土壤水分和種子大小對梭梭種子萌發(fā)、出苗和幼苗生長的影響

朱淑娟，王方琳,2*，劉有軍，孫 濤,2，柴成武，張劍揮,3，張紅媛

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省荒漠化與風(fēng)沙災(zāi)害防治國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.甘肅民勤荒漠草地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，甘肅 民勤 733300)

荒漠化防治最終體現(xiàn)為植被的有效恢復(fù)，而種子萌發(fā)及幼苗成功定居、生長對荒漠區(qū)植被恢復(fù)過程具有決定性作用[1]。干旱荒漠區(qū)降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，植被稀疏，生態(tài)環(huán)境異常惡劣，風(fēng)蝕、沙埋及土地鹽漬化危害十分嚴(yán)重。其中，水分是限制植物在鹽堿化沙地上繁衍生息的主要因子，尤其是種子萌發(fā)及幼苗出土?xí)r期的水分條件[2]。因此，深入研究不同水分條件對荒植物種子萌發(fā)與幼苗生長的影響，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

梭梭(Haloxylonammodendron)為藜科(Chenopodiaceae)梭梭屬(Haloxylon)植物，主要分布于新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等省(區(qū))，在鹽漬化程度較高的固定沙丘、丘間低地、湖盆地均可生長，是流動(dòng)沙丘主要防風(fēng)固沙植物，根系發(fā)達(dá)，繁殖能力強(qiáng)，可有效固沙或改良鹽堿土壤，具有很強(qiáng)的抗鹽及抗風(fēng)蝕、沙埋能力，是荒漠植被演替中的優(yōu)勢物種[3]。此外，梭梭也是被譽(yù)為“沙漠人參”的名貴中藥肉蓯蓉(Cistanchedeserticola)的主要寄主，是兼生態(tài)、經(jīng)濟(jì)效益為一體的重要荒漠植物[3]。研究表明，種子繁殖是梭梭種群擴(kuò)大的惟一途徑，種子萌發(fā)行為直接影響著種群的更新[4]，目前關(guān)于梭梭種子萌發(fā)及幼苗生長方面已有較多研究，但主要針對影響其種子萌發(fā)的溫度、鹽分、沙埋、水分、光照等單個(gè)因子或幾個(gè)因子的綜合效應(yīng)來展開[5-8]，但這些都是影響種子萌發(fā)的外部因子，而專門將外部因子與種子自身因子二者結(jié)合進(jìn)行的研究較少。因此，本文開展了不同水分條件對梭梭不同大小種子萌發(fā)及其出苗、幼苗生長影響的研究，旨在了解梭梭種子對生長環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)對策，探討荒漠植物對水分干擾的適應(yīng)機(jī)制，為荒漠區(qū)植被恢復(fù)重建和生物多樣性保護(hù)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 種子采收

試驗(yàn)所需種子于2019年秋季采收。選擇在同一地點(diǎn)生長健壯、無病蟲害的不同母株，采收達(dá)到生理成熟期的種子，之后在實(shí)驗(yàn)室風(fēng)干，去除雜質(zhì)并裝入紙袋，4℃冰箱中貯藏備用。生長成熟的梭梭種子多為黑棕色，胚盤旋呈凹凸不平的陀螺狀，吸水膨脹后呈暗綠色。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

1.2.1 種子萌發(fā)率及大小、質(zhì)量測定 2020年5月底，采用培養(yǎng)皿濾紙法測定室內(nèi)自然光照條件下梭梭種子的萌發(fā)率，室內(nèi)溫度為(24±1)℃。首先將雙層濾紙平鋪于培養(yǎng)皿中并滴入適量蒸餾水使濾紙完全浸濕，之后將挑選好的大、小粒(劃分標(biāo)準(zhǔn)見表1)梭梭種子均勻地撒在培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行培養(yǎng)，每皿50粒種子，5個(gè)重復(fù)，每天觀測種子發(fā)芽情況并及時(shí)向培養(yǎng)皿內(nèi)補(bǔ)充水分，連續(xù)3 d沒有新種子萌發(fā)時(shí)試驗(yàn)結(jié)束。千粒重采用精度0.000 1 g的天平稱重，用游標(biāo)卡尺測定種子直徑并計(jì)算周長，將種子按直徑大小分為大粒、小粒并測定千粒重，每組五個(gè)重復(fù)。

