種子大小和原位埋藏對(duì)17種高寒草甸植物種子萌發(fā)率和死亡率的影響

李 聰， 馬 真， 武 林， 任彥梅， 孫建平， 傅延錦， 孟 潔，寧鑫蕊， 周華坤， 張春輝,2*

(1.青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810016； 2. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 青海 西寧 810008；3. 中國(guó)科學(xué)院高原生物適應(yīng)與進(jìn)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810008； 4.青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院， 青海 西寧 810016)

種子萌發(fā)是植物生活史中不可或缺的階段，一直是備受關(guān)注的研究熱點(diǎn)[1-2]。種子的萌發(fā)特征影響著幼苗存活能力[3]、個(gè)體適合度[4]和植物生活史的表達(dá)[5]。種子萌發(fā)率是植物種群繁殖能力的表現(xiàn)，種子的成功萌發(fā)直接關(guān)系著物種的繁衍與生存[6]。因此，對(duì)種子萌發(fā)性狀的研究已成為群落生態(tài)學(xué)和進(jìn)化生態(tài)學(xué)研究的重要課題。

種子萌發(fā)是一個(gè)復(fù)雜的多步驟過(guò)程，容易受內(nèi)外因素的影響，內(nèi)因素包括種子自身的發(fā)芽力以及解除休眠的能力，外因素主要為環(huán)境條件，如光照、水分等[7]。相關(guān)的研究大多集中于光照[2,8]、溫度[9]和水分條件對(duì)種子萌發(fā)特性的影響[10]。光照主要作為刺激信號(hào)，打破種子休眠使種子萌發(fā)[11]，除光照條件以外，溫度和水分也是種子萌發(fā)所必須的條件，萌發(fā)環(huán)境溫度和水分含量可以決定種子萌發(fā)速率[12]。

自然條件下，種子成熟脫落后進(jìn)入土壤，所以種子在土壤中埋藏的階段是植物生活史的重要階段。埋藏可以影響種子所處環(huán)境的溫濕度和光照條件，這些環(huán)境條件與種子萌發(fā)[13]、幼苗存活[14]等關(guān)系密切。埋藏土壤的理化性質(zhì)(例如土壤pH)和土壤微生物(特別是病原微生物)可以影響種子的休眠程度和存活狀態(tài)[15]，從而影響植物種群更新過(guò)程和種群動(dòng)態(tài)。因此，深入探究埋藏對(duì)植物種子萌發(fā)率影響，可以為植被恢復(fù)和多樣性保護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。

種子大小是種子植物諸多性狀中的一個(gè)重要性狀，能影響種子的萌發(fā)能力以及群落的結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)[16-17]。種子大小決定種子內(nèi)部?jī)?chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，一般而言，大的種子具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和存活能力[18-19]，而小種子在數(shù)量和傳播方式方面更具有優(yōu)勢(shì)[20]。種子大小與種子萌發(fā)率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[21]，與幼苗的存活率呈正相關(guān)關(guān)系[22]。也有研究表明，種子大小與萌發(fā)率之間沒(méi)有直接的相關(guān)性[23]。然而，關(guān)于種子大小和萌發(fā)率之間關(guān)系的研究一般沒(méi)有涉及埋藏處理。因而在種子埋藏處理下，研究種子大小和萌發(fā)率的關(guān)系是種子生態(tài)學(xué)研究中的一塊空白。

青藏高原是世界上海拔最高的地區(qū)，被稱為“世界第三極”，是全球變化和人類干擾的敏感區(qū)，也是生物多樣性熱點(diǎn)區(qū)域[24]。高寒草甸是青藏高原分布面積最大且類型最多的生態(tài)系統(tǒng)，是適應(yīng)高原隆起與長(zhǎng)期低溫環(huán)境形成的特殊產(chǎn)物，作為青藏高原典型的地帶性植被，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)極為脆弱且部分地區(qū)退化嚴(yán)重[24]。種子是退化草地恢復(fù)的重要來(lái)源，研究青藏高原高寒草甸種子萌發(fā)對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)及其適應(yīng)局部環(huán)境的生態(tài)機(jī)制，可為高寒草地種質(zhì)資源的利用和保護(hù)提供理論依據(jù)，并為高寒草地植物種群的保育、退化草地恢復(fù)等方面提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)所用植物種子采集及埋藏地點(diǎn)位于青藏高原東北部青海省門(mén)源回族自治縣境內(nèi)的中國(guó)科學(xué)院海北高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)定位站(37°37′ N，101°12′ E),海拔3 200 m；年降水量561 mm，降水主要分布于6—9月；年平均氣溫0.8℃，全年無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期，相對(duì)無(wú)霜期20 d；屬于典型的高原大陸性氣候。

