水分與鹽分對荒漠植物種子萌發(fā)的影響

趙麗珍 韓 路

(塔里木大學植物科學學院，新疆阿拉爾843300)

種子在開花植物的生活史中不僅處于承上啟下的關鍵階段，也為其適應異質的生境提供了豐富的遺傳基礎[1]。從種子到幼苗階段是荒漠植物種群生活史中虧損最嚴重的時期，也是其更新過程中最薄弱的環(huán)節(jié)[2]。這一時期植物個體較為弱小，抵抗脅迫的能力低，植物死亡至少有95%發(fā)生在種子階段[3]，因此成為影響植物種群定居、更新和分布最為關鍵的時期[4]。不同生境植物種子能否萌發(fā)、產生正常幼苗，受外界生態(tài)條件諸如水分、溫度、氧氣、光照、土壤酸堿、土壤鹽分和埋深等的影響[5]。塔里木干旱荒漠區(qū)氣候干旱、降水稀少、土壤貧瘠與鹽堿普遍、環(huán)境嚴酷[6]，因此，有必要探討影響荒漠植物種子萌發(fā)這一關鍵階段的限制因子，深入研究干旱荒漠區(qū)環(huán)境因子對荒漠植物種子萌發(fā)的影響。前人曾探討了鹽爪爪、鹽穗木、鹽節(jié)木、鈴鐺刺和疏葉駱駝刺種子的萌發(fā)與生長特性[7－11]，但不同學者研究結果略有出入。同時，大多數(shù)研究集中于NaCl和其它單鹽實驗[8－11]，在某種程度上可能脫離了植物生境的實際情況。不同鹽類，特別是復合鹽對荒漠植物種子萌發(fā)的影響研究相對缺乏，且對塔里木優(yōu)勢灌草植物研究較少。因此，本文采用聚乙二醇(PEG－6000)模擬干旱脅迫與不同濃度的天然土鹽溶液作為基質對5種荒漠植物種子進行滲透脅迫處理，觀測種子在干旱與鹽脅迫下的萌發(fā)能力，探討荒漠植物種子萌發(fā)期的抗旱、抗鹽能力及種子萌發(fā)的適宜水分含量及鹽分濃度，為干旱荒漠區(qū)物種更新與生境改造及植被恢復提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

選擇塔里木荒漠區(qū)重要的荒漠植物，其中包括駱駝刺、鈴鐺刺、苦馬豆、苦豆子、黑果枸杞，于種子成熟季節(jié)選擇分布于不同生境下的荒漠植物種群，在每種生境下采集植株上成熟且無蟲叮咬的果實，將其混合，帶回實驗室，自然晾干。在實驗開始之前，單粒分揀，挑選飽滿、無病蟲害的種子用于實驗。

1.2 種子萌發(fā)水分與鹽分處理

在催芽實驗之前進行預實驗，實驗結果表明，75%硫酸處理種子20分鐘其萌發(fā)率最高。本文采用此方法進行種子處理。

根據(jù)GB 2772－1999國家標準進行發(fā)芽實驗。將PEG－6000用蒸餾水配制成5%、10%、15%、20%、25%、30%和提純土鹽配制成1%、2%、3%、4%、5%、6%不同濃度的溶液，以蒸餾水作為對照(CK)。挑選顆粒飽滿新鮮的種子，用75%酒精表面消毒1～2 min，再用無菌水沖洗3次、晾干。將培養(yǎng)皿(直徑9cm)清洗干凈，烘干，內置兩層濾紙，加入PEG－6000或土鹽溶液至濾紙飽和(10ml)，每皿50粒種子，蓋好蓋子，每處理設3次重復。然后放入(28±1)℃光照培養(yǎng)箱內(RXZ型、寧波東南儀器廠)，濕度為70%，每天光照16h，黑暗8h。每天用與各種處理液濃度相對應的PEG、鹽溶液沖洗培養(yǎng)皿內濾紙，且3天更換一次濾紙及各溶液。同時，每天觀察并統(tǒng)計種子發(fā)芽情況，連續(xù)培養(yǎng)7天至不出現(xiàn)發(fā)芽種子，實驗終止。種子萌發(fā)以胚根突破種皮，肉眼可見為標準。

