萌發(fā)前高溫處理對(duì)黃茅種子萌發(fā)率的影響

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(云南大學(xué)生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所， 昆明 650500)

干熱河谷是對(duì)具備干、熱2個(gè)基本屬性河谷帶狀區(qū)域的總稱(chēng),在此形成了我國(guó)西南地區(qū)特殊的植被類(lèi)型——河谷型薩瓦納，區(qū)域內(nèi)光熱資源豐富，氣候炎熱少雨，水土流失嚴(yán)重，生態(tài)十分脆弱[1]。所謂“干熱”就是極端水分條件與熱量條件的結(jié)合。其中，“干”方面，全年的蒸發(fā)量大于降水量的3～6倍；“熱”方面，年均溫>20 ℃和>10 ℃年積溫>7 000 ℃。地形深陷封閉而產(chǎn)生的雨影作用以及海拔下降絕熱增溫和谷地焚風(fēng)效應(yīng)是當(dāng)?shù)貧夂蚋蔁岬脑騕2]。

干熱河谷地區(qū)也是全球范圍內(nèi)最易發(fā)生火災(zāi)的生態(tài)系統(tǒng)之一[3-4]。通常認(rèn)為低強(qiáng)度且周期性的燃燒，對(duì)植物的自然更新、豐富度和多樣性的維護(hù)以及營(yíng)養(yǎng)循環(huán)等方面起著重要作用[5]，而火災(zāi)強(qiáng)度過(guò)大或火燒頻率過(guò)高則會(huì)導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和總生物量的減少，破壞林分結(jié)構(gòu)和功能，打破生態(tài)系統(tǒng)平衡[6-8]。長(zhǎng)期進(jìn)化過(guò)程中，許多陸生植物已產(chǎn)生對(duì)火的適應(yīng)性狀，其適應(yīng)性狀包括萌生，較厚的樹(shù)皮，堅(jiān)硬的種皮，高溫或煙誘導(dǎo)種子萌發(fā)，果實(shí)延遲開(kāi)放，通過(guò)自我修剪降低枯枝等[9-12]。火燒產(chǎn)生的高溫將對(duì)土壤表面的種子產(chǎn)生一定的影響，有些植物種子會(huì)進(jìn)化形成耐熱耐高溫能力，過(guò)火后保持萌發(fā)活力，甚至受到火刺激而獲得更高的萌發(fā)能力。目前，關(guān)于火災(zāi)能夠促進(jìn)種子萌發(fā)的原因包括火災(zāi)能夠減少土壤和垃圾中的抑制物質(zhì)[13-14]，火災(zāi)燒焦的木頭對(duì)種子有化學(xué)刺激作用[13]以及高溫導(dǎo)致種子的硬種皮破碎，刺激種胚，促使種子發(fā)芽率提高等[15-17]。種子經(jīng)高溫刺激后提高了萌發(fā)率或萌發(fā)速度的現(xiàn)象則被稱(chēng)為熱沖擊效應(yīng)[18-20]。已有研究發(fā)現(xiàn)，非洲薩瓦納地區(qū)——埃塞俄比亞西部實(shí)驗(yàn)的21個(gè)物種中，有15個(gè)物種具有熱沖擊效應(yīng)，如：Acacia albida、Acacia Senegal、Acacia seyal、Tamarindus indica等[19]。

黃茅(Heteropogoncontortus)又稱(chēng)地筋，禾本科(Gramineae)黃茅屬(Heteropogon)，多年生草本，是干熱河谷草地土壤種子庫(kù)和地上植被優(yōu)勢(shì)種群[21]。黃茅的須根發(fā)達(dá)，喜熱且抗旱，耐貧瘠土壤，是高溫生長(zhǎng)響應(yīng)植物[22]。目前，關(guān)于黃茅的研究主要集中在形態(tài)特征[23]、干旱環(huán)境的適應(yīng)[24-25]、對(duì)其他物種生長(zhǎng)的影響[26]等，對(duì)于種子是否具有高溫適應(yīng)性一直沒(méi)有研究。本研究通過(guò)高溫預(yù)處理黃茅種子，了解熱沖擊對(duì)黃茅種子萌發(fā)的影響，探討黃茅種子是否對(duì)高溫具有適應(yīng)能力，進(jìn)而討論火在干熱河谷植被群落構(gòu)建中所扮演的作用，從而為干熱河谷植被保護(hù)與恢復(fù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試材料2016年11月采于四川攀枝花市，對(duì)比實(shí)驗(yàn)選用的種子于同期采于云南昆明呈貢區(qū)。選取顆粒飽滿、色澤一致、大小均勻的種子作為試驗(yàn)種子。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 材料處理

