不同種源云南松種子發(fā)芽性狀與幼苗早期生長1)

高成杰 繆迎春 李瑾 李昆 崔凱 楊發(fā)成

(中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所，昆明，650224) (云南省白竹山州級自然保護(hù)區(qū)管護(hù)局)

種源選擇對種群的維持具有深遠(yuǎn)影響，尋找適當(dāng)?shù)姆N子來源，能夠恢復(fù)人工林的穩(wěn)定及最大生產(chǎn)力[1-2]。選擇當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)型種子造林能夠更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境，但如果種群是近親繁殖或已不再適應(yīng)當(dāng)?shù)貧夂颍x擇本地種子造林容易導(dǎo)致林分衰退[3]。當(dāng)?shù)胤N群衰退時，來自不同氣候、地區(qū)的非本地種子可以提供新的優(yōu)良遺傳物質(zhì)[2-4]。選擇種子來源時，人們經(jīng)?？紤]種源地所選母樹的優(yōu)良生長性狀，往往忽略了不同種源的種子萌發(fā)變異，而這些變異對物種的存活、生長以及種群的發(fā)展具有重要意義[5-6]。

云南松(Pinusyunnanensis)是我國西南地區(qū)特有樹種，廣泛分布于23°～29°N，98°～106°E的西藏東南部、四川西南部、貴州西部、廣西西部及云南大部分地區(qū)。分布區(qū)海拔500～3 200 m，處于橫斷山脈、云貴高原山岳地帶。錯綜復(fù)雜的自然環(huán)境使云南松形成與環(huán)境相適應(yīng)且具有不同性狀的多個種群。云南松具有適應(yīng)性強(qiáng)、生長較快、耐干旱瘠薄、木材用途廣泛等特點，現(xiàn)已成為我國西南地區(qū)荒山造林先鋒樹種及主要用材樹種[7]。云南松生境多高山陡坡，以天然更新為主，其種子產(chǎn)量高、傳播能力強(qiáng)，具有“飛子成林”的能力。但上世紀(jì)過度采伐、利用導(dǎo)致的逆向選擇，使自然更替中林分衰退問題日益突出[8]，很多地區(qū)的云南松林分中低矮、扭曲等不良個體比例逐漸增加[9]。天然林分日益衰退，優(yōu)良遺傳資源大量流失，如何更好的保存和評價現(xiàn)有云南松種質(zhì)資源，是云南松天然林保護(hù)和人工林發(fā)展過程中急需解決的問題。

由于云南松分布區(qū)氣候多樣，同時存在選擇壓力差異等因素，導(dǎo)致其種源間存在豐富的遺傳變異，具有很大的遺傳改良潛力[9-11]。種源選擇是最基礎(chǔ)、最速效的樹種改良措施，同時也是進(jìn)行優(yōu)良家系、無性系繁殖及種子園營造等育種工作和良種化進(jìn)程的基礎(chǔ)[12-14]。對云南松自然種群的研究多集中在針葉及種子表型性狀變異等方面[9-10]，有關(guān)云南松種子對水分、溫度適應(yīng)性方面也有部分研究，但多以單一種源作為研究對象[15-16]，關(guān)于不同種源地種子發(fā)芽性狀的評價甚少。發(fā)芽性狀是確定播種的主要依據(jù)，其次是種子質(zhì)量。因此，通過不同種源種子在相同條件的發(fā)芽試驗，比較各種源間的差異，對推進(jìn)林業(yè)良種化進(jìn)程具有重要的意義。本研究在前人對云南松種源區(qū)劃研究的基礎(chǔ)上，選擇我國西南地區(qū)15個云南松種源地，通過優(yōu)樹選擇獲取不同種源地種子，比較不同種源種子質(zhì)量、發(fā)芽性狀及幼苗生長差異，分析種子質(zhì)量、發(fā)芽性狀與種源地理、氣候因子及幼苗生長間的關(guān)系，以期為云南松種質(zhì)資源的收集保存和優(yōu)良種源的選育提供基礎(chǔ)研究數(shù)據(jù)和參考。

1 研究區(qū)概況

試驗地位于云南省昆明市中國林業(yè)科學(xué)研究院資源昆蟲研究所苗圃地(25°4′N，102°45′E)，地處云貴高原中部云南松中心分布區(qū)。海拔為1 945 m，年平均氣溫15.4 ℃，年降水量700～1 100 mm，年均日照時間2 327.5 h，年均蒸發(fā)量1 856.4 mm，屬北亞熱帶半濕潤高原季風(fēng)氣候。

