兩種旱生灌木種子萌發(fā)與幼苗復(fù)活對(duì)模擬干濕處理的響應(yīng)

曲文杰，趙文智，王磊，屈建軍，楊新國(guó)*

（1. 中國(guó)科學(xué)院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2. 寧夏大學(xué)生態(tài)環(huán)境學(xué)院，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，寧夏 銀川 750021；4. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

植被更新涉及種子、幼苗、成熟植株整個(gè)生命周期，而種子萌發(fā)和幼苗初期階段是其最脆弱時(shí)期，是植被更新中不可或缺的過(guò)程［1-2］。幼苗的低復(fù)活率，尤其當(dāng)干旱加劇時(shí)種子萌發(fā)率和幼苗復(fù)活率更低，已被證明強(qiáng)烈影響種群動(dòng)態(tài)、物種多樣性、群落組成和生態(tài)系統(tǒng)功能等關(guān)鍵生態(tài)過(guò)程［3］。干旱地區(qū)降水量少且時(shí)空分布不均，并且降水很大程度上決定了干旱地區(qū)的生態(tài)過(guò)程［4-6］。因此，降水格局是荒漠植物種子萌發(fā)及幼苗早期成活的主要限制性因子之一。

已有研究表明，干旱區(qū)降水頻次、強(qiáng)度和分布格局都可以顯著影響種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)過(guò)程［5，7-10］。干旱區(qū)降水少、蒸發(fā)量大、降水間隔期不一，植物經(jīng)常面對(duì)不同周期的干濕變化和不同程度的干旱脅迫。種子經(jīng)歷干旱后再吸水的過(guò)程一般可以啟動(dòng)萌發(fā)機(jī)制［11］，并影響到種子的壽命［12-13］，種子萌發(fā)率［14-17］，甚至包括種子萌發(fā)的速度［18］。植物可忍耐一定程度的脫水，復(fù)水后仍能恢復(fù)生長(zhǎng)［15］。當(dāng)固定根長(zhǎng)的幼苗干旱達(dá)到某一時(shí)間時(shí)，復(fù)水后幼苗無(wú)法恢復(fù)，這個(gè)時(shí)間點(diǎn)被稱(chēng)為“不歸點(diǎn)”［19］。一些耐旱植物的幼苗在生長(zhǎng)早期就能耐受干燥，比如根長(zhǎng)5 cm 的鈍稃野大麥（Hordeum spontaneum）幼苗脫水21 d 后復(fù)水仍可恢復(fù)生長(zhǎng)［20］；根長(zhǎng)為0.1 cm 的賴(lài)草（Leymus secalinus）幼苗的干旱不歸點(diǎn)是60 d［15］。

檸條（Caragana korshinskii）、花棒（Corethrodendron scoparium）是騰格里沙漠東南緣防風(fēng)固沙體系的典型多年生灌木，其根系發(fā)達(dá)，固沙能力強(qiáng)、耐風(fēng)蝕、沙埋、干旱，是荒漠地區(qū)優(yōu)良的防風(fēng)固沙植物［21］?；ò羰潜镜匚锓N，檸條是建立防護(hù)體系時(shí)的引入物種。目前已有一些關(guān)于檸條、花棒種子對(duì)干旱脅迫、沙埋等響應(yīng)的研究［22-26］，但是關(guān)于它們萌發(fā)過(guò)程，以及干旱復(fù)水后早期幼苗的響應(yīng)研究報(bào)道較少。因此，本研究的主要目標(biāo)就是通過(guò)室內(nèi)模擬的方法，分析不同濕潤(rùn)-干旱處理對(duì)檸條、花棒種子的萌發(fā)率，以及干旱復(fù)水處理對(duì)早期幼苗復(fù)活的影響，揭示檸條、花棒種子萌發(fā)和幼苗復(fù)活的環(huán)境適應(yīng)策略，為研究區(qū)植被更新管理提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

