氮、水和温度对羊草有性生殖及克隆生长的影响（可编辑）

氮、水和温度对羊草有性生殖及克隆生长的影响（可编辑） 氮、水和温度对羊草有性生殖及克隆生长的影响 研究生学号: 学校代码: 密 级: 分类号:. ? 东牡予冠大莩 博士学位论文 ‘氮、水和温度对羊草有性生殖及克隆生长的影响,, 作者:王俊锋 指导教师:穆春生教授 学科专业:草业科学 研究方向:牧草种子生产理论与技术 东北师范大学学位评定委员会 月 年 .‘陪灌瞿,本人郑重 成果。据我所 撰写过的研究 说明。本声明 学位论文 本学位论 师范大学有权 被查阅和借阅 库进行检索, 保密的 学位论文 日 学位论文 工作单位 通讯地址项目支持 国家自然科学基金项目编号: 国家“十一五科技支撑项目编号:; 吉林省科技发展计划项目编号:、啊摘 要 羊草,又名碱草,是中国东北地区一种重要的根茎型多年生禾本科牧草,其营养价 值较高、适口性好、耐寒、耐旱、耐盐碱,是在干旱、半干旱地区建植人工草地的优良 草种。然而,在自然条件下,羊草的种子生产能力低下,种子产量不能满足牧草生产和 生态建设的需要。本研究通过裂区.随机区组研究了在不同生长季.年春季 、. 、 的不同时期二棱期、小穗分化期和灌浆后期进行施氮折合 .埏玎纯氮以及.年秋季的不同时期种子完熟期、子株大量出现时期 、 、. 和生长季末期进行浇水折合 降雨量、施氮折合订、.埏纯氮处理对产量构成因子、潜在种子生产和实际种子产量的影响; 同时,还利用气候室控制实验研究了羊草实生苗的芽库和生理生态特性对氮、水、温度 等因素的响应过程。结果发现: 羊草的产量构成因子在两个不同的生长季形成,单位面积的抽穗数量与抽穗 当年的氮素施用时间和施用量无关,它只受到实验年份的影响;而抽穗当年施用氮素能 显著提高每穗结实粒数和千粒重。在产量构成因子中,抽穗数量是影响产量的最关键因 子,结实粒数和千粒重是次要因子。在生产上,我们推荐首先在前一生长季后期采用浇 水等以提高抽穗数量,其次在抽穗当年二棱期施氮以提高结实粒数和千粒重的方 法。就本实验而言,在二棱期施用.埏以纯氮时,种子产量的增幅最大。 种子完熟期后,浇水和施氮处理能够显著的提高翌年单位面积的抽穗数量和 总密度,使翌年单位数量营养枝承载的生殖枝数量增加,生长季末期的处理则能提高每 穗上可育的小花数量,使翌年每穗的结实粒数和千粒重均明显增加,在水分和氮素处理 中,氮素处理的效果要明显优于水分处理;在三个产量构成因子中,抽穗数量的增幅要 明显的高于结实粒数和千粒重;秋季种子完熟期后的浇水和氮素处理能大幅的增加羊草 的实际种子产量,尤其是氮素处理. 纯氮能使产量比对照增加倍以上, 尽管如此,潜在种子产量中仍有%的产能未能实现。 水分和氮素处理均能显著的增加单位面积的子株数,早期处理能够增加高叶龄的子 株数,晚期处理能够增加低叶龄的子株数,氮素的效果明显优于水分处理;秋季生产的 子株均有在翌年抽穗的能力,而与叶龄的高低无关,这暗示着翌年能否抽穗与秋季子株 的发育状态无关,只与是否能够正常越冬有关;越冬期间较多的水分和较低的温度有利 于子株的存活和在翌年的抽穗,降水少、干旱的条件则对此不利。 氮素的供应显著的增加了羊草的克隆生长能力,使地上各类子株和地下各类 芽的数量及比例发生变化,地上、地下干物质生产能力会显著提高;氮素供应充足的条 件下,羊草的子株生产能力变化表现在由于根茎顶子株的增加而主导的子株总数增加 上,地下部分表现在由总芽数和根茎节间芽产生的二次根茎数量和长度的增加上;施氮 使植株叶片的光合能力增加,相对的将更多的能量用于地上部分的生长,这种生长方式 最大化的利用了有效的资源,有利于羊草对有效资源的占据和后代的繁衍。 不同程度的干旱均能降低羊草的克隆生长能力,干旱会减少子株总数、地下芽总数 和生物量,严重干旱条件下降幅更大。干旱能够显著降低地上子株中根茎顶子株和分蘖 子株的数量,使二者所占总数的比例下降。对地下芽库而言,中度干旱会增加水平根茎 顶芽的比例,严重干旱时比例增加更大。干旱条件下羊草通过增加根茎比、降低母株生 物量、减少子株的输出数量以及重量,相对的增加地下部分的投资,使地下芽库中各类 芽的数量及比例发生变化来适应不同程度的干旱。 温度升高会造成羊草母株生物量和子株生物量的共同降低,母株生物量降低的原因 与光合能力下降有关,而子株生物量降低的原因与子株数量的减少有关。增温通过减少 根茎顶子株的数量使总子株数减少,通过增加水平生长根茎顶芽数量使地下芽总数增 加。羊草通过增加根茎比使地上地下不均衡生长,减少地上生物量积累,从而增加地下 根茎数量、根茎长度和芽数量来适应增温;在温度较高的条件下,羊草输出子株的能力 减弱,这意味着种群密度的增加会受到限制。 从子株数量的多少可以影响翌年的抽穗数量的结论来看,施氮有利于抽穗数量的增 加,干旱和过高的温度均不利于抽穗数量的增加,这三个因素不可避免的会造成羊草种 子产量的增加或减少。 本实验通过多年的研究,发现了分两个年度进行调控羊草种子产量构成因子对提高 种子产量的重要性,通过简单易行的氮素和水分管理措施可以在生产上大幅提高羊草的 种子产量。我们提出的这种独特的管理策略不仅能为提高羊草的种子产量提供直接方 法,而且还能为其它多年生根茎型禾草的种子生产提供借鉴。此外,通过室内控制实验 追溯研究产量构成因子中最关键因子的来源,解释和揭示了氮素、水分和温度影响种子 产量的主要原因。 