溫度和鹽脅迫對榆樹種子萌發(fā)的影響

高亞軍，王 圳，黃建庭

(連云港市林業(yè)技術(shù)指導(dǎo)站，江蘇 連云港 222000)

土壤鹽堿化是全球普遍面臨且需亟待解決的環(huán)境問題之一， 治理鹽堿化土壤已成為各國環(huán)境科學(xué)研究的熱點和難點[1]。連云港位于江蘇北部，總面積744 390 hm2，其中沿海灘涂面積高達(dá)48 000 hm2[2]。近年來，連云港市投入大量人力、物力與財力，在東部城區(qū)和沿海灘涂開展園林綠化工作。由于東部城區(qū)大部分土壤pH在8.1—8.7之間[2]，部分沿海灘涂pH甚至在9以上，雖然選擇的部分樹木栽植前采取了改良土壤、開溝起壟排鹽等技術(shù)措施，但也還是難以達(dá)到預(yù)期的綠化效果，樹勢過早衰退，樹木甚至死亡，造成巨大的經(jīng)濟損失。沿海地區(qū)的土壤鹽堿化，已嚴(yán)重制約當(dāng)?shù)亟?jīng)濟、社會的可持續(xù)發(fā)展和人民群眾幸福指數(shù)的提高。篩選并推廣具有較強耐鹽堿能力的鄉(xiāng)土樹種用于沿海地區(qū)綠化，改善連云港大片鹽堿地的生態(tài)環(huán)境，顯得尤為迫切。

榆樹(UlmuspumilaL.)又稱白榆，家榆，屬于榆科榆屬落葉喬木，廣泛分布于我國大部分地區(qū)。朝鮮、俄羅斯、蒙古國也有分布。榆樹在我國栽培歷史悠久，最早可追溯到先秦時期，這與它渾身是寶緊密相關(guān)，有大量文獻資料記載其救荒功能，樹皮、樹根、樹葉和果實均具有食用價值和藥用功效[3]。由于果實(俗稱“榆錢”)含有豐富的膳食纖維、蛋白質(zhì)、水分、維生素及多種微量元素[4]，經(jīng)多年野外觀測發(fā)現(xiàn)，每年結(jié)“榆錢”時總會吸引喜鵲、灰喜鵲、白頭鵯、麻雀等鳥類取食，為城鄉(xiāng)鳥類提供豐富的食物，對維持生態(tài)平衡、保護生物多樣性具有重要意義。榆樹高大蔭濃，適應(yīng)性強，生長快，耐干旱、瘠薄，耐鹽堿，耐寒，抗污染能力強；萌蘗能力強，根系發(fā)達(dá)，抗風(fēng)，保持水土能力強[3]，是城鄉(xiāng)綠化、營造沿海防護林帶的優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種。

目前，國內(nèi)關(guān)于溫度或鹽分等單一因子對樹木的種子萌發(fā)與生長的影響已有部分研究[5]，而有關(guān)溫度和NaCl脅迫交互處理對樹木種子，尤其是榆樹種子萌發(fā)影響方面的研究較少。本文以此為出發(fā)點，研究在不同溫度下，模擬不同濃度NaCl脅迫處理對榆樹種子萌發(fā)的影響，旨在探討榆樹種子萌發(fā)期在不同溫度下的耐鹽程度，為榆樹在本地沿海地區(qū)造林中推廣應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗材料

榆樹種子于2019年4月底采自蒼梧綠園。試驗前期，將采集的榆樹種子放入玻璃容器中，加入足量的清水，并用玻璃棒攪拌，靜置后撈出浮在水面的癟粒和雜質(zhì)，經(jīng)水選后得到相對飽滿的種子，室內(nèi)晾干，即為試驗用種子。

1.2 試驗設(shè)計與方法

將試驗用榆樹種子，先用1%高錳酸鉀溶液浸泡15 min消毒，再用蒸餾水沖洗4次，并用吸水紙吸干種子表面水分。設(shè)計4個不同溫度(A)：5，15，25，35 ℃(將實驗室的冰箱設(shè)定為5 ℃，并用恒溫光照培養(yǎng)箱設(shè)定15，25，35 ℃)和5個不同濃度NaCl鹽溶液(B)：0，50，100，200，300 mmol/L(用NaCl分析純藥品配制，以蒸餾水作為對照)，共20個處理，每個處理3個重復(fù)，試驗設(shè)計如表1所示。每個培養(yǎng)皿(直徑12 cm)內(nèi)先鋪設(shè)2層圓形的定性濾紙，然后整齊擺放榆樹種子100粒，最后在培養(yǎng)皿中移入9 mL不同濃度的NaCl溶液，使緊貼內(nèi)壁的濾紙浸漬飽和，對照組也按照上述操作移入同等體積的蒸餾水。試驗過程中每天稱重補充蒸發(fā)散失的水分，以平衡萌發(fā)過程中蒸發(fā)量，保持培養(yǎng)環(huán)境的相對濕度在65%—75%范圍內(nèi)，連續(xù)培養(yǎng)15 d[6]。每天記錄培養(yǎng)箱中榆樹種子發(fā)芽情況，以胚根長至種子長度1/2作為發(fā)芽標(biāo)準(zhǔn)，直到連續(xù)3 d內(nèi)無新種子發(fā)芽視為發(fā)芽結(jié)束[6]。

