人工模擬增雨對(duì)唐古特白刺種子形態(tài)性狀和萌發(fā)特性的影響

張景波，董 雪，辛智鳴,3，劉明虎，張冉浩，黃雅茹，孫 非

(1.中國林業(yè)科學(xué)研究院荒漠化研究所, 北京 100091; 2中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心，內(nèi)蒙古 磴口 015200; 3.內(nèi)蒙古磴口荒漠生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，內(nèi)蒙古 磴口 015200)

【研究意義】種子形態(tài)是重要的植物生活史特性之一，主要包括種子重量、形狀、附屬物和表面結(jié)構(gòu)等性狀[1-2]。它與種子散布、休眠、萌發(fā)、出土、幼苗生長及種子庫持久性等密切相關(guān)[3-6]。種子形態(tài)不僅制約著物種的分布和豐富度[6]，而且影響植物群落演替過程[7-8]，因此具有重要的適應(yīng)意義[3, 9-11]?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是蒺藜科(Zygophyllaceae)白刺屬匍匐性小灌木，抗旱，耐瘠薄，喜沙埋，攔阻并積聚風(fēng)沙逐漸形成丘狀沙堆，在保障干旱荒漠區(qū)生態(tài)安全中發(fā)揮著極其重要的作用，廣泛分布在西北干旱區(qū)[12-16]。國內(nèi)已經(jīng)在干旱區(qū)對(duì)白刺進(jìn)行了增雨實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，甘肅省民勤縣的增雨量達(dá)到當(dāng)?shù)啬昃邓?115 mm)時(shí)即增雨100 %，白刺對(duì)增加水分的利用比例才能明顯增加[17]。增雨同時(shí)可以使白刺的生長期延長，包括春季展葉期和花期提前，秋季落葉期延遲[18]。每增加100 mm水分白刺葉片長度增加0.52 cm、而寬度增加0.2 cm[19]。100 %增雨處理能夠顯著促進(jìn)白刺當(dāng)年生枝葉生長，提高生物量[20]。但目前對(duì)其種子形態(tài)如何響應(yīng)降水增加卻未涉及，限制了我們對(duì)唐古特白刺有性繁殖策略的認(rèn)識(shí)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】氣候變化尤其是降水變化對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能有重要影響[21]。但降水變化是否影響種子的形態(tài)屬性？至今鮮見報(bào)道。降水格局變化將對(duì)荒漠生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響[22-23]。隨著降水的增加，不同種子大小的物種豐富度都有增加，但是大種子的優(yōu)勢將降低，植株數(shù)目下降，小種子植物的數(shù)目極顯著增加[24]。目前，學(xué)者們在群落調(diào)查基礎(chǔ)上，探索種子的尺寸、種子的形狀、種子的顏色、種子的有無光澤等這些性狀與溫度、降水、光照等生態(tài)因子之間的關(guān)系及原因做了一些研究[5,24,28]。研究表明：種子性狀不僅隨氣候變化而變化，而且同一地區(qū)的不同坡向、不同演替階段也影響種子特性[10]。但是有關(guān)模擬增雨對(duì)荒漠植物唐古特白刺種子形態(tài)及所造成對(duì)干旱環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制方面的變異未見報(bào)道?！緮M解決的關(guān)鍵問題】本研究對(duì)自然生長的白刺沙包進(jìn)行長期人工模擬增雨，測定唐古特白刺的種子形態(tài)性狀，以期揭示它對(duì)模擬增雨的響應(yīng)，促進(jìn)唐古特白刺灌叢的保護(hù)，為荒漠化土地防治提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市的磴口縣中國林業(yè)科學(xué)研究院沙林中心第二實(shí)驗(yàn)場內(nèi)，地理坐標(biāo)為 E106°43′，N40°24′。該地區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，夏季炎熱，冬季寒冷。降雨多集中在 6-9月，多年平均降水量約為145 mm；年均潛在蒸發(fā)量為2397 mm；年平均氣溫7.6 ℃，晝夜溫差較大，生長季日溫差可達(dá)15 ℃；全年平均相對(duì)濕度為48 %。年平均日照時(shí)數(shù)3210 h，占全年可照時(shí)數(shù)的72 %，無霜期在136～205 d；風(fēng)沙危害是主要的自然災(zāi)害，年平均風(fēng)速為3.4 m/s，最大風(fēng)力可達(dá)18 m/s，平均大風(fēng)日數(shù)為12.5 d。樣地區(qū)域地勢平坦，土壤類型為風(fēng)沙土，地下水埋深在 3～4 m。試驗(yàn)區(qū)廣泛分布著唐古特白刺，群落內(nèi)伴生有少量沙蒿(Artemisiadesterorum)和沙鞭(Psammochloavillosa)等多年生植物以及蟲實(shí)(Corispermumhyssopifolium)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、鹽生草(Halogetonglomeratus)和豬毛菜(Salsolacollina)等一年生植物，群落蓋度為30 %～40 %。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與種子采集

