环境因子对苋菜种子萌发特征的影响

贾风勤 邓 利 兰健花 黎良财

（广西生态工程职业技术学院，广西 柳州 545004）

寻找可持续的经营措施以实现人工林生态系统在获取经济效益的同时又发挥其固碳释氧、调节气候环境等生态效益的目标，是当前人工林经营管理的主要任务。广西是我国桉树（Eucalyptusspp.）和杉木（Cunninghamialanceolata）主要生产区，长期以来，桉树和杉木人工林普遍存在种植面积大、树种单一、多代连栽、大面积皆伐等粗放经营方式，在很大程度上严重影响着人工林生态系统物质循环和能量流动，表现出生物量下降、土壤养分亏缺、物种多样性减少、抵御气候灾害能力减弱等特点[1]。林下经济产业是“循环经济产业”的重要体现，林下种养殖模式如林畜（如林下养猪、养牛）[2-3]、林禽（如林下养鸡、养鹌鹑等）、林药（桉树+ 鸡骨草[4]、杉木+ 草豆蔻（Alpiniakatsumadai）[5]模式）等使人工林所产生的负面效应得到缓解和初步改善，为提高人工林地综合产出率、助推林业发展转型提供了思路和方法。林下养殖为动物生长提供良好生长环境，也为树木提供氨等肥料，可创造更多经济和生态效益。但人工林下可供家畜采食的草本植物还是相当有限的[6]，种植草本植物时，在考虑适地适草、家禽喜食性、营养成分的同时，还需充分考虑草本植物对环境的适应能力，因此，筛选适宜在桉树、杉木林下生长且家禽喜食的饲料植物尤为重要。

苋菜（Amaranthustricolor）为苋科苋属1年生草本植物，多见于农田、路边等生境。苋菜籽粒中富含粗脂肪，可增强动物免疫力，茎、叶富含纤维及丰富的易于吸收的钙、铁等元素，适口性好[7-8]。苋菜以种子进行繁殖，每株结籽数量可达数千粒至上万粒，在野外调查中观察到在广西1月尚有大量植株处于籽实成熟期，种子可在整个春季和盛夏萌发，在生长过程中对土壤氮磷淋失的阻控效果好，可通过C4植物独特光合过程保证其在低CO2浓度下仍可进行光合作用，实现物质积累[9]，可通过提高叶绿素（Chl a+Chl b）含量、降低Chl a/Chl b比值等适应弱光环境[10]，从而保证了苋菜能够很好地适应变化频繁的环境。本研究通过开展苋菜种子萌发对环境改变的响应研究，以期为发展林下养殖提供优质饲料植物、合理开发优质苋属植物资源和增加人工林下物种多样性，为维持林地长期生产力和维护生态系统稳定性提供参考。

1 材料与方法

1.1 植物材料

2021年12月下旬于广西生态工程职业技术学院校园附近农田收集新成熟的苋菜种子，种子自然风干、去杂。为能准确分析室温干藏对种子萌发的影响，在种子收集后10 d内进行萌发试验。柠 檬 桉（Eucalyptuscitriodora）和 杉 木新鲜叶片于2021年12月采自广西生态工程职业技术学院校园，收集新鲜叶片阴干，剪碎后备用。

1.2 处理

1.2.1 鲜叶浸提液试验

参照李善魁等[11]的方法，取阴干、剪碎后的各树种鲜叶50 g分别置于500 mL蒸馏水中，搅拌均匀，置于摇床上震荡48 h后，用2层纱布过滤后再经2层中速滤纸过滤，得干物质含量为0.1 g/mL的母液。将此母液用蒸馏水稀释配制成干物质含量分别为0.01、0.005 g/mL的溶液用于试验处理，以蒸馏水处理为对照（CK）。