2020 年7-11 月在騰格里沙漠東南緣的沙坡頭沙漠試驗(yàn)研究站內(nèi)（105°02′ E， 37°32′ N），采集成熟檸條和花棒種子，挑選飽滿(mǎn)均一的種子進(jìn)行模擬降水事件變化對(duì)種子萌發(fā)率和幼苗早期復(fù)活影響的試驗(yàn)。每個(gè)物種挑選100 粒種子通過(guò)種子分析儀（plant seed analyzer， OPTOMACHINES， OPTO-Agri， 荷蘭）對(duì)其主要形態(tài)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 檸條、花棒種子形態(tài)指標(biāo)Table 1 Seed morphological indexes of C. korshinskii and C. scoparium （mean±SD）

1.2 濕潤(rùn)-干旱處理對(duì)種子萌發(fā)的影響

為探索不同濕潤(rùn)-干旱處理時(shí)間對(duì)檸條、花棒種子萌發(fā)的影響，設(shè)置了12 個(gè)濕潤(rùn)-干旱處理（即4h1d、4h2d、4h4d、4h8d、12h1d、12h2d、12h4d、12h8d、24h1d、24h2d、24h4d、24h8d）和對(duì)照處理（CK，未進(jìn)行濕潤(rùn)-干旱處理，直接進(jìn)行萌發(fā)試驗(yàn)），其中4h1d 表示濕潤(rùn)4 h 和干燥1 d，4h2d 表示濕潤(rùn)4 h 和干燥2 d，依此類(lèi)推。兩個(gè)物種共26 個(gè)處理，每個(gè)處理30 粒種子，重復(fù)5 次。將檸條、花棒種子用1%高錳酸鉀溶液消毒15 min，用蒸餾水反復(fù)清洗5～7次后整齊擺放在直徑9 cm 且墊有2 張whatman 1 號(hào)濾紙的一次性培養(yǎng)皿中，加入5 mL 蒸餾水，放入24 h 光照、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室進(jìn)行濕潤(rùn)處理，然后轉(zhuǎn)入室溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行干旱處理。結(jié)束濕潤(rùn)-干旱處理的培養(yǎng)皿中加入3 mL 蒸餾水，置于光暗交替（12 h 光照）、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室進(jìn)行種子萌發(fā)試驗(yàn)。每2 d 加入3 mL 蒸餾水保持濕潤(rùn)。萌發(fā)的判斷依據(jù)為胚根出芽長(zhǎng)度為1 mm。每24 h 統(tǒng)計(jì)一次并去除萌發(fā)的種子。連續(xù)5 d 不萌發(fā)視為試驗(yàn)結(jié)束。萌發(fā)率（%）＝萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù)×100。

1.3 早期幼苗的干旱復(fù)水試驗(yàn)

為探索不同干旱時(shí)間對(duì)檸條、花棒早期幼苗的影響，設(shè)置了8 個(gè)干旱處理（即2、4、7、10、14、21、30、45 d），將萌發(fā)后的種子根據(jù)胚根長(zhǎng)度分為4 個(gè)等級(jí)，即0～0.2 cm、0.2～0.5 cm、0.5～1.0 cm、1.0～1.5 cm。每個(gè)胚根等級(jí)都進(jìn)行8 個(gè)干旱處理，兩個(gè)物種共64 個(gè)處理，每個(gè)處理15 個(gè)早期幼苗，重復(fù)5 次。首先將檸條、花棒種子用1%高錳酸鉀溶液消毒15 min，用蒸餾水反復(fù)清洗3～5 次后整齊擺放在直徑9 cm 且墊有2 張whatman 1 號(hào)濾紙的一次性培養(yǎng)皿中，加入5 mL 蒸餾水，放入12 h 光照、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室對(duì)種子進(jìn)行萌發(fā)獲得早期幼苗。其次，將早期幼苗根據(jù)上述胚根長(zhǎng)度進(jìn)行分類(lèi)后，整齊擺放在直徑9 cm 且墊有2 張whatman 1 號(hào)濾紙的一次性培養(yǎng)皿中，放入室溫實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行干旱處理。干旱處理結(jié)束后，加入5 mL 蒸餾水，放入12 h 光照、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室進(jìn)行復(fù)活試驗(yàn)。每2 d 加入3 mL 蒸餾水保持濕潤(rùn)。如果早期幼苗的根進(jìn)一步拉長(zhǎng)，被認(rèn)為有生命力，記錄每天的復(fù)活數(shù)量。早期幼苗復(fù)活率（%）＝復(fù)活幼苗個(gè)數(shù)/供試幼苗個(gè)數(shù)×100。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用R 4.2.0 軟件完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。通過(guò)線(xiàn)性回歸方法對(duì)比分析濕潤(rùn)-干旱處理對(duì)檸條和花棒種子萌發(fā)率的影響，以及對(duì)檸條和花棒種子萌發(fā)過(guò)程的影響，采用R 中sjPlot 包繪圖。采用線(xiàn)性回歸方法分析不同干旱時(shí)間、不同根長(zhǎng)對(duì)干旱復(fù)水的早期幼苗復(fù)活率的影響，采用R 中visreg 包繪圖。通過(guò)One-way ANOVA 在95%的置信水平上，用Tukey HSD 方法檢驗(yàn)不同等級(jí)根長(zhǎng)和不同干旱處理的早期幼苗復(fù)活天數(shù)之間的差異性，采用Origin 繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 濕潤(rùn)-干旱處理對(duì)檸條、花棒種子萌發(fā)的影響

