禾豆牧草种子萌发对温度和光照的响应

赵丹丹，马红媛，亓雯雯，李绍阳，李景玉，赖宪明，夏江宝，曹琪琪，贺文君

（1.滨州学院, 山东省黄河三角洲生态环境重点实验室, 山东 滨州 256603；2.中国科学院东北地理与农业生态研究所, 吉林 长春 130102；3.白城市畜牧科学研究院, 吉林 白城 137000）

栽培草地是采用农业技术措施结合环境条件，选择适宜草种建立的草地群落，以获得高产优质牧草[1]。在国家生态文明建设与乡村振兴战略的背景下，建立栽培草地能够促进粮草兼顾立体农业发展，推动草原生态恢复[2]。混播栽培草地通常比单播栽培草地具有更高的生产力、更好的牧草品质以及更强的土壤改良作用[3-6]。禾本科和豆科等草本植物是我国草地生态系统的生产者主体，具有重要的生态价值和饲用价值，随着天然草地退化和畜牧业发展需求增加，以禾豆植物为主的栽培草地的建植[7-9]、以及以禾豆混播和补播修复天然草地[10-11]成为弥补天然草地生产力不足的重要措施。

种子萌发是植被更新的第一个阶段，关系到幼苗建成和个体存活，进而影响生物多样性[12]。温度是影响种子萌发机制的关键因素之一，种子萌发时产生的水解酶、膜结合蛋白等均受到温度的影响[13]。不同的植物种子对于萌发温度的需求不同，有些植物种子喜高温，如苏丹草(Sorghum sudanense)、黄竹草(Pennisetum sinese)等；有些植物种子喜冷凉，如早熟禾(Poa annua)、细叶羊茅(Festuca filiformis)、小糠草(Agrostis alba)等；有些植物种子发芽时需要变温条件，如灯芯草(Juncus effuses)。昼夜温度变化条件下，植物种子在最适时间萌发，童琪等[14]研究表明，变温环境较恒温环境更有利于种子萌发。Bhatt等[15]发现变温环境能够促进盐生植物种子萌发。张义等[16]对8 种牧草种子发芽条件进行研究，表明不同温度和不同预处理是因种而异的。云文丽等[17]研究表明低温处理在不同程度上提高了大针茅(Stipa grandis)和克氏针茅(S.krylovii)的发芽率，加快了起始发芽时间。刘贺等[18]研究表明马棘(Indigofera pseudotinctoria)种子适宜发芽的温度为恒温25 ℃或变温20 ℃/30 ℃。王丽娟[19]研究表明，冰草(Agropyron cristatum)、毛苕子(Vicia villosa)和沙打旺(Astragalus adsurgens)种子萌发的最适温度分别是变温20 ℃/30 ℃、变温10 ℃/20 ℃和恒温20 ℃。刘华荣等[20]研究表明适宜于巴哈雀稗(Paspalum notatum)种子萌发的温度为35 ℃。李阳等[21]研究表明紫花苜蓿(Medicago sativa)种子在10～30 ℃恒温或变温下都有较高的发芽率，一定的光照条件能够促进种子萌发。

光照是打破种子休眠的信号刺激，而不是直接参与种子萌发的能量物质[22]。植物种子萌发对光照条件的响应是一个复杂的生理过程，也是一个信号传递和基因表达的过程。赵笃乐[23]研究表明，光照能够影响930 种植物种子萌发，其中萌发受到促进作用的有672 种。在种子萌发过程中，光照作为一种刺激信号解除种子休眠，从而诱导种子萌发[24]。