1.2.2 不同水分條件下種子發(fā)芽測定 試驗(yàn)用沙取自甘肅省民勤治沙綜合試驗(yàn)站附近，過篩去雜后，在100℃下烘干48 h以殺死沙中可能存在的種子。試驗(yàn)設(shè)計(jì)參考賀宇等[9]的方法，稱取100 g烘干沙土，將一部分沙土裝入口徑12.5 cm、高15 cm的塑料杯，然后分別將40粒梭梭種子均勻地撒在沙土上，最后將剩余的少量沙土均勻撒在置有種子的沙土表面，厚度0.3～0.5 cm。之后分別向塑料杯中加入1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.5、10.0、12.5 mL和15 mL蒸餾粒水，此時(shí)杯中土壤含水量分別為2%、4%、6%、8%、10%、15%、20%、25%和30%，大、小粒種子各5個(gè)重復(fù)。

每天定時(shí)觀測種子萌發(fā)情況，并通過稱重及時(shí)補(bǔ)充因蒸發(fā)而散失的土壤水分，使土壤含水量保持恒定。連續(xù)3 d沒有新種子萌發(fā)時(shí)試驗(yàn)結(jié)束，最后計(jì)算各水分處理下的大、小粒梭梭種子萌發(fā)率。

1.2.3 不同水分條件下幼苗存活率及生物量測定 試驗(yàn)結(jié)束后(3 d內(nèi)各處理中沒有新種子萌發(fā))，將各水分條件下的梭梭幼苗間苗至每盆保留10株(不足10株時(shí)全部保留)，將幼苗連根挖出沖洗干凈，測量各株的苗高和根長，用精度0.000 1 g的天平測定整株生物量鮮重，同一水分處理3個(gè)重復(fù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 25.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及方差分析，利用Duncan法對各處理間的顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，Excel 2007作圖。評價(jià)種子活力的參數(shù)包括萌發(fā)率(germination percentage，GP)、萌發(fā)速率(germinationrate，GR)、萌發(fā)指數(shù)(germination index，GI)和活力指數(shù)(vigor index，VI)[10-11]。公式如下：

GP=(萌發(fā)的種子數(shù)/試驗(yàn)用種子總數(shù))×100%

GR=∑100Gi/nti

式中,n為每種處理所用的種子數(shù)量，Gi為ti(ti= 0，1，2，3…)天萌發(fā)的種子數(shù)；萌發(fā)速率越大，表示萌發(fā)越快[10]。

GI=∑Gt/Dt

式中,Gt為時(shí)間t天的萌發(fā)種子數(shù)，Dt為萌發(fā)試驗(yàn)天數(shù)。

VI=萌發(fā)率×(幼苗根的長度+幼苗莖長度)，單位均為cm[11]。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然條件下不同大、小梭梭種子萌發(fā)率及基本特征

如表1所示，大粒種子單粒直徑及周長顯著大于小粒種子，分別為2.28 mm和7.16 mm(P<0.05)；不同大小種子單粒質(zhì)量及千粒重也呈顯著差異(P<0.05)，大粒種子千粒重為3.49 g，小粒種子僅為2.92 g；但自然狀態(tài)下大、小粒種子萌發(fā)率間無顯著差異(P>0.05)，分別為82.39%和78.59%(表1)。

表1 不同大小梭梭種子萌發(fā)率及基本特征

2.2 不同水分條件下大、小粒梭梭種子萌發(fā)率變化特征

不同水分條件下大、小粒梭梭種子萌發(fā)特征如圖1所示。種子萌發(fā)率均呈隨土壤含水量增加而逐漸增大的趨勢，各水分條件下大粒種子萌發(fā)率均大于小粒種子，土壤含水量為2%時(shí)，大粒種子萌發(fā)率僅為1.67%，小粒種子不萌發(fā)，兩者間無顯著差異(P>0.05)。土壤含水量為4%～10%時(shí)，大、小粒種子萌發(fā)率呈隨土壤含水率增加而劇烈增大的趨勢，各水分處理時(shí)2種子間存在顯著差異(P<0.05)。土壤含水量增加為15%～30%時(shí)，大粒種子萌發(fā)率逐漸趨于穩(wěn)定，達(dá)70%～80%，且各水分處理間無顯著差異(P>0.05)，但同一水分條件下，大、小粒種子間存在顯著差異(P<0.05)，說明適宜的水分條件對梭梭大小粒種子萌發(fā)率的影響較小，土壤水分變化時(shí)，大、小粒梭梭種子萌發(fā)情況有所差異。

