不同水鹽條件對(duì)鹽地堿蓬種子發(fā)芽和生長(zhǎng)的影響

龐慶莊， 郭建超， 陳家東， 蘇芳莉

(1.海南省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，海南 ?？?570204； 2.沈陽(yáng)農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110866；3.遼寧雙臺(tái)河口濕地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站，遼寧 盤(pán)錦 124112)

鹽地堿蓬(Suaedasalsa)是一種海侵成土母質(zhì)的先鋒植物，鹽地堿蓬種群是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而鹽地堿蓬種群種質(zhì)退化會(huì)導(dǎo)致堿蓬種群生物量下降，退化嚴(yán)重的地區(qū)還會(huì)使整個(gè)濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，生物多樣性降低，物種瀕臨滅絕，引起土地沙化和鹽漬化。

鹽地堿蓬為藜科(Chenopodiaceae)堿蓬屬(Suaeda)一年生草本植物[1]，生長(zhǎng)于海濱、湖邊、荒漠等鹽堿地上，有很高的耐鹽性，能夠降低土壤鹽含量，增加土壤有機(jī)質(zhì)含量[2]，改良鹽堿地，是一種典型的鹽堿地指示植物。不過(guò)，鹽地堿蓬的抗鹽能力并非沒(méi)有限度，當(dāng)土壤含鹽量超過(guò)3.5%，鹽地堿蓬就會(huì)死亡[3]。所以長(zhǎng)在海灘上的鹽地堿蓬基本集中在潮間帶上。鹽地堿蓬對(duì)光照和溫度比較敏感，光照不足會(huì)影響幼苗初期的光合作用[4]，但高溫又會(huì)阻礙其新鮮嫩枝的正常生長(zhǎng)[5]。地下水位的增加，能使表層土壤鹽度升高，較高水位條件(>10 cm)會(huì)顯著抑制鹽地堿蓬種子的發(fā)芽[6]。劉興[7]通過(guò)鹽地堿蓬種子萌發(fā)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，低鹽濃度(<300 mmol·L-1)促進(jìn)種子萌發(fā)，高鹽濃度(>300 mmol·L-1)抑制種子萌發(fā)，推遲發(fā)芽時(shí)間。李?lèi)偟萚8]通過(guò)沙培試驗(yàn)的結(jié)果表明，低鹽濃度會(huì)促進(jìn)鹽地堿蓬幼苗生長(zhǎng)(<200 mmol·L-1)，高鹽濃度(>200 mmol·L-1)會(huì)抑制其生長(zhǎng)。蘇芳莉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，鹽地堿蓬幼苗在鹽度為300 mmol·L-1時(shí)各生長(zhǎng)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)，在鹽度為600 mmol·L-1時(shí)表現(xiàn)出生長(zhǎng)緩慢、莖枝枯黃、葉片脫落等現(xiàn)象，各生長(zhǎng)指標(biāo)不同程度下降，并出現(xiàn)鹽地堿蓬植株死亡的情況。鹽度對(duì)鹽地堿蓬種子的萌發(fā)生長(zhǎng)起主要作用，一定范圍內(nèi)的鹽度，有利于鹽地堿蓬的發(fā)芽，生長(zhǎng)情況良好；但是鹽度繼續(xù)升高，鹽地堿蓬的生長(zhǎng)受到抑制，超過(guò)一定的限度后，鹽地堿蓬無(wú)法生長(zhǎng)。

