長芒草(Stipa bungeana)種子萌發(fā)與出苗對關(guān)鍵環(huán)境因子的響應(yīng)

孫清琳,張瑞紅,易三桂,楊 柳,李巧燕,周繼華,來利明,姜聯(lián)合,鄭元潤,*

1 中國科學(xué)院植物研究所北方資源重點(diǎn)實(shí)驗室,北京 1000932 中國科學(xué)院大學(xué),北京 100049

種子萌發(fā)是種子植物生活史中的一個重要過程[1],是植物適應(yīng)環(huán)境變化以保持自身繁衍的重要特性[2]。種子萌發(fā)決定著植物萌發(fā)后所面臨的生存環(huán)境和植物進(jìn)入生態(tài)系統(tǒng)的時間[3],直接影響著植被的分布、動態(tài)和多樣性[4]。因而,深入研究種子萌發(fā)對不同環(huán)境因子的反應(yīng),對理解植物群落動態(tài),促進(jìn)退化植被恢復(fù)具有重要意義。種子萌發(fā)是一個復(fù)雜的生理過程,受光照、溫度、水勢和埋深等多種環(huán)境因素的影響[5]。光照在植物生活史及種子萌發(fā)過程中起著重要的環(huán)境調(diào)節(jié)信號的作用[6],進(jìn)而控制種子萌發(fā)[7]。大量研究表明,光照能夠提高種子中某些酶和生理活性光敏色素的含量,促進(jìn)種子萌發(fā)[8]。部分植物種子萌發(fā)不受光照影響[9],這是由植物的遺傳特性和環(huán)境因素共同決定的[10]。對于部分植物,光照可單獨(dú)控制種子萌發(fā),其他植物種子萌發(fā)則受光照與溫度的共同影響[11]。因而,溫度亦是影響種子萌發(fā)的重要環(huán)境因子之一,種子只有在適宜的溫度范圍內(nèi)才能萌發(fā)。研究表明晝夜變溫相對于恒溫更有利于種子萌發(fā)[2]。土壤水分是影響種子萌發(fā)的另一個重要環(huán)境因子,在一定范圍內(nèi)(1.7%—14.7%)種子萌發(fā)百分率與土壤水分成正比關(guān)系[12]。水勢在種子萌發(fā)過程中亦發(fā)揮著關(guān)鍵作用[7]。由于高分子聚乙二醇(PEG,polyethylene glycol)不能穿過細(xì)胞壁,且為惰性物質(zhì)[13],通常通過高分子材料如(PEG6000)溶液處理種子的方式研究水勢對種子萌發(fā)的影響[14]。適當(dāng)?shù)纳陈衲軌蛟黾臃N子與土壤的接觸面積及種子周圍的土壤濕度,同時可以避免因土壤表面溫度過高而導(dǎo)致種子的損傷,因而適當(dāng)?shù)纳陈裼欣诜N子萌發(fā)[5,15]。研究表明沙埋在2—6 cm范圍內(nèi)大部分種子均能萌發(fā),這與植物種及種子性狀密切相關(guān)[16]。

內(nèi)蒙古鄂爾多斯高原處于中國北部,屬溫帶大陸性干旱半干旱高原氣候。長芒草(Stipabungeana)為禾本科針茅屬多年生草本植物[17],其草質(zhì)柔軟、營養(yǎng)豐富,是牲畜喜食的天然牧草,長芒草草原為鄂爾多斯高原地帶性植被[18],具有重要的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)價值。但由于長期過度人為干擾,以長芒草為主的暖溫帶草原被以油蒿(Artemisiaordosica)為主的半灌木植被取代,長芒草僅在鄂爾多斯高原硬梁呈片斷化存在,嚴(yán)重降低了草地的飼用價值[19],同時導(dǎo)致草地灌叢化和荒漠化。為更加深入理解長芒草草原被油蒿半灌木植被取代的原因,探討油蒿灌叢化草地向長芒草草原恢復(fù)的途徑,提高鄂爾多斯高原草地的飼用價值和生態(tài)功能,有必要從種子萌發(fā)的角度理解油蒿取代長芒草的過程和機(jī)制。本文研究關(guān)鍵環(huán)境因子和長芒草種子萌發(fā)與幼苗出土的關(guān)系,有助于從種子萌發(fā)的角度理解油蒿代替長芒草的機(jī)制,對理解鄂爾多斯高原群落動態(tài)、草地灌叢化發(fā)生機(jī)制,制定油蒿灌叢化草地恢復(fù)的適宜對策具有重要意義。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