关键词:羊草;年份;施氮;浇水;产量构成因子;种子产量;温度;克隆生长; 光合能力 警警鬟嚣;三二嚣善霉鬻;霉善毒霉籍三善 嚣葛誉篙篓茹莓霉;;若;每?戛 菇三叠芸??糟南丢《《酚簪。静为砖崭‘箍《?鞠南译两强两量两。酥略如章 . , ’ . ..,? , , ,.,.. , , ?,, , , , , ,.,. ., , , , ,: . ., ;三. .括, ., ? . . , ? . , . , ? ,.. ,; , . ., .;.. , 、 . .、柝 .,..,, .. ,; , . . . , ,.. ,, . ,.: .. , , . , : . , ; . ;, . , ,., .. .. . . , . ,...,, . : ; ;; ;; ;; ; 目 录 摘 要?....??.....??.??....?...??.. 目:??....?.?.... 第一章 引 言??. .研究背景。 ..多年生禾本科牧草种子生产的现状?.. ..国外禾本科牧草种子生产的现状? ..国内禾本科牧草种子生产现状.提高多年生禾本科牧草种子产量的方 法??.. ..多年生禾草的产量构成以及影响因素..栽培措施对多年生禾本科牧草种 子生产的影响? .羊草种子生产的现状及原因分析 ..羊草种子生产的现状 ..羊草种子生产能力低下的原因分析 ..栽培措施对羊草种子生产的影响. .研究意义 第二章春季施氮对种子产量及产量构成因子的影响? .材料与方法..研究区概况? ..物种描述与实验材料??. ..气象数据收集??. ..施肥实验设计??. ..产量构成因子和产量的调查??.. ..数据处理与分析?.. .结果.. ..气候条件?.. ..主效因素和交互作用对产量构成因子和产量的影响?. ..产量构成因子对产量的贡献??. .讨论.. ..春季施氮对产量构成因子的影响. ..春季施氮对潜在种子产量的影响. ..春季施氮对实际种子产量的影响.. .结论.. 第三章秋季浇水和施氮对翌年羊草种子生产的影响 .材料与方法??. ..研究区概况? ..实验材料?. ..气象数据收集 ..实验设计..产量构成因子和产量的调查??. ..数据处理与分析?. .结果? ..气候条件?一 ..主效因素和交互作用对产量构成因子和产量的影响?.. .讨论。 ..秋季浇水和施氮对抽穗数量和总密度的影响?. ..秋季浇水和施氮对每穗结实粒数和结实率的影响??. ..秋季浇水和施氮对千粒重、潜在种子产量和实际种子产量的影响?.. .结论.. 第四章秋季浇水和施氮对羊草子株生产的影响。 .材料与方法??.. ..研究区概况. ..实验材料?. ..气象数据收集??.. ..实验设计?. ..羊草不同叶龄子株数量的调查..数据处理与分析?. .结果。 ..气候条件?.. ..不同因素对各叶龄子株数量的影响??. .讨论。 ..各因素对各龄级子株数量的影响? ..各龄级子株和翌年抽穗数量的关系??.. .结论第五章氮素对羊草幼苗克隆能力和光合特性的影响 .材料与方法??.. ..实验材料?.. ..实验设计与室内管理??. ..地下芽和地上子株的分类. ..生物量、芽库及子株的调查??. ..光合参数和叶绿素荧光的测定?. ..统计分析?. .结果.. ..生物量生产. ..克隆能力?.. ..光合参数和叶绿素荧光参数??. .讨论.. ..生物量生产. ..克隆生长?一 ..羊草的生长策略第六章水分对羊草幼苗克隆能力和光合特性的影响 .材料与方法??. ..实验材料..实验设计与室内管理??. ..地下芽和地上子株的分类. ..生物量、芽库及子株的调查??. ..光合参数和叶绿素荧光参数的测定??一 ..统计分析?.. .结果.. ..生物量生产. ..克隆生长?. ..光合能力?. .讨论.. ..生物量生产及克隆能力的变化..地下生物量生产?. ..羊草的生长策略?.. 第七章温度对羊草幼苗克隆能力和光合特性的影响. .材料与方法??. ..实验材料?.. ..气候室温度设计与室内管理??。 ..生物量及克隆能力的调查. ..光合参数和荧光参数的测定??. ..统计分析?.. .结果.. ..生物量生产. ..克隆能力..母株光合能力??一 .讨论.. ..生物量生产和克隆能力的变化?一 ..子株更新策略??. 第八章本论文的主要结论及创新点? .主要结论 .创新点参考文献?. 致 谢 在学期间公开发表论文及著作情况 熏黎蘩鬻黧黧鬻篓篓矍雾篓璧鬻翟黧辫雾鐾鬻篓鬻鬻霉鬻攀鬻鬻嚣霎篓黧 鬈冀嚣雾鬟嚣鬻霉辫蓊零霉嚣磷霉嚣鍪薹蠹 东北师范大学博士学位论文 引 第一章 言 .研究背景 多年生禾本科牧草在畜牧业中有着极其重要的作用,其种子生产能力关系到整个畜 牧业的快速、健康发展。然而,大多数多年生禾草的种子产量低下,往往不能满足畜牧 业发展的需要。就我国东北地区而言,该地区重要牧草羊草也存在同样的问。 又名碱草,是赖草属根茎型广域性禾草,主要分布于欧亚大 羊草 陆草原的东部区域,包括俄罗斯的外贝加尔区,蒙古人民共和国的北部、东部,中国的 东北平原、华北平原和黄土高原【】,面积约为万平方千米,占全世界总面积的%。 羊草不但具有耐旱、耐盐碱等特性,同时也是一种适口性好,营养价值高的优质饲料作 物,其干草中粗蛋白质含量、粗脂肪含量、粗纤维含量和灰分含量分别约为%、%、 %和%,有牧草中的细粮之称【】。