2 材料與方法

2.1 試驗材料

以云南松種源區(qū)劃為基礎(chǔ)[17]，選擇云南、貴州、四川及西藏察隅等地區(qū)的15個種源地作為采種點，各種源地間最小距離約為30 km。以種源地林分郁閉度在0.7以上，面積大于10 hm2，平均年齡為25～50 a的云南松天然林作為采種林分[18]。按照優(yōu)樹入選原則，每個種源地選擇優(yōu)樹30株，所選優(yōu)樹之間距離至少為100 m。采集當(dāng)年生還未開裂的云南松球果，每株優(yōu)樹采集球果數(shù)20～50個。同時記錄采種點經(jīng)緯度、海拔，根據(jù)不同種源地理位置利用ArcGIS 10.2軟件從Global Climate Data的Worldclim下載中心提取各采種點年降水量、年均溫等氣候數(shù)據(jù)(表1)。將各種源地所采收的球果置于太陽底下暴曬，待球果開裂后收集種子，將每個種源地30株優(yōu)樹種子等量混合后作為該種源地種子。

表1 云南松15個種源基本概況

2.2 種子質(zhì)量測定

根據(jù)林木種子檢驗規(guī)程(GB 2772-1999)測定各種源地種子質(zhì)量。從每個種源隨機(jī)選取100粒正常飽滿種子用電子天平稱質(zhì)量(精度0.001 g)，重復(fù)8次，計算各種源地種子質(zhì)量。

2.3 不同種源種子萌發(fā)試驗

隨機(jī)選取飽滿健康的不同種源種子各50粒，每個種源重復(fù)5次。用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.1%的HgCl2消毒5 min，然后用蒸餾水沖洗后，均勻地置于直徑11 mm的培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿內(nèi)鋪設(shè)2層濾紙，滴入少許蒸餾水保濕。將培養(yǎng)皿放置于光周期為16/8 h(白天/黑夜)的人工氣候箱中。前期研究表明，云南松種子最適萌發(fā)溫度為20 ℃左右[16]，因此人工氣候箱設(shè)置溫度為恒溫20 ℃。種子萌發(fā)過程中，每天檢查種子發(fā)芽情況并記錄發(fā)芽數(shù)，濾紙每3 d更換1次。根據(jù)林木種子檢驗規(guī)程(GB 2772-1999)，當(dāng)種子芽長約為種子長一半，根長約為種子長時即為發(fā)芽。當(dāng)連續(xù)10 d無種子發(fā)芽時，結(jié)束發(fā)芽試驗。

以發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間2個指標(biāo)評價各種源種子發(fā)芽能力，計算公式如下：

發(fā)芽率=(正常發(fā)芽種子粒數(shù)/供試種子總粒數(shù))×

100%；

平均發(fā)芽時間=∑(Gi×Di)/∑Gi。

式中：Gi為第i天發(fā)芽種子數(shù)；Di為種子發(fā)芽時所需時間。

2.4 不同種源幼苗生長試驗

在實驗室進(jìn)行種子萌發(fā)試驗的同時，在田間進(jìn)行播種育苗試驗。試驗的育苗容器規(guī)格為20 cm×15 cm，供試土壤為苗圃地壤土。試驗前采用環(huán)刀法測得供試土壤的田間持水量為(26.56±2.81)%，土壤密度為(1.28±0.12)g·cm-3，播種前使用500倍15%多菌靈進(jìn)行土壤消毒。按照單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，每個種源播種30袋，3次重復(fù)。苗圃地上方架設(shè)90%遮陽網(wǎng)，苗期采用霧狀噴灌管理，保證所有種源幼苗的培育條件具有一致性。播種6個月后，各種源隨機(jī)選擇12株健康幼苗，獲取其幼苗生物量。每株幼苗從營養(yǎng)袋中完整取出后，用水沖洗干凈，放在陰涼處風(fēng)干。將幼苗分為根、莖、葉，分別裝入紙袋，在實驗室烘箱內(nèi)85 ℃烘干至恒質(zhì)量，之后用分析天平稱量各器官干質(zhì)量(精確度0.000 1 g)。

2.5 數(shù)據(jù)分析

采用EXCEL 2003軟件處理試驗數(shù)據(jù)，SPSS18.0軟件對不同種源種子質(zhì)量、發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間、幼苗生物量進(jìn)行方差分析。利用Levene’s test進(jìn)行方差齊性檢驗，方差齊性時，采用LSD法多重比較各種源間種子質(zhì)量、發(fā)芽性狀和幼苗生物量差異顯著性；方差不齊時，對數(shù)據(jù)進(jìn)行以10為底的對數(shù)轉(zhuǎn)換(平均發(fā)芽時間)或反正弦平方根轉(zhuǎn)換(發(fā)芽率)。同時，運用Pearson’s相關(guān)系數(shù)評價種子發(fā)芽能力與種源地理、氣候因子、種子質(zhì)量、幼苗生長間的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同種源地種子質(zhì)量的差異