鄂爾多斯高原位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中南部(37°35′—40°51′N,106°42′—111°27′E),海拔850—1600 m。處于溫帶典型草原向荒漠草原過渡的半干旱區(qū),氣候上屬于四季分明的溫帶強(qiáng)大陸性、弱季風(fēng)性、干旱半干旱高原氣候。11月至3月平均月氣溫為5.8℃,4月至10月為7.4—21.9℃,年平均氣溫一般在5.5—7.5℃之間。年降水量為150—450 mm,自東向西逐漸減少,93%的降水發(fā)生在4—10月。年蒸發(fā)量多在2200—2600 mm[20]。植被蓋度由東向西逐漸降低[21]。

1.2 研究方法

實(shí)驗所需種子于2016年9月種子成熟季節(jié)采集于鄂爾多斯高原伊金霍洛旗(39°29′N,110°11′E)。為充分反映植物的遺傳多樣性,在伊金霍洛旗硬梁地分布于坡頂、坡中、坡底的長芒草群落中各設(shè)置10個10 m×10 m的樣方,在每個樣方中隨機(jī)選取50個以上的長芒草植株,采集成熟長芒草種子。采集到的種子混勻后于室內(nèi)自然干燥,在4℃的條件下儲藏直至實(shí)驗開始。實(shí)驗開始前,將長芒草種子用0.52%次氯酸鈉溶液表面消毒1分鐘,然后用蒸餾水沖洗幾次,避免真菌感染[11]。在種子萌發(fā)實(shí)驗中,每個處理包括5個重復(fù),每個重復(fù)使用25粒種子,每天進(jìn)行觀察。如胚根出現(xiàn),視為種子萌發(fā)。實(shí)驗持續(xù)到不再有種子萌發(fā)時為止。

1.2.1溫度和光照對種子萌發(fā)的影響

實(shí)驗在溫度和光照自動控制的生長室箱內(nèi)進(jìn)行。采用錫紙包裹培養(yǎng)皿控制光照,包括3種處理：持續(xù)黑暗,培養(yǎng)皿加水,實(shí)驗結(jié)束時檢查種子萌發(fā)情況；黑暗,培養(yǎng)皿加水,每天檢查種子萌發(fā)情況；光照,采用冷白色熒光燈進(jìn)行光周期(14 h光照,10 h黑暗)控制,光通量密度為125 μmol m-2s-1。根據(jù)半干旱區(qū)春季種子萌發(fā)時的多年平均溫度及晝夜溫差,同時考慮種子萌發(fā)的最低和最高溫度[7],設(shè)定5個晝夜變溫處理,分別為5℃:15℃、10℃:20℃、15℃:25℃、20℃:30℃和25℃:35℃(夜間：白天)。

1.2.2水勢和溫度對種子萌發(fā)的影響

采用已知水勢(θw)的聚乙二醇6000(PEG6000)溶液對長芒草種子進(jìn)行處理[22]。設(shè)定11個水勢處理,分別為0、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0、-1.2、-1.4、-1.6、-1.8 MPa和-2.0 MPa。每個水勢均設(shè)置5個溫度處理(10℃、15℃、20℃、25℃和30℃)。實(shí)驗在黑暗條件下進(jìn)行,每天檢查種子萌發(fā)情況。每天更換培養(yǎng)皿中約三分之二的水或溶液,避免水勢發(fā)生顯著變化。