表1 試驗設(shè)計

1.3 指標(biāo)測定

發(fā)芽率=n/N×100%，式中n為15 d內(nèi)正常發(fā)芽的種子粒數(shù)，N為供試種子粒數(shù)[1,6]。

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，式中,Gt為時間t日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)[1]。

平均發(fā)芽時間=∑(hn1)/∑n1，式中,h為從種子放入培養(yǎng)皿之日算起的天數(shù)，n1為相應(yīng)各日發(fā)芽粒數(shù)[7]。

1.4 數(shù)據(jù)分析處理

用Excel和SPSS13.5等統(tǒng)計軟件對測定指標(biāo)進行統(tǒng)計、方差分析、相關(guān)性分析及因子分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度和NaCl脅迫對榆樹種子發(fā)芽率的影響

由表2可知，各濃度NaCl溶液處理的榆樹種子，隨著溫度的升高，其發(fā)芽率呈不同程度地先上升后下降的趨勢。采用蒸餾水(對照)與50—100 mmol/L NaCl溶液處理的榆樹種子，在5 ℃與15—35 ℃的溫度中的種子發(fā)芽率存在極顯著差異(P<0.01)，且5 ℃的種子發(fā)芽率始終低于15—35 ℃發(fā)芽率；當(dāng) NaCl溶液為200 mmol/L時，在5—35 ℃溫度下，種子發(fā)芽率分別為51%，53%，60%，37%，其中以25 ℃下的發(fā)芽率最高，而35 ℃下的發(fā)芽率最低；當(dāng)NaCl溶液濃度達(dá)到300 mmol/L時，4個溫度下，種子發(fā)芽率分別為24%，40%，44%，24%。此時，雖然15 ℃和25 ℃下種子的發(fā)芽率無顯著差異，5 ℃和35 ℃下種子的發(fā)芽率亦無明顯差異，但種子的發(fā)芽指數(shù)存在極顯著差異(P<0.01)，且15 ℃和25 ℃下發(fā)芽指數(shù)高，而5 ℃和35 ℃下發(fā)芽指數(shù)低。從表3可以看出，在榆樹種子的萌發(fā)過程中，不但溫度、NaCl溶液濃度等單一因子極顯著影響榆樹種子的發(fā)芽率(P<0.01)，這2因子交互作用也極顯著影響種子的發(fā)芽率(P<0.01)。表明適宜的溫度下，一定濃度NaCl脅迫對榆樹種子發(fā)芽率沒有影響或提高種子發(fā)芽率，而低溫以及低溫與高鹽產(chǎn)生的交互作用均會抑制種子萌發(fā)，而高溫與高鹽產(chǎn)生的交互作用也會抑制種子萌發(fā)，降低種子的發(fā)芽率。

2.2 溫度和NaCl鹽脅迫對榆樹種子發(fā)芽指數(shù)的影響

由表2可知，各濃度NaCl溶液處理的榆樹種子，隨著溫度的升高，種子的發(fā)芽指數(shù)呈不同程度的先上升后下降的趨勢。采用蒸餾水(對照)與50 mmol/L的NaCl溶液處理的榆樹種子，在25 ℃與35 ℃溫度下，種子的發(fā)芽指數(shù)極顯著高于5 ℃和15 ℃的發(fā)芽指數(shù)(P<0.01)，但25 ℃與35 ℃下的種子發(fā)芽指數(shù)之間不存在顯著差異；采用100—300 mmol/L的NaCl溶液處理的榆樹種子，在25 ℃與35 ℃下，種子的發(fā)芽指數(shù)存在極顯著差異(P<0.01)。此外，也可以發(fā)現(xiàn)，在5 ℃下，各濃度的NaCl溶液中處理的榆樹種子的發(fā)芽指數(shù)最低，而25 ℃下種子的發(fā)芽指數(shù)最高。由表3可知，溫度、NaCl脅迫及其2者之間產(chǎn)生的交互作用均極顯著影響種子的發(fā)芽指數(shù)(P<0.01)。表明在適宜的溫度下，一定濃度的鹽脅迫對種子的發(fā)芽指數(shù)無影響或有所提高，種子保持較高的活力，而低溫、低溫與高鹽產(chǎn)生的交互作用均會降低種子的發(fā)芽指數(shù)，高溫與高鹽產(chǎn)生的交互作用也會降低種子的發(fā)芽指數(shù)，使種子活力降低。