种子萌发特性对植物建植和生长过程至关重要，只有全面深入地了解植物种子萌发特性，才能够充分利用植物的生态功能。鉴于温度和光照对植物种子萌发的重要影响，在全球变化的背景下，栽培草地建植、禾豆混播和补播修复天然草地有必要了解禾豆植物种子萌发过程对环境变化的响应机制。因此，本文研究了我国北方干旱半干旱草原6 种常见禾豆牧草种子萌发对不同温度(30 ℃、25 ℃、20 ℃、15 ℃、10 ℃、15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃、20 ℃/10 ℃、30 ℃/15 ℃) 和不同光照处理(光暗交替、全黑暗)的响应，探讨禾豆牧草植物生态适应性机制，为栽培草地建植和草地恢复与重建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试草种共计6 种，禾本科牧草为冰草和巴哈雀稗种子，豆科牧草包括沙打旺、毛苕子和两个不同品种紫花苜蓿[‘阿尔冈金’(‘Algonqiun’) 和‘公农1 号’(‘Gongnong No.1’)]种子，其中前5 种牧草种子由北京克劳沃草业中心提供，紫花苜蓿‘公农1 号’种子由吉林省农科院提供，种子均放在纸袋中贮藏在4 ℃下备用。试验前用0.1% HgCl2溶液对种子表面进行消毒10 min，再用蒸馏水冲洗3 次后备用。

1.2 试验方法

共设置10 个温度梯度，其中5 个恒温处理，分别为30、25、20、15、10 ℃；5 个变温处理，分别为15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃、20 ℃/10 ℃、30 ℃/15 ℃，

每种温度下设置两个光照处理：光暗交替(12 h 光照/12 h 黑暗)，全黑暗(24 h 黑暗)，全黑暗处理是用双层锡箔纸包裹培养皿，萌发过程中不调查全黑暗处理的种子萌发数，试验结束后调查最终萌发数量。种子以5 × 5 的方阵形式摆放在垫单层滤纸的9 cm培养皿中[25-26]，每个培养皿放置25 粒种子，每个处理4 次重复。每个培养皿加入6 mL 蒸馏水，用封口膜封口，防止水分蒸发。将培养皿置于上述不同温度的HPG-208 人工气候箱内培养，光照强度为54 μmol·(m2·s)-1，以后每天统计萌发情况，当胚根长度大于2 mm 时统计为萌发[27]，直到连续3 d 没有新增的种子萌发为止。

累计萌发率(G)计算公式：

式中：n为规定时间累计萌发数，N为供试种子总数。

平均萌发时间(mean germination time，MGT)计算公式：

式中：Ni为第i天萌发的种子数，Di表示萌发天数。

发芽指数(germination index，GI)计算公式：

式中：Gt表示第t天的种子发芽数，Dt为对应天数。

1.3 数据分析

使用SPSS 20.0 和Excel 2016 对种子发芽率、累计萌发率、平均萌发时间、发芽指数等数据进行数据统计分析。采用双因素方差分析，将不同温度和光照处理作为固定因子，分析不同温度和光照处理及其交互作用对种子发芽率的影响。光暗交替条件下，不同温度处理之间种子萌发特性的差异采用单因素方差分析和邓肯多重比较法(Duncan’s multiple range rest)，以确定各处理之间的差异显著性，P＜0.05 表示差异显著，P＞ 0.05 表示差异不显著。使用Origin 8.5 绘图。

2 结果

2.1 温度和光照对种子发芽率的影响

冰草和巴哈雀稗等禾本科植物种子发芽率受温度、光照及其交互作用的显著影响(P＜ 0.05) (表1)。总体上全黑暗条件下冰草种子发芽率高于光暗交替条件，变温有利于冰草种子萌发，其中30 ℃/15 ℃下冰草种子发芽率最高，为83.00%，其次是20 ℃/30 ℃，发芽率为66.00%，而恒温条件下冰草种子发芽率低于5.00% (图1)。温度为30 ℃、15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃和20 ℃/10 ℃时，光暗交替条件下巴哈雀稗种子发芽率高于全黑暗处理；恒温条件下，巴哈雀稗种子发芽率随温度降低而降低，温度为10 ℃时，没有种子萌发；全黑暗条件下，20 ℃/30 ℃巴哈雀稗种子发芽率达到最高，为71.00%，其次是30 ℃/15 ℃，发芽率为70.00%，显著高于其他处理(图1)。

图1 温度和光照对禾豆牧草种子发芽率的影响Figure 1 Effects of temperature and light on germination percentage of Gramineae and legumes

