1.3 试验方法

2020年在地势相对平坦、黑沙蒿长势基本一致的毛乌素沙地飞播次生群落中选择以黑沙蒿为优势种、阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)等杂草为伴生种的植物群落进行围封并建立试验样地。采用单因素回归设计[17]，拉丁方排列。分别设置抑花1号0 g/L(YH1-0)、5 g/L(YH1-5)、10 g/L(YH1-10)和赤霉素0 mg/L(GA3-0)、100 mg/L(GA3-100)、200 mg/L(GA3-200)共6个处理进行外源激素的喷洒试验，每个处理重复3次，共18个小区；每小区大小为10 m×10 m，每个小区有长势基本一致的黑沙蒿30丛[18]。试验在黑沙蒿花芽分化前进行，共进行了4次——在4、5、6、7月各设立单因素回归试验，于当月中旬按试验设计的激素种类及浓度对参试黑沙蒿进行喷施1次。每次参试黑沙蒿540株(丛)，4次共计有参试黑沙蒿2 160株(丛)。施用激素时用电动喷雾器均匀喷洒在参试黑沙蒿上，喷雾量以叶片湿润不滴水为度。

1.4 数据收集

于黑沙蒿开花盛期(2020年8月6日)进行试验结果调查。枝序确定参照郑星星等[19]的方法，在每丛处理黑沙蒿上各采集1枝一级花序，每个处理分别采集30枝花序枝，系上标签放入标本夹，尽快在室内统计头状花序总数量，一、二级花序枝长度及单位长度花蕾数量。9月沙蒿停止生长时，将10 m×10 m的小区分成4个5 m×5 m大小相等的样方。每月均有72个5 m×5 m的样方，调查每个样方内植物种数量、高度、冠幅、盖度等指标。计算标准株的冠幅和株高，每个小区选4个标准株，用标准株法[18,20]测定其生物量，进行群落安全性分析。

1.5 数据处理与分析

抑花效果采用抑花率(P)来表征，正值为抑制开花，负值为促进开花。抑花率计算式如下。

P=(W1-W2)/W1

式中:W1为各处理头状花序数量，W2为对照(YH1-0或GA3-0)头状花序数量。

以抑花率为因变量(Y)，不同激素浓度为自变量(x)，用SPSS 22.0软件进行曲线估计，并依据曲线方程求其极值得最适浓度。同理可得抑花率(Y)与施用激素时间(x)的关系方程和最适施用时间。

群落α多样性采用R(Margalef丰富度指数)[21]、D(Simpson多样性指数)、H(Shannon-Wiener指数)、E(Pielou均匀度指数)[22-23]，β多样性指数群落相似性的测定采用Jaccad相似性系数公式q=j/(a+b-j)计算[21]。

式中：q为Jaccard指数，j为两群落或样地共有物种数，a+b为两群落或样地物种数和。黑沙蒿冠幅用圆面积公式π=r2计算，半径r为冠幅的(长径+短径)/2，然后计算相对盖度；再用公式Ⅳ=(RH+RC+RB)/3 计算重要值，其中RH相对高度，RC为相对盖度，RB为相对频度。

采用SPSS 22.0单因素方差分析法对不同处理之间的试验数据进行统计分析，用Duncan 检验法对每个测量指标在处理间的差异进行差异显著性检验(p<0.05)。采用SPSS 22.0进行抑花效应方程的拟合、作图。

2 结果与分析

2.1 不同处理抑花效果

4月YH1-5抑花率显著高于对照及YH1-10，GA3不同浓度及处理之间差异不显著；5、6、7月，YH1-5抑花率显著高于YH1-10,YH1-10又显著高于对照，GA3-100抑花率显著高于GA3-200,GA3-200又显著高于对照(表1)。

表1 YH1不同处理抑花率及其差异显著性

YH1-5的抑花率6月最高，其次为5月和7月，4月最低；YH1-10、GA3-100、GA3-200的抑花率与YH1-5的抑花率在不同月份间的变化基本一致，皆是6月抑花效果最好。由此可见，YH1和GA3对黑沙蒿当年的花芽形成具有抑制作用，其效果随浓度和时间的增加先升后降，其中YH1-5和GA3-100处理6月抑花效果最好，抑花率分别达70.11%和60.33%。6月YH1的3个浓度处理下9 cm长花序花蕾数量对比如图1。其中，YH1-0(浓度0 g/L，为YH1激素处理的对照)处理花蕾数量为394个，YH1-5(5 g/L)为114个，比对照少71%；YH1-10(10 g/L)为145个，比对照少63%。