各種源地云南松種子質(zhì)量在13.662～22.957 mg·粒-1之間，最大值和最小值間相差9.295 mg·粒-1(表2)。種子質(zhì)量在不同種源間存在極顯著差異(P<0.01)。其中以云南廣南、永仁、四川西昌種子質(zhì)量最大，均超過20 g；西藏察隅、云南保山種子質(zhì)量最低，不足15 g。

表2 不同種源云南松種子質(zhì)量、發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間

3.2 不同種源地種子發(fā)芽率和平均發(fā)芽時間

相同萌發(fā)條件時，不同種源地云南松種子發(fā)芽率差異較大，達(dá)到極顯著水平(P<0.01)。發(fā)芽率最高的種源是云南廣南種源；其次為云南寧蒗種源；最低為云南彌渡種源(表2)。發(fā)芽率在90%以上的有7個種源，占供試種源數(shù)的46.67%；發(fā)芽率在80%～90%的有2個種源，占種源數(shù)的13.33%；發(fā)芽率在70%～80%的有4個種源，占種源數(shù)的26.67%；發(fā)芽率低于70%的僅有2個種源，占種源數(shù)的13.33%。

各種源云南松種子平均發(fā)芽時間為11.98～17.54 d，差異極顯著(P<0.01)。西藏察隅種源的發(fā)芽時間最長，云南廣南種源的發(fā)芽時間最短，兩者相差近6 d。發(fā)芽時間低于14 d的有8個種源，占種源數(shù)的53.33%；發(fā)芽時間為14～16 d的僅3個種源，占20.00%；發(fā)芽時間長于16 d的有4個種源，占26.67%。

3.3 不同種源地幼苗生物量

不同種源云南松幼苗總生物量及各器官生物量均存在極顯著差異(P<0.01，表3)。幼苗總生物量以云南廣南種源種子最大，保山種源種子最小，最大生物量為最小生物量的1.87倍。根生物量以云南新平種源種子最大，保山種源種子最小。莖、葉生物量均以廣南種源種子最大，保山種源種子最小。

表3 不同種源云南松幼苗生物量

3.4 云南松種子質(zhì)量、發(fā)芽能力與種源地理、氣候因子的關(guān)系

相關(guān)分析表明，云南松種子質(zhì)量與種源地經(jīng)度、年均溫呈極顯著正相關(guān)(表4)，即靠近云南松分布區(qū)東部、年均溫較高的種源地種子質(zhì)量較大。發(fā)芽率與經(jīng)度呈極顯著正相關(guān)，與年降水量呈極顯著負(fù)相關(guān)，即靠近東部、年降水量較低的地區(qū)種源發(fā)芽率較高。平均發(fā)芽時間受種源地所處緯度、年均溫、年降水量影響，與緯度、年降水量呈正相關(guān)，與年均溫呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，即緯度越高，年均溫越低，年降水量越大，平均發(fā)芽時間越長。

表4 種子質(zhì)量、發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間與種源地理、氣候因子的相關(guān)性

3.5 云南松種子質(zhì)量、發(fā)芽能力與幼苗生長的關(guān)系

云南松種子發(fā)芽率與平均發(fā)芽時間呈極顯著負(fù)相關(guān)(表5)，表明較高的種子發(fā)芽率常伴隨著較短的發(fā)芽時間。種子質(zhì)量顯著影響發(fā)芽率、發(fā)芽時間，種子質(zhì)量與發(fā)芽率呈極顯著正相關(guān)，與發(fā)芽時間呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明云南松種子質(zhì)量越大，發(fā)芽越快且發(fā)芽率越高。種子質(zhì)量、發(fā)芽能力同時影響幼苗早期的生長。種子質(zhì)量與幼苗總生物量、各器官生物量呈極顯著正相關(guān)；發(fā)芽率與總生物量及莖、葉生物量也呈極顯著正相關(guān)，但與根生物量無顯著相關(guān)；發(fā)芽時間與幼苗生物量呈負(fù)相關(guān)，但僅葉生物量達(dá)到顯著性水平。