1.3 測定項目與方法

發(fā)芽率(GR):GR=最終達到正常發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽勢(GT):GT=發(fā)芽達到高峰期時發(fā)芽種子數(shù)(前3天)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)GI:GI=∑(Gt/Dt)Gt:在t天內的發(fā)芽數(shù)，Dt:為相應發(fā)芽天數(shù)

干旱傷害率(%)=(A0－A1)/A0×100%，其中A0—CK值;A1－PEG脅迫值

種子萌發(fā)抗旱指數(shù)=PEG脅迫下萌發(fā)指數(shù)/對照萌發(fā)指數(shù)

耐鹽指數(shù)(K):K=∑(RGR+GT+GI)/mn;式中m為計算指標項數(shù)，n為鹽濃度梯度個數(shù)

相對鹽害率(RSH):RSH=(對照萌發(fā)率－處理萌發(fā)率)/對照萌發(fā)率×100%

1.4 統(tǒng)計分析

數(shù)據(jù)處理和作圖采用Microsoft Excel 2003進行，并對所得百分比數(shù)據(jù)進行反正弦轉換，數(shù)據(jù)分析采用DPS軟件進行，通過單因素方差分析檢驗差異顯著性，多重比較采用Duncan法。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫對種子萌發(fā)影響

2.1.1 不同濃度PEG處理對荒漠植物種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

圖1 PEG脅迫對4種荒漠植物種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢的影響

發(fā)芽率和發(fā)芽勢是反映種子發(fā)芽能力的主要指標。由圖1可見，隨PEG濃度增加，4種荒漠植物種子萌發(fā)率與發(fā)芽指數(shù)均呈下降趨勢，PEG濃度越高，種子萌發(fā)率越低。不同植物種子萌發(fā)對水分脅迫程度的反應明顯不同。PEG脅迫濃度小于15%時，苦豆子、駱駝刺與苦馬豆種子萌發(fā)率均超過50%，而黑果枸杞種子萌發(fā)率在10%PEG脅迫下基本接近0。由表1可見，苦豆子、駱駝刺與苦馬豆、黑果枸杞的發(fā)芽率、發(fā)芽勢分別在20%、15%與5%PEG與對照差異達顯著水平，4種植物種子發(fā)芽率在不同PEG濃度下差異均達顯著水平，濃度越高差異越明顯。抗旱性強弱依次為苦豆子＞駱駝刺＞苦馬豆＞黑果枸杞。

種子萌發(fā)對水分的抗性不同，為進一步了解二者種子萌發(fā)的耐旱范圍，假設當種子萌發(fā)率分別為75%、50%和25%時[12]，計算所對應的PEG濃度為種子萌發(fā)的適宜值、臨界值和極限值?？喽棺臃N子萌發(fā)PEG濃度適宜值、臨界值與極限值分別為15.76%、26.37%與28.19%;駱駝刺分別為14.36%、20.83%與22.92%;苦馬豆分別為2.68%、15.34%、17.89%;黑果枸杞種子萌發(fā)的PEG濃度極限值為3.75%。通過對比初步確定苦豆子耐干旱能力最強。

表1 PEG脅迫下荒漠植物種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢的方差分析

種子萌發(fā)對干旱的抗性不同，為進一步了解二者種子萌發(fā)的耐旱范圍，假設當種子萌發(fā)率分別為75%、50%和25%時[14]，計算所對應的PEG濃度為種子萌發(fā)的適宜值、臨界值和極限值?？喽棺臃N子萌發(fā)PEG濃度極限值為28.19%，臨界值為26.37%，種子萌發(fā)適宜值為15.76%;駱駝刺種子萌發(fā)PEG濃度極限值為22.92%，種子萌發(fā)臨界值為20.83%，種子萌發(fā)適宜值為14.36%;苦馬豆種子萌發(fā)PEG濃度極限值為17.89%，臨界值為15.34%，適宜值為0.68%;黑果枸杞種子萌發(fā)的PEG濃度極限值為3.75%。通過對比各種子的種子萌發(fā)適宜值、臨界值和極限值，初步判定在四種植物中，苦豆子種子耐干旱脅迫能力最強。