模擬增雨實(shí)驗(yàn)于2008年開始，每年的5-9月進(jìn)行。以磴口縣多年(1961-2000年)平均降水量 145 mm為依據(jù)設(shè)置 4個(gè)增雨梯度，即分別增加年降水量 25 %、50 %、75 %以及100 %，同時(shí)設(shè)置 0 %的增雨為對(duì)照樣地(CK)，每次增雨量分別為0、7.25、14.5、21.75和29 mm, 增雨時(shí)長約5 h。每個(gè)處理和對(duì)照都設(shè)置 4個(gè)重復(fù)，共 20個(gè)實(shí)驗(yàn)樣地，樣地之間的間隔在5 m以上，以盡量減少相鄰樣地之間的相互干擾。每個(gè)樣地為 1個(gè)半徑為 6 m的圓形，面積約為 113 m2。每個(gè)樣地內(nèi)有一個(gè)白刺沙包，沙包位于樣地中間，其平均高度和面積分別為(1.24±0.14)m和(29.9±0.39)m2。除對(duì)照樣地外，每個(gè)樣地安裝1套全光照噴霧灌溉系統(tǒng)，進(jìn)行人工模擬增雨，增雨用水取自樣地附近的水井，由輸水管道輸送到樣地內(nèi)。所有實(shí)驗(yàn)測定和樣品采集都在增雨能夠穩(wěn)定覆蓋的范圍內(nèi)進(jìn)行，2017年7月上旬在每棵母樹采集生長發(fā)育正常的新鮮果實(shí)，果實(shí)采收后搓去果肉，淘洗干凈后晾干，風(fēng)干至恒重，于0～4 ℃下保存。

2.2 種子性狀測定

本研究中測定每顆種子的表型性狀采用Winseedle種子和針葉圖象分析系統(tǒng)軟件。該軟件可獲得種子形態(tài)指標(biāo)包括種長(平行子葉方向)、種寬(垂直子葉方向)、種子體積、種子表面積、種子長寬比等。種子形態(tài)指標(biāo)測定以單株為單位，不同增雨處理的指標(biāo)值均以該模擬增雨條件下各單株的均值來表示，以50粒種子為一個(gè)樣本。千粒重用 1/10000 電子天平測定。每次隨機(jī)取100粒種子，5次重復(fù)。

種子長寬比(L/W)=種子長度/種子寬度的比值

變異系數(shù)=性狀標(biāo)準(zhǔn)差/性狀平均值×100 %

2.3 唐古特白刺種子分級(jí)發(fā)芽試驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)于2018年4月15日在中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心進(jìn)行。將種子播種于16 cm×8 cm的塑料花盆內(nèi)，把不同增雨處理0 %、25 %、50 %、75 %和100 %的種子分別劃分成特大粒、大粒、中粒、小粒和特小粒5個(gè)等級(jí)，每盆30粒，6個(gè)重復(fù)，播種深0.5 cm，播種后每天記錄出苗情況，18 d后，將盆內(nèi)沙土全部倒出，仔細(xì)核對(duì)幼苗的數(shù)量，同時(shí)記錄花盆內(nèi)萌發(fā)但未出土的種子數(shù)量。