遼河口濕地是全球候鳥(niǎo)“東亞-澳大利亞”遷徙路線的重要驛站。鹽地堿蓬群落構(gòu)成了遼河口濕地著名的“紅海灘”景觀，是珍稀物種黑嘴鷗的主要覓食和棲息地[10-11]，具有重要的經(jīng)濟(jì)和生態(tài)價(jià)值[12]，維系區(qū)域生物多樣性的作用不可替代。自2000年以來(lái)，遼河口濕地發(fā)生顯著退化，鹽地堿蓬在生長(zhǎng)季節(jié)的不同時(shí)期出現(xiàn)不明原因的死亡，使得堿蓬種群面積逐漸減少，而雙臺(tái)子河口左岸攔海大堤外的鹽地堿蓬種群退化尤為嚴(yán)重。本研究以遼河口的鹽地堿蓬種子作為研究對(duì)象，初步探討不同水分和鹽度條件對(duì)鹽地堿蓬種子萌發(fā)及其幼苗生長(zhǎng)的影響，旨在為遼河口濕地紅海灘景觀生態(tài)修復(fù)實(shí)際應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河口濕地位于遼河三角洲中心區(qū)域，地理坐標(biāo)為121°28′24.58″～121°58′27.49″E，40°45′00″～41°05′54.13″N。濕地的土壤由河流沖積形成，土地利用類(lèi)型有蘆葦沼澤、河流水域、灘涂等。屬于暖溫帶大陸性半濕潤(rùn)季風(fēng)氣候，具有雨熱同季、干冷同期的特點(diǎn)，年降水量611.6～640.1 mm，集中在7—9月，年平均氣溫9.2 ℃，年日照時(shí)數(shù)為2 780.5 h，全年無(wú)霜期182 d。該區(qū)地貌類(lèi)型為沖積海積濱海平原，地勢(shì)平坦、開(kāi)闊，多葦塘沼澤和海域?yàn)┩?。濕地土壤?lèi)型以沼澤土、鹽土、潮灘土為主，pH值為7.2～7.6。河口濕地類(lèi)型有蘆葦濕地、鹽地堿蓬濕地和裸灘濕地，優(yōu)勢(shì)植物主要為蘆葦和鹽地堿蓬。鹽地堿蓬植株生長(zhǎng)旺盛期為6—9月，蓬植株高20～22 cm。鹽地堿蓬主要分布區(qū)鹽分含量最高可達(dá)3.4%。

1.2 樣品采集

從遼河口濕地鹽地堿蓬主要分布區(qū)隨機(jī)采集鹽地堿蓬植株地上部分1 000株，分株裝入10號(hào)自封袋中，帶回實(shí)驗(yàn)室，放置于陰涼通風(fēng)處，室溫晾干。種子脫落之后，從中隨機(jī)抽取100份，計(jì)算每個(gè)植株上種子數(shù)量。種子掉落后，用1.6 mm孔徑的篩子對(duì)種子進(jìn)行去雜和篩選，選出的種子裝入自封袋。對(duì)篩選出的二型性種子進(jìn)行標(biāo)號(hào)，最后用游標(biāo)卡尺測(cè)量種子直徑和厚度，并確定棕色種子、黑色種子的數(shù)量。

1.3 樣品處理

2種類(lèi)型的種子在水培模擬水淹環(huán)境和紗布培養(yǎng)模擬非水淹環(huán)境下生長(zhǎng)，觀察種子萌發(fā)的特性，第一組為非水淹培養(yǎng)皿，紗布一直用蒸餾水保持濕潤(rùn)，第二組為水淹培養(yǎng)皿，蒸餾水量以覆蓋培養(yǎng)皿底部為宜。每組4個(gè)培養(yǎng)皿，分別放入5粒大棕色種子、5粒小棕色種子、5粒大黑色種子、5粒小黑色種子。8個(gè)培養(yǎng)皿均放于適宜溫度和光照條件下培養(yǎng)，每天觀察其生長(zhǎng)情況，并做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次。

將105 ℃條件下烘干的分析純NaCl晶體，按照相應(yīng)的質(zhì)量比例，溶于純凈水，分別配置成0、3、5、10、15%濃度梯度的NaCl溶液，注入10個(gè)干凈的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)，并覆蓋底部。選取飽滿的2類(lèi)鹽地堿蓬種子分2組進(jìn)行試驗(yàn)，均以蒸餾水為對(duì)照。每個(gè)培養(yǎng)基內(nèi)分別放5粒棕色種子和黑色種子，每日觀察其種皮顏色等形態(tài)特征，并做好記錄。每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)的整理及圖表的繪制，應(yīng)用SPSS 22.0進(jìn)行差異分析，采用單因素方差分析計(jì)算各處理鹽地堿蓬種子的發(fā)芽率和幼苗高度的差異多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽地堿蓬種子異型性

每棵鹽地堿蓬植株上有2種類(lèi)型的種子(圖1)，棕色種子的種皮具有柔軟、透明、粗糙的特點(diǎn)，而黑色種子種皮致密、堅(jiān)硬、光滑，從鹽地堿蓬濕地分布區(qū)同一地點(diǎn)隨機(jī)選取100株鹽地堿蓬植株，共得到種子2 024粒，其中棕色種子1 773粒，黑色種子251粒，占比分別為87.5%和12.5%，棕色種子的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于黑色種子。