2.1.2 不同濃度PEG處理對荒漠植物種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由圖2可見，4種荒漠植物種子發(fā)芽指數(shù)變化趨勢與發(fā)芽率相似?？喽棺印Ⅰ橊劥膛c苦馬豆分別在PEG濃度高于25%、20%與15%，其發(fā)芽指數(shù)均迅速降低，表明種子萌發(fā)明顯受抑制。各PEG濃度下苦豆子種子發(fā)芽指數(shù)均最高，其次駱駝刺。不同濃度PEG對4種荒漠種子的發(fā)芽指數(shù)均有顯著影響(P＜0.05，表2)?？喽棺?、駱駝刺和苦馬豆、黑果枸杞的發(fā)芽指數(shù)分別在30%、15%和5%PEG濃度下與對照差異達顯著水平，相同PEG濃度處理下4種植物發(fā)芽指數(shù)均達顯著差異水平。表明水分脅迫下，發(fā)芽指數(shù)大小依次為苦豆子＞駱駝刺＞苦馬豆＞黑果枸杞。

圖2 PEG脅迫對4種荒漠植物種子發(fā)芽指數(shù)的影響

表2 PEG脅迫下4種荒漠植物種子發(fā)芽指數(shù)的方差分析

2.1.3不同濃度PEG處理下荒漠植物的干旱傷害率與及抗旱指數(shù)

由圖3可見，隨PEG濃度的增加，4種荒漠植物種子干旱傷害率呈上升趨勢，而抗旱指數(shù)則逐漸下降。其中，黑果枸杞干旱傷害率上升最快、其次為苦馬豆。黑果枸杞種子傷害率在PEG＞10%以上其干旱傷害率均超過90%，而苦豆子、駱駝刺、苦馬豆的干旱傷害率分別在PEG為30%、25%和20%時均超過90%，表明4種荒漠植物的抗旱性差異明顯。種子抗旱指數(shù)變化趨勢正好與干旱傷害率相反。15%PEG處理下除黑果枸杞外均表現(xiàn)出較高的抗旱特性，抗旱指數(shù)均大于0.5;而5%PEG下黑果枸杞抗旱指數(shù)已下降至0.5以下;15%PEG其抗旱指數(shù)接近0。不同PEG濃度處理下4種荒漠植物種子干旱傷害率與抗旱指數(shù)均達顯著差異水平(表3)。根據(jù)2種指標大小，4種荒漠植物耐旱性依次為苦豆子＞駱駝刺＞苦馬豆＞黑果枸杞。

圖3 PEG脅迫下4種荒漠植物種子干旱傷害率與抗旱指數(shù)

表3 PEG脅迫下4種荒漠植物種子干旱傷害率與抗旱指數(shù)的方差分析

2.2 鹽分對種子萌發(fā)的影響

2.2.1 不同濃度土鹽處理對荒漠植物種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

由圖4可見，3種荒漠植物種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢隨土鹽濃度的增加而降低。土鹽濃度為1%時，3種植物種子發(fā)芽率均大于75%;土鹽濃度2%時，苦豆子與鈴鐺刺種子發(fā)芽率均大于60%，而苦馬豆發(fā)芽率則小于30%。種子發(fā)芽勢變化趨勢與發(fā)芽率相似，均隨土鹽濃度增加而下降，苦馬豆下降最快。1%土鹽溶液對3種荒漠植物種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢均無明顯影響，而大于2%時則差異達顯著水平(表4)。2%以上土鹽溶液處理下3種荒漠植物種子發(fā)芽率均達顯著差異水平。種子萌發(fā)對鹽的抗性不同，為進一步了解3種種子萌發(fā)的耐鹽范圍，假設當種子萌發(fā)率分別為75%、50%和25%時[12]，計算所對應的鹽濃度為種子萌發(fā)的適宜值、臨界值和極限值。苦豆子種子萌發(fā)的鹽分適宜值、臨界值和極限值分別為1.66g%、2.24%和2.62%;苦馬豆分別為1.03%、2.10%和1.55%;鈴鐺刺分別為2.20%、2.95%、3.52%。以上可見，鈴鐺刺耐鹽能力最強。耐鹽能力大小依次為鈴鐺刺＞苦豆子＞苦馬豆。