如圖1 所示，濕潤(rùn)-干旱處理顯著提高了檸條種子的總體萌發(fā)率（8.31%，P＜0.05），而對(duì)花棒種子沒(méi)有顯著影響（1.24%，P＞0.05）。在全部處理中，只有12h1d 處理下兩個(gè)物種的種子萌發(fā)率都出現(xiàn)了降低的趨勢(shì)，但是依然不顯著（P＞0.05）。

圖1 濕潤(rùn)-干旱處理對(duì)檸條和花棒種子萌發(fā)率的影響Fig.1 Effects of wet-dry treatment on seed germination of C. korshinskii and C. scoparium

2.2 濕潤(rùn)-干旱處理對(duì)檸條、花棒種子萌發(fā)過(guò)程的影響

如圖2 所示，濕潤(rùn)-干旱處理顯著提高了檸條和花棒種子的早期萌發(fā)率（P＜0.05），但是兩者的萌發(fā)過(guò)程和響應(yīng)格局并不完全一致。濕潤(rùn)-干旱處理下檸條前3 d 萌發(fā)率依次為29.34%，19.40%和5.06%，相對(duì)CK 呈現(xiàn)出先提高后降低的響應(yīng)格局。但是，4h1d、4h8d、12h4d 處理沒(méi)有顯著提高檸條種子的早期萌發(fā)率（第1 天，P＞0.05）。與檸條不同，濕潤(rùn)-干旱處理顯著提高了花棒種子第1 天（7.89%，P＜0.05）和第2 天的萌發(fā)率（46.90%，P＜0.05），卻顯著降低了第3 天的萌發(fā)率（22.40%，P＜0.05）。第1 天，與CK 相比，僅有24h1d、24h2d、24h4d 顯著提高了花棒種子的萌發(fā)率（P＜0.05）；第2 天，除4h4d、24h2d 和24h4d 外，其余處理都顯著提高了萌發(fā)率（P＜0.05）；而第3 天所有處理都降低了花棒種子的萌發(fā)率，其中4h8d、12h2d、24h1d、24h2d、24h4d、24h8d 顯著降低（P＜0.05）。

圖2 濕潤(rùn)-干旱處理對(duì)檸條、花棒種子萌發(fā)過(guò)程的影響Fig.2 Effects of wet-dry treatments on seed germination process of C. korshinskii and C. scoparium

2.3 干旱復(fù)水處理對(duì)檸條和花棒幼苗早期復(fù)活率的影響

以根長(zhǎng)為幼苗生長(zhǎng)階段（狀態(tài)）的劃分依據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)隨著干旱處理天數(shù)的增長(zhǎng)和幼苗根長(zhǎng)的增加，早期幼苗復(fù)水后的復(fù)活率也隨之降低，但是花棒早期幼苗整體復(fù)活能力明顯強(qiáng)于檸條（圖3）。相比較其他等級(jí)的根長(zhǎng)，根長(zhǎng)為0～0.2 cm 的檸條和花棒早期幼苗復(fù)水后復(fù)活率最高，分別為77.20%和83.17%，而根長(zhǎng)為1.0～1.5 cm 時(shí)復(fù)活率最低，分別為7.61%和21.17%。根長(zhǎng)為0.5～1.0 cm 的檸條和花棒早期幼苗的干旱不歸點(diǎn)分別是21 和45 d，而根長(zhǎng)為1.0～1.5 cm 時(shí)干旱不歸點(diǎn)分別是7 和14 d?；ò粲酌鐚?duì)干旱處理的總體響應(yīng)格局與檸條相似，但是基本上花棒早期幼苗每個(gè)根長(zhǎng)等級(jí)下復(fù)活率明顯高于檸條，表明花棒早期幼苗具有很強(qiáng)的干旱耐受性。