圖1 未萌發(fā)的鹽地堿蓬棕色種子和黑色種子

從圖2可以看出，1 773粒鹽地堿蓬棕色種子的直徑分布范圍為0.100～0.250 cm，平均直徑為0.179 cm；251粒鹽地堿蓬黑色種子的直徑分布范圍為0.100～0.180 cm，平均直徑為0.147 cm。棕色種子直徑分布范圍比黑色種子更加廣泛。鹽地堿蓬棕色種子的厚度分布范圍為0.020～0.116 cm，平均厚度為0.069 cm；鹽地堿蓬黑色種子的厚度分布范圍為0.023～0.116 cm，平均厚度為0.082 cm。

圖2 鹽地堿蓬棕色種子和黑色種子直徑和厚度分布

2種種子厚度分布范圍差別不大。

2.2 鹽地堿蓬種子萌發(fā)影響因素及機(jī)制

2.2.1 鹽分對(duì)種子萌發(fā)的影響

從圖3看出，不同濃度NaCl溶液對(duì)2種鹽地堿蓬種子萌發(fā)率有不同的影響。在較低鹽分濃度范圍內(nèi)(<3% NaCl濃度)，棕色種子的萌發(fā)不受鹽度影響，能夠全部萌發(fā)，而隨鹽分濃度的增大，萌發(fā)率顯著降低，當(dāng)鹽分濃度從3%提高到5%時(shí)，種子萌發(fā)率最大降低幅度為60%；黑色種子在較低的鹽分濃度下(<3% NaCl濃度)，種子萌發(fā)率從40%提高到80%，但當(dāng)鹽分濃度從3%提高到5%時(shí)，萌發(fā)率又從80%降低為40%，當(dāng)鹽分達(dá)到5%時(shí)，2種種子的發(fā)芽率變化一致，當(dāng)鹽分為15%時(shí)，種子死亡?？偟膩?lái)說(shuō)，在一定鹽度范圍內(nèi)(0～15%)，鹽地堿蓬棕色種子對(duì)鹽分的適應(yīng)能力強(qiáng)于黑色種子。

圖3 鹽地堿蓬棕色和黑色種子在不同NaCl濃度下萌發(fā)率

從圖3可以看出，隨著鹽分濃度的增加，棕色種子和黑色種子的萌芽長(zhǎng)度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，清水組棕色種子萌芽長(zhǎng)度值最大為1.7 cm，黑色種子萌芽長(zhǎng)度值最大為1.3 cm；當(dāng)鹽分濃度達(dá)到15%時(shí)，棕色種子萌芽長(zhǎng)度為最小值0，當(dāng)鹽分濃度為10%時(shí)，黑色種子萌芽長(zhǎng)度值為最小值0。在0%、3%、5%、10%、15%的鹽分濃度下，棕色種子和黑色種子的萌芽長(zhǎng)度值相差分別為0.4、0.4、0.6、0.3 cm，差距最大出現(xiàn)在鹽分濃度為5%時(shí)，相差0.6 cm，差距最小出現(xiàn)在鹽濃度為10%時(shí)，相差0.3 cm。表明鹽分濃度范圍為0%～15%時(shí)，隨著鹽分濃度增加，棕色種子和黑色種子的萌芽長(zhǎng)度均逐漸降低，但鹽分對(duì)鹽地堿蓬黑色種子萌芽長(zhǎng)度抑制效果更加顯著。

2.2.2 水淹對(duì)種子萌發(fā)的影響

從圖4可以看出，棕色種子在非水淹條件下的萌芽飽滿、粗壯，顏色鮮亮，具有活力，而在水淹條件下，種子雖然也萌發(fā)了，但是萌芽卻呈現(xiàn)出黃色，顏色暗淡，缺乏活力。可能是因?yàn)樽厣N子體積大、種皮薄且軟，較多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)可以為前期快速發(fā)芽提供養(yǎng)分，經(jīng)短暫的浸泡后可以迅速萌發(fā)，但是若發(fā)芽后，處于水淹造成的無(wú)氧條件下，幼苗的呼吸作用將受到抑制，進(jìn)而影響幼芽初期的光合作用。

黑色種子無(wú)論是在非水淹還是水淹條件下，萌芽都表現(xiàn)出飽滿、鮮亮和旺盛活力的狀態(tài)，說(shuō)明水淹脅迫對(duì)棕色種子的影響大于黑色種子。由于黑色種子體積小，種皮致密不吸水，起到隔離外界環(huán)境的作用，保護(hù)種胚免受水淹和鹽害的損傷，通過(guò)緩慢吸收水分進(jìn)行層積，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，種胚逐漸強(qiáng)壯，休眠釋放，種子開(kāi)始萌發(fā)。所以，無(wú)論是非水淹還是水淹，黑色種子的幼苗受抑制程度小于棕色種子。