1.2.2 贮藏试验

室温干藏处理：将每50粒种子装入1个10 cm ×10 cm纸袋内，置于23℃室温条件下干燥贮藏；冷层积处理：将种子均匀放置铺有2层滤纸的9 cm培养皿中，种子数量为50粒/皿，加入5 mL蒸馏水使种子处于浸湿状态，置于4℃冰箱；室外埋藏处理：每50粒种子装入1个10 cm ×10 cm的布袋中（种子袋），在苗木种植试验地内选取平整、地面无植被的地块作为种子埋藏点，在种子埋藏点埋入备好的种子袋，埋深约2 cm，做好标记，种子袋间距离约15 cm。所有处理下的种子每7 d取1次，第28天取完。

1.2.3 pH试验

参照严文斌等[12]的方法，先将浓H2SO4和浓HNO3按照摩尔比为4∶1配制出母液，然后添加蒸馏水调节得到pH值为3.0、3.5、4.0和4.5的4个处理水平pH缓冲液，进行种子萌发试验，以蒸馏水处理为对照（CK）。

所有种子萌发试验于2022年1月初进行，将苋菜种子置于直径为9 cm、铺有双层滤纸的培养皿中进行萌发试验，所有试验均在温度30℃/25℃，光周期为12 h光照/12 h黑暗人工气候箱中进行。每个处理水平均设5次重复，每次重复种子数均为50粒。

1.3 种子萌发指标

从置种之日开始，以胚根突破种皮1 mm为发芽标准，每天统计发芽种子数，第10天结束试验。试验期间根据需要补充对应浓度浸提液、相应pH值溶液和蒸馏水。本试验测定的种子萌发指标包括发芽率、发芽势、发芽指数和日萌发率，具体计算公式为：

式中：Gt为第t天萌发的种子数，Dt为对应的发芽天数。Wt+1为第t +1天的种子萌发数，Wt为第t天的种子萌发数，N为种子萌发总数[13]。

1.4 数据处理

用Excel 2010进行数据基本计算并绘图，通过SPSS 16.0（one-way ANOVA）对同一树种不同浓度鲜叶浸提液、同一贮藏方式不同贮藏时间和不同pH溶液进行种子萌发各指标的方差分析，以Duncan's方差分析法进行差异显著性分析，显著性水平为0.05（ɑ= 0.05），拟合鲜叶浸提液浓度和种子最终萌发率的回归模型。

2 结果与分析

2.1 不同树种鲜叶水浸提液对种子萌发的影响

苋菜种子发芽率、发芽势和发芽指数对各树种不同浓度鲜叶浸提液的响应差异较大（表1）。与对照相比，柠檬桉浸提液对苋菜种子的所有发芽指标均有显著抑制作用（P＜0.05）（除0.005 g/mL 处理下的发芽率），且浸提液浓度越高抑制作用越强；当浸提液浓度为0.005 g/mL时，种子发芽势和发芽指数与CK相比显著降低了36.15%和21.77%，在浓度为0.1 g/mL时种子萌发几乎完全受到抑制，且3个发芽指标均达到最低值，发芽率和发芽指数仅为2.00%和0.10，发芽势几乎为0；对苋菜种子萌发率（y）与浸提液浓度（x）间相关性进行回归分析发现，两者间存在极显著的线性关系（P＜0.01），回归方程为y=93.13-914.87x（R2=0.996），根据该模型，种子萌发率为0时柠檬桉浸提液浓度为0.102 g/mL，与本试验浓度0.1 g/mL的结果非常接近，也由此回归方程可知，浸提液浓度小于0.047 g/mL时将有超过50%苋菜种子能够萌发。杉木浸提液对种子萌发没有显著影响，不同浓度处理下种子发芽率均大于95.00%，所有发芽指标与对照相比均无显著差异。尽管2个树种鲜叶浸提液不同程度影响着苋菜种子萌发，但苋菜种子最终萌发率均超过80%（除0.1 g/mL柠檬桉浸提液处理）。

表1 苋菜种子在不同树种鲜叶浸提液处理下的发芽指标Table 1 Germination indicators of A.tricolor under different fresh leaf extract concentration