本試驗(yàn)萌發(fā)前的熱處理主要參照Ribeiro等[20]的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

選用60 ℃(10，20，40 min)、80 ℃(5，10，20 min)和100 ℃(2.5，5，10 min)3個(gè)溫度梯度，每組3個(gè)加熱時(shí)間，加上1個(gè)常溫(25 ℃左右)對(duì)照，共計(jì)10個(gè)處理。每處理5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)20粒種子。

取培養(yǎng)皿3個(gè)，每個(gè)培養(yǎng)皿中放置100粒種子，單層放置不重疊；設(shè)定好烘箱溫度，待烘箱溫度達(dá)到設(shè)定的溫度后，迅速將裝有黃茅種子的培養(yǎng)皿置于烘箱中進(jìn)行高溫處理；達(dá)到處理時(shí)間后迅速取出，轉(zhuǎn)入備好的常溫玻璃皿中；待種子自然冷卻至室溫后進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。

攀枝花、元謀的黃茅種子均按上述方法進(jìn)行熱處理，再進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)行對(duì)比研究。

1.2.2 萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

將種子置于直徑為(10±1)cm的鋪有濕潤(rùn)濾紙的培養(yǎng)瓶中，放入培養(yǎng)箱進(jìn)行種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)。

培養(yǎng)環(huán)境設(shè)置為：溫度25 ℃，光照強(qiáng)度1 250 lx，光照時(shí)間14 h/d，適時(shí)補(bǔ)充水分，保持培養(yǎng)瓶底部濕潤(rùn)且種子周?chē)怀霈F(xiàn)水膜。前7 d每2 d記錄1次種子的萌發(fā)數(shù)量，7 d以后3 d記錄1次(種子萌發(fā)以胚根突破種皮2 mm為標(biāo)準(zhǔn))，記錄至連續(xù)7 d無(wú)種子萌發(fā)為止。

1.3 數(shù)據(jù)處理

參照董沁方等[27]的方法，計(jì)算種子萌發(fā)率和熱沖擊效應(yīng)指數(shù)，如下：

萌發(fā)率(%)=(n/N)×100%

，

式中：n表示正常萌發(fā)數(shù)量；N表示供試種子數(shù)量。

萌發(fā)勢(shì)(%)=(規(guī)定時(shí)間(7 d)內(nèi)發(fā)芽的種子數(shù)/供試種子總數(shù))×100%。

熱沖擊效應(yīng)指數(shù)(RI)計(jì)算式為：

RI=1-C/T(當(dāng)T≥C時(shí))

，

RI=C/T-1(當(dāng)T

，

式中：C為對(duì)照值，T為處理值。當(dāng)RI>0 時(shí)，為促進(jìn)作用；當(dāng)RI<0 時(shí)，為抑制作用。RI的絕對(duì)值代表作用強(qiáng)度的大小。

利用Excel 2007軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并作圖，利用SPSS 11.0 軟件通過(guò)95%水平上進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析，采用Duncan 檢驗(yàn)法進(jìn)行多重比較及差異顯著性檢驗(yàn)(α=0.05)，圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 萌發(fā)前高溫處理對(duì)黃茅種子萌發(fā)率的影響

2.1.1 萌發(fā)率的變化

萌發(fā)前經(jīng)60 ℃ 10，20，40 min 處理后，其萌發(fā)率均高于未處理種子組，分別提高了6%、13%、9%，但差異并不顯著(圖1)。經(jīng)高溫處理后，萌發(fā)率最高可達(dá)(77.00±7.55)%，最低仍有(35±20.07)%。

