不同处理方法对7种豆科植物种子休眠以及成苗特性的影响

陈乙实， 娜丽克斯·外里， 王树林， 景鹏成， 鲁为华

(石河子大学动物科技学院， 新疆 石河子 832003)

种子繁殖是豆科植物最主要的繁殖方式。豆科植物种子普遍存在物理性休眠(硬实)特性[1]，即具有活力的种子在适宜的环境条件(光照、温度、水分和氧气等)下[2-3]，长期处于坚韧致密的状态，且在此状态下种子不吸水，不膨胀，不萌发[4]。种子休眠(Seed Dormancy)由种子本身的遗传特性所决定，但环境因素在很大程度上也会影响到种子的休眠特性，如豆科种子因过度干燥能导致硬实率的提高[5]，因此种子休眠是遗传特性和环境因素共同作用的结果。种子休眠是植物在长期系统发育过程中形成的抵抗不良环境条件的一种适应特性[6]。一方面，种子休眠是植物适应特定生态环境和温湿度差异等各种外界因素，调节萌发的最佳时间与空间分布，以保持种族的繁衍而形成的一种生物学特性[7]，另一方面，物理休眠种子组成的持久土壤种子库，在植被更新，尤其是洪涝灾害、草原火灾后的植被恢复中起着重要作用[8]，因此种子休眠对植物适应环境和繁殖更新具有重要的生态学意义。与此同时，种子休眠也给农业生产带来诸多困难和不便，如具有休眠性的种子无法在收获后立即进行萌发试验，给种子产业加工和检验等过程增加工序[9]，豆科种子直播后出苗时间长，易造成田间缺苗或出苗不齐，严重影响了牧草的建植，这也成为豆科牧草人工栽培中不容忽视的重要问题。有些物理休眠种子由于较长的休眠期，往往在若干年后才可萌发而成为田间杂草[10]，因此，播种前必须对种子进行处理以打破休眠。

有关植物种子休眠破除方法的研究一直是种子科学的热点问题[1]。对种子休眠特性的研究，有助于阐明物种对于多变或不可预测环境的适应性，对了解物种的持续及种群繁殖更新具有重要意义[11]。国内外对种子休眠机制、休眠解除方法及其机理已有大量研究，破除休眠方法主要有物理法、化学法、生物法和综合法[12-14]。已有研究表明，酸蚀和热水处理是破除种子物理性休眠的有效方法，但其休眠破除效果则因物种、品种以及具体措施不同而异[15]，若处理方法不当(如处理时间过长或浓度、温度过高等)，则有可能引起种子死亡或不正常苗增多[9]。因此，在大批量处理种子之前，必须明确合适的处理方法和条件。当前，新疆地区大部分天然草地荒漠化加剧，植被破坏、过度放牧和生态演替，导致豆科野生资源量急剧下降，严重制约区域植被恢复与饲料、药用价值的开发，迫切需要建立规模化人工栽培技术[16]，快速有效地破除荒漠地区豆科植物种子的休眠则是解决区域性植被恢复与产业化等问题的关键所在[17]。

基于上述内容，以7种豆科植物线叶野豌豆(Viciatenuifolia)、苦豆子(Sophoraalopecuroides)、红豆草(Onobrychisviciaefolia)、罗马苜蓿(Medicagofalcata)、准噶尔岩黄芪(Hedysarumsongaricum)、山地岩黄芪(Hedysarumshandi)和小花红豆草(Onobrychismicrantha)的种子为研究材料，采用机械、热水(80℃)和硫酸(98%)3种处理方法打破种子休眠，对种子萌发所形成的幼苗进行连续15 d的培养，并对幼苗的株高和根长进行测量，以期明确天然草地豆科植物种子休眠的原因及破除休眠的最佳方法，并为大规模人工草地的种植栽培和区域性植被恢复提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

以广布于北疆地区巴尔鲁克山天然割草场(43°56′～44°03′ N，85°40′～85°59′ E, 海拔1 200～1 800 m)的7种豆科植物(线叶野豌豆、苦豆子、红豆草、罗马苜蓿、准噶尔岩黄芪、山地岩黄芪和小花红豆草)的种子为研究对象，根据不同植物种子成熟时期，于2015年6-10月对这7种子豆科牧草种子进行采集。采集后的种子在室内自然风干后，装入牛皮纸信封内，于4℃冰箱中冷藏备用。