圖4 土鹽脅迫對3種荒漠植物種子發(fā)芽率和發(fā)芽勢的影響

表4 土鹽脅迫下3種荒漠植物種子發(fā)芽率與發(fā)芽勢的方差分析

2.2.2 不同濃度土鹽處理對荒漠植物種子萌發(fā)指數(shù)的影響

由圖5可見，3種荒漠植物種子發(fā)芽指數(shù)隨著土鹽濃度的增加而下降，苦豆子與苦馬豆種子發(fā)芽指數(shù)呈直線下降，2%土鹽下分別比CK下降了61.12%和81.25%，而鈴鐺刺則僅降低了20%。表明2%鹽濃度下3種荒漠植物種子均具有一定的萌發(fā)能力，但苦豆子與苦馬豆種子萌發(fā)能力已嚴重受抑制。不同濃度土鹽溶液對3種植物種子的萌發(fā)均有顯著影響(P＜0.05，表5)。相同土鹽濃度處理下，3種植物種子發(fā)芽指數(shù)均達顯著差異水平。1%土鹽濃度對鈴鐺刺和苦馬豆發(fā)芽指數(shù)影響不顯著，而對苦豆子影響達顯著水平。

圖5 鹽脅迫對3種荒漠植物種子發(fā)芽指數(shù)的影響

表5 鹽脅迫下3種荒漠植物種子萌發(fā)指數(shù)的方差分析

2.2.3 不同濃度鹽處理對荒漠植物種子耐鹽指數(shù)和相對鹽害率的影響

相對鹽害率可比較不同植物間及同一植物對不同鹽濃度的耐鹽能力[13]。由圖6、表4可見，3種荒漠植物種子相對鹽害率隨土鹽濃度增加而逐漸增大。土鹽濃度3%時，苦豆子、苦馬豆與鈴鐺刺相對鹽害率分別71.3%、100%與51.7%。低濃度鹽脅迫下(1%)，鈴鐺刺的相對鹽害率明顯低于其它2種植物，反映出鈴鐺刺對荒漠鹽化環(huán)境的適應性較強。耐鹽指數(shù)可以較客觀地反映植物的耐鹽能力[14]。3種荒漠植物種子耐鹽指數(shù)與相對鹽害率相反，鈴鐺刺下降幅度最小。相同濃度土鹽處理下(1%～3%)，3種植物相對鹽害率與耐鹽指數(shù)均達顯著差異水平(表6)。耐鹽指數(shù)大小依次為鈴鐺刺(1.5834)＞苦豆子(1.3362)＞苦馬豆(0.9613)。

圖6 鹽脅迫對3種荒漠植物種子相對傷鹽率和耐鹽指數(shù)的影響

表6 鹽脅迫下3種荒漠植物種子相對鹽害率和耐鹽指數(shù)的方差分析

3 結論與討論

土壤含水量是調節(jié)種子萌發(fā)的重要因素之一[14]。聚乙二醇是常用來造成水分脅迫的滲透劑，它使組織失水而起到類似自然的干旱作用。水分脅迫顯著影響荒漠植物種子的萌發(fā)，隨著土壤水分含量的增加，各種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、抗旱指數(shù)明顯下降，結果與張占江等人[8－9]研究結果一致。通過各指標綜合分析表明，苦豆子相對于其它3種植物最耐旱，其次為駱駝刺、苦馬豆、黑果枸杞。

本實驗采用的土鹽是在植物生長地周圍土壤中采集提取的天然鹽，在最大程度上模擬植物在自然狀態(tài)下的鹽環(huán)境。研究利用濃度1%、2%、3%、4%、5%、6%的天然鹽進行鹽脅迫萌發(fā)實驗，2%土鹽濃度下各荒漠植物種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)與耐鹽指數(shù)顯著降低。綜合分析各指標得出3種荒漠植物中鈴鐺刺耐鹽能力最強，其次為苦豆子、苦馬豆。通過實驗數(shù)據(jù)還可以得出，隨著PEG和鹽濃度增加，各荒漠植物種子的萌發(fā)率達到最高時的PEG和鹽濃度不同，說明植物在特殊環(huán)境中已經形成了適應環(huán)境的萌發(fā)策略。綜合荒漠植物種子萌發(fā)的水分與鹽分閾值來看，苦豆子抗旱能力最強，鈴鐺刺最耐鹽。

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