3 种看麦娘属杂草的种子萌发及出苗特性

徐洪乐，吴希宝，梁少奇，孙兰兰，薛 飞，苏旺苍，吴仁海

（1. 河南省农业科学院植物保护研究所, 河南 郑州 450002；2. 山东省农药科学研究院, 山东 济南 250033；3. 南京农业大学植物保护学院, 江苏 南京 210095）

杂草占据作物的生存空间，与作物争夺光照和养分，同时藏匿多种病虫害，严重影响作物的产量和品质。杂草只有成功在农田中萌发和出苗，才能为其造成危害和繁殖打下基础，因此明确杂草的萌发和出苗特性对于杂草防除具有重要意义[1]。影响杂草萌发、出苗的外界环境因素主要有温度、光照、盐分、水势以及埋土深度等[2]。温度和光照是直接影响萌发的关键因素，不同种类杂草之间的适宜萌发温度及光照范围往往不同，从而导致同一时期田间杂草发生种类有所差异[3]。土壤过高的盐分含量以及极端的水势条件势必会减少部分种类杂草种子的萌发，而能够耐受这些极端条件的种群则可以继续生长并危害。因此，不同的盐分和水势同样会影响杂草种群在田间的分布和扩展[4]。埋土深度是萌发种子成功出苗的决定性因素，不同的耕作方式会导致杂草种子处于不同深度的土层，从而导致出苗率不同。

看麦娘(Alopecurus aequalis)、日本看麦娘(A.japonicus)、大穗看麦娘(A. myosuroides)是看麦娘属一年生或多年生草本，目前已成为我国农田危害最为严重的杂草。看麦娘和日本看麦娘在我国分布范围较广，尤其在秦岭淮河流域以南稻茬麦田和油菜(Brassica napus)田发生严重[5-6]。大穗看麦娘近年来在我国冬小麦(Triticum aestivum)种植区快速蔓延，山东、河南、天津、河北、安徽和陕西等地均发现有危害加重趋势[7]。尽管看麦娘属3 种杂草具有诸多相似之处，但是这3 种杂草在我国农田的发生危害的范围和程度存在差异，这3 种杂草的种子萌发和出苗特性也不甚清楚。本研究采用培养皿法和盆钵法，研究看麦娘属3 种杂草种子在不同温度、水势、盐分和埋土深度下的萌发和出苗特性，全面系统地比较3 种杂草在不同环境条件中萌发和出苗的差异，为3 种杂草的田间预测预报和综合防治提供理论依据和实践指导。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试种子：看麦娘和日本看麦娘种子2020 年5 月19 日采集于河南省信阳市平桥区枹树塆小麦田(32°06′30.46″ N, 39°54′59.50″ E)。大穗看麦娘种子采集于2020 年5 月21 日河南省漯河市临颍县郝路口村小麦田(33°48′31.34″ N, 113°51′16.55″ E)。杂草种子均自然成熟，采集后自然风干，室温干燥保存。

1.2 试验方法

1.2.1萌发试验

采用培养皿法进行萌发试验。选取大小均匀一致的杂草种子置于垫有两层滤纸的直径9 cm 玻璃培养皿中，每皿移取5 mL 蒸馏水或测试液。除温度对萌发的影响研究外，其余均放在温度为20 ℃/10 ℃，光照强度为100 μmol·(m2·s)-1，光照时间为12 h (光照)/12 h (黑暗)的培养箱中培养。自试验开始，每隔2 d 统计萌发数并将萌发种子移除，直至萌发数不再变化。胚根长度大于2 mm 时视为萌发。每处理4 次重复，试验重复两次。

1.2.2不同温度对3 种杂草种子萌发的影响

本研究设恒温和变温两种试验条件，其中恒温条件温度分别设置为5、10、20、30 和40 ℃；变温条件黑暗/光照温度分别设置为5 ℃/15 ℃、10 ℃/20 ℃、15 ℃/25 ℃、20 ℃/30 ℃和25 ℃/35 ℃。每个培养皿中放置20 粒种子。