1.2 试验方法

1.2.1种子休眠破除方法 种子休眠破除方法包括机械处理、热水处理和硫酸处理3种，具体操作为：1)机械处理(M)：挑选籽粒饱满、结构完整的每种植物种子各1 000粒，用砂纸轻拭种子，擦破种皮但不伤及内部的胚；2)热水处理(H)：挑选每种种子各1 000粒，分别放入盛有80℃热水的小烧杯中，用玻璃棒搅拌使所有种子均匀受热，5 min后将种子取出，置于吸水纸上晾干待用；3)硫酸处理(S)：挑选每种种子各1 000粒，分别放入盛有质量分数为98%的浓硫酸的烧杯中，用玻璃棒不停搅拌，到相应处理时间(1,3,5,10,15和20 min)(S1,S3,S5,S10,S15和S20)后，将种子取出，用自来水冲洗至pH试纸检测呈中性后，置于吸水纸上晾干待用。每种处理方法重复3次，CK表示对照(处理前)。

1.2.2种子萌发试验 采用纸上法(Top Paper, TP)[18]对不同方法处理前后的种子进行萌发行为的检测，具体操作为将1 000粒种子分别放入铺有2层滤纸的培养皿中，培养皿放入种子萌发培养箱，按照采集地点气候特征设置8 h 15℃/16 h 25℃变温和光照，适时向培养皿中加蒸馏水以保证滤纸湿润。每24 h进行一次萌发检测，胚根出现1～2 mm即可认为已经萌发，直到连续20 d后，不再有发芽种子出现时为止[19]，萌发试验结束。每种处理方法(包括处理前，CK)重复3次，按下列公式计算种子的萌发率、休眠率、发芽势、发芽指数和萌发时滞(种子萌发所需天数)等萌发指标。

萌发率(%)=
(发芽末期全部正常种苗数/供试种子总数)×100

(1)

休眠率(%)=1- 萌发率

(2)

发芽势(%)=
[(日萌发种子数)max/种子总数]×100

(3)

(4)

(4)式中，Gt为在第t天发芽的种子数，Dt为相应的发芽天数。

1.2.3幼苗株高和根长的测定 放入种子萌发袋(尺寸12.5×14 cm)中，Hoagland营养液，将萌发袋固定在透明塑料支架上，塑料架放入培养箱中(8 h,15℃/16 h,5℃变温和光照)，至第15 d，从萌发袋边缘的刻度线上直接读出幼苗的根长，用刻度尺量取幼苗的株高。

1.3 数据分析

所有数据均采用Excel 2007录入，以“平均值±标准差”表示。用Sigmaplot 12.5软件作图，用SPSS 15.0统计软件进行单因素方差分析(One-Way ANOVA)，多重比较采用Duncan法。

2 结果与分析

2.1 线叶野豌豆种子休眠的解除

对于线叶野豌豆种子，机械处理和硫酸处理均能显著提高种子的萌发率(P<0.05)。其中用98%硫酸处理15 min的萌发率最高，为95.00%，比处理前的15.83%提高了6倍，萌发势由处理前的15.00%显著提高到95.00%(P<0.05)，萌发指数由处理前的0.52%显著提高到7.56%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的8 d缩短为2 d；其次为机械处理的萌发率，为65.83%，比处理前提高了4倍，萌发势由处理前的15.00%显著提高到了65.83%(P<0.05)，萌发指数由处理前的0.52%显著提高到了3.39%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的8 d缩短为5 d；热水(80℃)处理5 min的萌发率、萌发势和萌发指数与处理前相比差异均不显著，但萌发时滞由处理前的8 d缩短为4 d(表1)。

2.2 苦豆子种子休眠的解除

对于苦豆子种子，机械处理、热水(80℃)处理和硫酸处理均能显著提高其种子的萌发率(P<0.05)。其中以机械处理的萌发率最高，为95.83%，较处理前的29.17%提高了3倍，萌发势和萌发指数分别由处理前的23.33%和2.05%显著提高到95.83%和12.22%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的4 d缩短为2 d；其次为98%硫酸处理10 min的萌发率，为91.67%，较处理前的29.17%提高了近3倍，萌发势和萌发指数分别由处理前的23.33%和2.05%显著提高到88.33%和11.16%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的4 d缩短为2 d；热水(80℃)处理5 min的萌发率为80.83%，较处理前提高近3倍，萌发势和萌发指数分别由处理前的23.33%和2.05%显著提高到79.17%和4.39%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的4 d缩短为3 d(表1)。