1.2.3沙埋深度和供水對出苗的影響

實(shí)驗在15℃:25℃(夜間：白天),125 μmol m-2s-1光通量密度下進(jìn)行。實(shí)驗用沙取自鄂爾多斯高原伊金霍洛旗,過篩去除雜質(zhì)后,在100℃條件下烘干48 h,使其中可能存在的其他種子失活。實(shí)驗使用塑料圓柱形容器(內(nèi)徑6.8 cm,高16 cm),先將經(jīng)處理過的沙子填充到擬放置種子的深度位置,播種后將該容器覆滿沙子,并使沙表面保持水平。澆水時避免干擾種子,容器底部開排水孔,排水孔上方墊細(xì)尼龍網(wǎng),防止細(xì)沙滲漏,同時允許排出過量水分。每天改變?nèi)萜魑恢?使各容器受光一致。

深埋深度為0.5、1、1.5、2、3、5 cm 6個處理。供水設(shè)置為單次2.5、5、7.5、10、15、20 mm和30 mm降雨的7個水分處理,各處理供水量分別為9.1、18.2、27.2、36.3、54.5、72.6 mL和109.0 mL；設(shè)置多次2.5、5、7.5 mm降雨3個水分處理,多次供水設(shè)置為每3天澆水一次,各處理供水量分別為9.1、18.2、27.2 mL/3d。計算公式為：π×(d/2)2×h/10,其中d為圓柱形容器內(nèi)徑(cm),h為降雨量(mm)。

1.3 統(tǒng)計分析

采用最終萌發(fā)百分率(最終出苗百分率)和萌發(fā)速率(出苗速率)描述長芒草種子的萌發(fā)與出苗情況。最終萌發(fā)百分率(最終出苗百分率)為實(shí)驗過程中萌發(fā)或出苗的種子數(shù)量占實(shí)驗使用種子數(shù)量的百分比,萌發(fā)速率(出苗速率)是描述萌發(fā)或出苗快慢的指標(biāo),其計算公式為[23]：

式中,n代表每個處理中使用的種子數(shù)量,Gi代表ti(ti= 0,1,2,3…,∞)天的萌發(fā)或出苗數(shù)量。萌發(fā)速率或出苗速率值越大,表示萌發(fā)速率或出苗速率越快。

在進(jìn)行方差分析時,先對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差齊性檢驗,必要時,對數(shù)據(jù)進(jìn)行反正弦平方根變換。根據(jù)實(shí)驗設(shè)計進(jìn)行獨(dú)立樣本T檢驗或雙因素方差分析(ANOVA),方差齊性時采用Tukey檢驗進(jìn)行多重比較,方差不齊時采用Dunnett′s T3檢驗進(jìn)行多重比較,確定哪些處理間的差異達(dá)到顯著水平。所有統(tǒng)計分析均采用SPSS 21.0軟件進(jìn)行,采用Sigma Plot 10.0作圖。

2 結(jié)果

2.1 溫度與光照對長芒草種子萌發(fā)的影響

雙因素方差分析結(jié)果表明溫度和光照對長芒草種子最終萌發(fā)百分率和萌發(fā)速率均有顯著影響；溫度和光照的交互作用對長芒草種子最終萌發(fā)百分率有顯著影響,對萌發(fā)速率無顯著影響(表1)。

表1 溫度和光照對長芒草種子萌發(fā)影響的雙因素方差分析F值

df為自由度,P為概率

與黑暗和持續(xù)黑暗相比,光照條件下長芒草種子的最終萌發(fā)百分率最高。在光照和黑暗條件下,10℃∶20℃、15℃∶25℃時長芒草種子的最終萌發(fā)百分率顯著高于其他變溫條件下種子的最終萌發(fā)百分率。在持續(xù)黑暗條件下,15:25℃時最終萌發(fā)百分率最大。在低于15℃∶25℃時,光照、黑暗和持續(xù)黑暗條件下種子萌發(fā)百分率均隨溫度升高而增加；超過該溫度時,種子萌發(fā)百分率隨溫度上升而下降。在25℃∶35℃時最終萌發(fā)百分率最低。黑暗與持續(xù)黑暗間的最終萌發(fā)百分率無顯著性差異(圖1)。

