沙生针茅种子萌发特性及其影响因素

李发明，张莹花，王 飞，朱淑娟，刘克彪，刘淑娟，王理德

（1.甘肃省治沙研究所／甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站／甘肃省治沙研究所／甘肃省荒漠化防治重点实验室／甘肃省荒漠化与风沙灾害防治国家重点实验室培育基地，甘肃 武威 733000；2.甘肃农业大学 林学院，甘肃 兰州 730070）

沙生针茅（Stipaglareosa）是禾本科针茅属植物，产于内蒙古西部、宁夏、甘肃、青海西部、新疆，以及西藏北部地区；西伯利亚南部、中亚、蒙古、阿富汗也有分布［1，2］。沙生针茅在长期适应干旱、沙埋、强光等外界环境条件下形成了典型的旱沙生特征，因此有很强的适应性，其生境类型为流动和半流动沙地，以及沙地半灌木丛中成为沙地植物群落的优势种和伴生种。由于沙生针茅有很大的地下生物量配置和密集的短根茎分裂特征，其固沙能力比具有地下横走根状茎的疏丛型固沙禾草沙鞭等表现更强［3］，因此，沙生针茅可以在干旱荒漠区发挥重要的作用，具有很高的研究价值。

种子萌发是植物生活史的重要阶段［4－7］，种子萌发对光照、干旱及盐分胁迫的响应反映了其适应环境的生态机制，可以揭示其生活史的特征［8］，种子萌发特性对于植物的生存和适应环境都具有重要意义［9］。德国学者Ronnenberg等［10，11］对分布在中亚蒙古一带的沙生针茅种子萌发进行过研究；在国内有关沙生针茅种子生物学和种子生理生态学的研究刚刚起步；李发明等［12］研究了光照和沙埋对沙生针茅种子萌发与幼苗出土的影响［12］。试验探讨不同温度蒸馏水浸泡、低温变温处理、干旱胁迫及盐胁迫对沙生针茅种子萌发的影响，揭示其萌发特性，以期为沙地生态系统中沙生针茅的人工栽培提供基础。

1 材料和方法

1.1 试验材料

沙生针茅种子于2011年6月上旬采集于民勤连古城自然保护区民勤泉山镇附近狼跑泉山自然分布的沙生针茅株丛。该地位于腾格里沙漠南部，地理坐标N 38°22′00″，E 103°16′00″，海拔1 422m，年均气温在6.0～8.5℃，年均降水量为110mm，集中在7～9月。

1.2 试验方法

采收后的种子用特制牛皮纸种子袋贮藏于自然通风的室内。2012年1月将种子转移至－18℃贮藏或根据具体试验要求贮藏在各种温度条件下。因为新成熟的种子具有非深度生理休眠，因此，在沙埋试验开始前，对种子进行4星期的低温沙藏以打破休眠［13］。种子萌发试验每组50粒，4个重复。将种子置于直径为50cm，垫有双层滤纸，1.5mL蒸馏水的培养皿培养，并在试验中补充因蒸发而丧失的水分。种子的萌发以胚根的出现为标志［14］。

1.2.1 不同温度蒸馏水浸泡处理 分别将50粒种子置于盛有100mL 30、40、50、60、70℃蒸馏水的烧杯中浸泡，自然冷却条件下降温至20℃，持续时间12h。1.2.2 低温和变温处理（1）低温处理是将种子进行－18、－14、4℃低温分别处理10d、20d，然后，将种子置于垫有2层滤纸的培养皿（d＝90mm）；（2）低温变温处理是分别将低温处理的种子再进行变温处理，即分别将种子置于－20℃、－4℃条件下12h，再置于常温（20℃）12h，反复4次共96h低温变温处理，再将种子置于20℃常温12h，然后将种子置于垫有2层滤纸的培养皿（d＝90mm）。

1.2.3 种子萌发对水分和盐分胁迫的响应 试验在人工气候室内垫有2层滤纸的培养皿内连续黑暗25℃条件下进行，水分胁迫的试剂为PEG－6000，浓度为0、5%、10%、15%、20%、25%、30%；盐分胁 迫 为NaCl、Na2CO3，浓度为0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%、1.2%，试验期间，用称重法来补充因蒸发而散失的水分，保持每个处理浓度的相对稳定。

