儲(chǔ)藏溫度對(duì)9種內(nèi)蒙古半干旱草地植物種子萌發(fā)的影響

韓艷婷，江林祥，鐘明星，陳安群，劉銀占*

(1．信陽(yáng)師范學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，河南 信陽(yáng) 464000；2．河南大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，河南 開封 475004)

0 引言

我國(guó)草地面積約4 億hm2[1,2]，占國(guó)土面積的40%以上, 養(yǎng)育了近一億人口[3].其中內(nèi)蒙古草地面積約為7880 萬(wàn)hm2，占我國(guó)草地面積的22%，是我國(guó)面積最大的草地[4].該地區(qū)不但是我國(guó)傳統(tǒng)的畜牧業(yè)生產(chǎn)基地，還是我國(guó)重要的天然綠色生態(tài)屏障，在涵養(yǎng)水源[5,6]，防風(fēng)固沙[7]，保持生物多樣性與維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)平衡[8]方面起著重要作用.這些地區(qū)受特殊的地理環(huán)境和氣候特征影響，成了典型的生態(tài)脆弱區(qū)，同時(shí)又受過(guò)度放牧以及其他不合理的土地利用方式的影響，造成草地退化嚴(yán)重[9].改變?cè)械牟莸厣鷳B(tài)系統(tǒng)管理模式，努力恢復(fù)該地區(qū)草地的群落結(jié)構(gòu)與生態(tài)系統(tǒng)功能，促進(jìn)草地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)迫在眉睫.

種子是植物最重要的繁殖器官，是草地植物世代更替的主要途徑[10,11]，也是草地恢復(fù)的重要材料之一[12-14].探究不同草地植物種子萌發(fā)的限制因子，尋找提高種子萌發(fā)率及定植成功率的途徑，對(duì)于加速草地恢復(fù)進(jìn)程具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義.目前關(guān)于種子萌發(fā)的影響因素已經(jīng)進(jìn)行了大量研究，并發(fā)現(xiàn)溫度是影響種子萌發(fā)的主要因素之一[15,16]，每一種植物都有其種子萌發(fā)的最適溫度[17,18]，溫度過(guò)高[19,20]或過(guò)低[21,22]都會(huì)降低種子的萌發(fā)率.文獻(xiàn)[23，24]研究了種子大小與種子萌發(fā)率、萌發(fā)時(shí)間的關(guān)系.文獻(xiàn)[25-28]以高寒草地和荒漠草原物種為研究對(duì)象，對(duì)比了恒溫儲(chǔ)藏和變溫儲(chǔ)藏下種子萌發(fā)的差異，最終確定的受試物種的最佳儲(chǔ)存方式分別為濕冷[25]、冷干藏[26，27]、冬季室外埋藏[28]，即寒冷的儲(chǔ)藏方式對(duì)種子萌發(fā)有利.半干旱草原的物種與高寒草地[25,26]及荒漠草原[27]的物種無(wú)論在形態(tài)結(jié)構(gòu)、還是在環(huán)境適應(yīng)方面均存在較大的差異.本研究選取內(nèi)蒙古9種半干旱草地物種作為研究對(duì)象，研究不同儲(chǔ)藏溫度對(duì)種子萌發(fā)的影響，以及不同萌發(fā)指標(biāo)之間的關(guān)系，確定不同物種的萌發(fā)特性，為當(dāng)?shù)刂脖换謴?fù)提供數(shù)據(jù)支持.

1 材料與方法

1.1 種子采集地概況

受試植物種子采集于中國(guó)科學(xué)院植物研究所多倫縣十三里灘實(shí)驗(yàn)基地(42°02′ N, 116°17′E, 1324 m a. s. l.)，該地區(qū)年均溫2.3 ℃，年均降水量380 mm，屬溫帶大陸性氣候.主要植被為半干旱草地，優(yōu)勢(shì)物種為冷蒿(Artimesiafrigida)和克氏針茅(Stipakrylovii)，建群種有阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、冰草(Agropyroncristatum)豬毛菜(SalsolacollinaPall)、灰綠藜(Chenopodiumglaucum)等.

1.2 種子收集與保存

選取實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)常見(jiàn)的9種植物作為研究對(duì)象.2種多年生雜類草：阿爾泰狗娃花(H.altaicus)和冷蒿(A.frigida)；2種多年生禾類草：冰草(A.cristatum)和克氏針茅(S.krylovii)；5種一年生植物：刺藜(Chenopodiumaristatum)、狗尾草(Setariaviridis)、灰綠藜(C.glaucum)、燭臺(tái)蟲實(shí)(Corispermumcandelabrum)和豬毛菜(S.Pall).在2014年8—10月份收取每個(gè)物種成熟的種子，自然風(fēng)干后放于牛皮紙信封中，分別放于室溫(17 ℃)、低溫(4 ℃)和超低溫(-18℃)條件下儲(chǔ)藏至萌發(fā)實(shí)驗(yàn)開始.