2.3 红豆草种子休眠的解除

红豆草种子经机械处理、热水(80℃)处理和硫酸处理后，萌发率均显著提高(P<0.05)，休眠率显著降低(P<0.05)。经机械处理后，萌发率较处理前的40.83%显著提高到96.67%(P<0.05)，萌发势和萌发指数分别由处理前的40.83%和1.48%显著提高到96.67%和14.87%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的3 d缩短为2 d；热水(80℃)处理5 min后萌发率较处理前的40.83%显著提高到90.83%(P<0.05)，萌发势和萌发指数分别由处理前的40.83%和1.48%显著提高到91.67%和4.11%(P<0.05)，萌发时滞与处理前相同，均为3 d；98%硫酸处理5 min后萌发率较处处理前的40.83%显著提高到88.33%(P<0.05)，萌发势和萌发指数分别由处理前的40.83%和1.48%显著提高到88.33%和11.27%(P<0.05)，萌发时滞缩短为2 d(表1)。

2.4 罗马苜蓿种子休眠的解除

罗马苜蓿处理前种子萌发率为10.00%，经机械处理后，萌发率显著提高到95.83%(P<0.05)，萌发势和萌发指数分别由处理前的10.00%和0.35%显著提高到95.83%和10.85%(P<0.05)；热水(80℃)处理5 min后萌发率较处处理前的10.00%显著提高到73.33%(P<0.05)，萌发势和萌发指数分别由处理前的10.00%和0.35%显著提高到59.16%和3.65%(P<0.05)；用98%硫酸处理1 min后，萌发率显著提高到70.00%(P<0.05)，萌发势和萌发指数较处理前分别显著提高到41.83%和7.31%(P<0.05)。经过机械、热水(80℃)和硫酸(处理1 min)3种方法处理后，种子休眠率显著降低(P<0.05)，萌发时滞分别由处理前的6 d缩短为2 d,3 d和3 d(表1)。

2.5 准噶尔岩黄芪种子休眠的解除

准葛尔岩黄芪处理前种子萌发率为70.00%，经机械、热水(80℃)和98%硫酸(处理1 min)3种方法处理后，萌发率分别显著提高到81.67%, 88.33%和87.50%(P<0.05)，休眠率由处理前的30.00%分别显著降低到18.33%, 11.67%和12.50%(P<0.05)，萌发势由处理前的70.00%分别显著提高到81.67%，88.33%和87.50%(P<0.05)，萌发指数由处理前的2.80%分别显著提高到11.64%,10.72%和5.66%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的3 d均缩短为2 d(表1)。

2.6 山地岩黄芪种子休眠的解除

处理前的山地岩黄芪种子萌发率为20.00%，经机械、热水(80℃)和98%硫酸(处理5 min)3种方法处理后，萌发率分别显著提高到96.67%, 37.50%和96.67%(P<0.05)，休眠率由处理前的80.00%分别显著降低到3.33%, 62.50%和3.33%(P<0.05)，萌发势由处理前的20.00%分别显著提高到96.67%, 31.67%和96.67%(P<0.05)，萌发指数由处理前的0.65%分别显著提高到15.87%,1.20%和15.21%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的5 d均缩短为2 d,4 d和2 d(表1)。

2.7 小花红豆草种子休眠的解除

处理前的小花红豆草种子萌发率为17.50%，经机械、热水(80℃)和98%硫酸(处理15min)3种方法处理后，萌发率分别显著提高到85.00%,40.83%和61.67%(P<0.05)，休眠率由处理前的83.00%分别显著降低到15.00%,59.17%和38.33%(P<0.05)，萌发势由处理前的13.30%分别显著提高到85.00%,21.67%和55.00%(P<0.05)，萌发指数由处理前的0.62%分别显著提高到5.62%,1.22%和2.26%(P<0.05)，萌发时滞由处理前的8 d均缩短为2 d, 4 d和3 d(表1)。

