底質(zhì)類型對熱帶海草海菖蒲種子萌發(fā)和幼苗生長的影響

劉松林，江志堅，吳云超，張 霞，黃小平*

(1.中國科學院南海海洋研究所、中國科學院熱帶海洋生物資源與生態(tài)重點實驗室，廣東 廣州 510301；2.南方海洋科學與工程廣東省實驗室(廣州)，廣東 廣州 511458；3.中國科學院南海生態(tài)環(huán)境工程創(chuàng)新研究院，廣東 廣州 510301；4.三亞中科海洋研究院，海南省熱帶海洋生物技術重點實驗室，海南 三亞 572100)

海草是一類適應于海洋環(huán)境中生長的水生被子植物，一般分布于低潮帶和潮下帶6 m以上的淺水生境[1]，其在適宜條件下可以形成大面積的海草床[2]。海草床生態(tài)系統(tǒng)是近岸海域生產(chǎn)力極高的生態(tài)系統(tǒng)，全球海草的平均初級生產(chǎn)力為1 012 g/(m2·a)(干重)，并高于生物圈多數(shù)其他類型生態(tài)系統(tǒng)[3]。海草床生態(tài)系統(tǒng)具有重要的生態(tài)服務功能，如育幼[4-5]、降低人類及水生動物患病風險[6]、污染物質(zhì)凈化[1]和藍碳[7]等。然而，20世紀以來，由于人類活動和氣候變化的影響，自1940年以來，全球海草床以每年接近7%的速度衰退消失[8]。海草床的退化和消失會導致其生態(tài)功能的減弱或喪失，加劇近岸生態(tài)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性和脆弱性。因此，為保護海草床，促使海草床健康發(fā)展，海草床的生態(tài)恢復在近幾十年來備受關注[9-11]。

生境恢復法、成體植株移植法和種子或其幼苗移植法是海草床修復的主要方法[10-12]。近年來，海草種子或其幼苗移植法在海草床的修復中越來越受到重視，這與其對供體海草床破壞和影響較小，并能保證海草的遺傳多樣性密切相關[13-14]。關于海草種子或其幼苗野外移植，目前大多關注溫帶海草如鰻草(Zosteramarina)[15]、牟氏鰻草(Z.muelleri)[16]、大洋波喜蕩草(Posidoniaoceanica)[11]和根枝草屬(Amphibolis)[17]等?？梢?，前人研究多關注溫帶海草的種子或幼苗移植，鮮有報道關于熱帶海草種子或其幼苗移植的研究[18-19]。

弄清其種子萌發(fā)和幼苗生長對環(huán)境因子的響應，是成功實現(xiàn)熱帶海草種子或其幼苗成功移植的關鍵和基礎[16,20-21]。其中，底質(zhì)類型是影響海草種子萌發(fā)與幼苗生長的重要因素[22-23]，例如，鰻草種子在泥質(zhì)沉積物的萌發(fā)率和幼苗建成率都顯著高于砂質(zhì)沉積物[22]。不同的底質(zhì)類型具有不同的有機質(zhì)含量和不同的氧化還原電位，這可能是影響海草種子萌發(fā)率和幼苗生長率的主要原因[22,24]。但熱帶海草種子萌發(fā)及其幼苗生長對不同底質(zhì)的響應如何，仍未見報道。

海菖蒲(Enhalusacoroides)是我國熱帶典型海草，在我國主要分布于海南陵水、瓊海和文昌沿岸海域[25]，這些分布區(qū)域的底質(zhì)類型差異顯著，在陵水海草床的沉積物類型為細砂質(zhì)沉積物，而在瓊海和文昌海域的海草床底質(zhì)多為珊瑚碎屑的砂礫質(zhì)沉積物[26]。近年來，由于顯著的人類活動影響如污染物輸入、港口建設、網(wǎng)箱養(yǎng)殖、挖螺耙螺和挖沙蟲等，導致海菖蒲呈現(xiàn)退化趨勢，其海草床也逐漸呈現(xiàn)斑塊化[27]，因此，亟待在我國開展熱帶海草海菖蒲的生態(tài)恢復。本研究通過室內(nèi)模擬實驗，探究不同底質(zhì)類型對海菖蒲種子萌發(fā)與幼苗生長的影響，為后續(xù)開展大規(guī)模的海菖蒲種子或幼苗室內(nèi)培育及野外移植區(qū)域的選擇提供重要的科技基礎。

