7種綠肥作物種子萌發(fā)期抗旱性的研究

趙陽佳，呂鵬輝，徐小萌, 南張杰，周吉紅，宋振偉，李潤枝*

(1.農(nóng)業(yè)應(yīng)用新技術(shù)北京市重點實驗室，植物生產(chǎn)國家級實驗教學(xué)示范中心，北京農(nóng)學(xué)院，北京102206；2.北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站，北京100029；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 作物科學(xué)研究所，農(nóng)業(yè)農(nóng)村工作部作物生理生態(tài)重點實驗室，北京 100081)

由于農(nóng)業(yè)水資源短缺形勢日益嚴(yán)峻，合理利用水資源及農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展已成為中國農(nóng)業(yè)的重要戰(zhàn)略方向[1]。近年來，北京冬季氣溫呈顯著增暖而降水呈顯著減少趨勢，這種暖干氣候加劇了北京水資源危機[2]。冬小麥?zhǔn)且环N高耗水作物，根據(jù)《北京市“十三五”都市現(xiàn)代農(nóng)業(yè)規(guī)劃》，到2020年，京郊糧田占地規(guī)模減少到5.3萬公頃，主要退出商品糧與生產(chǎn)性小麥等高耗水糧食作物的種植。但是小麥等高耗水糧食作物面積的調(diào)減，勢必會加劇京郊休閑農(nóng)田生態(tài)功能的惡化。因此，在糧食退出區(qū)域重點發(fā)展“生態(tài)作物+雨養(yǎng)旱作作物”，以及推行種養(yǎng)結(jié)合、“三生結(jié)合”型的綠肥種植技術(shù)模式對建立生態(tài)型的京郊農(nóng)業(yè)具有十分重要的意義。

綠肥是中國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的精華，是生態(tài)農(nóng)業(yè)的重要組成部分[3]。綠肥又是重要的有機肥源，在生態(tài)環(huán)境保護(hù)、提高土地肥力、有效改善土壤質(zhì)地等方面都具有重要作用[4]。在北京地區(qū)實行綠肥與農(nóng)作物輪作的種植方式，不僅可以有效的利用冬季土地資源，同時還可以達(dá)到為后茬作物提供養(yǎng)分的作用。北京早春氣候干旱，降雨量較少，作物自身的抗旱能力便成為一種重要的、經(jīng)濟的、有效的抗旱措施，因此，篩選抗旱性強的綠肥作物來替代高耗水作物冬小麥的種植對北京地區(qū)耕地質(zhì)量、水資源利用等方面都有著至關(guān)重要的作用。

因此對不同綠肥作物在干旱條件下的萌發(fā)情況進(jìn)行研究，比較不同綠肥作物種子的萌發(fā)期抗旱能力，為篩選適宜北京地區(qū)種植的綠肥品種提供參考。

1 材料和方法

1.1 供試材料

選用7種綠肥作物種子為材料，包括紅三葉(Trifoliumpretense)、田菁(SesbaniaCannabina)、黑麥草(LoliumperenneL.)、紫云英(AstragalussinicusL.)、毛葉苕子(ViciavillosaRoth)、油菜(BrassicacampestrisL.)和白三葉(TrifoliumpretenseL.)。另外選用小麥(TriticumaestivumL.)作為對照。其中，紫云英、毛葉苕子、小麥、油菜和白三葉種子為北京市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣站提供，紅三葉、田菁和黑麥草種子在種子市場購買。

1.2 試驗方法

從供試種子中選取成熟、飽滿且大小適中、均勻一致、無病蟲害的健康種子，用1%的次氯酸鈉溶液浸種消毒10 min，無菌水沖洗3次，待用。

標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗(CK)：在發(fā)芽盒(12 cm×12 cm×6 cm)中置2層濾紙，加入無菌水至濾紙飽和，隨機選取消毒后的種子100粒均勻擺放在發(fā)芽盒中的濾紙上，3次重復(fù)。然后，置于20 ℃人工智能植物培養(yǎng)箱中培養(yǎng)10 d，種子發(fā)芽期間，每天觀察種子萌發(fā)情況并記錄發(fā)芽粒數(shù)，直到第10 d發(fā)芽試驗結(jié)束。種子發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)：胚根突破種皮2 mm為發(fā)芽種子。

干旱發(fā)芽試驗(CT)：采用15%的PEG-6000(以下簡稱PEG)溶液作為培養(yǎng)試劑，其他處理同標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗。