隨著溫度的升高和處理時(shí)間的變化，整體上呈現(xiàn)出先增高后降低的趨勢(shì)，80 ℃ 10 min和20 min的處理組顯著高于其他各組及對(duì)照，在80 ℃ 20 min處理時(shí)達(dá)到最大值(85±4.12)%。100 ℃ 10 min處理顯著低于其他各組及對(duì)照。

圖1 萌發(fā)前高溫處理對(duì)黃茅種子萌發(fā)率的影響

2.1.2 熱沖擊效應(yīng)指數(shù)

熱沖擊對(duì)黃茅種子萌發(fā)率的影響可以用熱沖擊效應(yīng)指數(shù)來(lái)表示(圖2)。

圖2 不同溫度處理種子萌發(fā)的熱沖擊效應(yīng)指數(shù)

熱沖擊效應(yīng)指數(shù)大于0，表明該處理組的萌發(fā)率大于未處理組，即促進(jìn)了種子的發(fā)芽。反之，則抑制了種子的萌發(fā)。結(jié)果表明，在60 ℃、80 ℃的3個(gè)時(shí)間梯度以及100 ℃ 2.5 min的熱沖擊效應(yīng)指數(shù)均大于0，表明以上處理促進(jìn)了黃茅種子的發(fā)芽。但在100 ℃ 5，10 min這2個(gè)溫度-時(shí)間處理下，其熱沖擊效應(yīng)指數(shù)小于0，即抑制了黃茅種子的發(fā)芽。從整體上看，隨著溫度的升高和時(shí)間的延長(zhǎng)，高溫預(yù)處理對(duì)黃茅種子表現(xiàn)為先促進(jìn)后抑制的作用。

2.1.3 主效應(yīng)方差分析

使用SPSS 軟件中一般線性模型，對(duì)萌發(fā)前不同地點(diǎn)經(jīng)不同溫度和時(shí)間處理的云南松種子的萌發(fā)率進(jìn)行單變量雙因素方差分析(表1)。

結(jié)果顯示，地點(diǎn)因素和溫度因素的主效應(yīng)顯著，但是時(shí)間因素以及溫度時(shí)間兩者的互相作用效應(yīng)并不顯著。根據(jù)各因素F值的大小可知，萌發(fā)前的處理溫度對(duì)萌發(fā)率的影響最大(F=7.142，p=0.014)，其次是不同的地點(diǎn)對(duì)種子萌發(fā)率的影響(F=5.793，p=0.039)。

表1 萌發(fā)率主效應(yīng)方差分析結(jié)果

來(lái)源Ⅲ類(lèi)平方和自由度均方FSig.修正模型3958.000a10395.8002.7990.068截距41231.685141231.685291.5500.000地點(diǎn)819.2001819.2005.7930.039溫度2020.05021010.0257.1420.014時(shí)間664.4674166.1171.1750.384溫度×?xí)r間176.533288.2670.6240.557誤差1272.8009141.422總計(jì)52082.00020修正后總計(jì)5230.80019

注：R2=0.757(調(diào)整后R2=0.486)p<0.01表示差異極顯著，p<0.05表示差異顯著。

2.2 萌發(fā)前高溫處理對(duì)不同地點(diǎn)的黃茅種子萌發(fā)率的影響

基于主效應(yīng)方差分析結(jié)果，對(duì)不同地點(diǎn)樣品進(jìn)行比較。所有處理均有10 min處理方式，因此選取不同地點(diǎn)不同溫度處理10 min的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析(圖3)。從圖中可以看出：在常溫條件下，2個(gè)地點(diǎn)的黃茅種子萌發(fā)率也很高。在60 ℃和80 ℃高溫下處理10 min之后，萌發(fā)率顯著高于未處理組，均具有熱沖擊效應(yīng)。采于攀枝花的種子，在相同處理下，除100 ℃之外萌發(fā)率要高于采于呈貢的黃茅種子。在80 ℃處理下，兩地的黃茅種子萌發(fā)率均達(dá)最高。