1.3 種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)于2014年12月1日開始進(jìn)行，每種植物不同儲(chǔ)藏方式的種子各選取100粒，置于直徑90 mm培養(yǎng)皿內(nèi)，采用培養(yǎng)皿紙上法在25 ℃進(jìn)行萌發(fā)預(yù)實(shí)驗(yàn)，每天觀察記錄每個(gè)培養(yǎng)皿內(nèi)的種子萌發(fā)數(shù)量.為了精確統(tǒng)計(jì)萌發(fā)結(jié)果，每次觀察記錄后將已萌發(fā)的種子移出培養(yǎng)皿.

整個(gè)預(yù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程為1個(gè)月.通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，得出不同儲(chǔ)藏方式下每個(gè)物種大致的萌發(fā)開始時(shí)間(首次觀察到種子開始萌發(fā)的時(shí)間)與峰值時(shí)間(當(dāng)日種子萌發(fā)數(shù)量最多的時(shí)間).預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后開始正式實(shí)驗(yàn)，選取每種儲(chǔ)藏方式下每種植物種子150粒，按照50粒/份的標(biāo)準(zhǔn)分成3個(gè)重復(fù)，分別按照預(yù)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行種子萌發(fā)，并在預(yù)實(shí)驗(yàn)每組種子萌發(fā)開始時(shí)間的前兩天開始觀察記錄，觀察時(shí)間內(nèi)每天8:00、11:00、14:00、17:00、20:00、22:00各觀察記錄一次種子萌發(fā)狀況，以精確計(jì)算種子萌發(fā)的開始時(shí)間和峰值時(shí)間，峰值時(shí)間1天后，改為每天觀察記錄一次.根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)各組種子的萌發(fā)規(guī)律，規(guī)定當(dāng)某一組種子在特定時(shí)間觀察到萌發(fā)，但是后續(xù)的2天均未觀察到有萌發(fā)現(xiàn)象時(shí)，記為該組種子萌發(fā)的結(jié)束時(shí)間.萌發(fā)開始時(shí)間到結(jié)束時(shí)間的時(shí)間間隔為種子萌發(fā)的持續(xù)時(shí)間.正式實(shí)驗(yàn)階段持續(xù)時(shí)間為28 d.實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，統(tǒng)計(jì)每組種子整個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的萌發(fā)數(shù)量，并除以總實(shí)驗(yàn)個(gè)體數(shù)量(50)后轉(zhuǎn)化為百分?jǐn)?shù)作為該組種子的萌發(fā)率.

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

利用雙因素方差分析(two way ANOVA)分析物種和處理對(duì)種子萌發(fā)率及萌發(fā)時(shí)間參數(shù)的影響.利用單因素方差分析(one way ANOVA)和最小顯著差數(shù)法多重比較(LSD)分析不同儲(chǔ)藏溫度對(duì)每一物種種子萌發(fā)率及萌發(fā)時(shí)間參數(shù)的影響.利用線性回歸分析萌發(fā)率與萌發(fā)時(shí)間、不同萌發(fā)時(shí)間參數(shù)之間的關(guān)系.統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 19.0(紐約IBM公司)完成.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同物種及儲(chǔ)藏溫度對(duì)萌發(fā)率的影響

9種植物種子不同儲(chǔ)藏溫度下的萌發(fā)率見(jiàn)圖1，灰綠藜和燭臺(tái)蟲實(shí)的萌發(fā)率顯著低于阿爾泰狗娃花、冰草、克氏針茅和冷蒿.超低溫儲(chǔ)藏的克氏針茅種子萌發(fā)率顯著高于其他兩種儲(chǔ)藏方式.儲(chǔ)藏溫度顯著改變了刺藜、狗尾草、燭臺(tái)蟲實(shí)和豬毛菜的萌發(fā)率.4種植物室溫儲(chǔ)存下的萌發(fā)率顯著高于其他兩種儲(chǔ)存方式下的萌發(fā)率.超低溫儲(chǔ)藏下刺藜、狗尾草和燭臺(tái)蟲實(shí)的萌發(fā)率比室溫儲(chǔ)存下分別降低了32.0%，60.7%和38.0%.低溫儲(chǔ)藏下狗尾草和豬毛菜的萌發(fā)率比室溫儲(chǔ)存下分別降低了46.0%和13.3%.