因其同时具有较高的生态价值和经济价值,因此不 仅在发展我国畜牧业方面有着重要的地位,而且还是我国的主要出口牧草之一【,。然 而,在自然条件下有性生殖能力很弱,平均抽穗率和结实率仅为.%和.%,每公 顷种子产量一般都不到 】。低下的种子产量给建植新的羊草草地带来很大的障碍。 因此,通过采取适宜的调控方法提高种子产量在生产上极为重要。 禾本科作物的种子产量一般可分解为单位面积的抽穗数量、每穗的籽粒数量和千粒 重三个构成因子,这些因子的高低变化决定着单位面积种子产量的高低。因此,提高此 类作物的种子产量,必须着手于通过一些调控措施来促进这三个因子或者其中的某一些 因子。在提高种子产量的方法中,除了选育高产品种外,栽培措施也是提高种子产量极 为重要的手段,尤其是氮素和水分的合理利用与管理。 .多年生禾本科牧草种子生产的现状 ..国外禾本科牧草种子生产的现状 世界上牧草种子生产地区主要集中在北美洲的美国西北部平原区、加拿大西南部、 欧洲的新西兰南岛地区、丹麦西部和荷兰。这些地区的气候条件适宜多年生禾草的生长, 主要栽培的多年生禾本科牧草有黑麦草、草地早熟禾、 猫尾草、鸭茅、高羊茅 等,这些牧草的种子产量约占所有种子产量的一半以上【。在上世纪年代,国外牧草 种子的生产就已经开始从零散的生产经营向专业、化的生产模式转变, 包括牧草新东北师范大学博士学位论文 品种的选育、种子的鉴定、分级、存储和商业化运营等过程。美国、新西兰和澳大利亚 等几个最主要的牧草生产国家经过最近年投入大量的经费和人力资源进行研究后,新 培育出大量的牧草新品种。以培育高产的新品种为基础,同时进行科学的田间管理,比 如采取更为合理的播种方式、水肥调控方式、害虫和杂草的控制等,使种子产量大幅度 提升,平均产量从 提高到现在的 ,增产幅度大部分超过%。如黑麦草的种子产量从 增:至 ,草地早熟禾和鸭茅从,高羊茅从 增力 等”,们。当前,这 蚝订增:至 些国家的种子生产不仅能够满足自己本国的需求,而且还大量出口到其它国家,创造了 丰厚的经济利益。 ..国内禾本科牧草种子生产现状 我国的牧草种子生产起步较晚,品种培育等工作是从改革开放以后才开始。目前, 在我国大面积栽培的多年生禾本科牧草作物主要有黑麦草、披碱草、冰草、早熟禾、燕 麦等,主要的生产地集中分布于内蒙古、新疆、云贵高原以及我国东北地区。 目前全国 牧草生产基地的面积己达万公顷之多,各类牧草种子产量年均在万公斤左右,然而每 公顷的平均种子产量还不到埏,可见我国的牧草种子生产能力仍然低下。除此之外, 所产种子纯度不高,质量良莠不齐,不能满足国内强大的市场需求。因此每年需从国外 进:近千吨的牧草种子【】。低下的种子生产能力已经成为限制畜牧业快速、健康发展的 重要问题。 总结当前我国种子产量低下的原因主要有以下几个方面: 缺乏优质高产的新 品种。当前,我国登记的牧草品种尽管数量已经很大,但在实际生产中其种子产量还是 不高,缺乏高产的新品种。 生产方式落后。现阶段,我国少有专业的牧草种子生 产田,大部分的牧草种子来源于非种子田,即种子生产是干草生产的副产品。此外,对 于种子生产缺乏足够的重视和科学合理的管理,表现在粗放的水肥管理方式、病虫害控 制方式、杂草控制方式等方面。这些不合理的因素不仅导致了种子产量低,而且所产种 子质量和纯度均很差,现已成为制约我国牧草生产的主要因素。 .提高多年生禾本科牧草种子产量的方法 ..多年生禾草的产量构成以及影响因素 牧草的潜在种子产量为单位面积土地上出现的胚珠数和平均种子重量的乘积,潜在 种子产量为理论上可以获得的最大种子产量。潜在种子产量主要受单位面积的花序数 量、每花序上小花数量以及平均种子重量的影响。牧草的实际种子产量为单位面积的结 实数量和种子重量的乘积。由于大多数多年生禾本科牧草的抽穗数量和每花序的结实粒 东北师范大学博士学位论文 数均很低,因此实际种子产量和潜在种子产量的差异非常大,一般还不及潜在种子产量 的十分之一【】。与很高的潜在种子产量相比,低下的实际产量显示出大部分产能未能实 现。 实际种子产量一般受到生殖枝的分化数量、传粉、受精和种子发育过程的气候条件 以及田间管理水平的影响,同时还受到抽穗和开花一致性以及收获时间的影响。针对影 响种子产量的上述问题,查阅大量的相关文献发现解决的主要方法有: ...增加单位面积的生殖枝数量 多年生禾草的地下花芽的生长锥不断生长,在形成叶原基后进一步生长,当营养生 长到一定阶段后,开始向生殖生长转变】。研究已经表明,分蘖期不同生长阶段的光照、 温度、水分等条件对花序形成有着重要影响【 ,过高或者过低的温度以及土壤水分状 况均会显著的影响生殖枝的分化数量。 在受外界条件影响最为敏感的几个时期进行调控是增加生殖分蘖的重要手段。不同 种的禾本科牧草,分蘖发生的关键时期不同,苇状羊茅、多年生黑麦草及无芒雀麦等在 一个生长季内都进行分蘖,在果后营养期分蘖数达到全年最大值【,而短花针茅等禾本 科牧草在秋季果后营养期开始大量分蘖,在翌年返青后还能继续分裂,引。生殖枝分化 的同时也能形成新的营养分蘖,如一年生与多年生黑麦草【 ,在春季气温回暖时较高的 温度和光照强度有利于生殖枝的形成、增加生殖分蘖数【。因此,在生殖生长的几个关 键时期分别进行不同的人工方式的调控可以增加单位面积的生殖枝数量,当前,主要的 调控措施有分蘖期喷施生长调节剂,比如、赤霉素等。