圖3 萌發(fā)前高溫處理對(duì)不同地點(diǎn)黃茅種子萌發(fā)率的影響

2.3 萌發(fā)前高溫處理對(duì)黃茅種子萌發(fā)勢(shì)的影響

黃茅在常溫條件下，萌發(fā)勢(shì)為(42±1.97)%(圖4)。經(jīng)過(guò)不同時(shí)間和溫度處理之后，黃茅的萌發(fā)勢(shì)呈現(xiàn)出先增加后降低的趨勢(shì)，80 ℃ 3個(gè)時(shí)間處理組萌發(fā)勢(shì)均顯著高于其余各組，與種子萌發(fā)率規(guī)律一致，且在80 ℃ 20 min達(dá)到萌發(fā)勢(shì)最高值(83±5.22)%。

在60 ℃的處理下，萌發(fā)勢(shì)雖比常溫條件下的萌發(fā)勢(shì)高，但并不顯著。在經(jīng)過(guò)80 ℃處理下的黃茅種子的萌發(fā)勢(shì)要顯著高于常溫對(duì)照組，100 ℃ 5，10 min處理下的萌發(fā)勢(shì)要顯著低于常溫對(duì)照組，在100 ℃ 10 min處理下達(dá)最低值(13±1.19)%。

圖4 萌發(fā)前高溫處理對(duì)黃茅種子萌發(fā)勢(shì)的影響

2.4 不同溫度條件下黃茅種子的萌發(fā)進(jìn)程

黃茅在高溫處理后進(jìn)行萌發(fā)實(shí)驗(yàn)的第2天，整體萌發(fā)率最高(除100 ℃ 5，10 min未萌發(fā)，圖5)。并且隨著處理時(shí)間的變化以及溫度的升高，萌發(fā)率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢(shì)，以80 ℃ 20 min的萌發(fā)率為最高。隨著時(shí)間的推移，黃茅種子的萌發(fā)率呈現(xiàn)出時(shí)間越長(zhǎng)萌發(fā)率越低的趨勢(shì)。前4 d黃茅種子的萌發(fā)率相對(duì)而言最高。至第6天之后，仍有少量種子萌發(fā)，但萌發(fā)率不高。

圖5 不同溫度條件下黃茅種子的萌發(fā)進(jìn)程

3 結(jié)論與討論

Tarrega R等[28]在對(duì)Cytisusscoparius和Genistaflorida進(jìn)行適度的高溫處理后，出現(xiàn)了萌發(fā)率顯著提高的現(xiàn)象。Ribeiro等研究發(fā)現(xiàn)，巴西稀樹(shù)草原的常見(jiàn)物榆葉梧桐(Guazumaulmifolia)經(jīng)100 ℃，10 min處理后打破了種子休眠，促進(jìn)了種子的萌發(fā)[20]。宋紅等研究表明，篤斯越桔(Vacciniumuliginosum)和柳葉繡線菊(Spiraeasalicifolia)種子在適宜的高溫處理(120 ℃)下，能夠顯著提高其種子的萌發(fā)率，并且對(duì)毛赤楊(Alnussibirica)和珍珠梅(Sorbariasorbifolia)這2個(gè)物種的種子萌發(fā)率也有一定的促進(jìn)作用[29]。常云霞等[30]在對(duì)云南松(Pinusyunnanensis)種子進(jìn)行高溫處理后，發(fā)現(xiàn)云南松的種子萌發(fā)前經(jīng)1，5 min，60 ℃處理后可提高萌發(fā)率，存在熱沖擊效應(yīng)。本次實(shí)驗(yàn)中，黃茅種子經(jīng)60 ℃ 10，20，40 min以及80 ℃ 5，10，20 min和100 ℃ 2.5 min處理后其萌發(fā)率顯著提高，具有明顯的熱沖擊效應(yīng)，與前人研究具有相似的現(xiàn)象，表明黃茅種子對(duì)高溫具有一定的適應(yīng)能力。

熱沖擊不僅能夠提高黃茅種子的萌發(fā)率，還可以提高其萌發(fā)勢(shì)。在萌發(fā)前經(jīng)60 ℃ 10，20，40 min和80 ℃ 5，10，20 min以及100 ℃ 2.5 min處理后，其萌發(fā)勢(shì)高于對(duì)照組，明顯縮短了種子萌發(fā)的時(shí)間(圖4)。黃茅隨著時(shí)間的推移表現(xiàn)出種子萌發(fā)率的下降(圖5)，表明黃茅種子是屬于早萌發(fā)且萌發(fā)快的種子，這可能是黃茅在干熱河谷環(huán)境中的一種生長(zhǎng)適應(yīng)對(duì)策，也可能是由于短暫的高溫處理能夠有助于打破種子休眠有關(guān)，與王海寧等[21]關(guān)于黃茅的研究一致。