圖1 不同物種不同儲(chǔ)藏溫度下的萌發(fā)率(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig. 1 Germination rate of different species under different storage temperature (Mean ± SE)

注：Ha為阿爾泰狗娃花；AC為冰草；Ca為刺藜；Sv為狗尾草；Cg為灰綠藜；Sk為克氏針茅；Af為冷蒿；Cc為燭臺(tái)蟲實(shí)；Sp為豬毛菜；下同

不同物種的萌發(fā)率存在顯著差異(表1).此外，雙因素方差分析結(jié)果顯示不同儲(chǔ)藏溫度對(duì)種子萌發(fā)率有顯著影響(表1).綜合9個(gè)受試物種，超低溫和低溫儲(chǔ)存下的種子萌發(fā)率比室溫保存的種子萌發(fā)率降分別低了16.7%和15.2%.儲(chǔ)藏溫度對(duì)萌發(fā)率的影響隨物種變化而變化(表1).不同儲(chǔ)藏方式對(duì)阿爾泰狗娃花、冰草、灰綠藜、冷蒿的種子萌發(fā)率無(wú)顯著影響(表2，所有P> 0.1).儲(chǔ)藏溫度對(duì)克氏針茅萌發(fā)率的影響接近顯著水平(表2，P< 0.1).

表1 不同物種和儲(chǔ)藏溫度對(duì)種子萌發(fā)參數(shù)的雙因素方差分析結(jié)果(F值)Tab. 1 Results (F values) of two-way ANOVAs on the effects of species (Sp) and storage temperature (Tem) on seed germination parameters

注:n=3；*為P< 0.05 ；**為P< 0.01；***為P< 0.001.

表2 不同儲(chǔ)藏溫度對(duì)每一物種種子萌發(fā)參數(shù)的單因素方差分析結(jié)果(F值)Tab. 2 Results (F values) of one-way ANOVAs on the effect of storage temperature (Tem) on seed germination parameters for each species.

注:n=3; ^表示P< 0.1;*表示P< 0.05;**表示P< 0.01;***表示P< 0.001.

2.2 不同物種及儲(chǔ)藏溫度對(duì)萌發(fā)開始時(shí)間的影響

不同儲(chǔ)藏溫度下受試物種的萌發(fā)時(shí)間見(jiàn)圖2.豬毛菜的萌發(fā)開始時(shí)間最早，克氏針茅的萌發(fā)開始時(shí)間最晚，多年生禾類草的萌發(fā)開始時(shí)間較其他植物要晚(圖2).低溫儲(chǔ)藏下冰草的萌發(fā)開始時(shí)間比超低溫晚了1.67 d；超低溫儲(chǔ)藏下狗尾草的萌發(fā)開始時(shí)間比室溫下晚了0.92 d；超低溫和低溫儲(chǔ)藏下灰綠藜的萌發(fā)開始時(shí)間比室溫儲(chǔ)藏的分別晚了0.90、0.80 d；超低溫和低溫儲(chǔ)藏下?tīng)T臺(tái)蟲實(shí)的萌發(fā)開始時(shí)間比室溫下分別晚了0.79和0.60 d；超低溫和低溫儲(chǔ)藏下豬毛菜的萌發(fā)開始時(shí)間比室溫下分別晚了0.47、0.33 d(圖2).方差分析結(jié)果顯示，萌發(fā)開始時(shí)間存在顯著的種間差異(表1).儲(chǔ)藏溫度對(duì)萌發(fā)開始時(shí)間同樣有顯著影響，超低溫和低溫儲(chǔ)藏的種子比室溫儲(chǔ)藏的種子萌發(fā)時(shí)間分別晚了0.55、0.45 d.儲(chǔ)藏溫度對(duì)萌發(fā)開始時(shí)間的影響因物種而異(表1).儲(chǔ)藏溫度對(duì)其余物種的萌發(fā)開始時(shí)間無(wú)顯著影響(表2).

圖2 不同物種不同儲(chǔ)藏溫度下的萌發(fā)開始時(shí)間(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig. 2 Germination onset time of different species under different storage temperature (Mean ± SE)

2.3 不同物種及儲(chǔ)藏溫度對(duì)萌發(fā)峰值時(shí)間的影響

萌發(fā)峰值時(shí)間隨物種和儲(chǔ)藏溫度的變化趨勢(shì)與萌發(fā)開始時(shí)間類似.低溫或超低溫儲(chǔ)存推遲了冰草、灰綠藜燭臺(tái)蟲實(shí)和豬毛菜的萌發(fā)峰值時(shí)間，但對(duì)其余物種的萌發(fā)峰值時(shí)間無(wú)顯著影響(圖3).