注:不同大寫字母標(biāo)記在P=0.05水平上相同大小的種子在不同土壤水分條件下萌發(fā)率之間的差異顯著；不同小寫字母標(biāo)記在P=0.05水平上在同一土壤水分條件下不同大小的種子萌發(fā)率之間的差異顯著。下同。

2.3 不同水分條件下梭梭種子的萌發(fā)速率、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)

不同水分條件下梭梭大、小粒種子萌發(fā)速率、萌發(fā)指數(shù)及活力指數(shù)變化特征如表2。大、小粒梭梭種子萌發(fā)速率呈隨土壤含水量增加而逐漸增大之后又略有減小的趨勢；其中土壤含水量為2%時(shí)，小粒種子不萌發(fā)，大粒種子的萌發(fā)速率僅為3.95%；大、小粒種子均在土壤含水量為15%時(shí)出現(xiàn)萌發(fā)速率最大值，分別為8.81%和8.70%。2種子均在土壤含水量為8%～30%時(shí)萌發(fā)速率均達(dá)到8%以上，大、小粒種子間及各個(gè)水分處理間均無顯著差異(P>0.05)；土壤含水量降低為4%和6%時(shí)，萌發(fā)速率逐漸降低，2水分處理間呈顯著差異(P<0.05)，但大、小粒種子間無顯著差異(P>0.05)。

表2 不同水分條件下梭梭種子萌發(fā)速率、萌發(fā)指數(shù)和活力指數(shù)變化特征

種子萌發(fā)指數(shù)與萌發(fā)速率變化趨勢略有不同，土壤含水量為2%～15%時(shí)呈逐漸上升趨勢，之后又隨土壤含水量增加而先降低后略有增大的趨勢，并在含水量為15%時(shí)，2種子萌發(fā)指數(shù)達(dá)到最大值38.70%和25.46%，并均與其他水分處理間呈顯著差異(P<0.05)；2種子間除土壤含水量為10%的處理外，同一水分條件下萌發(fā)指數(shù)間均呈顯著差異(P<0.05)。

種子活力指數(shù)與萌發(fā)指數(shù)呈相似的變化趨勢，土壤含水量為15%時(shí)，大、小粒梭梭種子活力指數(shù)均為最大值，分別為155.35和116.37，均與水分含量為10%、20%的處理間無顯著差異(P>0.05)；土壤含水量為2%～8%時(shí)，2種子活力指數(shù)均隨土壤水分含量降低而持續(xù)減小，在土壤含水量為25%和30%時(shí)也呈相同的變化趨勢，在種子活力指數(shù)降低過程中，各水分處理間呈顯著差異(P<0.05)；同一水分條件下大、小粒種子間也呈顯著差異(P<0.05)。

2.4 不同水分條件下大、小粒梭梭種子幼苗存活率變化特征

土壤水分含量對梭梭幼苗成活率具有顯著影響(圖2)。土壤水分含量過高或過低均不利于種子萌發(fā)后幼苗的存活，含水量為2%、30%時(shí)雖然種子可以萌發(fā)，但后期幼苗難以存活；大、小粒種子的幼苗存活率最大值均為水分含量為15%的處理，分別達(dá)62.15%和43.67%，且均與其他水分處理時(shí)呈顯著差異(P<0.05)。土壤含水量為8%和10%時(shí)梭梭幼苗也具有較高的存活率，2處理間無顯著差異(P>0.05)。整個(gè)水分處理過程中，大粒種子幼苗存活率均大于小粒種子，除水分含量為25%的處理外，其他水分處理時(shí)2種子間均為顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同土壤水分條件對大、小粒梭梭種子萌發(fā)的幼苗成活率的影響

2.5 土壤水分條件對梭梭幼苗生長的影響

土壤水分含量對2種梭梭幼苗苗高、根長及生物量具有不同程度的影響(表3)。整個(gè)水分處理過程中，大粒種子生長的幼苗苗高、根長及生物量均大于小粒種子的幼苗，同一水分條件下，2幼苗苗高、根長及生物量間存在顯著差異(P<0.05)。3種指標(biāo)總體隨土壤含水量增加呈先逐漸增大后降低的趨勢；土壤水分含量為15%時(shí)，大、小粒種子的幼苗苗高及生物量鮮重均達(dá)到整個(gè)處理階段的最大值，其中大粒種子苗高最大值為0.89 cm，與其他水分條件處理時(shí)的苗高之間呈顯著差異(P<0.05)；小粒種子苗高最大值為0.78 cm，與同一水分條件下大粒種子間呈顯著差異(P<0.05)。大、小粒種子的幼苗根長分別在水分含量為15%和10%時(shí)達(dá)到最大值，為0.85 cm和0.77 cm，但采用同一種子時(shí)兩水分含量間無顯著差異(P>0.05)，并分別與其他水分處理間存在顯著差異(P<0.05)。2種梭梭幼苗生物量鮮重變化特征與苗高相同。