1.3 測定項目

發(fā)芽試驗期間和結(jié)束時測定發(fā)芽數(shù)，按照以下公式計算種子萌發(fā)指標(biāo)：發(fā)芽勢GE=初次計數(shù)發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽試驗樣品粒數(shù)×100%；發(fā)芽率GP=末次計數(shù)發(fā)芽數(shù)/發(fā)芽試驗樣品粒數(shù)×100%；發(fā)芽指數(shù)GI=Σ(Gt/Dt)；平均發(fā)芽時間MGT=Σ(Gt×Dt) /ΣGt。式中：Dt—發(fā)芽時間，Gt—與Dt相對應(yīng)的每天發(fā)芽種子數(shù)。

萌發(fā)指標(biāo)的相對值：相對發(fā)芽勢GGE=處理發(fā)芽勢/對照發(fā)芽勢×100%；相對發(fā)芽率GGP=處理發(fā)芽率/對照發(fā)芽率×100%；相對發(fā)芽指數(shù)GGI=處理發(fā)芽指數(shù)/對照發(fā)芽指數(shù)×100%；相對平均發(fā)芽時間GMGT(倍)=處理發(fā)芽時間/對照發(fā)芽時間。

1.4 抗旱能力評價方法

采用模糊隸屬函數(shù)法對不同作物抗旱性進(jìn)行綜合評價，測定的數(shù)據(jù)采用Microsoft office 2010軟件整理，然后利用SPSS 23.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，數(shù)據(jù)的多重比較采用LSD最小顯著差異法。

2 結(jié)果與分析

2.1 干旱脅迫對7種綠肥作物種子活力的影響

由表1可知，在PEG模擬干旱的條件下，8種作物種子的萌發(fā)均受到不同程度的影響，種子發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)降低，平均發(fā)芽時間增加。其中，在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗中，小麥種子的發(fā)芽勢最高，為98%；毛葉苕子油菜種子的發(fā)芽勢分別為92%和88%，與小麥種子無顯著(P<0.05)差異；田菁種子的發(fā)芽勢最低，為57%，顯著低于其他幾種作物種子。在干旱條件下，油菜種子的發(fā)芽勢最高，為63%；其他幾種作物種子的發(fā)芽勢均顯著低于油菜種子，特別是白三葉、田菁、紫云英種子，在干旱下的發(fā)芽勢均降至10%以下。

在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗中，小麥種子的發(fā)芽率最高，為99%；毛葉苕子、黑麥草、油菜種子的發(fā)芽率與小麥種子無顯著(P<0.05)差異；田菁種子的發(fā)芽率最低，為68%，顯著低于其他幾種作物種子。干旱條件下，黑麥草種子仍保持較高的種子活力，其發(fā)芽率為83%，顯著高于其他幾種作物種子，田菁、白三葉、紅三葉種子發(fā)芽率最低，分別為6%、15%、17%，顯著低于其他幾種作物種子。

在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗中，油菜、小麥、紫云英種子發(fā)芽指數(shù)最高，分別為32.4、32.4、30.3，顯著(P<0.05)高于其他幾種作物種子，紅三葉、黑麥草、田菁種子的發(fā)芽指數(shù)分別為23.9、22.1、20.2，顯著低于其他幾種作物種子；干旱條件下，油菜、黑麥草種子發(fā)芽指數(shù)分別為16.7、15.5，顯著高于其他幾種作物種子，田菁種子的發(fā)芽指數(shù)僅為1.0，顯著低于其他作物種子。

在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)芽試驗中，黑麥草種子的平均發(fā)芽時間最長，為4.3 d，顯著(P<0.05)高于其他幾種作物種子；油菜種子的平均發(fā)芽時間最短，為3.0 d，與小麥、紫云英種子無顯著差異，但顯著低于其他5種作物種子。干旱條件下，田菁、紫云英、白三葉種子的平均發(fā)芽時間分別為7.0、6.9 、6.1 d，顯著高于其他幾種作物種子；油菜種子的平均發(fā)芽時間最短，為4.2 d，與紅三葉、小麥、毛葉苕子無顯著差異，但顯著低于其他4種作物種子。

表1 小麥和7種綠肥作物種子在標(biāo)準(zhǔn)和干旱發(fā)芽試驗中的萌發(fā)指標(biāo)Tab.1 Seed germination indexes of wheat and seven green manure crops evaluated by standard and drought germination tests