2.4 數(shù)據(jù)處理

采用 Excel 2003和SPSS 17.0軟件將各性狀進(jìn)行方差分析、差異顯著性檢驗(yàn)、相關(guān)性分析。采用回歸分析種子形態(tài)指標(biāo)(種長、種寬、種子體積、種子表面積、種子長寬比和千粒重)隨著模擬增雨的變異趨勢，以增雨量為自變量，各性狀分別為因變量，作多項(xiàng)式回歸分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)樣地2008-2017年天然降水量

由圖1可知，研究區(qū)2008-2017年自然年平均降雨量為128.54 mm，其中年降雨量和生長季5-9月最大降雨量出現(xiàn)在2012年，分別為219.5和218.2 mm，而年降雨量和生長季最小降雨量出現(xiàn)在2017年，分別為86.0和54.5 mm，由2008-2017年降雨數(shù)據(jù)分析可知生長季降雨量占全年降雨量的85.36 %。由此可以看出干旱地區(qū)降水量具有極大的波動(dòng)性和不確定性，唐古特白刺種子表型特征變化是在以上天然降水背景條件下進(jìn)行測定的。

3.2 增雨對(duì)唐古特白刺種子性狀變異特征

從表1可以看出，不同增雨條件下，種子長度的變異范圍為5.710～6.753 mm，變異系數(shù)為 6.313 %。其中0 %處理的種子長度最大，且與50 %、75 %和100 %增雨處理差異性顯著(P<0.05)。100 %增雨處理后種子長度最小且與其它4種處理均顯著(P<0.05)。種子寬度的變異范圍為3.095～3.580 mm，變異系數(shù)為5.868 %。其中0 %處理的種子寬度最大，且與其它四種增雨處理差異性均顯著(P<0.05)。種子千粒重、體積和表面積的變異系數(shù)分別為20.386 %、17.239 %和11.488 %，且各處理間差異性均較顯著。種長/種寬的變異系數(shù)為5.650 %。

圖1 樣地2008-2017年天然降雨量Fig.1 The natural rainfall of plots from 2008 to 2017

3.3 唐古特白刺種子性狀指標(biāo)間的相關(guān)性

從表2可以看出:種長與種子表面積呈極顯著正相關(guān)(P<0.01), 相關(guān)系數(shù)為0.941，說明種子長度對(duì)種子表面積的貢獻(xiàn)較大。種子長度與種子體積和千粒重呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。種子寬度與種子體積呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。種子千粒重與種子體積和表面積均呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)。種子體積與表面積也呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，且相關(guān)系數(shù)最大為0.983。種子長寬比與其它各指標(biāo)的間的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。唐古特白刺種子各指標(biāo)間的相關(guān)性大部分都達(dá)到了顯著水平，說明種子形態(tài)指標(biāo)之間存有復(fù)雜的聯(lián)系，而且不是獨(dú)立的。

3.4 唐古特白刺種子性狀指標(biāo)與增雨處理的相關(guān)性

唐古特白刺種子受增雨的影響，其形態(tài)性狀在表達(dá)上呈現(xiàn)梯度性變異(圖2)。種子各性狀與模擬增雨因子的相關(guān)性分析表明，唐古特白刺種子千粒重、體積和表面積與增雨量均呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)，相關(guān)系數(shù)依次為0.692、0.777、0.657。種子長度與增雨量呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05), 相關(guān)系數(shù)為0.480。種子寬度和長寬比與增雨量的相關(guān)性均不顯著(P>0.05)。增雨處理是種子性狀指標(biāo)變異的緣由，越干旱地區(qū)的種子相對(duì)瘦長，這是對(duì)干旱條件適應(yīng)性的響應(yīng)。

表1 不同增雨處理唐古特白刺種子的形態(tài)指標(biāo)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)