表3 不同土壤水分條件對梭梭幼苗生長的影響

3 討論

荒漠生態(tài)系統(tǒng)中，水分通常是最為有限的資源，也是植物自身重要的物質(zhì)組成部分。在植物整個(gè)生命過程中，水分是不可或缺的重要因子，植物由種子長成植株要經(jīng)歷種子吸脹、萌發(fā)、出苗，這些過程都需要從土壤中吸收水分；此外，植物的諸多生理過程也需要水分的參與才能完成[12]。同一植物遺傳因素、種子之間的競爭以及種子大小與種子數(shù)量的權(quán)衡等因素都會(huì)產(chǎn)生大小不同的種子，這些種子所含能量的多少與自身大小緊密相關(guān)，而這些能量對種子萌發(fā)率、萌發(fā)速度、幼苗出土率、形成幼苗的大小、活力以及生存及自身傳播能力，甚至成熟植株的結(jié)實(shí)能力等產(chǎn)生一系列影響[1,13]。對萌發(fā)率的影響通?？赡鼙憩F(xiàn)為以下3種情況：一些植物大粒種子的萌發(fā)率大于小粒種子[14-15]；另一些植物的小粒種子的萌發(fā)率大于大粒種子[16]；還有一些植物大小粒種子萌發(fā)率沒有區(qū)別[17-18]。

1)土壤含水量對荒漠植物種子萌發(fā)的影響。對于多數(shù)荒漠植物而言，土壤含水量過多或過少，均不利于其種子的萌發(fā)。土壤含水量過低時(shí)種子不能吸收充足的水分，胚芽難以突破種皮而萌發(fā)，或者即使像梭梭這種遇水即可萌發(fā)的種子，過低的土壤水分也難以維持其后期繼續(xù)正常生長，最終導(dǎo)致出苗率或存活率下降，甚至不出苗；而土壤含水量過高時(shí)，過多的水分會(huì)阻礙種子與外界環(huán)境的氣體交換，使土壤處于空氣虧缺的狀態(tài)，不利于種子的萌發(fā)及幼苗出土，這是物種特有的生物學(xué)特性[19]。文中土壤含水量為2%時(shí)小粒種子不能萌發(fā)，其他水分條件下2種子萌發(fā)率均隨土壤含水量增加而逐漸增大；同一水分條件下，大粒種子萌發(fā)率顯著大于小粒種子(P<0.05)；同樣，本研究也發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤含水量為8%～30%時(shí)，梭梭大、小粒種子的萌發(fā)速率間無顯著差異，說明在水分條件適宜的情況下，大、小粒種子均可實(shí)現(xiàn)快速萌發(fā)；但當(dāng)水分條件較差時(shí)(2%～6%)，2種子均會(huì)推遲萌發(fā)，最終導(dǎo)致其萌發(fā)速率顯著下降。這種現(xiàn)象進(jìn)一步說明，在適宜的環(huán)境條件下不同大小的種子均可正常萌發(fā)，但當(dāng)外界條件較為惡劣時(shí)，大多數(shù)植物的大粒種子會(huì)優(yōu)于小粒種子而萌發(fā)，可能表現(xiàn)為萌發(fā)率較高、萌發(fā)速度較快或種子活力狀況較好等，其原因可能是因?yàn)榇罅７N子比小粒種子中含有較多的營養(yǎng)物質(zhì)，因而會(huì)貯存較多的能量,可以供種子早期萌發(fā)使用，在抵抗干旱、沙埋等不良環(huán)境條件時(shí)具有更強(qiáng)的能力[22]。