2.2 不同贮藏方式对种子萌发的影响

从发芽率来看，与对照相比，室外埋藏和冷层积2种贮藏方式下贮藏14 d处理能促进种子萌发，贮藏21 d对种子萌发的促进作用达到最高，而短时间（7 d）和长时间（28 d）均对苋菜种子萌发有抑制作用；室内干藏处理下种子萌发率随贮藏时间增加，萌发率呈增加趋势，贮藏28 d种子萌发率达最高为99.62%。室外埋藏的4个贮藏时间处理与对照间差异不显著；冷层积处理7 d的苋菜种子萌发率显著低于处理14 d和21 d的种子（P＜ 0.05），萌发率分别降低了4.80%和5.15%，与对照和其余2个处理间无显著差异；室内干藏28 d的种子萌发率最高，贮藏7 d种子的萌发率最低为91.02%，且该处理下种子萌发率与其余各处理间存在显著差异（P＜0.05）（图1）。

从发芽势来看，与对照相比，室外埋藏、冷层积和室内干藏处理能提高种子发芽势（除冷层积和室内干藏7 d处理），有利于种子快速而整齐地萌发，其中对种子发芽势提高程度最大的贮藏时间为14 d。各贮藏方式处理下，贮藏14、21、28 d处理的种子发芽势显著高于贮藏7 d和CK种子，但3个贮藏时间处理之间差异不显著（图1）。

图1 苋菜种子在不同贮藏方式下的发芽指标Fig.1 Germination indicators of A.tricolor under different storagemethods

对发芽指数进行分析，与对照相比，各贮藏方式下4个贮藏时间处理对苋菜种子发芽指数均有不同程度的促进作用（除冷层积7 d处理），对种子发芽指数促进作用由强及弱的顺序为贮藏14 d＞贮藏28 d＞贮藏21 d＞贮藏7 d。室外埋藏中埋藏14 d种子发芽指数显著高于埋藏21 d和28 d，埋藏7 d和对照处理种子发芽指数显著低于贮藏21 d和28 d处理（P＜ 0.05）；冷层积处理下，层积14 d和28 d种子发芽指数较层积21 d有显著提高，而层积7 d和对照处理种子发芽指数较层21 d呈显著下降（P＜0.05）；室内干藏处理下，从新鲜种子到贮藏28 d的5个时间的种子发芽指数依次为20.81、18.21、39.04、26.89和36.08，其中贮藏14、28、21 d的种子发芽指数间差异显著，且均显著高于贮藏7 d和对照（P＜ 0.05）（图1）。

2.3 不同p H值对种子萌发的影响

苋菜在pH 3.0～4.5处理下，种子发芽率均高于97.00%，且发芽率总体上随酸性增强（pH值降低）而升高（图2），各处理与对照间差异不显著。种子在pH为3.0、3.5、4.0和4.5时的发芽率较对照（发芽率为96.57%）分别增加了1.46%、0.74%、1.48%和1.53%。种子发芽势在pH为3.0和3.5时与对照间差异达到显著水平，发芽势分别为88.09%和85.82%，较CK增加了24.83%和21.61%；pH为4.0和4.5时，发芽势略有降低，但与对照相比无显著差异。随着溶液酸性逐渐增强，苋菜种子的发芽指数逐渐增加，当pH为3.0时，种子发芽指数最高为24.38（P＜0.05）。

图2 苋菜种子在不同p H处理下的发芽指标Fig.2 Germination indicators of A.tricolor under different pH values