1.2.3 不同水势对3 种杂草种子萌发的影响

将种子置于水势分别为-0.1、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0、-1.2、-1.4、-1.6 MPa 的聚乙二醇8000(polyethylene glycol, PEG 8000)水溶液中，浓度与水势换算参照参考文献[8]。以蒸馏水为对照，其他条件不变。每个培养皿中放置20 粒种子。

1.2.4 不同盐分对3 种杂草种子萌发的影响

使用氯化钠(NaCl)溶液进行盐胁迫试验，浓度设计为0、50、100、200、300、400 mmol·L-1，其他条件不变。每个培养皿中放置25 粒种子。

1.2.5 不同埋土深度对3 种杂草出苗的影响

采用盆钵法。设置6 个播种深度，即0、1、2、4、6、8 cm。先在盆钵底部放入营养土，使其达到预计高度，并且保证土壤吸水饱满，防止土层高度下降。播种覆土后底部吸水使土壤水分充分饱和。将盆钵置于盘子中，随机分布，且保持盘中水层1 cm 左右。其中0 cm 处理的盆钵表面每天用喷壶雾化喷施清水一次，防止土壤表层过干影响出苗。所有盆钵置于20 ℃/10 ℃、12 h/12 h (光照/黑暗)的光照培养箱中培养。幼芽露出土面1 mm 视为出苗，每2 d 统计一次，连续统计28 d。每个盆钵中放置25 粒种子。

1.3 数据分析

使用Excel 软件进行数据汇总计算，使用Sigmaplot 软件对种子萌发、出苗过程以及盐胁迫、水势胁迫下的萌发状况进行非线性拟合，使用SPSS 软件对统计量进行显著性分析(LSD 法检验，P＜ 0.05 水平)。

式中：E为在时间x时的累积萌发或出苗率(%)，a为最大萌发或出苗率(%)，t50为达到最终萌发或出苗50%时的时间，b为方程在t50时的斜率。

平均萌发(出苗) 时间(mean germination time,MGT; mean emergence time, MET)和萌发(出苗)指数(germination index, GI; emergence index, EI)计算公式如下：

式中：Ni为在时间Di天时的种子萌发或出苗数。

盐胁迫和水势胁迫对种子萌发率的影响非线性拟合公式为：G=Gmax/[1 + (x/x50)g]。式中：G为在NaCl 浓度或水势x时的最终萌发率(%)，Gmax为最大萌发率(%)，x50为达到最大萌发率50%时的NaCl浓度或水势，g为方程斜率。

2 结果

2.1 不同温度对3 种杂草种子萌发的影响

由恒温对3 种看麦娘属杂草种子萌发影响试验结果可以看出(表1、图1)，三者在10 ℃条件下均有80%以上的萌发率且相互之间无显著差异(P＞ 0.05)，但大穗看麦娘的萌发时间(t50和MGT)明显长于看麦娘和日本看麦娘。当温度降低至恒温5 ℃时，三者最终萌发率均有所降低，但日本看麦娘萌发率大于80% 且显著高于看麦娘和大穗看麦娘(P＜0.05)，而三者的萌发时间为看麦娘 ＞ 日本看麦娘 ＞大穗看麦娘。当温度上升至恒温20 ℃时，看麦娘和日本看麦娘的最终萌发率基本不变，大穗看麦娘则有所降低并显著低于日本看麦娘(P＜ 0.05)，同时其平均萌发时间也显著长于日本看麦娘。恒温30 ℃时，日本看麦娘和大穗看麦娘最终萌发率降低到40%以下，而看麦娘则不再萌发，此时大穗看麦娘t50显著短于日本看麦娘。温度达到恒温40 ℃时，三者均无法正常萌发。萌发指数的计算结果表明(表1)，相比于看麦娘和大穗看麦娘，日本看麦娘在恒温10～20 ℃条件下均拥有较高的萌发活力。