無(wú)論是水淹還是非水淹條件，棕色種子的幼苗都要比黑色種子的幼苗顯得粗壯，一方面，可能是棕色種子比黑色種子大，所含營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)高，基礎(chǔ)雄厚；另一方面，黑色種子的胚較弱，且要突破厚厚種皮需要很大的機(jī)械阻力。

從圖5中可以得出，大棕色種子和小棕色種子在非水淹條件下的萌芽長(zhǎng)度分別為3.1 cm和1.5 cm，在水淹條件下的萌芽長(zhǎng)度分別為1.2 cm和1.1 cm。大棕色種子在水淹和非水淹時(shí)萌芽長(zhǎng)度相差1.9 cm；小棕色種子在水淹和非水淹條件下萌芽長(zhǎng)度相差0.4 cm。在非水淹條件下，大棕色種子和小棕色種子的萌芽長(zhǎng)度相差1.6 cm；在水淹條件下，大棕色種子和小棕色種子的萌芽長(zhǎng)度相差0.1 cm。

圖5 鹽地堿蓬棕色種子和黑色種子在水淹和非水淹條件下萌芽長(zhǎng)度和萌發(fā)率

大黑色種子在水淹和非水淹條件下的萌芽長(zhǎng)度都為0.3 cm；小黑色種子在水淹和非水淹條件下的萌芽長(zhǎng)度分別為0.9 cm和1.1 cm，相差0.2 cm。在非水淹條件下，大黑色種子和小黑色種子的萌芽長(zhǎng)度分別為0.3 cm和1.1 cm，相差0.8 cm；在水淹條件下，大黑色種子和小黑色種子的萌芽長(zhǎng)度分別為0.3 cm和0.9 cm，相差0.6 cm。

從圖5可以看出，無(wú)論是在非水淹還是水淹條件下，大棕色種子和小棕色種子的萌發(fā)率都是100%，說(shuō)明棕色種子的萌發(fā)率不受水淹脅迫的影響，可以一次性萌發(fā)完成。大黑色種子和小黑色種子在非水淹條件下萌發(fā)率都是40%，在水淹條件下都是20%，說(shuō)明無(wú)論是棕色種子還是黑色種子，在水淹和非水淹條件下，其萌發(fā)率不受種子自身大小的影響。

在非水淹或水淹條件下，棕色種子的萌發(fā)率比黑色種子的萌發(fā)率高，說(shuō)明無(wú)論是水淹還是非水淹條件，棕色種子的萌發(fā)率顯著高于黑色種子。黑色種子在非水淹條件下的萌發(fā)率比在水淹條件下的萌發(fā)率高，說(shuō)明水淹環(huán)境對(duì)黑色種子萌發(fā)率的抑制程度高于非水淹環(huán)境。

3 小結(jié)

種子二型性指在同一株植物上產(chǎn)生2種在形態(tài)結(jié)構(gòu)及萌發(fā)特性等方面存在顯著差異的種子[13]。自然選擇表明，擁有種子二型性的植物有不同的萌發(fā)時(shí)間，避免了物種一次性滅絕，進(jìn)而保證種群的成功建立和順利繁殖，這是植物在這些嚴(yán)酷環(huán)境中長(zhǎng)期進(jìn)化的結(jié)果[14]。藜科植物的種子具有二型性，二型種子不同的形態(tài)、休眠和萌發(fā)特性，提高了該物種在高度異質(zhì)性生境中的適合度，對(duì)種群成功地適應(yīng)溫帶鹽漠環(huán)境具有重要的意義[15]。

棕色種子皮薄，在適宜鹽分條件下，其吸收水分和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的速度比黑色種子快，萌發(fā)速度和萌發(fā)率都要優(yōu)于同一條件下的黑色種子。但是，隨著鹽分濃度增大，黑色種子表現(xiàn)出較高的耐鹽性，例如，在海潮臨時(shí)水淹狀態(tài)下，棕色種子承受大量海水而不能正常生長(zhǎng)；而黑色種子的種皮是角質(zhì)，對(duì)外界的海水環(huán)境有一定的阻擋作用，既能保持種子發(fā)芽所需的水分，又能與外界的水分保持一定的限度[16]。