2)土壤含水量對荒漠植物幼苗生長的影響。龍利群等[21]認(rèn)為，環(huán)境水分盈虧都不利于種子發(fā)芽后幼苗的成活，本研究也得出相同的結(jié)論，但在荒漠區(qū)自然條件下，由于土壤水分的缺乏導(dǎo)致種子萌發(fā)后幼苗死亡的可能性較大，而由于土壤水分過多而導(dǎo)致的幼苗死亡的現(xiàn)象較少，這與荒漠區(qū)干旱少雨的氣候條件有直接關(guān)系。土壤水分虧缺時(shí)，隨著水分的蒸發(fā)，沙表形成一定厚度的干沙層，即使種子破土出苗，后期也要面臨高溫和干燥的威脅，導(dǎo)致幼苗出土后死亡；另外，在過高的水分條件下有的種子可以破土出苗，而有的植物種子可能由于土壤中O2含量太低而通氣不良，遭受真菌侵染等直接不出苗或出苗后變質(zhì)腐爛，這種現(xiàn)象可能在粘性土壤中較為普遍[22-23]；而試驗(yàn)中可能由于沙土滲透性及透氣性較好，在含水量30%時(shí)，2種梭梭幼苗前期均能正常生長，但后期持續(xù)的高水分含量處理導(dǎo)致沙土土壤水分飽和甚至在沙土表面出現(xiàn)少量積水，因此萌發(fā)后生長4～5 d的梭梭幼苗會(huì)由于供水量過多而死亡。

劉國軍[8]等在同屬植物的研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)采用千粒重分別為3.12 g的梭梭和4.94 g的白梭梭(HaloxylonPersicum)進(jìn)行沙埋試驗(yàn)時(shí)，種子質(zhì)量較大的白梭梭在沙埋4 cm時(shí)仍可出苗，而沙埋3 cm時(shí)梭梭只有少部分種子出苗，這一研究盡管在兩個(gè)物種間開展，但由于梭梭和白梭梭屬于同科同屬植物，因此其研究結(jié)果同樣能間接證明相對于小粒種子，大粒種子其胚乳或子葉中所含的能量就越多，種子適應(yīng)外界環(huán)境脅迫的能力越強(qiáng)的結(jié)論。此外，很多物種的大種子形成的幼苗往往比小種子形成的幼苗大，在同一物種中，朱雅娟、楊慧玲等[14-15]的研究結(jié)論支持了本文的結(jié)論。通過沙埋試驗(yàn)處理不同大小沙鞭(Psammochloavillosa)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)時(shí)，在同樣深度的沙埋脅迫下，大粒種子生長形成的幼苗往往具有較高的生物量，其原因可能是由于大粒種子本身含有較多的營養(yǎng)物質(zhì)，從而使形成的幼苗具有較長的莖，根系也較為粗壯，因此能長成具有較大生物量的幼苗，這樣的幼苗在后期生長過程中具有較大的生態(tài)優(yōu)勢；因此，大粒種子形成的幼苗有更強(qiáng)的生長勢,生存率更高，幼苗成功定居的可能性也更大，更能促進(jìn)群落種群的更新[24]。

4 結(jié)論

大、小粒梭梭種子萌發(fā)率均隨土壤含水量增加而增大，在各個(gè)水分條件下，大粒種子萌發(fā)率均大于小粒種子，且存在顯著差異，但萌發(fā)速率間無顯著差異，在水分條件適宜時(shí)，2種子均可實(shí)現(xiàn)快速萌發(fā)。2種子萌發(fā)指數(shù)及活力指數(shù)隨土壤含水量增加呈先增大后降低的趨勢，且2種子間存在顯著差異。2種子幼苗成活率均在土壤含水量15%時(shí)達(dá)最大值，同一水分條件下存在顯著差異；含水量為2%及30%時(shí)幼苗均無法存活。

幼苗的生物量方面，大粒種子萌發(fā)的幼苗生物量顯著高于小粒種子的幼苗生物量，且兩幼苗苗高、根長、生物量鮮重各指標(biāo)間存在顯著差異。以上結(jié)果進(jìn)一步驗(yàn)證了植物大種子里含有的胚乳較多，比小種子貯存了更多的能量，在抵御外界不良環(huán)境條件時(shí)，幼苗也有更強(qiáng)的生長勢，抵抗能力更強(qiáng)這一結(jié)論。

需要說明的是，一方面，本研究為室內(nèi)種子萌發(fā)試驗(yàn)，種子埋入沙土后的蒸發(fā)率顯著小于室外自然條件；在室外，土壤含水量為4%或6%時(shí)可能種子也難以萌發(fā)或其他指標(biāo)生長受到更大的抑制；另一方面，野外自然條件下沙生植物生長的沙層較厚，加上沙土有利于水分的入滲，可能即使試驗(yàn)中30%的土壤含水量或更大的含水量也能保證幼苗存活或正常生長。因此，野外自然條件下各水分含量處理對種子萌發(fā)及幼苗生長的影響還需進(jìn)一步研究。