圖3 不同物種不同儲(chǔ)藏溫度下的萌發(fā)峰值時(shí)間(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig. 3 Germination peak time of different species under different storage temperature (Mean ± SE)

2.4不同物種及儲(chǔ)藏溫度對(duì)萌發(fā)持續(xù)時(shí)間的影響

不同物種的萌發(fā)持續(xù)時(shí)間不一致(表1).多年生植物尤其是多年生禾類草的萌發(fā)持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，一年生植物的萌發(fā)持續(xù)時(shí)間較短(圖4).超低溫和低溫儲(chǔ)藏下種子萌發(fā)的持續(xù)時(shí)間顯著延長(zhǎng)了0.89、0.93 d(表1，圖4).不同物種的萌發(fā)持續(xù)時(shí)間對(duì)儲(chǔ)藏溫度的響應(yīng)幅度不同(表2).低溫儲(chǔ)藏的冰草種子萌發(fā)時(shí)間比室溫儲(chǔ)藏的延長(zhǎng)了0.93 d；超低溫儲(chǔ)藏的灰綠藜比低溫和室溫儲(chǔ)藏的種子萌發(fā)時(shí)間分別延長(zhǎng)了0.80、0.90 d；超低溫儲(chǔ)藏的針茅萌發(fā)持續(xù)時(shí)間比低溫儲(chǔ)藏的延長(zhǎng)了1.03 d(圖4).溫度對(duì)其他物種的萌發(fā)持續(xù)時(shí)間無(wú)顯著影響.

圖4 不同物種不同儲(chǔ)藏溫度下的萌發(fā)持續(xù)時(shí)間(平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)誤差)Fig. 4 Germination duration of different species under different storage temperature (Mean ± SE)

2.5 不同萌發(fā)參數(shù)間的關(guān)系

通過(guò)利用所有處理和物種的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行回歸分析，種子萌發(fā)率與萌發(fā)持續(xù)時(shí)間、開始時(shí)間、峰值時(shí)間均呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖5).種子萌發(fā)持續(xù)時(shí)間與開始時(shí)間、峰值時(shí)間之間呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，即萌發(fā)開始時(shí)間或峰值時(shí)間越晚，萌發(fā)持續(xù)時(shí)間越長(zhǎng)(圖6).萌發(fā)峰值時(shí)間隨開始時(shí)間的推遲而推遲(圖7).

3 結(jié)論

不論萌發(fā)率還是萌發(fā)時(shí)間，均存在顯著的種間差異.多年生植物的萌發(fā)率高于一年生植物，較高萌發(fā)率的物種更容易在群落中保持競(jìng)爭(zhēng)力，因此研究地中針茅和冷蒿的優(yōu)勢(shì)度比其他物種大得多.根據(jù)萌發(fā)特點(diǎn)，參照卜海燕[29]的分類方式，9個(gè)受試物種分屬于不同的類型.1)爆發(fā)型：刺藜、狗尾草、灰綠藜、燭臺(tái)蟲實(shí)和豬毛菜均屬于此類型，這一類型植物最大的特點(diǎn)是迅速萌芽.回歸分析顯示，本研究中萌發(fā)早的物種具有萌發(fā)持續(xù)時(shí)間短、萌發(fā)率低的特點(diǎn).因?yàn)檫@一類植物在研究地中不占優(yōu)勢(shì)，需要迅速利用有利條件完成萌發(fā).保證了其在群落中的存活能力.2)緩萌型:冰草克氏針茅屬于此類型，萌發(fā)所需時(shí)間、持續(xù)時(shí)間均較長(zhǎng).這類植物的種子較其他物種大很多，根據(jù)以前的研究，種子大的物種往往萌發(fā)較晚.(3)過(guò)渡型萌發(fā)型:介于爆發(fā)型和緩萌型之間，阿爾泰狗娃花冷蒿屬于此類型.萌發(fā)類型的多樣化有利于植物群落更好地利用資源，對(duì)維持群落穩(wěn)定具有積極的作用.

圖5 萌發(fā)率與持續(xù)時(shí)間、開始時(shí)間及峰值時(shí)間的關(guān)系Fig. 5 Relationships between germination rate with duration, onset time and peak time

圖6 萌發(fā)持續(xù)時(shí)間與開始時(shí)間及峰值時(shí)間的關(guān)系Fig. 6 Relationships between germination duration with onset time peak time with onset time

圖7 萌發(fā)峰值時(shí)間與萌發(fā)開始時(shí)間的關(guān)系Fig. 7 Relationships between peak time with onset time

儲(chǔ)藏溫度會(huì)顯著影響種子萌發(fā)率和萌發(fā)時(shí)間，室溫儲(chǔ)藏會(huì)顯著提高種子萌發(fā)率，縮短種子萌發(fā)所需的時(shí)間，室溫儲(chǔ)藏對(duì)內(nèi)蒙古草地的種子萌發(fā)更為有利.