圖3 不同干旱時(shí)間對(duì)早期幼苗（不同根長(zhǎng)）復(fù)活率的影響Fig.3 Effects of different durations of drought on the survival rate of young seedlings with different root lengths

2.4 干旱復(fù)水處理對(duì)檸條和花棒幼苗早期復(fù)活時(shí)間的影響

由圖4 可知，不同干旱處理早期幼苗復(fù)水后平均復(fù)活時(shí)間為7.38 d，達(dá)到最大復(fù)活率平均時(shí)間為3.48 d。干旱處理4 d 檸條早期幼苗復(fù)活所需天數(shù)最長(zhǎng)，45 d 干旱處理下復(fù)活天數(shù)最短；干旱處理2 和45 d 時(shí)達(dá)到最大復(fù)活率所需天數(shù)較少?；ò粼缙谟酌缃?jīng)歷不同干旱時(shí)間復(fù)水后所需復(fù)活天數(shù)和達(dá)到最大復(fù)活率的天數(shù)之間都沒(méi)有顯著差異（P＞0.05），而檸條早期幼苗的顯著差異主要表現(xiàn)在4 和2 d 以及4 和45 d 干旱處理之間，其他處理間沒(méi)有顯著差異（P＞0.05）。根長(zhǎng)為0～0.2 cm 時(shí)花棒早期幼苗完成復(fù)活天數(shù)最短［（5.84±0.46） d］，根長(zhǎng)1.0～1.5 cm時(shí)所需天數(shù)最長(zhǎng)［（10.00±0.77） d］。比較而言，檸條早期幼苗復(fù)活所需天數(shù)［（6.39±0.37） d］短于花棒［（8.28±0.36） d］，且達(dá)到最大復(fù)活率的天數(shù)［（3.05±0.22） d］短于花棒［（3.83±0.20） d］。

圖4 不同等級(jí)根長(zhǎng)和不同干旱處理幼苗復(fù)活天數(shù)Fig.4 Seedling revival days at different root length and different drying treatments

3 討論

干旱地區(qū)生長(zhǎng)季降水不可預(yù)測(cè)、且雨量不穩(wěn)定，因此土壤表面種子經(jīng)常遭受反復(fù)的濕潤(rùn)-干旱過(guò)程。植物通過(guò)對(duì)降水的適應(yīng)可以形成不同的萌發(fā)策略［10，17-18，24］。本研究中，模擬濕潤(rùn)-干旱處理顯著提高了檸條種子的萌發(fā)率，但是對(duì)花棒種子的萌發(fā)率無(wú)顯著影響，表明花棒對(duì)環(huán)境變化相對(duì)不敏感，選擇的是一種耐受型的萌發(fā)策略。但是，類(lèi)似方法對(duì)加拿大的翼薊（Cirsium vulgare， 二年生草本）處理后，發(fā)現(xiàn)對(duì)其萌發(fā)率有抑制作用［27］，砂藍(lán)刺頭（Echinops gmelinii， 一年生草本）、賴(lài)草（L. secalinus， 多年生草本）也是抑制作用為主［15，28］。鑒于研究區(qū)植被構(gòu)成中以檸條、花棒等多年生灌木和砂藍(lán)刺頭等一年生草本為主，灌草植被的種子對(duì)濕潤(rùn)-干旱的響應(yīng)所存在的明顯差異，反映了旱區(qū)高度水分競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下群落內(nèi)部物種間的反向適應(yīng)對(duì)策選擇，從而達(dá)成對(duì)潛在水分競(jìng)爭(zhēng)的最大避免。