图1 不同恒温处理3 种看麦娘属杂草种子的最终萌发率Figure 1 Effect of constant temperature on the germination of Alopecurus seeds

由变温对3 种看麦娘属杂草的种子萌发影响试验结果可以看出(表1、图2)，在5 ℃/15 ℃时看麦娘和日本看麦娘的最终萌发率近100%，而大穗看麦仅为76.75%，显著低于前两者(P＜ 0.05)；5 ℃/15 ℃时大穗看麦娘的萌发时间(t50) 同样低于两者并同看麦娘呈现显著差异(P＜ 0.05)。温度上升至10 ℃/20 ℃时，大穗看麦娘最终萌发率有所上升但依旧显著低于看麦娘和日本看麦娘，此条件下三者萌发时间无显著差异(P＞ 0.05)。温度上升至15 ℃/25 ℃时，三者最终萌发率均为90%以上且无显著差异(P＞0.05)，但大穗看麦娘的平均萌发时间则显著长于看麦娘(P＜ 0.05)。温度达到20 ℃/30 ℃时，日本看麦娘和大穗看麦娘最终萌发率仍在90%以上，而看麦娘则降低至80%以下，萌发时间也显著长于前两者(P＜ 0.05)。在最高温25 ℃/35 ℃条件下，看麦娘不再萌发，日本看麦娘萌发率显著低于大穗看麦娘(P＜0.05)，表明大穗看麦娘在高温下的萌发能力强于另外两种杂草。萌发指数的计算结果也反映出了类似趋势，最高温时大穗看麦娘的萌发指数显著高于日本看麦娘(P＜ 0.05)。

图2 不同变温处理3 种看麦娘属杂草种子的最终萌发率Figure 2 Effect of fluctuating temperature on the germination of Alopecurus seeds

表1 不同温度对3 种看麦娘属杂草种子萌发的影响Table 1 Effect of temperature on time to 50% of the final seed germination, mean germination time,and germination index of Alopecurus

2.2 不同水势对3 种杂草种子萌发的影响

不同水势对3 种看麦娘属杂草种子萌发影响的试验结果(图3)可知，伴随水势的不断降低，3 种杂草种子的最终萌发率均出现降低趋势，在-1.0 MPa时接近于0。当水势降低至-0.8 MPa 时，日本看麦娘的最终萌发率出现明显下降，而看麦娘和大穗看麦娘则在-0.6 MPa 时就已出现明显下降。将不同水势下看麦娘、日本看麦娘、大穗看麦娘的最终萌发率进行非线性拟合，得出抑制最大萌发率50%的水势分别为-0.63、-0.76 和-0.62 MPa，表明看麦娘和大穗看麦娘对水势降低的耐受能力基本相同，而日本看麦娘萌发时则能够承受更低的水势胁迫。伴随着水势的降低，三者的t50和MGT 均呈现上升趋势，GI 则呈现降低趋势(表2)。尽管在部分条件下看麦娘和大穗看麦娘的萌发时间要短于日本看麦娘，但在较低水势条件(-0.4、-0.6、-0.8 MPa)时，日本看麦娘的萌发指数仍明显高于看麦娘和大穗看麦娘，充分说明日本看麦娘在萌发时更能够耐受较低水势。

表2 不同水势对3 种看麦娘属杂草种子萌发的影响Table 2 Effect of osmotic potential on time to 50% of the final seed germination, mean germination time,and germination index of Alopecurus

图3 水势对3 种看麦娘属杂草萌发的影响Figure 3 Effect of osmotic potential on the germination of Alopecurus seeds