通过对多年生黑麦草草坪 草的种子生产研究,抽穗当年施用能延缓种子成熟,喷施和灌施均能比对照延缓 天左右,它能提高黑麦草单位面积的抽穗数量,但不能增加总的小花数和有效的结实 粒数,且种子千粒重比对照下降. 【?。在分 左右,最终种子产量会增加 蘖期分别喷施和浇灌多效唑的方法处理多年生黑麦草,能显著的提高黑麦草的生殖枝数 量,其每平米的增加数量平均为个,增加的生殖枝数量能够对最终的种子产量起到 明显的影响作用【。和等人的研究同样表明多效唑能有 效的提高生殖枝的数量,进而影响单位面积的种子数量【。另外也有研究发现,在开 花当年分蘖的关键时期,进行施用氮肥等方法也能提高单位面积的生殖枝数量,尽管在 各个物种上的效果不一致。 另外,在当年收获种子后去除残茬明显有利于营养生长和花芽分化,进而影响翌年 的种子产量,而对于一些春化时需要短日照诱导才能产生花芽分化的牧草物种来说,残 茬处理则会直接的影响其生殖枝的分蘖数量【】。一般来说,去除割草后残茬的 方法有:割草后利用自然力让其腐朽,去掉残茬割草后直接火烧残茬通 过粉碎等机械方法去掉残茬。研究表明,在这几类方法中,火烧的效果最为明显。尽管 果后营养期火烧残茬对第二年的抽穗数量没有影响,而对每穗的种子数量能产生影响【 东北师范大学博士学位论文 刈,但早春火烧由于及时的清除了牧草种子田地上部分的枯落物,有利于植物获得充足 的光照,对根系活性和花芽分化有促进作用,能够使早返青的枝条转向生殖分化】, 进而能够增加单位面积的生殖枝数量【,已有很多与此类似的研究】。 ...增加每穗结实粒数及种子重量 植物生长调节剂,如、、赤霉素等的施用可以提高多年生禾草的生 殖枝数量,对每穗结实粒数和千粒重也有显著影响。是比较常用的生长调节剂, 它对多年生禾草种子产量的影响表现在矮化植株高度、提高每穗的结实数量等方面。 和试验后发现,多效唑能显著提高多年生 .、高羊茅、紫羊茅 .每平方米的有效小穗数量 黑麦草 和结实粒数,最终能使种子产量提高 左右【,,。等人曾用多效唑 处理高羊茅,结果发现多效唑对小花数/,、穗没有影响,但可以显著地提高高羊茅每穗的 种子数量和潜在的种子产量【】。与此相反,房丽宁等人试验后却发现,多效唑在 抽穗初期使用,对高羊茅的生殖枝数和每穗小穗数没有影响,对种子产量和株高亦无明 显影响,但能显著增加每穗小花数【。李世忠通过在不同时期对蓝茎冰草施用 后发现,该激素对抽穗数量、每穗的小穗数和每小穗的结实粒数影响不显著,而 对小花数和千粒重影响显著,并且施用后种子产量会显著提耐‘。另外,栽培方法包括 去除地面残留物、保护性耕作、不同的栽培方式、水肥管理措施等方法均能对每穗小花 数、结实数和种子重量产生不同的影响。 ..栽培措施对多年生禾本科牧草种子生产的影响 ...栽培方式,如单播、混播和保护性耕作 几种多年生禾草单播和混播时种子产量变异较大,比如降大赖草、鸭茅等多年生禾 草混播后产量会提高,然而混播后收获的种子纯度低,给清选分级带来很大 的困难, 因此在实际的种子生产中应用较少。通过和三叶草等牧草进行不同时间间隔的轮作,借 助豆科作物具有土壤培肥的功能,通过种植?年的豆科作物后,土壤肥力会显著升高, 在此基础上再种植多年生禾本科牧草,其种子产量一般会有较大幅度的增加。另外,采 用免耕、进行残茬以及二者同时处理的方法也可显著提高多年生黑麦草等牧草的种子产 量【】。 ...采取适宜的收获时间 多年生禾本科牧草种子在成熟时具有很明显的脱粒现象,这种现象是物种在长期的 自然演化过程中形成的有效繁殖后代的机制。自然脱落的种子不仅可以补充母体自然死 亡或者动物采食后造成的种群密度变化,而且可以随动物、风等一些媒质进行大范围的 传播,扩展其生存空间。然而,在以种子生产为目的的经营活动中,种子自然脱落现象 却是影响实际种子产量的一大障碍,会造成种子产量的降低。为了克服自然脱粒造成的 东北师范大学博士学位论文 种子产量损失,在适宜的时期收获显得尤为重要。过早收获,会收获到籽粒不饱满、种 子活力差的种子,而过晚收获则会造成种子的自然脱落,大量籽粒饱满的种子损失从而 引起减产【,。在禾本科牧草中,、和 等人通过研究不同的采收时期与产量以及种子质量的关系发现一般在蜡熟期到 完熟期之间采收均会获得较高质量和产量的种子【。 ...病、虫、鼠害以及杂草控制方法 草原病、虫、鼠害对于植物的种子生产影响很大,是影响多年生禾本科牧草种子生 产的因素之一。牧草染病后往往生长缓慢、茎叶枯黄,或出现病斑、叶片残缺、光合作 用能力下降,导致牧草生长不良、利用年限缩短等问题出现。对于种子生产而言,这些 因素会直接造成种子发育不良、干粒重降低、种子产量和质量下降,导致种子绝收等重 大危害。调查发现,常见的禾本科牧草主要的病害有禾草锈病、黑粉病、白粉病、麦角 病、黑痣病等十四个类,二十九种病菌;虫害主要有草地蝗虫、草地黏虫、草原毛虫、 草地螟等九类的害虫;而鼠害主要包括兔形目和啮齿目在内的余种动物【。 对于这 些危害,科研工作者已经总结出了一些有效的控制方法,包括使用杀虫剂等化学方法和 利用性激素控制世代繁殖生物等。 田间杂草也是影响作物种子产量的重要因素,杂草的繁殖力强,较大范围生长时与 牧草争夺阳光、水分、土壤养分等,导致单位面积的有效种子数减少、种子瘪粒增加、 活力降低,且给收获后的种子纯度造成一定的影响】。