濕潤(rùn)-干旱處理顯著提高了檸條種子的萌發(fā)率，表明濕潤(rùn)-干旱處理是檸條種子萌發(fā)的一種啟動(dòng)機(jī)制［11］。研究區(qū)的檸條一般在6 月底落種，當(dāng)?shù)? 月進(jìn)入雨季，種子則集中在8-9 月萌發(fā)；表明經(jīng)歷多次濕潤(rùn)-干旱過(guò)程后，大多數(shù)種子的萌發(fā)機(jī)制已被啟動(dòng)，進(jìn)入8 月伴隨溫度下降和淺層土壤水分含量的提高，檸條種子具備了集中萌發(fā)的充分條件［29］。但是，相對(duì)而言，花棒種子野外并未發(fā)生上述現(xiàn)象。這依然與兩者對(duì)濕潤(rùn)-干旱的不同響應(yīng)對(duì)策有關(guān)。

種子萌發(fā)后的幼苗生長(zhǎng)階段是限制植被更新的另外一個(gè)關(guān)鍵過(guò)程。干旱區(qū)植物種子萌發(fā)后缺乏降水或整株幼苗暴露在空氣中，都可能導(dǎo)致幼苗脫水［15］。本研究發(fā)現(xiàn)，不管經(jīng)歷了2 d 還是45 d 的干旱，根長(zhǎng)為0～0.2 cm 的檸條和花棒早期幼苗復(fù)水后，平均復(fù)活率分別達(dá)到77.20%和83.17%；但是隨著根長(zhǎng)的增長(zhǎng)，幼苗干旱的不歸點(diǎn)越來(lái)越早。這與以往的研究中幼苗脫水后的恢復(fù)取決于干燥時(shí)根系的長(zhǎng)度和干燥時(shí)間長(zhǎng)度的結(jié)果完全一致［20-21，30］。造成這種現(xiàn)象的機(jī)制是，胚乳作為種子貯藏營(yíng)養(yǎng)部位，早期幼苗根系越長(zhǎng)則種子中保留胚乳越少，意味著根越長(zhǎng)復(fù)水后供幼苗再生的能量越少，復(fù)活率降低，不歸點(diǎn)從而提前［15］。同時(shí)，比較可以發(fā)現(xiàn)，根長(zhǎng)度相同時(shí)，花棒早期幼苗比檸條更耐旱，說(shuō)明干旱脅迫下，花棒幼苗受到的傷害程度小于檸條，這與丁龍等［31］對(duì)檸條錦雞兒、花棒實(shí)生苗對(duì)干旱脅迫的研究結(jié)果一致。總體而言，花棒一旦萌發(fā)后，其復(fù)活能力明顯強(qiáng)于檸條。

花棒是騰格里沙漠東南緣地帶性植被，至今在人工植被區(qū)和流沙區(qū)依然廣泛地存在。而檸條主要是包蘭鐵路防護(hù)體系建設(shè)時(shí)的引入植被，僅存在于人工植被區(qū)。如上所述，檸條和花棒對(duì)干旱氣候的適應(yīng)對(duì)策存在顯著的差異，這種差異也與研究區(qū)現(xiàn)有植被分布格局相吻合［29，32］。綜合來(lái)看，伴隨研究區(qū)人工檸條的逐步退化和自然更新的困難，在后續(xù)植被建設(shè)管理中，建議可以更多采用花棒一類(lèi)的具有較高干旱忍耐力的灌木，逐步替代退化人工檸條，或輔助強(qiáng)化已有花棒灌叢的種子傳播定居能力，從而提高現(xiàn)有人工固沙植被系統(tǒng)的多樣性和穩(wěn)定性。

4 結(jié)論

濕潤(rùn)-干旱過(guò)程有利于檸條和花棒種子萌發(fā)，但是隨幼苗生長(zhǎng)，對(duì)干旱的耐受程度也隨之降低；相對(duì)而言，花棒幼苗對(duì)持續(xù)干旱的忍耐力要強(qiáng)于檸條。檸條和花棒是研究區(qū)最為常見(jiàn)的兩種旱生灌木，其中檸條以人工引種為主，而天然花棒在流動(dòng)沙地依然分布。在長(zhǎng)期氣候變化背景下，建議研究區(qū)人工固沙植被可以更多選擇花棒一類(lèi)的“忍耐型”灌木，進(jìn)一步替代退化的人工檸條，從而提高固沙植被的多樣性及其穩(wěn)定性。