2.4 不同处理对种子萌发进程的影响

由图3可知，通过对苋菜种子日萌发动态观测发现，2种经济树种鲜叶浸提液处理中，苋菜种子在置种后第2天即有超过50%的种子萌发（除0.01 g/mL和0.1 g/mL柠檬桉鲜叶浸提液处理），第3天种子萌发的数量急剧下降，第6天后萌发基本趋于稳定；其中，0.1 g/mL柠檬桉浸提液造成苋菜种子延迟萌发至置种后第10天，且仅有极少量种子萌发。不同贮藏处理中，3种贮藏方式下，贮藏14 d和28 d使种子初始萌发时间提前了1 d，且置种后第1天即达到日萌发高峰期，均有超过50%的种子萌发，置种后第4天萌发基本结束；贮藏21 d同样使种子萌发初始时间提前至置种后第1天，但种子日萌发高峰期出现在置种后第2天，萌发持续至第8天。贮藏7 d的种子与对照处理种子均在置种后第2天开始萌发，且达到日萌发率最高值，置种后第5天萌发趋于结束。不同pH处理中，种子日萌发高峰期与鲜叶浸提液相一致，但初始萌发时间和发芽结束时间均有所变化；其中，所有pH处理下，置种后第1天即观察到苋菜种子萌发，但萌发数量很少，在置种后第5天种子萌发基本结束；同时，pH为3.0～4.0处理能显著增加置种后第2天发芽种子数。

图3 不同处理下苋菜种子萌发进程Fig.3 Germination processof of A.tricolor under different treatments

3 结论和讨论

苋菜种子在柠檬桉和杉木鲜叶浸提液处理下均能正常萌发（除0.1 g/mL柠檬桉鲜叶浸提液），发芽率超过80.00%；在不同贮藏处理下苋菜种子各发芽指标均较高，贮藏14 d和28 d更有利于种子萌发；苋菜种子具有较宽的pH耐受范围，酸性增强有利于种子快速、整齐和较早地萌发；在各树种鲜叶浸提液处理下，苋菜种子在置种后第2天开始萌发并达到萌发高峰；在不同pH处理下，置种后第1天种子即萌发，萌发高峰期在置种后第2天出现；3种贮藏处理下，贮藏14、21 、28 d种子初始萌发时间为置种后第1天，其中贮藏14、28 d种子日萌发高峰期为置种后第1天，贮藏21 d种子日萌发高峰期为置种后第2天，贮藏7 d的种子在置种后第2天开始萌发且达日萌发高峰期。苋菜种子萌发具有对柠檬桉、杉木化感作用不敏感、高酸性环境下高萌发以及耐贮藏的特点，可考虑用作发展林下种养殖的饲料植物进行播种。

化感作用是自然界中普遍存在的一种现象，化感作用研究涉及多个领域如杂草防治、生物多样性维持等，如利用杉木粉能有效去除两种赤潮藻，对控制赤潮有一定应用前景[14]，李欣欣等[15]研究发现毛竹根际土浸提液能促进杉木种子萌发，为毛竹和杉木混交林大面积种植提供科学依据。普遍存在于树枝、树皮和叶片等植物器官中的水溶性化感化合物可通过淋洗、植物残体分解等方式释放到周围环境中，直接对自身或其他植物种子萌发、幼苗生长等起到抑制作用。有研究表明，尾巨桉（E. urophylla×E. grandis）叶片水浸提液在较高浓度（0.1 g/mL）时使枫香和火力楠种子发芽率显著下降[16]；柠檬桉鲜叶中的萜烯类物质可抑制兵豆属植物种子萌发[17]；本试验结果表明，柠檬桉鲜叶浸提液造成苋菜种子发芽率显著降低，但仍有超过80.00%的种子可以萌发（除0.1 g/mL柠檬桉浸提液），这与曹潘荣等[18]通过对柠檬桉鲜叶水浸提液对农作物如萝卜、水稻，农田杂草如马唐（Digitariasanguinalis）、狗尾草（Setariaviridis）和入侵植物如三叶鬼针草（Bidens pilosa）等种子萌发都有显著抑制作用的结论相一致。杉木凋落物、鲜叶、根系水浸提液中含有香草醛、阿魏酸等化感物质，对植物作用的基本特征是抑制种子萌发[19]，本研究结果显示，杉木鲜叶水浸提液对苋菜种子萌发的抑制作用非常微弱，整体表现为促进作用，所有浓度处理下均有95%以上的种子可萌发，这与马祥庆等[20]对杉木人工林自毒作用的研究结论也有较大差异，也表明苋菜种子在萌发过程中对杉木释放的化感物质不敏感。本试验表明苋菜在2个树种鲜叶浸提液处理下能正常萌发，对化感物质有较高的耐受性，可在维持林下物种多样性方面发挥一定作用。