在5℃∶15℃時,光照條件下長芒草種子最終萌發(fā)百分率顯著高于黑暗和持續(xù)黑暗條件下的最終萌發(fā)百分率；在10℃∶20℃時,光照條件下長芒草種子最終萌發(fā)百分率顯著高于持續(xù)黑暗條件的種子萌發(fā)百分率。其他變溫條件下,光照條件下的種子最終萌發(fā)百分率略高于黑暗條件下的最終萌發(fā)百分率,但差異并不顯著。除在光照條件下10℃∶20℃時萌發(fā)速率達(dá)到最大值,在20℃∶30℃時光照與黑暗條件下的萌發(fā)速率差異顯著外,溫度、光照對長芒草種子萌發(fā)速率的影響與對最終萌發(fā)百分率的影響趨勢基本一致(圖1、圖2)。

圖1 光照和溫度對長芒草種子最終萌發(fā)百分率的影響Fig.1 Effects of light and alternating temperature on final percent germination of Stipa bungeana不同小寫字母表示在不同溫度處理間存在顯著差異,不同大寫字母表示在不同光照處理間存在顯著差異(P<0.05)

圖2 光照和溫度對長芒草種子萌發(fā)速率的影響 Fig.2 Effects of light and alternating temperature on germination rate of Stipa bungeana不同小寫字母表示在不同溫度處理間存在顯著差異,不同大寫字母表示在不同光照處理間存在顯著差異(P<0.05)

2.2 溫度和水勢對種子萌發(fā)的影響

溫度和水勢及兩者之間的交互作用對長芒草種子最終萌發(fā)百分率和萌發(fā)速率均有顯著影響(表2)。

種子最終萌發(fā)百分率隨水勢的降低而降低,在所有的溫度條件下,0 MPa條件下種子的最終萌發(fā)百分率最高。當(dāng)水勢為-1 MPa或低于-1 MPa時很少有種子能夠萌發(fā)。除-0.2、-0.6、-0.8、-1 MPa水勢時種子的最終萌發(fā)百分率在15℃時達(dá)到最大值外,其他各水勢條件下,種子最終萌發(fā)百分率在10℃時到達(dá)最大值。當(dāng)溫度為30℃時最終萌發(fā)百分率趨近于0(表3)。

長芒草種子萌發(fā)速率對溫度和水勢的響應(yīng)與最終萌發(fā)百分率一致。

2.3 沙埋和供水對長芒草出苗的影響

沙埋和供水及兩者之間的交互作用對長芒草最終出苗百分率和出苗速率均有顯著影響(表4)。

多次供水條件下的最終出苗百分率高于單次供水。單次供水30 mm時,長芒草出苗較少,其他單次供水條件下長芒草基本沒有出苗。多次供水為2.5 mm/3d時,長芒草不能出苗。多次供水5 mm/3d和7.5 mm/3d時,在各個沙埋深度,長芒草均能出苗；但沙埋深度≥3 cm時,最終出苗百分率顯著降低；沙埋深度為5 cm時,長芒草幾乎不能出苗。沙埋深度為0.5、1、1.5、2 cm時,長芒草最終出苗百分率顯著高于其他沙埋深度時的最終出苗百分率(P<0.01)；沙埋深度為0.5、1、1.5、2 cm時,最終出苗百分率差異不顯著。供水為7.5 mm/3d時的出苗百分率略高于 5 mm/3d時的出苗百分率。總體趨勢為最終出苗百分率隨沙埋深度的增加而降低,在供水量為7.5 mm/3d,沙埋深度為0.5—2 cm時,最終出苗百分率較高(圖3)。