1 材料與方法

1.1 種子與沉積物采集

2018年8月，在海南陵水黎安(18°24′46′N, 110°03′18′E)采集海菖蒲成熟的果實，將其裝入大小為25 cm×40 cm，孔徑為0.5 mm的尼龍網(wǎng)袋中，并浸泡于原位海水中，帶回實驗室。根據(jù)本實驗室之前的研究，陵水黎安和瓊海潭門海草床底質(zhì)類型差異顯著[26]，我們采集了陵水黎安和瓊海潭門海草床沉積物。同時，我們還采集了陵水黎安的原位海水一并帶回實驗室，為開展室內(nèi)模擬海草種子萌發(fā)與幼苗生長實驗做準備。根據(jù)本實驗室之前的研究，陵水黎安和瓊海潭門的海菖蒲遺傳結構和水環(huán)境主要指標差異不顯著[25,28]，因此，本研究僅采集陵水黎安的種子和海水，研究結果不會受到顯著的影響。

1.2 實驗設計

培養(yǎng)前，利用Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析儀(測量范圍0.02～2 000 μm，相對誤差<2%)對陵水黎安和瓊海潭門海草床的沉積物進行粒度分析，結果如表1所示，陵水黎安的底質(zhì)類型為細砂質(zhì)，而瓊海潭門的底質(zhì)類型為砂礫質(zhì)。在不同的玻璃培養(yǎng)缸(30 cm×30 cm×35 cm)中分別在底層鋪上陵水黎安和瓊海潭門的沉積物，底層沉積物厚度約為6 cm，分別稱為細砂組和砂礫組，每個處理設置2個重復。然后向每個培養(yǎng)缸中加入陵水黎安的原位海水，并用充氧泵對每個培養(yǎng)缸進行充氧。根據(jù)本實驗室之前的研究，埋藏后的海菖蒲種子萌發(fā)率低于10%[18]，因此，本研究將采集的海菖蒲果實剝開，獲得海菖蒲種子后，在每個培養(yǎng)缸沉積物表面均勻撒播20粒種子，總計80粒種子。

1.3 實驗過程

總培養(yǎng)的時間為154 d，培養(yǎng)期間利用加熱棒維持各培養(yǎng)缸的溫度為29.5±0.5 ℃。每隔2～3 d，添加適量超純水維持培養(yǎng)缸的水位，并對水體的pH、鹽度和溶解氧進行監(jiān)測。同時，每天觀察海菖蒲種子的萌發(fā)數(shù)量(以第一片子葉從種子中生長出來作為萌發(fā)時間)以及萌發(fā)后幼苗的存活數(shù)量。另外，在第0、8、11、16、24、35、46、58、88、154 天測量萌發(fā)后幼苗的葉片長度，并利用便攜式電位計測定沉積物的氧化還原電位。培養(yǎng)結束后，將幼苗拔出，測量不同處理組海菖蒲的根長度。

1.4 數(shù)據(jù)處理

種子的萌發(fā)率和平均萌發(fā)歷期(單位為d)分別按照以下公式計算:

萌發(fā)率(%)=萌發(fā)種子數(shù)量/種子總數(shù)量×100

(1)

平均萌發(fā)歷期 =∑(ni·Ti)/N

(2)

式(1)、(2)中：ni為第i天萌發(fā)的種子數(shù)量(粒)，Ti代表萌發(fā)統(tǒng)計的第i天，N為萌發(fā)種子的總數(shù)量(粒)。

幼苗的存活率按照下式進行計算：

幼苗存活率(%)=幼苗存活數(shù)量/

萌發(fā)種子數(shù)量×100

(3)

海草幼苗在整個培養(yǎng)期內(nèi)(154 d)葉片長度和根長度的生長速率，分別稱之為葉片生長速率(mm/d)和根生長速率(mm/d)，計算公式如下：

葉片生長速率=(培養(yǎng)后葉片長度×10)/培養(yǎng)時間

(4)

根生長速率=(培養(yǎng)后根長度×10)/培養(yǎng)時間

(5)