水浸提法是研究植物化感作用的常用方法，水浸提液浓度的高低是化感作用对植物种子萌发影响的关键数量指标[21]，化感物质对种子萌发的“浓度效应”通常表现为“低促高抑”。但并非所有研究结果都与这种常见的高浓度抑制、低浓度促进的普遍规律相一致，在本研究中观察到柠檬桉鲜叶浸提液对苋菜种子萌发有显著抑制作用，抑制强度随浓度增加而增加，这与夏虹等[22]对紫茎泽兰（Eupatoriumadenophorum）种子发芽率随桉树化学成分1,8-桉叶油素水溶液浓度增加显著降低的结论相一致。本研究中还观察到杉木鲜叶浸提液促进苋菜种子萌发，浓度为0.1 g·mL-1时促进作用最明显，达到98.05%，但3个浓度均未为对种子萌发造成显著影响。对于柠檬桉和杉木鲜叶浸提液对苋菜种子萌发的这种浓度效应，有待深入研究。

土壤种子库是植被更新种源的提供者，种子散布后或贮藏于凋落物层，或埋藏于土壤表层或土壤基质中，形成瞬时种子库或持久种子库，也是植物对不可预测环境做出的风险分摊策略。研究表明一年生植物通常形成持久种子库和瞬时种子库避免种群灭绝的风险[23]，如一年生植物狗尾草的持久种子库[24]和长芒草（Stipabungeana）[25]的瞬时种子库。在本试验中，室内干藏和冷层积处理表明苋菜种子无休眠现象，室外埋藏处理28 d后的种子可在置种后第1天或第2天有超过50%的种子萌发，理论上而言，苋菜种子在土壤中倾向于形成瞬时种子库。但有关种子形态、重量和土壤种子库关系研究表明，重量小于3 mg的小粒、近圆球形种子易于形成持久种子库[26]，苋菜种子千粒重为0.452 g，种子近球形，依据前人研究结果，其也可能形成持久种子库，因此，还需通过试验进一步研究其是否存在持久种子库。

土壤酸碱度常会成为影响植物生长的限制因子。前人的研究表明，不同物种种子萌发对环境酸碱度的响应是有差异的，pH较高或较低的环境通常都不利于种子萌发，pH 为8时入侵杂草银胶菊（Partheniumhysterophorus）种子不能萌发[27]；草原毒草醉马草（Achnatheruminebrians）种子在pH ＜4的酸性环境下，发芽率仅为20.00%[28]。还有很多物种种子的萌发对pH的适应范围很广，入侵植物意大利苍耳（Xanthiumitalicum）在pH=2和pH=12的强酸/强碱条件下，种子萌发数量超过75%；在本试验中，苋菜在pH为3.0～4.5酸性条件下种子可正常萌发，萌发率均高达97.00%以上，较强的酸性环境能更好地促进种子萌发，这与锦蔡（Malva parviflora）种子在酸性环境下萌发率高的研究结果[29]相似，也与结缕草（Zoysia japonica）种子随酸度增加（pH值降低）发芽率增加的结论[30]相一致，并且强酸性处理液使苋菜种子初始萌发时间较CK提前了1 d，表明高酸性环境不但能促使种子更多地萌发，还能促进种子更早萌发，这在一定程度上反映了苋菜具有在土壤酸化严重加剧的人工林中正常生长的潜力。