表1 温度处理、光照处理及其交互作用对禾豆牧草种子发芽率影响的双因素方差分析Table 1 Results of two-way ANOVAs for the effects of temperature, light, and their interactions on germination of Gramineae and legumes

紫花苜蓿‘公农1 号’和毛苕子种子发芽率受温度和光照的显著影响(P＜ 0.05)，紫花苜蓿‘阿尔冈金’和沙打旺种子发芽率受温度、光照及其交互作用的极显著影响(P＜ 0.01) (表1)。与全黑暗相比，光暗交替能够提高紫花苜蓿‘公农1 号’、紫花苜蓿‘阿尔冈金’和沙打旺种子发芽率(图1)。光暗交替条件下，20 ℃/30 ℃时沙打旺种子发芽率低于其他温度；全黑暗条件下，10 ℃时沙打旺种子发芽率达到最大，为46.00%。不同处理下，毛苕子发芽率均高于80.00%，适宜萌发的温度范围较宽，光暗交替条件下，不同温度处理对毛苕子种子发芽率没有显著影响，全黑暗条件下，15 ℃处理毛苕子种子发芽率显著高于30 ℃，提高了17.90%。

2.2 不同温度对种子累计萌发率的影响

光暗交替条件下，不同温度处理对禾豆牧草种子萌发时间进程曲线的影响有明显差异(图2)。20℃/30 ℃、30 ℃/15 ℃和25 ℃/15 ℃处理下，冰草种子在第7 天开始萌发，20 ℃/30 ℃和30 ℃/15 ℃处理下冰草种子于7～12 d 迅速萌发，曲线快速上升达到拐点，然后进入一个缓慢萌发期，25 ℃/15 ℃处理下种子萌发进程曲线相对平滑而缓慢，在第23 天到达拐点。20 ℃、15 ℃和20 ℃/10 ℃萌发启动较晚，在第12 天开始萌发，15 ℃/6 ℃处理下，冰草种子在第16 天开始萌发，且萌发率较低，说明20 ℃、15 ℃、20 ℃/10 ℃和15/6 ℃处理不适合冰草种子的萌发(图2)。30 ℃和20 ℃/30 ℃处理下，巴哈雀稗种子第6 天开始萌发，25 ℃处理下第8 天开始萌发，20 ℃、15 ℃/6 ℃、25 ℃/15 ℃和30 ℃/15 ℃处理下第10 天开始萌发，15 ℃和20 ℃/10 ℃处理下巴哈雀稗种子萌发启动时间最晚，为第27 天，巴哈雀稗种子萌发的时间进程比较平缓(图2)。

图2 不同温度下禾豆牧草种子累计萌发率随时间的变化Figure 2 Differences in cumulative germination rate of Gramineae and legumes under different temperatures

豆科牧草种子萌发开始时间均较早，为1～2 d。10 种温度处理下紫花苜蓿‘公农1 号’种子在1～4 d迅速萌发，曲线快速上升达到拐点，然后进入一个缓慢萌发期(图2)；紫花苜蓿‘阿尔冈金’种子在2～5 d迅速萌发，曲线快速上升到拐点，然后趋于平缓；沙打旺种子在1～7 d 迅速萌发，曲线快速上升然后趋于平缓(图2)；毛苕子种子在1～4 d 迅速萌发，且不同温度处理下毛苕子种子累计萌发率没有明显差异。

2.3 不同温度对种子平均萌发时间的影响

同一温度条件下，禾本科牧草冰草和巴哈雀稗种子平均萌发时间高于豆科植物紫花苜蓿‘公农1 号’、紫花苜蓿‘阿尔冈金’、沙打旺和毛苕子，即豆科植物种子萌发速度较快(表2)。禾豆牧草种子平均萌发时间在不同温度处理下差异较大。20 ℃/10 ℃条件下冰草、巴哈雀稗和紫花苜蓿‘阿尔冈金’种子平均萌发时间均大于其他温度条件，萌发速度较慢，分别为20.67、29.33 和5.14 d；不同温度条件对紫花苜蓿‘公农1 号’种子平均萌发时间没有显著影响(P＞ 0.05)；沙打旺和毛苕子种子平均萌发时间均在30 ℃条件下最短，分别为2.63 和2.75 d。