因此,采取适宜的方法进行病、 虫、鼠害和田间杂草危害可以有效的提高产量。 ...施氮和浇水对种子产量的影响 一般来说,在草地生态系统中,限制草地生产力的最主要因素为水分和氮素,二 者对禾本科牧草作物的种子生产也具有极其重要的作用。因此,为了减少草地水分和氮 素的亏缺造成的种子产量损失,往往采取浇水和补充氮肥的措施。由于作物在不同的生 长发育阶段对水分和氮素的需求量不一致,因此调控时间不同,水分和氮素对产量构成 因子和产量的影响也不同。 施氮和浇水对抽穗数量的影响 研究表明,植株开始由营养生长向生殖生长转化、花序的形成和发育等几个决定种 子产量高低的关键发育时期需要大量的氮素,此时植株获得氮素的量在很大程度上决定 了所有分蘖枝中生殖枝所占的比例,当氮素供给不足时,生殖枝的数量及比例下降】。 比如无芒雀麦、高羊茅的生殖枝的形成和最终的数量受到花芽分化时期氮素的显著影 响,生殖枝分化数量和质量的高低将影响潜在种子产量和实际种子产量的形成垆引。对提 高多年生禾草生殖枝数量而言,大部分物种的调控时间集中在抽穗当年。 和周玉香等人对草地早熟禾、鸭茅等多年生牧草进行施氮研究后发现 早春施氮能够明显的提高当年单位面积的生殖枝数量,进而能够提高当年的种子产量【’ 东北师范大学博士学位论文 。,,,徐荣等,孙铁军 发现春季施肥对猫尾草、无芒雀麦、高羊茅等牧草的生殖枝数量没有显著影响,但是在 的 上一年秋季进行施氮有利于下一年生殖枝数量的提高【】。 研究表明无论什么时期进行施氮处理,多年生黑麦草的生殖枝数量均无多大变化,对分 蘖无显著影响【。陈志宏等还发现在某些年份,秋季施氮对下一年的抽穗数量 有负作用,每平方米的生殖枝数量会减少株左右【】。此外,还有人指出施氮一般不 影响分蘖和发育,且上一年的秋季分蘖密度和发育情况并不能用来准确的评价下一年的 种子产量【。 水分对于作物产量的提高有着极为重要的作用。植物对养分的吸收、运转和利用过 程都依赖于土壤水分,水分含量的高低在很大程度上决定着肥料的合理用量。土壤中的 氮以有机氮和无机氮两种形式存在,植物只能吸收有效氮,即以及的形 式存在于土壤中的氮素。土壤中的有机氮可矿化为无机氮,铵态氮可硝化为硝态氮,土 壤水分是影响矿化及硝化的重要因子,因而水分的增加能提高氮素的矿化速率畔,。对 多年生作物的研究已经表明,水分和水氮的综合运用对于植物总分蘖数量以及有效分蘖 的数量有着显著的促进作用。 施氮和浇水对每穗结实粒数的影响 每穗结实粒数是构成多年生禾草实际种子产量的另外一个关键因子,它的高低同样 受到施氮等栽培措施的影响。根据多年生禾本科牧草外部形态的变化,其物候期可以划 分为返青期、分孽期、拔节期、孕穗期、抽穗期、开花期、结实期、成熟期等【】。一 般来讲,幼穗分化开始时,中上部小穗发育最快,然后向上、向下依次进行,基部小穗 发育最慢;对着生在穗轴上的小穗而言,基部小花优先发育,依次向上顺序进行【。 每穗发育的小花数量一般是由遗传特性和栽培环境共同决定,在分蘖期有较高的氮素营 养水平可以促进禾本科牧草的花序分化,增加每穗上着生的小花数【。比如在多年生黑 麦草上,春季分蘖期施氮使每穗结实粒数的增幅比对照增加%.%,,】。国内 的一些学者也发现,分蘖拔节期施氮可以明显的增加垂穗披碱草、新麦草、扁穗冰草等 多年生禾草的每穗结实粒数【】。这和施肥浇水后植物的光合能力增强、植株内营养物 质储量增加,小花退化数量减少有关【.】。此外,水肥的充分供给避免了小穗与小花分化 后导致的种子发育与其它器官之间的养分竞争,因此能明显的提高每穗的结实粒数和结 实率【】。 施氮和浇水对种子重量的影响 在产量构成因子中,与生殖枝数量和每穗结实数量对种子产量高低的影响相比,种 子重量对产量的影响较小。在一年生禾本科作物中,种子重量变化较小,一般不会受到 外界栽培措施的影响。然而,在对多年生禾草的研究中却发现其还是有明显的变化。一 般来讲,施肥调控种子重量的时间是根据植物的生长规律而定,主要集中在植物的返青 东北师范大学博士学位论文 期到抽穗期。兰剑等人的研究发现在黑麦草的抽穗期进行施氮能显著的提高千 也发现春季施氮能够明显的提高多年 粒重,其增幅可以达到%【。 生黑麦草的千粒重。在对高羊茅的研究中【,陈志宏和徐荣等发现在 一些年份进行春季施氮后,千粒重会显著提%左右,原因为抽穗期施氮时,单位面积 的生殖枝数量已经确定,因而对千粒重的增加有利。乔安海等对垂穗披碱草、 姚爱兴等对草地早熟禾进行氮肥添加试验后同样发现,其千粒重可以显著的增 力:,。 .羊草种子生产的现状及原因分析 ..羊草种子生产的现状 在自然状态下,羊草主要通过根茎、地下芽等繁殖体进行无性繁殖,有性繁殖能力 较弱,其抽穗率、结实率和发芽率仅为%一%、%.%和%%引,无性 繁殖成为羊草种群生存繁衍后代的主要方式【,。当前,在人工建植的羊草草地上,由 于具有较好的水、热、肥等条件,带稃种子产量一般有 左右,而在一些天然 草场上种子产量则很低。 羊草大面积集中分布的中国东北地区地势平坦,适合机械化作业,是我国重要的牧 草生产基地之一。由于自然因素和长期的过度放牧、草原开垦等因素的影响,草地退化 严重,/的草原发生不同程度的退化,/的土地则严重退化成盐碱裸地和沙地【。根 据草地恢复和重建的需要,具有耐寒、耐旱、耐盐碱、且营养价值较高的羊草种子成为 首选草种。然而,低下的种子产量已经成为制约草场恢复和重建的关键因子。 ..羊草种子生产能力低下的原因分析 和其它禾本科作物一样,羊草的种子产量也是由单位面积的抽穗数量、每穗的结实 粒数和千粒重构成。一般来讲,较低的抽穗数量、低下的每穗结实粒数是限制种子产量 的关键,对这两个影响因子的研究主要集中在以下几个方面: ...对羊草抽穗率低的影响因子的研究 羊草的成穗过程 研究表明,羊草作为一种典型的多年生根茎型禾草,它的穗分化需要经历两个生长 季】。在果后营养期的月之间出现的子株在该生长季末期已经开始生殖枝的分化, 大部分子株处于初生期,剩余的部分一般处于伸长期末到结节期初期之日。这些子株 在冬季初霜来临后地上部分枯黄,越冬后翌年返青长出新叶,并且开始生长锥的生长, 进而完成整个穗的发育过程。实验表明越冬前已经长出.片叶的子株对翌年单位面积 抽穗数量的贡献最大,可以占到整个抽穗数量的.%以上,其余子株的贡献较小彤’ 东北师范大学博士学位论文 。在人工羊草草地上,种植后的第一、二年抽穗率很低,到第三年后抽穗率大大提高。 陈敏等人发现,月日播种的羊草在当年的生殖枝数量为.株之,抽穗 率不到%;在第二年生殖枝数量会达到株。,抽穗率达到.%%】。张兆军等 利用石蜡切片的方法对羊草根茎顶芽分生组织的分化状态进行研究后发现,羊 草的花芽分化总体可以分为营养生长和生殖生长两大阶段。羊草从营养生长转向生殖生 长时的第一苞叶分化期称为伸长期,第一苞叶期到小穗分化期之间的阶段叫结节期,之 后的时期称为小穗分化期【】。在整个生长季中花芽和营养芽同时存在,春季和秋季是花 芽分化的高峰期,春季分化的花芽不能抽穗,只进行营养生长,而秋季分化的花芽可以 抽穗。此外,通过对营养枝的研究发现,部分营养枝来源于未能抽穗的生殖枝,原因还 有待于进一步研究【髂】。 密度对抽穗数量的影响 研究表明,羊草在中等密度.株之时抽穗率为.%左右,随着密度的增 加,生殖枝数量也随着增加。当密度增加至.株.左右时,生殖枝密度开始随着 总密度的增加而下降,可见合理的种群密度是影响羊草生殖枝数量的有效手段【】。羊草 草地被刈割后,草场暂时性的获得了较好的透光、通风条件,因而刺激了原有植株的分 蘖过程,在后续的生长过程中密度显著增加。然而,由于光合气管的损失,营养来源受 到限制,羊草新产生的生殖枝数量少、竞争力降低,所产生的穗的长度普遍短小,每穗 上的籽粒数量也减少。 气候条件对抽穗数量的影响 羊草种群的种子生产有明显的丰欠年现象,其生殖枝分化比率受生态环境条件的制 约。杨允菲等通过年的连续调查发现前一年度秋季.月低温、多雨、 少光照,对翌年生殖枝数量的增加及生长有促进作用;抽穗当年返青期至拔节期的高温、 少雨、多光照条件有利于生殖枝数量的增加,然而增幅的大小没有明确的报道【们。羊草 在干旱、少雨的条件下表现出更加倾向有性生殖的行为,原因是种子要比地下根茎、芽 库等营养繁殖体具有更强的抵御外界不良环境的能力。 连续割草和放牧对抽穗数量的影响 放牧和刈割能明显降低生殖枝的密度,家畜的频繁采食或刈割必然会干扰甚至破坏 部分个体的成穗过程,使生殖枝直接被啃食或刈割掉而直接丧失【?。王仁忠指 出,放牧对羊草的一个直接影响是降低了种群生殖枝的分化率,极牧阶段生殖枝分化率 几乎为零【。杨允菲等人,通过对长期割草地、过渡放牧地与休闲地的比 较,发现尽管放牧地在单位面积上的抽穗株数明显少于割草地,但割草地与放牧地羊草 种群的抽穗率没有明显差异,与休闲地相比,放牧与割草均可促进羊草的营养繁殖力【, 】。然而,也有研究者发现,对翻耙改良的天然草地在前一年夏秋季对羊草草地做刈割 处理后,下一个生长季的生殖枝比率会显著的增加.倍,其原因还不清楚。 东北师范大学博士学位论文 .. .‘ ...对羊草结实率低的影响因子的研究~. 羊草的开花和结实特性 羊草在返青后两个月左右开始开花,花期较长,种群花期持续天左右,盛花期 持续天左右【。羊草的开花一般从整个穗的上/处始花,穗下部最后开花。小花 在:点左右集中开放,当温度、湿度等外界条件适宜时,内外稃开裂,露出花药和 柱头进行授粉【】。 , 羊草为典型的异花授粉植物,其自交率极低,仅有不到%为自交结实【】。一般来 讲,着生于羊草穗上的小穗自下而上的结实率和结实粒数呈下降的趋势,每穗总的结实 数量差异较大副。同一种群中生殖枝之间的结实率也存在较大差异,最高结实率超过 %,最低不超过%/州。 小孢子发育对结实过程的影响 段晓刚等人通过研究羊草小孢子的减数分裂过程发现,一些小孢子在该过 程存在着不同于其它禾本科物种的行为,包括从分裂中期开始到末期的整个过程均会 出现异常。减数分裂的异常必然会影响花粉的育性,或直接导致花药中无花粉现象的出 现,其结实行为受到了明显的影响【】。另外,研究还表明羊草花药的死亡率随着花位的 , ’ 增高呈逐渐增加的趋势,离穗轴越远的小花中花药的死亡率越甜。等人 认为基因作用直接引起的生理代谢障碍以及与立地环境因素的异常有关,变幅较大的温 度和湿度等因素会影响小孢子的活性、受精作用及合子的正常发育【】。 大孢子发育对结实过程的影响 植物有性生殖过程的表达产物是种子的生产,胚囊作为种子生产过程中的载体,直 : 接决定植物种子最终的形成与否。在对羊草大孢子和胚囊育性的研究中,有学者发现 羊草的胚囊有%左右的双胚囊,其余部分为单胚囊,正常发育的胚囊仅占%左右, 因此,胚囊异常发育也是羊草结实率低的原因之一【】。