图1 YH1不同浓度处理花蕾数量对比

2.2 最适激素浓度和施用时间

根据以上分析，分别用6月中旬YH1、GA3的3个浓度处理的抑花率拟合YH1、GA3抑花率(Y)与激素浓度(x)的一元二次方程和曲线；分别用4、5、6、7月中旬各施一次YH1-5、GA3-100的抑花率拟合YH1-5、GA3-100抑花率(Y)与施用激素时间(x)拟合效应方程。

由拟合结果(图2～图5)可知，抑花效果与外源植物生长调节剂浓度极显著相关、与施用激素时间显著相关，抑花率随药剂浓度增大和激素施用时间增加呈开口向下的抛物线轨迹。抑花率达到最大值之前，抑花效果随生长调节剂浓度增加和时间递增而上升；抑花率达到最大值之后，抑花效果随生长调节剂浓度增加和时间递增而下降。根据相关指数判断，YH1浓度可解释抑花效果变异的99.4%，GA3浓度可解释抑花效果变异的95.9%；YH1施用时间可解释抑花效果变异的68.7%，GA3施用时间可解释抑花效果变异的64.8%。经方程求导，YH1和GA3的最适浓度分别为6.51 g/L、111.4 mg/L，最适施用时间分别为6月1日、5月24日，抑花率分别可达74.13%和60.94%。

图2 不同浓度YH1对黑沙蒿的抑花效应

图3 不同浓度 GA3对黑沙蒿的抑花效应

图4 不同时间施用YH1对黑沙蒿抑花效果的影响

图5 不同时间施用GA3对黑沙蒿抑花效果的影响

2.3 抑花途径分析

由表2可知，YH1-5花蕾总数量和一级花序枝单位长度花蕾数量显著少于YH1-10，YH1-10又显著少于对照；YH1-5二级花序枝单位长度花蕾数量显著少于对照及YH1-10；一级花序枝长度和二级花序枝长度差异不显著；GA3-100花蕾总数量显著小于对照及GA3-200；一级和二级花序枝单位长度花蕾数量差异不显著，但GA3-100长度显著缩短。由此表明：YH1处理花蕾总数量、一级和二级花序枝单位长度花蕾数量减少，花序枝长度无显著差异，其主要抑花途径为花序枝单位长度花蕾数量减少；GA3处理花蕾总数量减少，一级和二级花序枝单位长度花蕾数量差异不显著，但长度缩短，其主要抑花途径是花序枝长度缩短；YH1和GA3处理都能减少花蕾数量，但抑花途径不同。

表2 生长调节剂对花序枝长度及花蕾数量的影响

2.4 植物生长调节剂对群落基本特征的影响

2.4.1 植物生长调节剂对沙蒿群落植株生长的影响

与对照相比，YH1-5处理黑沙蒿群落盖度和冠幅显著增大，分别增加24.6%和8%，株数、株高和标准单株生物量差异不显著；YH1-10处理黑沙蒿群落盖度显著增加22.3%，冠幅增加4.5%，差异不显著，株数、株高和标准单株生物量差异不显著；YH1处理平均冠幅和盖度分别增大6.25%、23.45%。GA3-100处理黑沙蒿群落盖度显著增加24.9%，冠幅减小0.78%，差异不显著，株数、株高和标准单株生物量差异不显著；GA3-200处理黑沙蒿群落盖度和冠幅显著增大17.1%和9.5%，株数、株高和标准单株生物量差异不显著；GA3处理平均盖度和冠幅增大20.95%和4.4%(表3)。由此表明：YH1-5和GA3-200处理黑沙蒿群落盖度和冠幅显著增大，株数、株高和标准单株生物量差异不显著；YH1-10和GA3-100处理黑沙蒿群落盖度显著增大，冠幅、株数、株高和标准单株生物量差异不显著；施用YH1和GA3并没有引起黑沙蒿群落的衰退和退化。