表2 溫度和鹽脅迫處理對榆樹種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和平均發(fā)芽時間的影響

表3 溫度和NaCl脅迫處理對榆樹種子發(fā)芽指標(biāo)影響的雙因素方差分析

2.3 溫度和NaCl脅迫對榆樹種子平均發(fā)芽時間的影響

由表2可知，隨著溫度的升高，在蒸餾水(對照)與50—100 mmol/L的NaCl脅迫處理下，榆樹種子的平均發(fā)芽時間呈不同程度的下降趨勢，而在200—300 mmol/L的NaCl脅迫處理下，榆樹種子的平均發(fā)芽時間呈不同程度先下降后上升的趨勢。其中蒸餾水(對照)與50—100 mmol/L的NaCl脅迫處理的榆樹種子，在5 ℃下，榆樹種子平均發(fā)芽時間最長(P<0.01)，在25 ℃和35 ℃下，榆樹種子的平均發(fā)芽時間最短(P<0.01)；采用200—300 mmol/L的NaCl脅迫處理的榆樹種子，在5 ℃下，平均發(fā)芽時間最長(P<0.01)，而在25 ℃下，平均發(fā)芽時間最短(P<0.01)。由表3可以看出，溫度、NaCl脅迫及其兩者之間產(chǎn)生的交互作用均極顯著影響種子的平均發(fā)芽時間(P<0.01)。表明適宜的溫度下，一定濃度的鹽脅迫處理有助于促進榆樹種子萌發(fā)，縮短種子的平均發(fā)芽時間，而低溫、低溫與高鹽產(chǎn)生的交互作用均會延緩種子萌發(fā)進程，延長種子平均發(fā)芽時間，高溫與高鹽也產(chǎn)生交互作用使種子的平均發(fā)芽時間延長。

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)期是植物生活史中最脆弱的階段[1]，受外界環(huán)境的影響較大。溫度是調(diào)控種子萌發(fā)的主要環(huán)境因子之一，不同植物在自然界長期進化過程中對萌發(fā)溫度的需求也存在差異[8]。本研究將榆樹種子置于蒸餾水(對照)中，在5 ℃的低溫環(huán)境下，種子的發(fā)芽率最高僅為63%；隨著溫度的升高，在15—35 ℃下，種子的發(fā)芽率均超過87%，且在25—35 ℃范圍內(nèi)種子的發(fā)芽指數(shù)更高，種子活力更強，平均發(fā)芽時間縮短，萌發(fā)速度加快，表明蒸餾水中培養(yǎng)的榆樹種子在相對較高的溫度下有利于種子萌發(fā)，在25—35 ℃范圍更適宜榆樹種子萌發(fā)，而5 ℃的低溫對榆樹種子萌發(fā)有較強的抑制作用，這與前人對榆樹[3]、刺榆[9]、煙草[10]、香紫蘇[11]等種子萌發(fā)的研究結(jié)果類似。對大多數(shù)種子來說，其萌發(fā)所需溫度有明顯的最低閥值和最高閥值，種子在這2者之間都能萌發(fā)[12]，適宜的溫度能提高種子內(nèi)各種酶的活性，使各種貯藏物質(zhì)被分解為易于利用的小分子物質(zhì)，為種子萌發(fā)提供充足的能量;而低溫環(huán)境下種子吸水緩慢，酶活性降低，還可能會誘導(dǎo)種子進入休眠狀態(tài)，降低種子的耐鹽性，但過高的發(fā)芽溫度則會使酶活性降低，甚至?xí)姑缸冃允Щ?，影響種子的萌發(fā)進程。