试验以未进行低温处理的常温20℃保存的种子为对照。每个处理重复3次，每个重复50粒种子，试验在连续黑暗25℃条件下进行，相对湿度控制在60%。每天进行观测和记录，以胚根顶出种皮作为发芽标准。

1.3 试验参数

试验参数包括发芽率（GR）、发芽势（GP）、发芽指数（GI）。

发芽率（GR）＝（n／N）×100%

式中：n为供试种子发芽粒数，N为供试种子总粒数。

发芽势（GP）＝（n／N）×100%

式中：n为种子发芽达到最高峰时种子发芽粒数（以最初1／3d发芽种子数计）［13］。

发芽指数（GI）＝∑Gt／Dt

式中：Gt为时间t日的发芽数，t为相应的发芽天数。

1.4 数据处理

试验数据分析采用SPSS 11.5统计分析软件进行，作图利用Excel软件完成，种子发芽对水分胁迫浓度的临界值和极限值采用回归分析计算。

2 结果与分析

2.1 不同温度蒸馏水浸泡种子对发芽率的影响

用不同温度蒸馏水浸泡种子，种子发芽高峰期在试验2～4d，60℃蒸馏水浸泡种子，发芽率、发芽势最高，分别达到38%和32%，在试验的2、3、4d，发芽率分别是CK的4.5，5.5和3.5倍，发芽第10d，发芽率是CK的4.75倍，发芽势是CK的4倍，其次是70℃蒸馏水浸泡种子，发芽第10d，发芽率是CK的4.5倍，发芽势是CK的3.25倍（图1、2）。

方差分析表明：不同温度蒸馏水浸泡种子，种子发芽率存在极显著差异。用蒸馏水浸泡种子，随着水温的升高，发芽率逐步升高，在蒸馏水温达到60℃时，发芽率达到最大值，且发芽整齐，时间集中，当蒸馏水温度超过60℃浸泡种子时，种子发芽受到抑制，发芽率降低。

图1 不同温度下蒸馏水浸泡种子发芽率Fig.1 Germination rate of seeds immersed in distilled water at different temperatures

图2 不同温度蒸馏水浸泡种子发芽势Fig.2 Germination potential of seeds immersed in distilled water at different temperatures

2.2 不同储藏温度对发芽率的影响

方差分析结果可知（表1），储藏温度对沙生针茅种子萌发具有极显著影响（P＝0.00，P＜0.01）。多重比较结果表明：4℃条件下储藏的种子和常温25℃条件下储藏的种子萌发率在0.01水平上具有极显著差异（表2）。说明沙生针茅种子存在一定的休眠现象。

2.3 低温变温处理对种子发芽率的影响

2.3.1 低温处理种子对萌发的影响 用不同低温处理种子，随着温度的降低，发芽率和发芽势有逐步增大的趋势。种子发芽的高峰期在2～4d，－20℃冷冻处理种子，发芽率是34%和28%，分别是CK的4倍和3.5倍（图3、4）。

表1 方差分析Table1 Results of variation analysis

表2 多重比较结果Table2 Results of multiple comparison

方差分析表明，F＜F0.05（表1），不同低温冷冻种子，种子发芽率没有显著差异。不同低温冷冻处理沙生针茅种子，随着温度的降低，种子发芽率、发芽势逐步升高，温度达到－20℃，发芽率、发芽势达到最大值，超过20℃，种子发芽率、发芽势开始降低，但种子发芽率差异不明显。

2.3.2 变温处理对种子发芽率的影响 变温条件下不同条件储藏的种子萌发率没有显著差异（图5）。

沙生针茅种子在4℃恒温条件下的发芽率显著高于变温条件下的发芽率，随着温度的升高或降低，其发芽率均有降低趋势，变温条件下，其发芽率差异不显著，种子的发芽势也表现为随着温度的变化而变化的趋势。