1.2 供試材料

本試驗(yàn)以青藏高原高寒草甸的17種植物種子為研究對(duì)象并進(jìn)行埋藏試驗(yàn)。詳情見(jiàn)表1。

1.3 試驗(yàn)種子處理及稱量

本試驗(yàn)所用17種植物種子(見(jiàn)表1)于2019年9—10月的種子成熟期采集。每一個(gè)物種采集選取2～3個(gè)種群，每一種群的種子隨機(jī)在20株以上的個(gè)體中均勻的采集，采集后的種子充分混合。將采集到的種子帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行清理，風(fēng)干后裝入信封中在15℃室溫下儲(chǔ)藏待用。

表1 高寒草甸17種植物物種以及種子大小Table 1 Species name and Seed size of 17 plants in alpine meadow

將處理好的每種植物種子充分混合，隨機(jī)選取飽滿健康的種子進(jìn)行試驗(yàn)，并用萬(wàn)分之一的電子天平稱量每種植物種子的百粒重，重復(fù)3次。埋藏試驗(yàn)前，每一物種數(shù)出3份種子，每份50粒種子，進(jìn)行四氮唑試驗(yàn)檢驗(yàn)種子活性，并計(jì)算每一物種的活種子率。后續(xù)的種子萌發(fā)率和死亡率的計(jì)算都基于活種子率進(jìn)行計(jì)算。

1.4 埋藏試驗(yàn)

試驗(yàn)包括兩個(gè)處理(對(duì)照處理和原位埋藏處理)，每個(gè)處理8個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)30粒種子，30粒種子放于一個(gè)尼龍網(wǎng)袋內(nèi)。每一物種包括16個(gè)尼龍網(wǎng)帶，共計(jì)272個(gè)尼龍網(wǎng)袋，于2019年11月5日運(yùn)往海北站。其中8包分別埋藏于8個(gè)地點(diǎn)，每一地點(diǎn)相隔10 m，埋藏深度為15 cm，稱為(原位)埋藏處理。另外8包放在埋藏點(diǎn)附近的彩鋼房?jī)?nèi)(可以擋雨，冬季無(wú)任何取暖措施)，稱為對(duì)照處理。第二年6月15日，把每一物種的8份種子運(yùn)回實(shí)驗(yàn)室。

1.5 種子死亡率測(cè)定試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，隨機(jī)取埋藏處理每一物種8份種子中的4份(剩余4份種子用于萌發(fā)試驗(yàn))，用蒸餾水清洗埋藏的種子，統(tǒng)計(jì)埋藏的每一尼龍網(wǎng)袋中腐爛的和消失的種子數(shù)，這些種子算為土壤中死亡的種子。其他種子進(jìn)行四氮唑試驗(yàn)檢驗(yàn)種子活性，得到剩余活種子數(shù)，進(jìn)而得到種子死亡數(shù)[25-26]。這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)相加，得到埋藏處理的種子死亡率。

隨機(jī)取對(duì)照處理每一物種8份種子中的4份(剩余4份種子用于萌發(fā)試驗(yàn))，直接進(jìn)行四氮唑試驗(yàn)檢驗(yàn)種子活性，得到剩余活種子數(shù)，進(jìn)而得到種子死亡數(shù)及對(duì)照處理的種子死亡率。

1.6 萌發(fā)試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，用蒸餾水清洗埋藏和未埋藏的種子，去除腐爛和不完整的種子，其他種子放在鋪有2層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)內(nèi)，加入蒸餾水至濾紙充分濕潤(rùn)，放于培養(yǎng)箱內(nèi)。培養(yǎng)箱溫度設(shè)置為20℃/10℃，光照設(shè)置為14 h光照/10 h黑暗。每天檢查培養(yǎng)皿缺水情況，補(bǔ)充適量蒸餾水，挑出發(fā)芽種子。萌發(fā)試驗(yàn)進(jìn)行45天后，連續(xù)7天培養(yǎng)皿內(nèi)沒(méi)有發(fā)芽種子視為萌發(fā)結(jié)束。