此外，棕色種子萌發(fā)溫度范圍廣，在早春低溫條件下，其萌發(fā)率顯著高于黑色種子；隨著溫度升高，土壤表層鹽度增大，厚皮的黑色種子萌發(fā)率高于棕色種子，即使雨后土壤鹽分含量降低，棕色種子繼續(xù)萌發(fā)能力依然低于黑色種子，可能的原因是薄種皮的棕色種子胚受到鹽分損害，活力降低；但厚皮又阻礙了黑色種子的發(fā)芽，劃破種皮明顯提高了其萌發(fā)率[17]。

同時(shí)，黑色種子具有非深度休眠特性，研究發(fā)現(xiàn)，儲(chǔ)存提高了鹽地堿蓬黑色種子萌發(fā)，說(shuō)明新成熟黑色種子胚自身活力較低，需要完成后熟；黑色種子經(jīng)過(guò)蒸餾水或不同濃度鹽分的低溫層積均顯著提高了其萌發(fā)率，這種現(xiàn)象可能與種子內(nèi)源激素有關(guān)[18]。低溫層積可為種子提供濕潤(rùn)、低溫和通氣的條件，感受低溫部位的分生組織中激素達(dá)到平衡，致使代謝發(fā)生順序性的變化。種子胚中的抑制劑含量過(guò)高，而赤霉素、乙烯等促進(jìn)劑含量過(guò)低，可能是鹽地堿蓬黑色種子萌發(fā)率低的一個(gè)主要內(nèi)在因素，外源赤霉素可有效促進(jìn)胚的生長(zhǎng)[19]。

棕色種子對(duì)光照不太敏感，雖然鹽地堿蓬黑色種子在光照和黑暗條件下萌發(fā)率均不高，但光照條件下萌發(fā)率比黑暗條件下更高，并且與溫度存在相互作用，由此說(shuō)明，光可能會(huì)影響土壤種子庫(kù)中黑色種子的萌發(fā)，即埋于淺層土壤的黑色種子接受光照后易萌發(fā)，形成潛在種子庫(kù)，而深層土壤的種子無(wú)光照，處于休眠狀態(tài)，形成土壤種子庫(kù)[20]。

種子大小明顯地影響幼苗的初始大小和幼苗的生長(zhǎng)高度。相對(duì)于較小種子產(chǎn)生的幼苗，大種子產(chǎn)生的幼苗較大，具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。例如，三角葉濱藜(Atriplextriangularis)大種子的幼苗較大，在以后的生長(zhǎng)中一直保持這種差異，這種差異是大種子發(fā)芽快的結(jié)果。棕色種子的植株地上部分生物量均高于黑色種子植株，可能與棕色種子的幼苗具有較多的分枝有關(guān)[21]。

因此，棕色種子主要在春天建群，且棕色種子剛萌發(fā)幼苗耐鹽性較強(qiáng)，而黑色種子在夏天雨季來(lái)臨后萌發(fā)，黑色種子可能在環(huán)境不利情況下群落的持續(xù)建成中起一定作用。鹽地堿蓬異型性種子拓寬了萌發(fā)時(shí)間，分散了萌發(fā)地點(diǎn)，降低了種子一次性萌發(fā)完的風(fēng)險(xiǎn)，為鹽地堿蓬種群建成提供了多種可選擇的機(jī)會(huì)[22]。

黑色種子體積小，平均直徑0.147 cm，種皮角質(zhì)有光澤，而棕色種子體積大，平均直徑0.179 cm，種皮膜質(zhì)無(wú)光澤。低鹽度(<3% NaCl)條件下，棕色種子的萌發(fā)率不受影響，而黑色種子發(fā)芽率提高；高鹽度(>3% NaCl)條件下，2類(lèi)種子的萌發(fā)率均隨鹽分濃度的升高而下降。隨著鹽分濃度的升高，2類(lèi)種子的萌發(fā)長(zhǎng)度均受到抑制，萌芽長(zhǎng)度與鹽濃度之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，黑色種子萌芽長(zhǎng)度受到抑制的程度比棕色種子高。

無(wú)論是在非水淹還是水淹條件下，棕色種子的萌發(fā)率均可一次性萌發(fā)完成。在非水淹或淹條件下，棕色種子的萌發(fā)率比黑色種子的高，說(shuō)明無(wú)論是水淹還是非水淹條件，棕色種子的萌發(fā)率顯著高于黑色種子。黑色種子在非水淹的條件下的萌發(fā)率比在水淹條件下高，說(shuō)明水淹環(huán)境對(duì)黑色種子萌發(fā)率的抑制程度顯著高于非水淹環(huán)境。