表2 不同温度对禾豆牧草种子平均萌发时间的影响Table 2 Effects of different temperature on mean germination time of Gramineae and legumes d

2.4 不同温度对种子发芽指数的影响

禾本科牧草种子发芽指数低于豆科牧草(表3)，紫花苜蓿‘公农1 号’种子发芽指数较高，且不同温度处理对紫花苜蓿‘公农1 号’种子发芽指数的影响不显著(P＞ 0.05)；紫花苜蓿‘阿尔冈金’种子在20 ℃/30 ℃、20 ℃、15 ℃、25 ℃和30 ℃条件下发芽指数均在7 以上，以20 ℃/30 ℃条件下最高，能达到8.91，10 ℃条件下最低，为4.44；沙打旺种子发芽指数随恒温温度增加呈上升趋势；毛苕子种子在30 ℃条件下发芽指数高于其他温度处理，为10.03，15 ℃/6 ℃条件下毛苕子种子发芽指数最低，比30 ℃降低了31.80%。

表3 不同温度对禾豆牧草种子发芽指数的影响Table 3 Effects of different temperatures on the germination index of Gramineae and legumes

3 讨论与结论

栽培草地建植需要对牧草种子进行全面的发芽研究，以更好地了解植物对环境条件的早期生命阶段适应，并制定更有力的生态系统恢复策略。温度和光照对种子萌发特性的研究能够揭示植物群落结构与功能方面的诸多问题。种子萌发特性影响物种在群落中的动态，种间的萌发差异影响物种在群落中的作用及分布，并且影响群落结构[28-29]。本研究中，毛苕子种子在恒温和变温条件下有84.00%～99.00%的发芽率，表明其种子萌发温度范围较宽；光暗交替处理对紫花苜蓿‘公农1 号’、紫花苜蓿‘阿尔冈金’和沙打旺种子萌发存在促进作用。紫花苜蓿‘阿尔冈金’和沙打旺在恒温条件下种子平均萌发率高于变温条件，而冰草、巴哈雀稗、紫花苜蓿‘公农1 号’和毛苕子在变温条件下种子平均萌发率高于恒温条件。变温有利于种子萌发的原因可能是在自然条件下温度是昼夜交替的变温，自然选择的过程中牧草种子保留了适应温度变化的特性；一般情况下，变温能促进酶的活性，有利于贮藏物质转化，促进种皮发生机械变化而有利于透气和透水，从而促进种子萌发[30-31]。

温度是种子萌发的必要条件，种子萌发需要达到一定的积温[32]，无论是在光照还是黑暗的条件下温度显著影响种子萌发开始时间，这与本研究结果一致。较高温度可使种子较快达到有效积温而萌发，不同植物种子自身生理特性不同，比如种子大小、所需有效积温及酶活性等不同，则对环境变化的感知能力不同，导致萌发开始时间不同。本研究中，豆科植物萌发开始时间早于禾本科植物，物种间萌发开始时间的差异使它们时间生态位上的分化变大，降低种间竞争，有利于物种共存。较早萌发的物种更好地利用资源进行快速生长进而对较晚萌发的物种种子或幼苗产生影响[33-34]。

最适温度条件下，植物种子内部酶活性高，酶促反应速度快，呼吸作用增强，能够为种子萌发提供充足的物质和能量[35-36]，不同植物种子属性不同，适宜种子萌发的最适温度也不同[37-39]。本研究表明，温度对禾本科牧草冰草和巴哈雀稗种子萌发影响较大。30 ℃/15 ℃下的冰草种子发芽率和发芽指数最高，且种子萌发开始时间较早，持续萌发的时间较短，说明30 ℃/15 ℃下冰草种子发芽率高，而且出苗快、出苗整齐，恒温条件和低温不利于冰草种子萌发；光暗交替条件下，30 ℃时巴哈雀稗种子发芽率和发芽指数最大，全黑暗条件下，20 ℃/30 ℃巴哈雀稗种子发芽率最大，为71.00%。可能是由于该温度能够促进巴哈雀稗种子吸水膨胀、种皮软化，加快酶促反应速度，为种子萌发和胚的生长提供能量及物质。低于15 ℃，冰草和巴哈雀稗种子发芽率较低，可能与种子萌发所需的积温不足，不能在一定时间内积累到种子萌发所需的热量有关[40]。