2.3 不同盐分对3 种杂草种子萌发的影响

不同盐分对3 种看麦娘属杂草种子萌发影响的试验结果(图4) 可知，伴随NaCl 浓度的不断升高，3 种杂草种子的最终萌发率均呈现出降低趋势，在300 mmol·L-1时看麦娘不再萌发，日本看麦娘和大穗看麦娘则在400 mmol·L-1时不再萌发。将不同NaCl 浓度下看麦娘、日本看麦娘、大穗看麦娘的最终萌发率进行非线性拟合，得出抑制最大萌发率50% 的浓度分别为205.80、263.16 和240.35 mmol·L-1。综合各个浓度下3 种杂草的最终萌发率可以得出，日本看麦娘和大穗看麦娘萌发时对盐胁迫的耐受能力明显强于看麦娘。3 种杂草的t50和MGT 结果表明， NaCl 浓度的提高明显延长了3 种杂草萌发的时间(表3)，特别是NaCl 浓度≥200 mmol·L-1时，3 种杂草萌发时间升高较大。由3 种杂草的GI 数据可知，看麦娘在低于300 mmol·L-1时具有同日本看麦娘和大穗看麦娘相近的萌发指数，表明其在低于300 mmol·L-1条件下时仍具有较高的萌发活力(表3)。

图4 NaCl 浓度对3 种看麦娘属杂草种子萌发的影响Figure 4 Effect of NaCl concentration on the germination of Alopecurus seeds

表3 不同盐分对3 种看麦娘属杂草种子萌发的影响Table 3 Effect of NaCl concentration on 50% of the final seed germination, mean germination time and germination index of Alopecurus

2.4 不同埋土深度对3 种杂草出苗的影响

不同埋土深度对3 种看麦娘属杂草种子出苗影响的试验结果(图5) 可知，伴随埋土深度的提高，3 种杂草的出苗率均呈现降低趋势，其中看麦娘降低趋势最为明显，在土埋深度为4 cm 条件下已没有种子能够出苗。对三者的最终出苗率进行非线性拟合可以得出，抑制看麦娘、日本看麦娘和大穗看麦娘出苗50%的埋土深度分别为2.27、9.26 和8.17 cm，表明日本看麦娘和大穗看麦娘出苗能力明显高于看麦娘。3 种杂草的t50和MGT 结果表明，看麦娘在不同处理的出苗时间显著长于日本看麦娘和大穗看麦娘；而在覆土条件下，日本看麦娘平均出苗时间均显著短于大穗看麦娘，表明日本看麦娘出苗最快(表4)。EI 的计算结果表明，在覆土条件下日本看麦娘出苗指数明显高于其他两种杂草，说明其出苗能力最强(表4)。

表4 不同埋土深度对3 种看麦娘属杂草种子出苗的影响Table 4 Effect of burial depth concentration on 50% of the final seed emergence, mean emergence time,and emergence index of Alopecurus

图5 埋土深度对3 种看麦娘属杂草种子出苗的影响Figure 5 Effect of burial depth on the emergence of Alopecurus seeds

3 讨论与结论

本研究中日本看麦娘在各个条件下均具有较高的萌发和出苗活力，表明其种子对各种环境条件具有广泛的适应性，这为日本看麦娘在田间传播奠定了良好的基础。这与前人的研究结果一致，即日本看麦娘能够在很广的温度范围、湿度范围及较深的埋土深度下成功萌发及出苗[9-10]。目前，日本看麦娘主要在秦岭淮河流域以南以及长江中下游地区分布危害，该地区年平均温度17 ℃左右，温度适宜日本看麦娘萌发，这与本研究表明的日本看麦娘在恒温5 ℃～30 ℃，变温5 ℃/15 ℃～25 ℃/35 ℃均可萌发相符[11-12]。看麦娘和日本看麦娘在我国的分布区域较为一致，但是据研究表明日本看麦娘在小麦田等作物田的危害更为严重，在农田中的发生频度和综合优势度均更高[13-15]，这可能与日本看麦娘具有较高的萌发和出苗活力有重要关系。日本看麦娘不仅危害严重，同时也对多种除草剂产生了抗药性，已成为小麦等作物田杂草防除的难题[16-17]。因此，鉴于日本看麦娘较强的适应能力以及当前的发生危害情况，应当作为农田杂草中的重点监测对象，并积极采取综合防治措施对其进行治理。