表5 種子質(zhì)量、發(fā)芽率、平均發(fā)芽時間與幼苗生物量的相關(guān)性

4 結(jié)論與討論

對不同種源云南松發(fā)芽性狀的研究表明，云南松種子發(fā)芽率在不同種源地之間差異較大，最高發(fā)芽率達(dá)98%，最低發(fā)芽率僅為60%左右。不同種源種子間平均發(fā)芽時間也存在極顯著差異，西藏察隅種源種子的平均發(fā)芽時間最長(17.54 d)，云南廣南種源種子的平均發(fā)芽時間最短(11.98 d)。研究表明，云南松種子發(fā)芽率和平均發(fā)芽時間具有明顯的種源效應(yīng)，這與國內(nèi)很多樹種種子發(fā)芽性狀在種源間的變異研究結(jié)果類似[13，19-20]，因此僅評價1個種源不足以表征該物種的萌發(fā)性狀。云南松分布區(qū)大多為深谷、高山，在地形、環(huán)境因素的共同作用下，不同種源地的云南松居群產(chǎn)生了很大的遺傳分化[21]。已有研究表明，云南松針葉、種實表型性狀在不同居群間存在高度的遺傳變異[8，10]。不同種源間云南松發(fā)芽性狀的差異是由于云南松種源間遺傳變異引起，同時受種源地理、氣候因子的影響。相關(guān)性分析結(jié)果表明，發(fā)芽率受種源所處經(jīng)度、年降水量的顯著影響；平均發(fā)芽時間受緯度、年均溫的顯著影響。因此，低降水量地區(qū)的種子發(fā)芽率較高；年均溫較高、年降水量較大地區(qū)的種子發(fā)芽速度較快。

種子質(zhì)量是繁殖策略中的重要方面，在許多物種種源間存在極高的變異性[13，22-23]。種源間種子萌發(fā)性能的變化與種源間種子質(zhì)量有關(guān)，而種子質(zhì)量又受種子成熟過程中遺傳因素和環(huán)境因子的控制[24]。在本研究中，種子質(zhì)量受種源地年均溫顯著影響，且種源之間存在極顯著差異，因此導(dǎo)致種源間種子發(fā)芽性狀的變化。相關(guān)性分析顯示，云南松種子質(zhì)量與發(fā)芽率呈極顯著正相關(guān)，但與發(fā)芽時間呈極顯著負(fù)相關(guān)，表明云南松種子質(zhì)量越大，發(fā)芽越快且發(fā)芽率越高，這與許多其他樹種的相關(guān)研究結(jié)果類似[12，14，19]，說明云南松種子質(zhì)量可作為種子萌發(fā)的預(yù)測因子。

幼苗早期生物量的增長對幼苗未來存活率具有重要影響[6]。本研究中，不同種源云南松幼苗總生物量及各器官生物量均存在顯著差異。幼苗總生物量以云南廣南種源最大，保山種源最小。相同生長環(huán)境、栽培措施時，不同種源云南松幼苗早期生物量的差異反映云南松種質(zhì)的遺傳多樣性，這有利于對云南松優(yōu)良種源的選育。研究表明，種子大小對幼苗的生存有間接影響，質(zhì)量較大的種子出苗后生物量增長較快，此優(yōu)勢提高了幼苗存活率[6]。有研究發(fā)現(xiàn)，種子發(fā)芽性狀與幼苗生長之間關(guān)系不顯著，但這些研究均以苗高、地徑反映幼苗生長性狀[22，25]，相較于苗高、地徑，幼苗生物量更能準(zhǔn)確反映幼苗生長情況。本研究中云南松種子質(zhì)量與幼苗總生物量、各器官生物量均呈極顯著正相關(guān)，這與質(zhì)量較大的種子含有更多營養(yǎng)物質(zhì)，更有利于出苗后幼苗快速生長的觀點一致[26-27]。種子發(fā)芽時間的長短能夠體現(xiàn)幼苗早期生物量的巨大差異，發(fā)芽時間短的種子能夠更早地獲取資源，滿足自身地快速生長[6]。本研究中，云南松種源間發(fā)芽性狀的差異在不同程度上影響幼苗早期生物量。相關(guān)性分析顯示，云南松種子發(fā)芽率與總生物量、莖、葉生物量呈極顯著正相關(guān)，與根生物量無顯著相關(guān)。發(fā)芽時間與幼苗生物量呈負(fù)相關(guān)，表明發(fā)芽率高、發(fā)芽速度快的種源，其幼苗早期生物量較大，這與張國君等[19]對華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)25個種源種子萌發(fā)及苗期生長特性的研究結(jié)果類似。

種源間的變異是進(jìn)行優(yōu)良種源選擇和種質(zhì)資源保護(hù)、規(guī)劃的先決條件。本研究中，云南松種子質(zhì)量、發(fā)芽性狀、幼苗早期生長在種源間均具有顯著差異，所有種源中以云南廣南種源種子質(zhì)量最大，發(fā)芽率最高，平均發(fā)芽時間最短，且幼苗生物量最大，在種源選擇時可以優(yōu)先考慮。