水分也是影響種子萌發(fā)的關(guān)鍵因子，植物種子的萌發(fā)過程是種子內(nèi)各種物質(zhì)由靜止?fàn)顟B(tài)轉(zhuǎn)向活躍狀態(tài)的過程，種子吸水量在達(dá)到一定程度后激活控制酶，并發(fā)生相關(guān)的生化反應(yīng)[12]。目前，關(guān)于鹽脅迫對植物種子萌發(fā)的影響已有較多研究，大多數(shù)植物在無鹽條件下萌發(fā)較好，部分耐鹽堿植物低鹽脅迫會刺激促進種子萌發(fā)，而高鹽脅迫會降低種子發(fā)芽率，使種子活力降低，延緩種子萌發(fā)[7,13-20]，且鹽脅迫影響種子萌發(fā)的主要原因可歸結(jié)于滲透脅迫和離子毒害。在本研究中，與蒸餾水對照相比，50 mmol/L的低濃度鹽脅迫對榆樹種子的萌發(fā)有促進作用，這是由于榆樹種子具有一定的耐鹽性，低濃度的鹽脅迫會刺激榆樹種子的種皮，加快種子內(nèi)外離子交換，同時增強了榆樹種子的吸水速率，在發(fā)芽率無差異的情況下，增強了種子的發(fā)芽指數(shù)，縮短了種子的平均發(fā)芽時間；而在100—300 mmol/L的濃度處理下，隨著NaCl脅迫濃度的增加，榆樹種子發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均降低，平均發(fā)芽時間延長，這可能是由于榆樹種子受到滲透脅迫和離子毒害所致，其中在100 mmol/L的中等濃度鹽脅迫下起主導(dǎo)作用的是可能是滲透脅迫，但在200—300 mmol/L的高濃度鹽脅迫下種子短時間內(nèi)可能先遭受滲透脅迫，使種子細(xì)胞內(nèi)水分流失，待細(xì)胞膜慢慢被破壞后又遭受高濃度的離子毒害。

前人在有關(guān)溫度和鹽、堿脅迫對野生大豆[8]、紫花苜蓿[13]、豬毛蒿[21]、小麥[22]、銀沙槐[23]等種子萌發(fā)影響的研究中，發(fā)現(xiàn)溫度與鹽、堿脅迫之間存在一定的交互作用,影響種子的萌發(fā)。本研究亦發(fā)現(xiàn)溫度和鹽脅迫之間存在交互作用，影響榆樹種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)及平均發(fā)芽時間等發(fā)芽指標(biāo)。在50 mmol/L的低濃度NaCl脅迫下，在5 ℃的低溫下，榆樹種子的發(fā)芽率最高僅為61%，而在15—35 ℃下，種子的發(fā)芽率均在83%以上；在100—300 mmol/L的鹽脅迫范圍內(nèi)，隨著鹽濃度的增大， 5 ℃的低溫、35 ℃的高溫及其2者與高濃度鹽脅迫產(chǎn)生的交互作用均抑制種子萌發(fā)，使種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)均降低，平均發(fā)芽時間延長；雖然在5 ℃和35 ℃溫度下，采用300 mmol/L的鹽脅迫處理，榆樹種子的發(fā)芽率相等，但采用5 ℃溫度與300 mmol/L鹽脅迫綜合處理的榆樹種子的發(fā)芽指數(shù)更低，平均發(fā)芽時間更長。表明低溫、高濃度鹽脅迫及2者綜合處理之后產(chǎn)生的交互作用均嚴(yán)重抑制榆樹種子萌發(fā)，高溫與高濃度鹽脅迫綜合處理之后也產(chǎn)生了交互作用,對榆樹種子的萌發(fā)亦有較強抑制作用，且低溫與高鹽脅迫綜合處理產(chǎn)生交互作用對種子萌發(fā)的抑制效果強于高溫與高鹽脅迫綜合處理。這可能由于在低溫與高濃度鹽雙重脅迫下，低溫使得種子內(nèi)酶啟動慢，物質(zhì)轉(zhuǎn)化速度也較慢，抵抗低溫與高濃度的鹽脅迫的不良環(huán)境能力弱，長時間處于高濃度鹽脅迫中遭受滲透脅迫和離子毒害的影響，對種子萌發(fā)產(chǎn)生較強的抑制作用，而榆樹種子在受到高溫與高濃度的鹽脅迫交互脅迫時，高溫使得種子內(nèi)酶快速響應(yīng)，種子吸水速率加快，促進了種子內(nèi)外離子交換，在短期內(nèi)破壞了細(xì)胞膜，產(chǎn)生了離子毒害，降低了種子的活力。

本研究通過不同溫度和模擬不同濃度鹽脅迫對榆樹種子萌發(fā)特性進行比較分析，發(fā)現(xiàn)榆樹種子具有一定耐鹽性，在適宜的溫度下，一定濃度的鹽脅迫處理有助于促進榆樹種子萌發(fā)，提高種子的發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)，縮短種子的平均發(fā)芽時間，而低溫、高濃度鹽脅迫及2者存在的交互作用均抑制榆樹種子萌發(fā)，延緩種子萌發(fā)進程，延長種子平均發(fā)芽時間，高溫與高濃度鹽脅迫之間也同樣存在交互作用抑制榆樹種子萌發(fā)的作用。此次試驗僅研究了溫度與NaCl脅迫對榆樹種子萌發(fā)的影響，由于連云港沿海地區(qū)的鹽漬化土壤中除了有以NaCl為主的中性鹽外，還有多種堿性鹽成分，因此，溫度與鹽、堿脅迫綜合處理對榆樹種子萌發(fā)的影響有待進一步研究。