式(4)、(5)中：培養(yǎng)后葉片長度、培養(yǎng)后根長度單位均為cm，培養(yǎng)時間單位為d。

對獲得的所有數(shù)據(jù)通過Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0 軟件進行處理，首先對數(shù)據(jù)進行方差同質(zhì)性檢驗，若方差不齊，則將原始數(shù)據(jù)進行對數(shù)轉換以滿足方差齊性。利用Student’s-t檢驗，分析不同底質(zhì)處理的pH、鹽度、溶解氧、種子萌發(fā)率、平均萌發(fā)歷期、幼苗存活率、幼苗葉片長度、幼苗根長度、幼苗葉片生長速率和幼苗根生長速率的差異。同時，利用單因素協(xié)方差分析(以底質(zhì)類型為固定因子，以培養(yǎng)時間為協(xié)方差因子)沉積物氧化還原電位和幼苗葉片長度在細砂組和砂礫組間的差異。

2 結果與討論

2.1 培養(yǎng)過程主要環(huán)境因子變化

培養(yǎng)缸水體的pH、鹽度和溶解氧含量在培養(yǎng)期間的變化范圍分別為7.98～8.16、31.3～33.4和5.59～6.52 mg/L，均為海草生長的適宜條件。細砂組和砂礫組的pH、鹽度和溶解氧含量的平均值分別為8.05和8.04、32.3和32.2以及6.11 mg/L和6.22 mg/L，差異不顯著(t= 0.613,p=1.772)。這表明，底質(zhì)類型的改變并未改變水體中的上述環(huán)境指標。在培養(yǎng)期間，兩個處理組的沉積物氧化還原電位均呈現(xiàn)迅速上升后迅速下降，而后趨于平穩(wěn)的趨勢(圖1)。盡管砂礫組的氧化還原電位在培養(yǎng)期間大多高于細砂組，平均值分別為73.80 mV和100.71 mV，但這兩個處理組的氧化還原電位的差異不顯著(F=3.927,p=0.052)。因此，實驗室培養(yǎng)過程中，不同底質(zhì)類型的處理，其沉積物的氧化還原電位差異不大。

圖1 海菖蒲培養(yǎng)期間細砂組和砂礫組沉積物氧化還原電位的變化Fig. 1 Changes of sediment oxidation reduction potential in the fine sand and coarse-gravel sand groups during E. acoroides incubation圖中值為平均值±標準誤。

2.2 底質(zhì)類型對種子萌發(fā)率和萌發(fā)歷期的影響

兩個處理組的海菖蒲種子在播種后迅速萌發(fā)，在第7天以后的萌發(fā)率達到峰值并保持不變，平均萌發(fā)歷期為3.5 d(圖2)。這明顯低于鰻草種子的平均萌發(fā)歷期(37～54 d)[23]， 這是因為鰻草種子為可休眠種子，而海菖蒲種子為非休眠種子，撒播后可直接萌發(fā)[29]。細砂組和砂礫組的萌發(fā)率分別為97.5%和95.0%，兩組間差異不顯著(t=1.000,p=0.423)；相似的，細砂組和砂礫組的平均萌發(fā)歷期分別為3.7 d和3.4 d，其兩組間差異也不顯著(t=1.299,p= 0.323)。因此，不同的底質(zhì)處理不會影響海菖蒲種子的萌發(fā)率和萌發(fā)時間。

圖2 細砂組和砂礫組海菖蒲種子的萌發(fā)率和萌發(fā)歷期Fig. 2 Germination rate and mean time-to-germinate of E. acoroides seeds in the fine sand and coarse-gravel sand groups圖中值為平均值。