表2 唐古特白刺種子形態(tài)指標(biāo)相關(guān)性

注：*,P<0.05; **,P<0.01。

圖2 種子性狀與增雨處理的相關(guān)性Fig.2 Correlation coefficients between seed characters of Nitraria tangutorum and simulated precipitation

圖3 不同大小唐古特白刺種子的出苗率Fig.3 Seed rate of Nitraria tangutorum different size seeds

3.5 唐古特白刺種子大小變異對(duì)出苗的影響

如圖3所示，出苗前期即播種5～7 d后，小種子有較大優(yōu)勢，發(fā)芽較早，100 %處理的種子(特小粒)，即小種子出苗迅速，且前期出苗率明顯高于大種子(0 %處理特大粒和25 %處理大粒)；出苗后期即播種第9天后，大種子發(fā)芽晚，但具有較高的發(fā)芽率，總發(fā)芽率和出苗率表現(xiàn)為：0 %處理(特大粒)>25 %處理(大粒)>50 %處理(中粒)>75 %處理(小粒)>100 %處理(特小粒)，各處理間大小種子出苗率逐漸平緩，但大種子和小種子的總體出苗趨勢相似。計(jì)算結(jié)果顯示，大小種子的萌發(fā)率均在40 %左右，大種子的萌發(fā)率略高，但各處理間大小種子萌發(fā)率不存在顯著差異(P>0.05)。各處理0 %、25 %、50 %、75 %和100 %種子由大到小種子的出苗率分別為43 %、40 %、38 %、35 %和32 %，大種子出苗率高于小種子，但方差分析表明，出苗率之間沒有顯著差異(P>0.05)。這說明無論種子大小，在其它因素一致的條件下，唐古特白刺種子的萌發(fā)與出苗情況基本是一致的。

4 討 論

種子性狀是植物相對(duì)穩(wěn)定的生活史特征之一，但為適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境會(huì)產(chǎn)生適應(yīng)的變異[25]。不同增雨量處理對(duì)唐古特白刺種子形態(tài)指標(biāo)均造成顯著影響，在一定程度上反映了唐古特白刺對(duì)降水變化比較敏感。種子千粒重、體積和表面積變異幅度較大，說明這3個(gè)種子形態(tài)指標(biāo)受增雨量的影響較大，而種子的長度/寬度的比值變異最小，說明種子長寬比是植物對(duì)自然環(huán)境長期適應(yīng)、相對(duì)穩(wěn)定的指標(biāo)。唐古特白刺種子長度、寬度、體積、表面積、長寬比及千粒重在不同增雨處理間差異均為極顯著水平，說明種子性狀表現(xiàn)出來的差異并不是隨機(jī)性的，而是與種子形態(tài)對(duì)不同增雨處理的響應(yīng)密切相關(guān)。唐古特白刺種子主要借助于動(dòng)物和重力傳播，其體積、表面積及千粒重的變化可能造成種子傳播能力的變化，進(jìn)而影響種群格局和群落結(jié)構(gòu)。種子千粒重的變化可能造成出苗率及幼苗生長狀態(tài)的變化[26]。增雨處理對(duì)種子體積影響最大。體積是反映種子大小的指標(biāo)，體積越大即吸水的表面積越大，其內(nèi)含的營養(yǎng)物質(zhì)越豐富，可以提供發(fā)芽的物質(zhì)越多，使發(fā)芽迅速整齊，進(jìn)而影響到幼苗乃至后期的生長。不同增雨處理間種子體積差異越大，在一定程度上說明了唐古特白刺在育種選擇上的潛力較大，為唐古特白刺的優(yōu)良群體選擇提供了基礎(chǔ)和條件。