表2 溫度和水勢對長芒草種子萌發(fā)影響的雙因素方差分析F值

表3 溫度和水勢對長芒草種子最終萌發(fā)百分率影響的多重比較

表中數(shù)值為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤(mean±SE)；不同小寫字母表示相同溫度下不同水勢處理間差異顯著；不同大寫字母表示相同水勢下不同溫度處理間差異顯著(P<0.05)

表4 供水和沙埋對長芒草出苗影響的雙因素方差分析F值

長芒草出苗速率對沙埋和供水的響應(yīng)與最終出苗百分率基本一致。除在多次供水5 mm/3d和7.5 mm/3d時,長芒草出苗速率較高外,其他供水條件下的出苗速率幾乎為0。在多次供水5 mm/3d和7.5 mm/3d條件下,埋深0.5、1、1.5、2 cm時的出苗速率顯著高于埋深3、5 cm時的出苗速率(P<0.01)。在7.5 mm/3d時,出苗速率最高(圖4)。

圖3 埋深和供水對長芒草最終出苗百分率的影響Fig.3 Effect of burial depth and water supply on final percent seedling emergence of Stipa bungeana不同小寫字母表示在不同供水處理間存在顯著差異 (P<0.05)

圖4 埋深和供水對長芒草出苗速率的影響Fig.4 Effect of burial depth and water supply on seedling emergence rate of Stipa bungeana不同小寫字母表示在不同供水處理間存在顯著差異 (P<0.05)

3 討論

種子萌發(fā)是植物生活史的關(guān)鍵階段,也是對外界環(huán)境因子反應(yīng)最敏感的時期之一[24]。在種子萌發(fā)過程中,種子內(nèi)部進(jìn)行著活躍的物質(zhì)代謝反應(yīng),在一定的范圍內(nèi),相對較高的溫度對種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用,超過某一特定范圍的過高和過低溫度均不利于種子萌發(fā)[25]。本文結(jié)果表明,在10℃∶20℃—15℃∶25℃溫度范圍內(nèi),長芒草種子萌發(fā)快速且集中,15℃∶25℃為長芒草種子的最適萌發(fā)溫度。

光照是影響種子萌發(fā)的諸多環(huán)境因素之一[26]。種子成熟后,可能散布在不同的環(huán)境中,種子通過感光性識別早期生境的適宜性,從而誘導(dǎo)休眠或萌發(fā)[8]。在干旱、半干旱區(qū),種子萌發(fā)對光照的需求不同,梭梭(Haloxylonammodendron)[27]和胡楊(Populuseuphratica)種子[28]萌發(fā)不受光照影響；光照對沙芥(Pugioniumcornutum)[29]、油蒿[7,30]等種子萌發(fā)具有明顯抑制作用,特別是當(dāng)溫度不適而光照較強(qiáng)時,油蒿種子萌發(fā)受到的抑制更大。本文結(jié)果顯示適當(dāng)光照對長芒草種子萌發(fā)具有促進(jìn)作用。由于油蒿植株較長芒草高大,當(dāng)油蒿占主導(dǎo)地位時,種子所處位置的光照較弱,利于油蒿種子的萌發(fā),而不利于長芒草種子的萌發(fā)。

水分是影響干旱半干旱區(qū)種子萌發(fā)、幼苗出土和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的主要環(huán)境因子[25],種子萌發(fā)對于干旱脅迫非常敏感[31]。PEG溶液通過抑制種子的吸水過程而抑制種子萌發(fā)[32],超過一定濃度的PEG溶液會對幼苗造成嚴(yán)重干旱脅迫,甚至造成幼苗失水死亡[33]。許多研究表明隨干旱脅迫的增強(qiáng),種子萌發(fā)呈下降趨勢[7],甚至停止萌發(fā)。本文結(jié)果表明長芒草萌發(fā)隨水勢的降低而降低,超過最適溫度時,隨溫度的升高而下降,超過30℃時,很少有種子能夠萌發(fā)。