然而,黄泽豪等人利 用激光共聚 焦显微镜观察的结果表明,羊草有羽状雌蕊一枚,胚珠倒生,双珠被,薄珠心。其大孢 子四分体呈线形排列,胚囊的发育类型为八核蓼形胚囊,大孢子和胚囊的发育过程基本 正常,大孢子发育不是影响结实过程的关键因素【。 开花特性对结实过程的影响 羊草一般在月中下旬返青,月中下旬开始抽穗,月上旬始花,花期可延续 左右【。羊草种群开花期较长,花期不集中,花粉流密度低,导致结实率低的真正原 因可能与羊草花粉数量不能满足正常传粉的需要有关。当羊草抽穗和开花比较集中时, 如果有足够数量的异花花粉,花药散落形成大量像烟雾一般的花粉流就非常有利于授 粉,受精成功的几率增加,结实率能明显提高【】。因此,一些学者提出在种子田羊草开 花相对集中的时间进行人工辅助授粉,可以提高其结实率【】。 草地利用方式对结实过程的影响 东北师范大学博士学位论文 羊草为异花授粉植物,放牧、刈割直接降低了羊草种群中生殖枝的数量,单位面积 上生殖枝数量的减少会降低授粉成功的几率,导致每穗上饱满的籽粒数量减 少,结实率 降低。在放牧场,生殖枝数量和每穗的籽粒数量均很少,但仅有的籽粒发育良好,千粒 重较高,这可能和羊草生殖枝数量损失以后库的相对缩小有关。围栏封育的羊草草地由 于干扰小,除了千粒重较小之外,每穗的籽粒数量均明显高于放牧场。因此,不同的 利用方式会对羊草的结实过程产生明显的影响,合理的牧草收获时期和在当年种子收获 后剩余营养枝的利用方式等管理措施会对当年的羊草种子和翌年的生产产生显著的影 响。 气候条件对结实过程的影响 羊草的开花受到气候条件的直接影响,阴雨天时,气温较低、空气湿度大,此时, 所有小花全不开放。只有在温度达到以上、相对湿度在%%时小花才会大 量开放阴】。传粉期的不良气候条件会直接影响到授粉过程,进而导致种群结实率严重降 低。杨允菲通过研究羊草抽穗期间的气候因子与结实器官的相关性状后发现, 在幼穗分化阶段较高的温度和多光照的气候条件不利于小穗和小花的形成,其中温度是 限制穗轴长度的主要因子;在籽粒形成期,充足的光照有利于植物积累光合产物,促进 灌浆,因而能够增加结实粒数和种子重量,相对于水分、空气湿度等因素而言光温因子 是影响羊草种群单穗数量形状的最重要因子【们。通过分析前一生长季后期的气候因子与 种子重量的关系后发现,此阶段的降雨量与种子重量呈一定的负相关关系,且有的年份 已经达到显著水平【删。 ..栽培措施对羊草种子生产的影响 就现有的资料来看,利用栽培措施提高羊草的种子产量主要包括肥料和水分管理、 病虫害防治等几个方面的措施。具体为: ...水肥条件对种子生产的影响 同许多禾本科作物一样,氮、磷、钾等大量元素对羊草的结实有着重要的影响。杨 允菲通过在不同时间对羊草草地进行补充氮、磷、水分后发现,肥和水均能够 的过磷酸钙时结 增加羊草的结实率,其中磷肥的效果最为明显,比如当施入 实率的增幅达到.%。然而,在孕穗后的发育阶段补给水肥会给结实器官的发育带 来不良的影响,结实率和千粒重会下降,但是施肥的残效作用对翌年种子的生产可能有 促进作用【 。与杨允菲等人的研究结果不同,阿其图的研究表明,施用适量的氮素可 以显著的提高羊草单位面积的生殖枝数量、每穗的小花数和籽粒数量,结实率的增幅达 到.%。本论文作者通过前期的研究表明,在羊草抽穗当年,施用氮、磷、钾肥 均对羊草单位面积的抽穗数量没有影响,而氮、钾肥能够显著的增加每穗的结实粒数和 东北师范大学博士学位论文 . 干粒重,返青时施肥效果最好【】。? 叶面喷施硼、锌等微量元素肥料能够明显促进羊草花蕾的开放数量、减少花药死亡 的数量,最后显著的提高结实率,使产量增加。一般来讲,施肥和浇水后作物的产量会 大幅提高,原因与植物可利用养分增加、光合能力显著提升、植物供给生殖部分的能量 充足有关。在生产上为了提高羊草的种子产量,还要考虑改变种群生殖分蘖株的比率, 较高的生殖枝分化比率意味着抽穗数的增加。实验表明在新建植的人工草地上,当年施 用氮素含量为%的尿素后生殖分蘖株的比率会比对照高出.%左右,而氮素和磷肥 同时施用后生殖枝分化比率会提高.%左右,整个生殖枝数量能够达到每平方米近 。。 株,增幅极为明显,因此施用化肥能够对羊草的种子生产起到明显的促进作用【 当年施肥能否对羊草的种子生产产生如此大的影响,以及何时是最有效地调控时期还需 要进一步的研究。 ...病虫害防治对种子生产的影响 据统计,能够危害羊草的病源生物主要有锈病、蜜穗病、麦角病等种病害;虫害 有蝗虫类、粘虫类、杆蝇类、地下害虫类四类,共种重要害虫。这些病虫害一旦大 范围发作,羊草的种子产量会受到严重影响【。当前,地下害虫的防治方法主要包括农 业措施、化学措施和生物措施三类,其中农业措施中的合理轮作、施肥和灌溉等措施能 够减少地下病虫害的危害;化学措施中的药饵诱杀等措施均有比较好的效果。 综合前人对羊草种子生产过程的研究以及对其它作物的研究后得出,栽培措 施是现 阶段提高羊草种子产量最重要的方法,栽培方法中的水分和氮素利用为核心的增产因 素。 .研究意义 综合前人对提高黑麦草、草地早熟禾、高羊茅等多年生禾草种子产量的研究结果后 得出,氮素和水分管理是影响种子生产的最重要因素,应用水肥调控来提高各产量构成 因子的时间主要集中在抽穗当年的返青期到灌浆期之间与前一生长季后期。