1.7 數(shù)據(jù)分析

1.7.1萌發(fā)指標(biāo)及計(jì)算方法： (1) 萌發(fā)率(Germination proportion)=(試驗(yàn)種子達(dá)到完全萌發(fā)時(shí)種子總數(shù)/試驗(yàn)處理活種子總數(shù))×100%；

(2) 種子死亡率(Seed mortality rate)=(試驗(yàn)中種子死亡數(shù)/試驗(yàn)處理種子總數(shù))×100%。

萌發(fā)率用試驗(yàn)前的活種子率和埋藏處理或?qū)φ仗幚淼姆N子死亡率矯正；種子死亡率用試驗(yàn)前的活種子率矯正。

1.7.2數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析方法 數(shù)據(jù)分析之前，萌發(fā)率和種子死亡率經(jīng)過(guò)反正弦平方根轉(zhuǎn)化；種子重量經(jīng)過(guò)對(duì)數(shù)(log10)轉(zhuǎn)化。使用SPSS 22.0 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，用T檢驗(yàn)(T test)檢驗(yàn)顯著性水平，應(yīng)用一般線性回歸檢驗(yàn)種子大小與萌發(fā)率和死亡率的相互關(guān)系。作圖使用Origin 9.1軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 埋藏對(duì)種子萌發(fā)率的影響

如圖1所示，17種植物種子的萌發(fā)率存在差異(對(duì)照：F=27.17，P<0.001；埋藏：F=122.32，P<0.001)。在對(duì)照處理下，17種物種的平均萌發(fā)率為52.25%，變化范圍在0(高山嵩草(Kobresiapygmaea)和扁蕾(Gentianopsisbarbata))到99.94%(冷地早熟禾Poacrymophila)之間。對(duì)照處理下有6種植物種子的萌發(fā)率在80%～100%之間，占物種總數(shù)的35.29%；2種植物種子的萌發(fā)率在60%～80%之間，占物種總數(shù)的11.76%；1種植物種子萌發(fā)率在40%～60%之間，占物種總數(shù)的5.88%；2種植物種子萌發(fā)率在20%～40%之間，占物種總數(shù)的11.76%；6種植物種子萌發(fā)率小于20%，占物種總數(shù)的35.29%(圖1)。埋藏處理下，17種物種的平均萌發(fā)率為45.40%，變化范圍在0(高山嵩草和扁蕾)到100%(美麗風(fēng)毛菊(Saussureapulchra)和垂穗披堿草(Elymusnutans))之間。埋藏處理下有7種植物種子的萌發(fā)率在80%～100%之間，占物種總數(shù)的41.18%；0種植物種子的萌發(fā)率在40%～80%之間；3種植物種子萌發(fā)率在20%～40%之間，占物種總數(shù)的17.65%；7種植物種子萌發(fā)率小于20%，占物種總數(shù)的41.18%，其中扁蕾和高山嵩草種子發(fā)芽率為0(圖1)。整體上，埋藏處理沒(méi)有顯著改變種子的萌發(fā)率(t=1.74，P=0.101)。

圖1 17種高寒草甸植物種子萌發(fā)率和死亡率Fig.1 Seed germination proportion and mortality rate of 17 species of alpine meadow 注：誤差棒為標(biāo)準(zhǔn)誤；不同字母表示差異顯著(P<0.05)Nome:The error bars represent standard error;Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

埋藏處理可以顯著提高麻花艽(Gentianastraminea)和異針茅(Stipaaliena)的種子萌發(fā)率(P<0.05)，與對(duì)照相比，分別提高了20.50%和11.65%。埋藏處理顯著降低了圓萼刺參(Morinachinensis)、冷地早熟禾、釘柱委陵菜(Potentillasaundersiana)和甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)的種子萌發(fā)率(P<0.05)，與對(duì)照相比，分別降低了8.33%，6.84%，32.12%和59.94%。另外，埋藏處理邊際顯著地降低了短腺小米草(Euphrasiaregelii)的種子萌發(fā)率(t=2.31，P=0.06)，與對(duì)照相比，降低了13.57%。埋藏處理對(duì)于其他物種的種子萌發(fā)率沒(méi)有顯著影響。