在沙丘生境中,植物種子會因多種因素被埋于不同深度的沙土中[34],影響種子萌發(fā)。由于強(qiáng)光、高溫和干燥等原因,處于沙子表面的種子萌發(fā)率非常低[30]。但當(dāng)沙埋深度超過植物的忍耐限度后,植物生長會被抑制,甚至死亡；但適量的沙埋能夠促進(jìn)沙生植物種子萌發(fā)、幼苗出土以及幼苗生長[35]。沙埋導(dǎo)致種子萌發(fā)及生長的物理環(huán)境產(chǎn)生了一系列變化,如溫度、濕度、土壤通透性以及植物-土壤微環(huán)境等[15]。種子遇到沙埋后的結(jié)果有四種：(1)種子萌發(fā)且幼苗順利出土；(2)種子萌發(fā)但幼苗不能出土,幼苗因土壤微生物的作用而腐爛；(3)種子沒有萌發(fā)且被其他生物破壞；(4)種子進(jìn)入強(qiáng)迫休眠或誘導(dǎo)休眠,成為種子庫的一部分[15]。本文中,長芒草種子在0.5—2.0 cm的沙埋深度范圍內(nèi)能夠較好出苗,這主要是由于沙埋較淺時,種子所處環(huán)境的溫度及濕度條件適宜。超過2.0 cm時,出苗百分率隨沙埋深度增加而下降,當(dāng)沙埋超過3 cm時,基本不能出苗。由于沙埋會降低光照強(qiáng)度[36],較深的沙埋使長芒草種子基本處于黑暗狀態(tài),加之其他不利條件的疊加,不利于長芒草的出苗。

水分條件是制約幼苗出土的關(guān)鍵因素,土壤水分含量過低,種子不能吸收足夠的水分,導(dǎo)致出苗率低,甚至不能出苗[6]。本文中,單次供水及較低的多次供水條件下,長芒草基本不能出苗,較高的多次供水有利于長芒草的出苗。研究表明油蒿在單次供水量達(dá)到7.5 mm時即可萌發(fā)[7,30,37]。在鄂爾多斯高原,當(dāng)長芒草草地發(fā)生嚴(yán)重灌叢化時,土壤表層砂粒含量較高[38],土壤表層持水能力低,降雨發(fā)生后,土壤表層很快干燥,有利于油蒿種子的萌發(fā),不利于長芒草種子萌發(fā)。而在無灌叢化或灌叢化程度較輕時,情況相反,這可能是由于干擾增加,使土壤結(jié)構(gòu)特別是表層土壤結(jié)構(gòu)改變,油蒿與長芒草的競爭能力此消彼長,進(jìn)而導(dǎo)致長芒草草地被以油蒿為主的灌叢草地代替。因此,油蒿與長芒草種子萌發(fā)與幼苗出土對光照和土壤水分的不同需求及干擾導(dǎo)致的土壤結(jié)構(gòu)改變可能是導(dǎo)致長芒草草地發(fā)生灌叢化的原因之一。

4 結(jié)論

通過長芒草種子萌發(fā)與幼苗出土對關(guān)鍵環(huán)境因素響應(yīng)的研究發(fā)現(xiàn),長芒草種子的萌發(fā)需要光照,適宜的溫度、較高的土壤水分、合適的沙埋。光照對長芒草種子萌發(fā)有促進(jìn)作用,15℃∶25℃為最適萌發(fā)溫度,水勢低于-1 MPa時很少有種子萌發(fā),幼苗出土適宜的沙埋深度為0.5—2 cm,單次供水基本不能促使種子萌發(fā),較高的多次供水可以較好促進(jìn)種子萌發(fā)。