通过水肥措 施调控羊草种子生产,主要的调控时间均集中在抽穗当年,对上一生长季的果后营养期 进行施肥调控的有效性没有明确的研究结果。在其它的作物的产量构成因子中,每穗的 结实粒数为限制产量的最关键因子,因而一些重要的增产措施集中在增加小花分化的数 量以及增加饱满籽粒的数量上。对于羊草而言,哪个产量构成因子是限制产量的关键因 子以及如何调控是种子生产过程中的重点所在。 在自然状态下,大多数多年生根茎型的禾草主要通过无性繁殖维持地上种群的发展 【,,,地上部分除了一小部分来源于种子外,大多数枝条来源于地下芽库,受地下 芽库动态的影响【,, 。生殖枝作为地上植株的一部分,种子生产过程不可避免东北师范大学博士学位论文 的也会受到地下芽库的调节。一般来说,外界条件的改变均会使植物产生适应性的变化。 比如在氮素和水分充足的情况下,光合作用能力大幅度增加,通过“源.库关系的变 化而影响种子产量的提高等。因此,从多年生根茎型禾草的生殖枝均来源于地下芽库和 光合作用能力变化影响作物各器官生长发育的事实出发,有必要研究地下芽库中各类芽 分蘖芽、向上生长根茎顶芽、水平根茎顶芽和根茎节间芽以及叶片光合能力在不同 条件氮素、水分、温度下的变化规律,为提高羊草的种子产量提供理论依据。 本研究的目的是: 通过不同的调控方式确定羊草产量构成因子中最为关键的 因子,提出提高羊草种子产量的最有效方法; 确定利用氮素和水分调控各个因子 的适宜时间,为实际生产中提高产量提供方法依据;通过室内控制实验研究氮素、 水分和温度对地下芽库中各类芽和地上植株叶片光合作用的影响,以期指出 不同因素影 响羊草种子产量的原因和机理,为科学施肥提供必要的依据。 东北师范大学博士学位论文 第二章春季施氮对种子产量及产量构成因子的影响 提高羊草种子产量的主要时期集中在抽穗当年,当年施用氮素的增产效应表现在提 高抽穗数量、每穗结实粒数和千粒重三个不可缺少的产量构成因子中的部分或者全部因 子(在多年生黑麦草等作物上的研究表明氮素的应用对每平方米的生殖枝数量没有影响 ,提高每穗结实粒数是增加产量的关键【,。在其它多年生禾草上的研究中也有大 量的类似结论。 在应用氮素提高羊草种子产量的研究中,现有的一些资料表明在抽穗当年施氮能够 增加小花分化成功的比率,最终能够使种子产量有所提高。然而,产量构成因子中的哪 个因子是影响产量的最关键因素以及何时进行氮素调控是提高产量的关键时期还没有 得到明确的阐述。因此,我们有必要确定抽穗当年不同的生长发育阶段施用不同量的氮 肥对产量构成因子和最终产量的影响,并通过一些有效的统计学方法确定影 响羊草种子 产量的关键产量构成因子,为在实际生产中提高羊草的种子产量提供理论和技术指导依 据。 .材料与方法 ..研究区概况 研究地点设在中国松嫩草原西南部的吉林省长岭县,东北师范大学草业科学定位研 . 究站内的一片开阔的人工草地上,地理位置为’,’。该地区属温带半干 旱大陆性季风气候,无霜期 左右。年平均气温为.、年均降水量为. .,大部分集中在月份,该阶段的降雨量约占全年降水量的%以上。 年蒸发量较大,为降雨量的倍。实验区内主要土壤类型为盐碱化草甸土,在地表 . 深度的土壤中全氮、全磷、全钾含量分别为.%、.%和.%;可利用性 氮、磷和钾的含量分别为. ~;土壤为., 百、. ’和. 一(全氮和可利用性氮分别用半微量凯氏定氮和碱解扩散法 电导率为.? 测定;全磷和可利用性磷用高氯酸.硫酸酸溶钼锑抗比色发和’碳酸氢钠法测定; 全钾和可利用性钾用火焰光度法测定二者分别用氢氧化钠熔融法提取和乙酸铵溶液法 提取【】。 ..物种描述与实验材料 西是一种典型的多年生根茎型禾本科植物,主要分布于欧亚 羊草 东北师范大学博士学位论文 大陆草原的东部区域,包括俄罗斯的外贝加尔区,蒙古人民共和国的北部、东部,中国 的东北平原、华北平原和黄土高原【】。在中国东北松嫩平原,羊草为天然草地的优势种, 生物量占总生物量的%%。羊草在月中上旬返青,部分植株月下旬抽穗, 月上旬开花,月下旬种子成熟。在月下旬到月上旬的果后营养期,子株陆续由 地下芽输出而成。在十月上旬生长季结束时,营养枝死亡,子株和地下芽越冬后,来年 再生长发育成新的母株。 本研究是在年用吉生号羊草品种播种建植的人工草地中进行,样地内的羊 草密度均一。羊草在月中上旬返青、部分植株月下旬抽穗、月上旬开花、月下 旬到月初种子成熟,其后未抽穗植株营养枝进入果后营养生长期的同时,地下的 芽逐步长出地面,成为新的植株。新植株一般只生长片叶,且始终不拔节,被 称为 子株。营养枝和子株在月末或月初秋霜来临后,地上部分叶片枯黄,停止生 长。 在越冬后,这些地下芽能够继续生长为新的植株。 ..气象数据收集 .年以及年上半年的月平均气温和月降水量的气象数据从吉林省长岭 县气象局获得。该气象观测站位于本实验地点以南公里处。 ..施肥实验设计 施氮实验是在年.年个年份进行。本实验采用随机区组一裂区设计,主区为 施肥时间,亚区为氮素水平。每年开始实验时,都重新设置新的实验小区进行 施氮实验。 、 施肥时间为二棱期,小穗分化期和灌浆期;氮素水平为折合纯氮埏矿、. × ,小区 .埏,氮素类型为含氮量为%的尿素;每个处理小区面积为 间隔 。处理次重复,共个样方。我们将每个处理作为一个区组,区组和不同处 理随机排列。施肥后每个小区均立即喷洒蚝水,使肥料融解到土壤中。 ..产量构成因子和产量的调查 ×. 个施氮实验年份的羊草种子完熟