2.2 埋藏對(duì)種子死亡率的影響

如圖1所示，17種植物的種子死亡率存在差異(對(duì)照：F=3.85，P<0.001；埋藏：F=3.85，P<0.001)。在對(duì)照下，17種物種的平均死亡率為8.43%，變化范圍在0(棉毛茛Ranunculusmembranaceus)到21.67%(麻花艽)之間。對(duì)照處理下有1種植物的種子死亡率在20%～30%之間，占物種總數(shù)的5.88%；7種植物的種子死亡率在10%～20%之間，占物種總數(shù)的41.18%；9種植物的種子死亡率小于10%，占物種總數(shù)的52.94%(圖1)。埋藏處理下，17種物種種子的平均死亡率為7.60%，變化范圍在0(扁蕾、疏齒銀蓮花(Anemoneobtusiloba)和棉毛茛)到30%(釘柱委陵菜)之間。埋藏處理下有3種植物的種子死亡率在20%～30%之間，占物種總數(shù)的17.65%；1種植物種子死亡率在10%～20%之間，占物種總數(shù)的5.88%；13種植物的種子死亡率小于10%，占物種總數(shù)的76.47%，其中扁蕾、疏齒銀蓮花和棉毛茛的種子死亡率為0(圖1)。在整體上，埋藏處理邊際顯著地改變了種子死亡率(t=1.85，P=0.083)。

埋藏處理顯著降低了細(xì)葉亞菊(Ajaniatenuifolia)和麻花艽的種子死亡率，與對(duì)照相比，分別降低了10.65%和19.14%(圖1)。對(duì)于其他物種，埋藏處理對(duì)于種子死亡率沒(méi)有顯著影響(圖1)。

2.3 對(duì)照和埋藏處理下種子大小與萌發(fā)率和死亡率的關(guān)系

在對(duì)照處理下，種子大小與種子萌發(fā)率和死亡率均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(表2)；在埋藏處理下，種子萌發(fā)率和死亡率與種子大小也均無(wú)顯著相關(guān)關(guān)系(表2)。

表2 對(duì)照和埋藏處理下種子大小與萌發(fā)率和死亡率的回歸分析Table 2 Regression analysis of seed size with germination proportion and mortality rate under the control and burial treatments

3 討論

種子萌發(fā)階段是植物生活史的關(guān)鍵階段，種子萌發(fā)階段的特征是植物生活史的重要特征。種子休眠是種子在適應(yīng)環(huán)境過(guò)程中產(chǎn)生的特殊機(jī)制[26-27]。種子存在休眠現(xiàn)象的意義在于延長(zhǎng)種子的存活時(shí)間，更容易形成土壤種子庫(kù)。埋藏對(duì)種子萌發(fā)會(huì)產(chǎn)生3種影響：1)種子萌發(fā)；2)種子沒(méi)有萌發(fā)，且可能受到其他生物破壞；3)種子休眠，成為土壤種子庫(kù)的一部分[28]。青藏高原海拔較高，年平均溫度低，降水分布不均勻，紫外線強(qiáng)，空氣氧含量低，且各種環(huán)境因子的變化具有隨機(jī)性和無(wú)法預(yù)測(cè)性。植物生活在這樣的特殊環(huán)境之中，會(huì)產(chǎn)生不同的生態(tài)萌發(fā)對(duì)策[2,8]。本研究表明，埋藏對(duì)種子休眠程度和種子存活率具有一定的影響，進(jìn)而影響植物的生態(tài)適應(yīng)策略及其更新機(jī)制。