表1 不同处理方法对7种豆科植物种子休眠特性的影响Table 1 Effects of different treatment methods on seed dormancy characteristics of seven leguminous plants

续表1

2.8 不同处理方法对幼苗株高和根长的影响

不同处理方法对幼苗株高和根长的影响各不相同。线叶野豌豆种子经98%硫酸处理1 min后，萌发所形成的幼苗株高最高，为13.68 cm，较处理前的11.7 cm显著增加(P<0.05)，机械处理后种子萌发所形成的幼苗根长最长，为10.60 cm，较处理前的8.765 cm显著增加(P<0.05)；苦豆子种子经热水(80℃)处理5 min后萌发所形成的幼苗株高为5.50 cm，较处理前的6.76 cm显著降低(P<0.05)，其他处理方式所得幼苗的株高和处理前相比差异不显著，经3种方法处理后，萌发种子所形成的幼苗其根长和处理前相比差异均不显著；准葛尔岩黄芪种子经热水(80℃)处理5 min后萌发所形成的幼苗株高为6.18 cm，与处理前相比差异不显著，其他处理方式所得幼苗的株高显著降低(P<0.05)，其种子经机械处理后萌发所得幼苗的根长为7.62 cm，较处理前的8.54 cm显著降低(P<0.05)，其他处理方式种子萌发所得幼苗的根长差异不显著；红豆草种子经98%硫酸处理3, 5和10 min后，萌发所得幼苗的株高与处理前相比显著降低(P<0.05)，经98%硫酸处理3 min后，种子萌发所得幼苗的根长较处理前的7.04 cm显著增加到8.04 cm(P<0.05)；罗马苜蓿种子经3种方法处理后，所得幼苗的株高和根长与处理前相比差异均不显著；天山岩黄芪种子经98%硫酸处理10 min后，所得幼苗其株高由处理前的7 cm显著降低到5.5 cm(P<0.05)，根长由处理前的7.86 cm显著降低到7.04 cm(P<0.05)，其他处理方式所得幼苗的株高和根长与处理前相比差异均不显著；小花红豆草种子经热水(80℃)处理5 min后萌发所形成的幼苗其株高较处理前的7.32 cm显著降低到6.52 cm(P<0.05)，经98%硫酸处理20 min后，所得幼苗较处理前的13.52 cm显著降低到11.28 cm(P<0.05)。整体上来说，这7种豆科植物种子经机械处理或80℃热水浸种5 min后，萌发所得幼苗的株高和根长与处理前相比差异均不显著，硫酸处理受处理时间影响较大，98%硫酸处理1或3 min后，幼苗株高和根长与处理前相比差异不显著，但随着处理时间的延长，幼苗的株高和根长则显著降低(P<0.05)(图1)。

图1 不同处理方式对幼苗生长的影响Fig.1 Effects of different treatment methods on seedling growth

3 讨论

3.1 机械处理对种子休眠特性的影响

由于种皮或果皮致密、坚硬以及具有蜡质，水分不易透入种皮，种子不能吸水而萌发是造成种子休眠的根本原因[20]，许多研究表明，机械方法是破除物理性休眠最有效的方法[21]。本研究中7种豆科植物种子经过机械处理后，萌发率较处理前均显著提高(P<0.05)，表明这7种种子均存在物理休眠特性，机械处理通过擦破种皮，降低了种皮的阻碍和束缚，因而解除了种皮透性差所引起的休眠[22-23]。杨辉等[24]用小刀划破苦豆子种子的种皮，结果发现种子休眠率降低了94%，杜晓芳等[25]通过对塔里木荒漠区3种豆科植物种子休眠特性的研究，结果表明通过机械处理来破损种皮能有效打破种子休眠并显著提高种子萌发率，和本研究所得结论一致。本研究还发现，这7种豆科植物的种子经机械处理后，萌发所形成的幼苗生长15 d后，和处理前相比，株高和根长差异均不显著(P<0.05)，表明机械处理不会影响幼苗的生长发育。随着种子工业的发展，小型种子摩擦机、电动摩米机等硬实破除机械相继被研发出来，可以满足大批量种子生产中硬实种子休眠的破除[26]，因此机械处理可作为种子休眠破除的有效方法而大规模推广。