不同字母a,b,c表示在0.05水平上有顯著性差異

Note:different letters following trait values indicate significant difference atP=< 0.05

2.2 7種綠肥作物種子萌發(fā)期抗旱能力的差異

從表2可以看出，黑麥草種子的相對發(fā)芽勢最大，為61%，顯著高于其他幾種作物種子；紫云英、田菁、白三葉種子的相對發(fā)芽勢均小于10%，顯著低于其他5種作物種子。黑麥草種子的相對發(fā)芽率最大，為89%，顯著高于其他幾種作物種子；田菁種子的相對發(fā)芽率最低，為9%，顯著低于其他幾種作物種子。黑麥草種子的相對發(fā)芽指數(shù)最高，為70.3%，顯著高于其他幾種作物種子；田菁、白三葉、紫云英、紅三葉種子的相對發(fā)芽指數(shù)分別為4.8%、10.1%、12.0%、15.0%，顯著低于其他4種作物種子。紫云英、田菁種子的相對平均發(fā)芽時間分別為2.2、2.0 d，顯著慢于其他6種作物種子；黑麥草和紅三葉種子的相對平均發(fā)芽時間最短，均為1.3 d，與小麥、油菜種子無顯著差異，但顯著快于其他5種作物種子。

表2 小麥和7種綠肥作物種子在干旱脅迫下的相對萌發(fā)指標(biāo)Tab.2 Relative germination indexes of the seeds of wheat and seven green manure crops under drought stress

不同字母a,b,c表示在0.05水平上有顯著性差異。

Note: different letters following trait values indicate significant difference atP=< 0.05.

2.3 模糊隸屬函數(shù)法對8種作物抗旱性的綜合評價

采用模糊隸屬函數(shù)法對上述各作物的抗旱性進(jìn)行綜合評價，綜合抗旱指數(shù)D值越大表示作物的抗旱性越強。從表3可以看出，8種作物的抗旱性強弱依次為：黑麥草、油菜、小麥、毛葉苕子、紅三葉、白三葉、紫云英、田菁，說明黑麥草和油菜的抗旱性比小麥強，而其他作物的抗旱性均弱于小麥。

表3 8種作物在干旱脅迫下相對萌發(fā)指標(biāo)隸屬函數(shù)值及綜合評價值Tab.3 Relative germination index membership function value and comprehensive evaluation value of eight crops under drought stress

3 討論和結(jié)論

種子是最重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料之一，種子萌發(fā)期的發(fā)芽狀況是判斷種子質(zhì)量、確定播期的一項重要指標(biāo)，這個時期也是對植物抗旱性研究的重要時期[5-7]。聚乙二醇(PEG-6000)無毒，并且容易被植物體所吸收，是模擬土壤干旱環(huán)境來鑒定作物種子萌發(fā)以及幼苗階段抗旱性的理想滲透劑。目前，在水稻、玉米、牧草等作物上有很多報道[8-11]。本試驗采用15%PEG-6000模擬干旱條件對不用作物的抗旱性進(jìn)行研究，結(jié)果表明，15%PEG-6000能顯著抑制種子的萌發(fā)和生長，種子的發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)等指標(biāo)均顯著下降，本研究結(jié)果與其他作物中的報道基本一致[12-13]。

北京生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展迫切需求能夠替代高耗水小麥的綠肥品種，因此適應(yīng)北京生態(tài)條件的綠肥品種的篩選和鑒定是基礎(chǔ)性工作。而抗旱性是綠肥作物篩選的關(guān)鍵指標(biāo)。抗旱性是受多種因素影響的復(fù)雜數(shù)量性狀，在萌發(fā)期鑒定出的具有較強抗性的種質(zhì)是否在苗期乃至整個生育期也具有較強的抗性，其相關(guān)程度還有待進(jìn)行苗期和全生育期的進(jìn)一步研究。本試驗對供試的7種綠肥作物種子萌發(fā)期發(fā)芽勢、發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時間進(jìn)行分析，結(jié)果表明，7種綠肥作物抗旱性強弱為：黑麥草、油菜、毛葉苕子、紅三葉、白三葉、紫云英、田菁。其中黑麥草和油菜的抗旱性比小麥要強，而其他作物的抗旱性均弱于小麥。本試驗初步篩選出黑麥草和油菜兩種萌發(fā)期抗旱性較強的綠肥作物，為北京地區(qū)種植的耐抗旱萌發(fā)的綠肥品種提供參考。