3.1 萌發(fā)率

植物種子在合適的條件下發(fā)芽，或是在不利的環(huán)境中處于休眠狀態(tài)，這是植物適應(yīng)逆境并保持物種延續(xù)的一種生態(tài)策略[26,29-30]。不同物種對(duì)埋藏的響應(yīng)存在差異。埋藏處理下萌發(fā)率增高的物種為麻花艽和細(xì)葉亞菊，從萌發(fā)格局分類，它們屬于埋藏促進(jìn)型。這可能是由于土壤的理化性質(zhì)和微生物環(huán)境促進(jìn)了種子休眠狀態(tài)的打破。而埋藏處理萌發(fā)率減少的物種包括冷地早熟禾、短腺小米草、甘肅馬先蒿、圓萼刺參和釘柱委陵菜，從萌發(fā)格局分類，它們屬于埋藏抑制型。這可能是這些物種具有不同的適應(yīng)機(jī)制或者生態(tài)對(duì)策，它們萌發(fā)率降低表示這些物種具有一定的風(fēng)險(xiǎn)平攤對(duì)策[2,31]。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)埋藏處理可以減少種子的死亡率，從而使種子處于一個(gè)相對(duì)低死亡率的環(huán)境中，進(jìn)而促進(jìn)了種子休眠。另外，原位埋藏使種子處于一個(gè)濕潤(rùn)、低氧和相對(duì)恒定的環(huán)境中，這樣一個(gè)環(huán)境可能促進(jìn)了種子休眠。對(duì)于其他10個(gè)物種，埋藏沒(méi)有顯著影響它們的萌發(fā)率，這10個(gè)物種在萌發(fā)格局上屬于埋藏不敏感型?？傊w水平上埋藏對(duì)種子萌發(fā)率無(wú)顯著影響，但不同物種對(duì)埋藏有著不同的響應(yīng)。這也反映了高寒草甸物種面對(duì)埋藏有著多樣性的生態(tài)對(duì)策，進(jìn)而促進(jìn)高寒草甸群落物種共存。

3.2 死亡率

研究發(fā)現(xiàn)埋藏處理整體上降低了種子死亡率，其中，麻花艽和細(xì)葉亞菊的種子死亡率對(duì)埋藏處理的響應(yīng)最為明顯。這說(shuō)明埋藏處理更有利于保存種子，從而促進(jìn)土壤種子庫(kù)的形成。植物種子長(zhǎng)期在土壤種子庫(kù)中保持活力，可以減小物種在惡劣環(huán)境中滅絕的風(fēng)險(xiǎn)[23,32]。李海靜等[33]研究埋藏對(duì)沙芥(Pugioniumcornutum)和斧翅沙芥(Pugioniumdolabratum)種子死亡率的影響，發(fā)現(xiàn)種子在埋藏處理下可能受到真菌感染或者是遇到不適宜其存活的微環(huán)境，導(dǎo)致其死亡率偏高，和本研究結(jié)果不同，這可能是因?yàn)楦吆鷳B(tài)系統(tǒng)的溫度較低，影響種子存活的病原微生物較少。在高寒生態(tài)系統(tǒng)，埋藏處理有利于種子的長(zhǎng)期保存，可以促進(jìn)土壤種子庫(kù)的形成，種子進(jìn)入土壤(類似埋藏)是形成土壤種子庫(kù)的第一個(gè)步驟，也是最為關(guān)鍵的一個(gè)步驟。

3.3 種子大小與萌發(fā)率和死亡率的關(guān)系

種子大小是植物生活史的重要性狀，與植物的競(jìng)爭(zhēng)能力或種群擴(kuò)散能力密切相關(guān)。植物群落中不同物種會(huì)產(chǎn)生不同大小的種子(有的群落中種子大小差異高達(dá)106)[31]，而種子大小反映了種子內(nèi)部?jī)?chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的含量，因而一般認(rèn)為不同種子大小的物種萌發(fā)率也不相同[34]。本研究發(fā)現(xiàn)種子大小與萌發(fā)率無(wú)相關(guān)關(guān)系，和宗文杰等[35]對(duì)青藏高原51種菊科植物的研究結(jié)果一致。在張玲衛(wèi)等[36]對(duì)荒漠化生態(tài)系統(tǒng)的研究中也得到了類似的結(jié)果，但朱雅娟等[37]的研究表明荒漠化生態(tài)系統(tǒng)的種子大小與萌發(fā)能力呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)的關(guān)系。一般認(rèn)為，小種子更容易形成土壤種子庫(kù)，也就是說(shuō)小種子應(yīng)該在土壤中有著高的存活率。然而，本研究結(jié)果也不支持這一觀點(diǎn)。因此，種子大小與種子萌發(fā)和死亡之間的關(guān)系需要進(jìn)一步的詳細(xì)研究。

4 結(jié)論

對(duì)埋藏處理下17種高寒植物種子休眠程度和死亡率的影響研究表明：種子大小與種子萌發(fā)和死亡不相關(guān)；埋藏處理可以促進(jìn)或打破種子休眠，是促進(jìn)土壤種子庫(kù)形成的潛在機(jī)制。但不同的物種對(duì)埋藏有著不同的響應(yīng)，這反映了高寒草甸物種面對(duì)埋藏有著多樣的生態(tài)對(duì)策，進(jìn)而促進(jìn)了高寒草甸群落物種共存。