种子萌发对光照的需求与否是由植物遗传特性和环境条件共同决定的[41]。本研究中，6 种禾豆牧草种子萌发均不受光照条件限制，但是全黑暗条件下，紫花苜蓿‘公农1 号’、‘阿尔冈金’和沙打旺种子发芽率低于相同温度的光暗交替条件，即光照不是冰草、巴哈雀稗、紫花苜蓿‘公农1 号’、‘阿尔冈金’、沙打旺和毛苕子种子萌发所必需的条件，薛焱和王迎春[42]、段春华等[43]也得出相似结果。而赵富王等[44]研究发现，光照对植物种子萌发的影响很大，其中光照条件下发芽率大于黑暗条件下的物种有益母草(Leonurus japonicus)、白羊草(Bothriochloa ischcemum)、 铁 杆 蒿(Artemisia gmelinii)、 败酱(Patrinia scabiosifolia)；光照条件下发芽率小于黑暗条件下的有杠柳(Periploca sepium)、丁香(Syringa oblata)、狗尾草(Setaria viridis)。刘波等[45]研究发现黑暗条件下芦苇(Phragmites australis)种子发芽率高于光照条件。李发明等[46]对沙生针茅(Stipa glareosa)种子萌发也得出相似结论。本研究中冰草(25 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃、20 ℃/10 ℃、20 ℃/30 ℃、30 ℃/15 ℃) 和 巴 哈 雀 稗(30 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃)种子在光暗交替条件下发芽率小于全黑暗条件。大部分物种在光照条件下发芽率较高，可能是由于植被覆盖率低及生物结皮丰富，导致种子长期暴露在光照下，是植物的一种生存策略[47]。光照不仅影响种子萌发启动阶段，也会持续影响种子萌发过程。

综上，不同禾豆牧草种子萌发特性对温度和光照的响应不同。总体上，我国北方草地植物种子的萌发特性对温度的响应强于对光照的响应。冰草的最适萌发温度为30 ℃/15 ℃，恒温和15 ℃/6 ℃变温条件下冰草发芽率接近于零；巴哈雀稗最适萌发温度为20 ℃/30 ℃(全黑暗)，低温10 ℃和15 ℃条件下巴哈雀稗发芽率显著降低；与冰草相比，巴哈雀稗种子萌发温度范围较大，较为宽幅的萌发温度能够保证巴哈雀稗在春季(15 ℃/6 ℃、20 ℃/10 ℃)、夏季(30 ℃/15 ℃、20 ℃/30 ℃) 以 及 秋 季(30 ℃/15 ℃、25 ℃/15 ℃) 等季节进行播种。豆科牧草紫花苜蓿‘公农1 号’、紫花苜蓿‘阿尔冈金’、沙打旺和毛苕子的最适萌发温度分别是15 ℃/6 ℃、20 ℃/30 ℃、25 ℃和15 ℃(全黑暗)，其中毛苕子发芽率均高于80.00%，适宜萌发的温度范围较宽，播种时期范围较广。禾本科植物种子发芽率、发芽指数低于豆科植物种子；禾本科植物种子萌发开始时间较晚( ＞ 6 d)，而豆科植物萌发开始时间均早于禾本科植物，为1～2 d；光暗交替条件对紫花苜蓿‘公农1 号’、‘阿尔冈金’和沙打旺种子萌发存在明显的促进作用。每个物种都有自己的萌发策略，物种选择对栽培草地建植及退化草地补播具有决定作用，合理的禾本科和豆科草种组合可以显著提高草地稳定性，实际生产中需要选择适应当地环境条件的禾豆牧草进行混播，从而达到时间短、恢复快的目的。