大多數(shù)旱生植物長期生活在干旱生境中，限制其生長的主要因子是水分，帶有較少貯存物質(zhì)的小種子遇到環(huán)境中的各種萌發(fā)暗示后會(huì)快速萌發(fā)。隨著降水的增加，唐古特白刺的生存環(huán)境改善，小種子的幼苗死亡率降低，并利用先萌發(fā)的優(yōu)勢迅速成長，使大種子的競爭優(yōu)勢降低，從而擁有更多的成株數(shù)目，產(chǎn)生更多的后代。所以，隨著環(huán)境的改善，大種子的優(yōu)勢將逐漸降低。大小種子在分配于繁殖的能量相同的情況下，小種子的數(shù)目會(huì)比大種子多很多，依靠風(fēng)力擴(kuò)散的能力強(qiáng)，距離也較遠(yuǎn)，所以能夠充分利用隨機(jī)降水，迅速萌發(fā)產(chǎn)生更多的幼苗。在降水稀少的地區(qū)，大種子更能適應(yīng)惡劣的環(huán)境，使幼苗在短時(shí)間內(nèi)不需要對(duì)外界環(huán)境的依賴，并且成株有強(qiáng)壯的根系，能有效利用穩(wěn)定的深層土壤水。種子形狀與土壤種子庫壽命有關(guān)，小粒、近圓球形種子易于形成持久種子庫[1]。推測如果未來降水持續(xù)增加，唐古特白刺種子會(huì)變小，適應(yīng)荒漠環(huán)境的變化。

表型多樣性是遺傳多樣性與環(huán)境異質(zhì)性的綜合體現(xiàn)[1]。唐古特白刺種子性狀在不同增雨處理的群體內(nèi)都具有豐富的多樣性。其中種子千粒重的變異系數(shù)最大20.386 %，種子長寬比的變異系數(shù)最小為5.650 %，說明種子的長寬比有較穩(wěn)定的遺傳特征。表型變異研究對(duì)其遺傳改良、優(yōu)良種質(zhì)資源保存及開發(fā)利用具有極其重要的意義。表型變異必然蘊(yùn)藏著遺傳變異，即表型變異愈大，可能存在的遺傳變異就越大[27-28]。種子大小對(duì)其萌發(fā)特性的影響進(jìn)行初步研究表明唐古特白刺大小種子平均發(fā)芽率37.6 %。其中小種子發(fā)芽最早，在發(fā)芽初期有較大優(yōu)勢；大種子發(fā)芽最晚，但具最高發(fā)芽率。總發(fā)芽率和出苗率均為特大粒(0 %處理)>大粒(25 %處理)>中粒(50 %處理)>小粒(75 %處理)>特小粒(100 %處理)，但進(jìn)一步的方差分析則表明，種子大小差異對(duì)唐古特白刺種子萌發(fā)和出苗沒有顯著的影響。因此，可以認(rèn)為唐古特白刺的種子萌發(fā)率和出苗率不受種子大小的影響。這與普遍認(rèn)為的植物大種子具有較高萌發(fā)率和出苗率的觀點(diǎn)相同[29-30]。唐古特白刺不同分級(jí)種子的出苗以特小粒種子最早，且出苗早期出苗率相對(duì)最高；特大粒種子最晚，但具最高出苗率。本研究是以持續(xù)模擬增雨近十年種子的形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行分析，由于所測的指標(biāo)及所考慮的氣候因子較少，唐古特白刺發(fā)育狀況、生理生化特性以及外因影響如何還需進(jìn)一步探討，可能此時(shí)不同增雨對(duì)種子的遺傳性狀尚未得到充分表達(dá)與穩(wěn)定，這些早期表現(xiàn)優(yōu)良的性狀是否與晚期萌發(fā)生長相關(guān)尚需進(jìn)一步研究。

5 結(jié) 論

不同增雨量對(duì)唐古特白刺種子長度、寬度、體積、表面積、長寬比及千粒重均有影響，其中種子體積、表面積和千粒重在不同增雨處理間差異均顯著，且三者與增雨量均顯著負(fù)相關(guān)。因此，降雨增加后唐古特白刺會(huì)產(chǎn)生更小的種子來適應(yīng)環(huán)境變化。特小粒種子發(fā)芽最早，特大粒種子發(fā)芽最晚，但具最高出苗率，大小不同的唐古特白刺種子在萌發(fā)率和出苗率上并不存在顯著差異。