3.2 热水处理对种子休眠特性的影响

热水处理是另一种常用的种子休眠破除方法。高温处理可以软化种皮，去除种皮表层的一些脂类物质，不但提高了种皮透水透气性，还可去除了部分种皮内的发芽抑制物[27]。本研究中7种豆科植物种子经80℃热水处理5 min后，萌发率均显著提高(P<0.05)。Clemens等[28]研究表明，镰荚相思树(Acaciafalcata)种子经80℃热水处理10 min可有效破除种子休眠，胡小文等[1]对9种常见豆科植物的种子进行热水(60℃,80℃和95℃)处理后发现，以80℃处理效果最好，这表明80℃可作为参试种子休眠破除的一个较为适宜的温度条件，但同时也发现，随着处理时间的延长，死亡种子数量增加；Wang和Hanson[29]通过研究也得出类似结论。Auld和O'Connell[30]认为对于每一种豆科植物种子而言，都存在一个休眠破除的临界温度和致死温度，高于临界温度则休眠被破除，而低于临界温度，则对休眠破除影响较小，且其效果因处理时间不同变化较小；同理，种子亦存在一个致死温度，暴露于该温度下可导致其死亡，但这一过程因处理时间不同而存在较大变异。本研究还发现，虽然因种而异，但经80℃热水处理5 min后，7种豆科植物种子萌发所形成的幼苗连续培养15 d后，其株高和根长总体上与处理前相比差异均显著(P<0.05)，表明80℃热水处理5 min是这7种种子休眠破除的有效方法且具有实际意义。

3.3 硫酸处理对种子休眠特性的影响

硫酸处理也是解除豆科牧草种子物理性休眠最常用的方法之一[31]。本研究结果表明，硫酸处理可有效解除豆科牧草种子的休眠，但处理效果则因物种和处理时长的不同而异，且随着硫酸处理时间的延长，种子萌发率等相关指标呈先增加后降低的趋势，表明硫酸处理时间过短，效果不明显；处理时间太长，会杀死种子，如线叶野豌豆种子经硫酸处理15 min效果最好，苦豆子经硫酸处理10 min效果最好。胡小文等[1]报道硫酸处理50 min解除苦豆子种子休眠效果最好。而王进等[32]研究表明80%硫酸处理25 min会增加死种子数，本研究中硫酸处理15 min，使苦豆子死种子数显著增加(P<0.05)，或跟处理种子时的具体操作有关系，尤其是硫酸处理完毕后是否用水完全洗去残留的酸液，对结果影响较大[1]。用硫酸处理罗马苜蓿5 min后出现少量死种子，可能是因为罗马苜蓿种子较小，种皮较薄，不能承受起强酸伤害[4]。硫酸处理没有显著提高准噶尔岩黄芪种子的发芽率，但显著提高了其发芽指数(P<0.05)。本研究通过对98%硫酸处理后的种子萌发所形成的幼苗进行连续15 d的培养，结果表明，不同物种的种子对硫酸的敏感度不同，且处理后的种子经萌发所形成的幼苗生长状况也不同，这是因为种子经过硫酸浸种后，由于种子的吸水作用，种子内部会含有极少量的处理酸液，这些处理酸液将在两个不同的时期对种子产生影响：第一个时期为种子萌动时期，残存的处理液会对胚产生影响，而不同种类的酸具有不同作用，从而表现为抑制萌发或者促进萌发；第二个时期为胚根发育为根的时期，残存的酸会随着胚根突破萌发孔而逐渐渗入到培养基质中，根的生长就会处在一个酸性的环境中，当超过根调节能力的pH环境时，就会严重破坏根的结构，导致幼苗根系活力急剧下降[33]。

4 结论

通过对线叶野豌豆、苦豆子、红豆草、罗马苜蓿、准噶尔岩黄芪、山地岩黄芪和小花红豆草7种豆科植物种子休眠特性的研究，表明这7种豆科植物种子均存在物理休眠。机械、热水和硫酸处理均能打破种子休眠，显著提高萌发率，且种子经机械和80℃热水处理5 min后，萌发所形成的幼苗其株高和根长与处理前相比差异均不显著，可作为种子休眠破除方法运用到实际生产中；98%硫酸处理因品种和处理时长不同而异，综合考虑处理5 min效果最好，且此时种子经萌发所得幼苗的株高和根长整体上与处理前相比无显著差异。