大穗看麦娘在冬小麦田中具有极强的竞争能力，能够充分利用自身生长优势抢占生存空间并造成小麦大量减产，近几年在山东、河南、河北等地的部分田块接连发生[18-19]。大穗看麦娘田间种群的建立，尤其是萌发和出苗过程同外界环境条件密切相关，温度、水分等均是制约其萌发的关键因素[20-21]。本研究表明，大穗看麦娘在恒温5～30 ℃，变 温5 ℃/15 ℃～25 ℃/35 ℃，水 势-0.1～1.0 MPa，盐 分0～300 mmol·L-1，埋 土 深 度0～8 cm 均 可 萌发，该结果与Colbach 等[21-22]的结果一致，即大穗看麦娘具有较高的萌发适应性。相比于另外两种看麦娘属杂草，大穗看麦娘在低温条件下萌发率有所降低，但在高温时仍表现出较高的萌发活力，这将会成为其未来在气候温度较高地区扩张的优势之一。在水势、盐分及埋土深度方面，大穗看麦娘的萌发和出苗能力均稍弱于日本看麦娘，但实际田间条件完全在其正常萌发或出苗的环境条件范围之内，即大穗看麦娘现有的种子活力完全能够适应田间绝大多数环境。大穗看麦娘在欧洲多个国家发生分布，并且对小麦生产造成了严重的危害[23-26]。研究表明，黄淮海区域暴发的大穗看麦娘已经对多种除草剂产生抗性，而存在多种基因突变的抗性种群也未产生萌发及出苗的适合度代价，依然能够在田间正常生长繁殖[27-29]，这些都与其较强的萌发出苗能力密不可分。鉴于大穗看麦娘种子较强的萌发和出苗能力以及抗药性的发生现状，如不及时进行有效防控，该杂草会在我国冬小麦种植区继续扩展危害，甚至会成为同日本看麦娘一样危害严重的恶性杂草。

看麦娘是河南、江苏、山东等小麦主产区的常见恶性杂草，20 世纪70 年代就已开始对其田间发生规律和综合防控进行研究[30]。近年来，伴随着看麦娘在农田的危害加剧，人们越来越重视从生物学特性角度入手对其进行综合防控[31-32]。以往对看麦娘萌发和出苗特性的研究只涉及到温度、光照等环境条件[33-34]；而田间环境复杂多样，针对其在不同水分、盐分条件下的萌发特性研究是十分必要的。本研究结果表明，看麦娘能够萌发的温度范围较另外两种杂草稍小，尤其是在30 ℃左右的高温下便已不再萌发，与前人研究结果一致。此外，看麦娘萌发对盐分的耐受能力、能够成功出苗的埋土深度范围均显著小于日本看麦娘和大穗看麦娘，其原因可能为看麦娘种子较小，储存营养物质偏少使其不足以对抗较为恶劣的萌发出苗环境。看麦娘的萌发及出苗能力要弱于日本看麦娘和大穗看麦娘，其在田间扩展会受到一定限制。看麦娘种子在埋土深度大于4 cm 即不可萌发，因此田间防除看麦娘可采用土壤翻耕、秸秆覆盖等措施，使看麦娘处于4 cm 以下土层，从而降低看麦娘种子成功出苗数量，减少看麦娘的危害[35]。

3 种看麦娘属杂草种子对温度、水势、盐分及种子所处土层深度均具有较强的适应能力，但整体上日本看麦娘和大穗看麦娘强于看麦娘。长期以来，日本看麦娘和看麦娘均为我国农田危害较为严重的杂草，本研究结果表明日本看麦娘种子萌发和出苗特性强于看麦娘，这从一定层面上解释了两种杂草的危害程度差异。近年来，大穗看麦娘逐渐在我国扩散危害，鉴于其较强的种子萌发及出苗能力，未来可能成为与日本看麦娘同样危害严重的农田恶性杂草。为避免看麦娘、日本看麦娘、大穗看麦娘进一步危害加剧，应加强对3 种杂草的监测，进一步明确其发生危害特性，采用多种措施对其进行综合防治。