表3 生长调节剂对沙蒿群落数量特征的影响

2.4.2 植物生长调节剂对黑沙蒿群落相似性的影响

根据Jaccard相似性原理，当Jaccard指数为0～0.25时群落极不相似，0.25～0.50时群落中等不相似，0.50～0.75时群落中等相似，0.75～1时为极相似。施用植物生长调节剂效果最好的时间为6月，其它月份的试验中所有处理对群落相似性的影响没有统计学意义上的差异，故选用6月份的数据计算Jaccard指数q值。6个处理黑沙蒿群落的Jaccard指数q值都在0.75～1.00之间(表4)。由此表明所有处理黑沙蒿群落与对照群落极相似，物种组成、数量、 生物多样性和结构特征高度相似。

表4 生长调节剂对群落相似性的影响

2.4.3 植物生长调节剂对黑沙蒿群落生物多样性的影响

YH1-5处理Pielou指数、Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数均大于对照，表明与对照相比，YH1-5处理群落物种分布更均匀，物种数目更丰富，黑沙蒿优势度更明显、物种组成更复杂，更具有多样性；其重要值IV小于对照，可能是由于其它物种繁殖生长产生种间竞争，使黑沙蒿群落的地位和作用有所下降；YH1-5处理的5个指标与对照间差异不显著(表5)。同样，YH1-10和GA3各处理的这5个生物多样性指数都没有统计学上的差异。由此表明YH1和GA3处理对黑沙蒿群落的地位和作用、物种数目和丰富度、物种组成复杂程度、分布均匀程度都没有显著影响，说明物种多样性指数在施用YH1和GA3后没有明显变化。

表5 生长调节剂对生物多样性指数的影响

3 讨论与结论

3.1 讨论

开花是植物从营养生长到生殖生长的转折点，是内外因素综合作用的复杂过程，除受光、温、水、气等外在因素影响外，主要还是各种激素相互作用内在调节的结果，各激素相互协调保持某种平衡，花芽才能顺利分化和发育。花芽响应外界环境刺激和内源信号启动途径有光周期途径(photoperiod pathway)、春化途径(vernalization pathway)、自发途径(autonomous pathway)、赤霉素途径(Gibberellin pathway,GA pathway)等[10-11]。外源调节剂可以打破这种平衡，抑制沙蒿花芽分化和干扰成花过程，减少花蕾数量，从而降低空气中过敏花粉浓度，达到防止过敏性鼻炎的目的。乔占国等[13]用YH1、GA3、NAA(萘乙酸)、6-BA(6-苄氨基腺嘌呤)4种植物调节剂进行单因素对比试验，筛选出YH1和GA3两种有效开花抑制剂；王建红等[24]给杨柳树干注射YH1抑制飞絮，已应用于生产实践，主要是因为YH1抑制植株花芽的分化，使原应分化为花芽的分生组织分化为叶芽。本试验表明：YH1的抑花效应曲线呈开口向下的抛物线，随浓度增大先升后降，其中YH1-5抑花效应显著，抑花率达70.11%，再次验证了YH1抑制黑沙蒿花芽分化的有效性；经拟合求导，YH1浓度为6.51 g/L时，抑花率达74.13%；最适施用时间为6月1日左右。

自然条件下，花的发端主要受内源激素平衡的影响，其中赤霉素对开花的影响最明显[25-26]。有研究表明GA3促进植物开花[27-28]，Tomer等则得到了GA3抑制开花的结果，但品种不同，其效应大不相同[29-30]；刘永平等[10]认为GA3既能促进又能抑制花芽形成。本试验表明：GA3抑花效应曲线呈开口向下的抛物线，随浓度增加先升后降，其中GA3-100对沙蒿抑花作用明显，花蕾数量显著减少，抑花率60.33%；经拟合求导，GA3浓度为111.4 mg/L时，抑花率达60.94%。这与刘永平等[10]的结论一致，与Kane[27]、Tomer等[29]的研究结果不一致。这可能是植物调节剂对开花的影响是一个综合因素协调影响的复杂过程，不仅与调节剂的种类、浓度及植物的种类、生理状况等有关[31]，还因环境条件的不同而异[32]。GA3抑花作用明显，根据激素平衡说，植物成花受细胞分裂素与赤霉素含量比值的影响，即CTK/GA值高有利于成花，反之则抑制成花，外施GA3降低了CTK/GA值，从而抑制了沙蒿成花[33]。而根据安丽君等[14]的研究，可能是GA3抑制了成花关键基因PPLEAFYT和MADS6的正常表达，进而抑制了花诱导和下一步的正常分化，部分花芽转向叶芽所致。