攀枝花市位于金沙江及其雅礱江的交匯處(101°08′～102°15′E， 26°05′～26°27′N(xiāo))，屬典型南亞熱帶干熱河谷氣候。據(jù)攀枝花市氣象資料統(tǒng)計(jì)，市區(qū)年平均氣溫20.3 ℃，極端最高溫達(dá)41.2 ℃，極端最低溫為13 ℃，全年日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)達(dá)2 300～2 700 h，年總降雨量為820～1 100 mm。具有干雨季分明，日照充足，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，蒸發(fā)量大，氣候垂直差異顯著等特征。呈貢區(qū)位于云南省滇東高原腹地(102°45′～103 °00′E，24°42′～25 °00′N(xiāo))，屬低緯度高原季風(fēng)型，光照充足。據(jù)昆明市氣象資料統(tǒng)計(jì)，市區(qū)多年年均氣溫14.7 ℃，極端最高溫31.2 ℃，極端最低溫-7.8 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)2 200 h，全年無(wú)霜期285 d，全年平均降雨789.6 mm，氣候溫和。根據(jù)中國(guó)氣象局的資料顯示，在攀枝花及昆明地區(qū)均有火災(zāi)發(fā)生記錄(例如，2015年3月11日，云南的怒江、大理、昆明呈貢、石林等地已發(fā)生多起森林大火，森林防火形勢(shì)嚴(yán)峻；2016年4月13日，四川省攀枝花市發(fā)生森林火災(zāi))。

中國(guó)的干熱河谷因其獨(dú)特的地理環(huán)境和氣候條件，被稱(chēng)為半自然稀疏草原，即半薩瓦納植被類(lèi)型(semi-natural savanna)[2]。目前，關(guān)于植物種子對(duì)高溫適應(yīng)性狀的研究主要集中在非洲以及歐洲的薩瓦納地區(qū)，而中國(guó)的干熱河谷研究較少。已有研究表明，中國(guó)干熱河谷的灌木優(yōu)勢(shì)種坡柳(Dodonaeaviscosa)在60 ℃ 10，20，40 min，80 ℃ 5，10，20 min以及100 ℃ 2.5，5，10 min的不同溫度和時(shí)間處理下，其萌發(fā)率顯著高于常溫對(duì)照組，具有明顯的熱沖擊效應(yīng)[31]。說(shuō)明干熱河谷中的植被在長(zhǎng)期的高溫生長(zhǎng)過(guò)程之中或者是火災(zāi)的威脅之下，已經(jīng)形成了對(duì)高溫生境與火生境的積極適應(yīng)性狀，能夠在高溫刺激下促進(jìn)種子的發(fā)芽。攀枝花、呈貢的黃茅種子萌發(fā)前經(jīng)過(guò)10 min的處理之后，在60 ℃和80 ℃的高溫下其萌發(fā)率高于常溫對(duì)照組(圖3)，均在80 ℃時(shí)萌發(fā)率最高。取自干熱河谷攀枝花的居群其萌發(fā)率要高于低緯度高原季風(fēng)型的呈貢地區(qū)。但是呈貢地區(qū)的黃茅種子也同時(shí)表現(xiàn)出了明顯的熱沖擊效應(yīng)。表明在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程之中，熱沖擊效應(yīng)已經(jīng)成為了一種可遺傳性狀。但從分布區(qū)特點(diǎn)來(lái)看，干熱河谷區(qū)氣溫更高、更易發(fā)生火災(zāi)，其黃茅居群也表現(xiàn)出更為明顯的熱沖擊效應(yīng)。此外，坡柳與黃茅種子分別在80 ℃ 10 min以及80 ℃ 20 min萌發(fā)率最高，可能是由于在相同的生境中的物種在長(zhǎng)期的進(jìn)化過(guò)程之中形成了“趨同進(jìn)化”的現(xiàn)象，同時(shí)也為干熱河谷的植被恢復(fù)提供了理論指導(dǎo)。