2.3 底質(zhì)類型對幼苗生長的影響

培養(yǎng)期間，細砂組的海菖蒲幼苗僅有1株死亡，其平均存活率為97.37%，而砂礫組的幼苗存活率為81.58%，細砂組的幼苗存活率顯著高于砂礫組(t=5.246,p=0.041)，如圖3所示。細砂組和砂礫組的海菖蒲幼苗均在培養(yǎng)期內(nèi)不斷生長，154 d后其平均葉片長度高達24.72 cm，而砂礫組幼苗的平均葉片長度僅為10.30 cm(圖4)。單因素協(xié)方差分析結果表明，砂礫組顯著降低了海菖蒲幼苗的葉片長度(F=36.700,p<0.001)。培養(yǎng)結束后，細砂組海菖蒲幼苗的平均根長度為12.07 cm，顯著高于砂礫組的7.38 cm(t=5.203,p<0.001)，如圖5所示。與葉片和根長度的變化相對應，細砂組海菖蒲幼苗的葉片(t=7.713,p<0.001)和根(t=5.203,p<0.001)的生長速率均顯著高于砂礫組(圖6)。Zhang等(2015)以及Jarvis等(2015)的研究發(fā)現(xiàn)，沉積物粒徑增加導致海草存活率下降，并會降低海草的生長速率，這與本研究的結果一致[30,23]。如前所述，兩個實驗組中水體的主要環(huán)境因子(溫度、鹽度、pH和溶解氧)和沉積物的氧化還原電位差異不顯著，可見，這些環(huán)境因子不是導致砂礫組海菖蒲幼苗生長速率顯著下降的原因。沉積物底質(zhì)類型的差異會影響沉積物硫化物、有機碳和營養(yǎng)物質(zhì)等環(huán)境因子[31-32]，這可能也會影響海草種子的萌發(fā)[33-34]。另外，Balestri等(2015)和Guerrero-Meseguer等(2017)的研究均表明，粒徑較小的沉積物利于海草根的伸長，而粒徑較大的沉積物會對海草根的伸長造成較大阻力而抑制其伸長[35，21]。細砂組海菖蒲較長的根利于海草植株吸收沉積物中營養(yǎng)物質(zhì)，從而促進葉片的生長。因此，粒徑會影響海菖蒲幼苗的生長速率。

圖3 細砂組和砂礫組海菖蒲幼苗存活率差異Fig. 3 Difference of E. acoroides seedling survival rates between the fine sand and coarse-gravel sand groups圖中“*”表示實驗組之間差異顯著( p < 0.05)，圖中值為平均值±標準誤。

2.4 海菖蒲種子或幼苗移植策略

上述研究結果表明，沉積物粒徑的變化對海草種子的萌發(fā)率和萌發(fā)時間較小，但對其萌發(fā)后的生長速率的影響較顯著。因此，未來開展海菖蒲種子或幼苗室內(nèi)培養(yǎng)和野外移植時，應選取沉積物粒徑較小細砂質(zhì)區(qū)域進行培養(yǎng)與移植，可促進海菖蒲種子或幼苗移植的成活率。另外，海草種子萌發(fā)與幼苗生長，其關鍵的生理機制就是其體內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)和光合速率的變化[20]，然而，目前關于海菖蒲種子萌發(fā)與幼苗生長對環(huán)境因子變化的響應機制仍不清楚，亟待在未來開展研究，為促進海菖蒲種子或幼苗的野外移植提供科學依據(jù)。

圖4 培養(yǎng)期間細砂組和砂礫組海菖蒲幼苗葉片長度的變化Fig. 4 Changes of E. acoroides seedling leaf lengths in the fine sand and coarse-gravel sand groups during culture圖中值為平均值±標準誤。

圖5 細砂組和砂礫組海菖蒲幼苗根長度的差異Fig. 5 Difference of E. acoroides seedling root lengths between the fine sand and coarse-gravel sand groups圖中“*”表示實驗組之間差異顯著(p<0.05)，圖中值為平均值±標準誤。

圖6 細砂組和砂礫組海菖蒲幼苗葉片生長速率和根生長速率差異Fig. 6 Difference of E. acoroides seedling leaf growth rates and root growth rates between the fine sand and coarse-gravel sand groups圖中“*”表示實驗組之間差異顯著(p<0.05)，圖中值為平均值±標準誤。

3 結論

本研究通過室內(nèi)模擬實驗探討了底質(zhì)類型(粒徑的差異)對海菖蒲種子萌發(fā)與幼苗生長的影響，主要結論如下：

(1)細砂組和砂礫組的萌發(fā)率、平均萌發(fā)歷期分別為97.5%、3.7 d和95.0%、3.5 d，沉積物粒徑對海菖蒲種子的萌發(fā)率和平均萌發(fā)時間的影響不顯著。

(2)細砂組幼苗的存活率、葉片生長速率和根生長速率均顯著高于砂礫組，粒徑較小的沉積物可促進海菖蒲幼苗的生長。

(3)未來開展海菖蒲種子或幼苗室內(nèi)培育和野外移植，應選取沉積物粒徑較小細砂質(zhì)區(qū)域進行培養(yǎng)與移植。