GA的最大抑花效应是在芽发端的初期，在分化后的作用逐渐减弱[34]。根据拟合方程求导推断，5月24日左右施药效果应该最好，此时应该接近黑沙蒿芽发端初期，此结果有待于进一步研究验证。本试验抑花效果最佳为6月中旬，此时间处于黑沙蒿花芽分化期，接近YH1和GA3对沙蒿花芽抑制作用明显期，黑沙蒿花芽的响应比较明显，抑花效果显著，但毕竟晚于最佳时间，未能达到拟合方程最大值。

周学伍等[35]研究结果表明GA3除影响花芽外，未发现对叶芽萌发量及叶形带来不良作用。经调查，YH1和GA3处理显著影响了黑沙蒿花芽，抑花效果明显，试验区内所有植物物种都正常萌芽生长，叶色、叶形等均正常，这与他们的研究结果一致。试验结果表明：YH1抑花的主要方式是减小花序枝单位长度花蕾数量即减小花蕾密度，GA3抑花的主要方式是缩短花序枝长度，对沙蒿群落生长状况未发现不利影响——YH1-5处理沙蒿群落盖度和冠幅增加，YH1-10处理冠幅增大，GA3-100和GA3-200处理盖度增大，其它处理和指标如株数和株高与对照差异不显著。李兴军等[36]以“荸荠种”杨梅(Myricarubra)为材料的研究结果显示花芽孕育期间喷布GA3可以抑制梢尖苯丙氨酸解氨酶、多酚氧化酶及过氧化物酶的活性,促进新梢生长导致叶片内木质素合成延缓，抑制花芽发端和降低成花率，也就是说GA3通过促进营养梢伸长而影响花芽孕育[37-38]。他们的研究结果也支持本项试验结果。经调查分析，两种植物调节剂对黑沙蒿群落生物量和生物多样性指标的重要值、Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou指数的影响都没有统计学差异，群落相似性系数q值在0.75～1.00之间，处理群落与对照群落极相似。说明施用两种植物调节剂对黑沙蒿群落的地位和作用、物种数目和丰富度及分布均匀程度没有显著影响，处理与对照群落相似性高，不会引起沙蒿群落的衰退和退化，可以作为抑制黑沙蒿开花的速效应急手段。

过敏性疾病大多通过医疗手段控制，费用昂贵，经常反复。植物调节剂抑制过敏植物开花速效控制过敏，但不引起群落退化，或许是过敏性疾病的速效控制途径，但这方面的研究报道很少。本研究采用2020年单因素对比试验筛选出的两种植物生长调节剂，在野外进行单因素回归试验，确定其最适施用浓度和时间，并用生态学的方法调查分析对其群落的影响，为黑沙蒿过敏严重时提供速效应急措施。考虑到经济成本和二次污染等问题，还应深入研究经济成本更低、更为环保友好的替代品。

3.2 结论

外施植物调节剂YH1和GA3对黑沙蒿当年花芽分化有不同程度的抑制效应，其效果随施用浓度增加和时间递增先升后降，呈开口向下的抛物线；YH1的主要抑花方式为花序枝单位长度花蕾数量减少，GA3的主要抑花方式是花序枝长度变短；其中YH1和GA3浓度分别为5 g/L和100 mg/L时抑花效果最好，抑花率为70.11%和60.33%；YH1最适施用时间在6月1日左右，GA3最适施用时间在5月24日左右。YH1-5和GA3-200处理组的黑沙蒿群落盖度和冠幅显著增大，YH1-10和GA3-100处理黑沙蒿群落盖度显著增大，株数、株高和生物量差异均不显著；黑沙蒿群落生物多样性指标Margalef指数、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou指数及重要值都没有统计学差异，群落相似性系数q在0.75～1之间，不同处理群落间极相似。表明YH1和GA3能有效抑制黑沙蒿当年花芽分化，但不会导致黑沙蒿群落衰退，可以作为抑制黑沙蒿开花的速效应急手段。