图3 不同低温处理种子发芽率Fig.3 Seed germination rates under different low temperature treatments

图4 不同低温处理种子发芽势Fig.4 Seed germination potential under different low temperature treatments

图5 不同温度条件下储藏的沙生针茅种子的发芽率及发芽势Fig.5 Seed germination rates and germination potential under different temperatures

2.4 水分胁迫对沙生针茅种子萌发的影响

随着PEG－6000溶液浓度的增加，沙生针茅种子的发芽率降低，其发芽势和发芽指数也随之降低，呈负相关关系（表3），从发芽势和发芽指数分析，对照组的发芽势和发芽指数都是最高，显著高于其他处理组（P＜0.05），说明水分胁迫对沙生针茅种子萌发起到不同程度的抑制作用，同时，在高浓度的水分胁迫下种子仍能萌发，说明种子对干旱环境有较强的适应性［15］。

表3 不同浓度的PEG－6000处理下沙生针茅种子的萌发指标Table3 Effect of PEG－6000stress on seed germination rate

回归分析表明（图6），PEG－6000浓度与沙生针茅种子发芽率显著负相关（R2＝0.985，P＜0.01），沙生针茅种子萌发与环境中的水分状况密切相关。相对发芽率为50%和25%，计算出种子发芽对水分胁迫浓度的临界值和极限值分别为15.9%和26.3%。

图6 沙生针茅种子萌发率与PEG－6000的关系Fig.6 Relationship between PEG－6000concentration and seed germination rate

2.5 不同盐类不同浓度胁迫对沙生针茅种子萌发影响

沙生针茅种子在盐胁迫下，发芽率、发芽势和发芽指数随着盐浓度的增加均呈下降趋势（表4）。经方差分析，在不同盐胁迫下，不同浓度之间种子的发芽率差异极显著（P＜0.01），而且不同浓度的发芽率与对照相比差异显著（P＜0.05），说明盐胁迫对种子萌发有一定的抑制作用。0.2%NaCl溶液处理的种子的发芽率、发芽势和发芽指数均高于0.2%的Na2CO3溶液处理的种子；当Na2CO3盐溶液浓度增加到1.0%或＞1.0%时，Na2CO3溶液处理的种子不再萌发，其发芽率、发芽势和发芽指数均为0，而NaCl盐溶液浓度增加到1.0%时，仍有沙生针茅种子萌发，只是发芽率、发芽势和发芽指数显著降低。

进一步的回归分析表明（表5），盐浓度与沙生针茅种子发芽率显著负相关（R2＝0.985，P＜0.01）。

表4 不同盐分不同浓度的处理对沙生针茅种子萌发的影响Table4 Effect of different salts and concentrations on seed germination rate

表5 沙生针茅种子萌发率（Y）和盐浓度（x）关系分析Table5 Relationship between seed germination rate and salt concentration

3 讨论

植物的种子成熟后经过不同的方式散落在地上，有的种子遇到适宜的条件开始萌发，有的遇到的条件不适宜而失去活力，有些种子还存在休眠的特性，可以在土壤中保存，待条件适宜便萌发［17，18］。发芽势和发芽指数是种子活力的指标，它们能够较好地反映出种子的萌发力和萌发速度。发芽势是判断种子品质优劣，出苗整齐与否的重要标志，也与幼苗强弱和产量密切相关，一般发芽势高的种子，出苗迅速、整齐、健壮。发芽指数是种子活力的综合反映。不同温度蒸馏水浸泡种子，种子发芽率存在极显著差异。随着水温的升高，发芽率逐步升高，在蒸馏水温达到60℃时，发芽率达到最大值，且发芽整齐，时间集中，当蒸馏水温度超过60℃浸泡种子时，种子发芽受到抑制，发芽率降低。说明种皮的不透性，使水分和氧气不易进入，二氧化碳和其他一些化学抑制性物质不能迅速排出而导致休眠，是自然状态下种子发芽率非常低的重要原因。较高温度的水浸泡种子，能有效的打破种皮休眠，促进种子的发芽。利用适当的低温冷冻处理能够克服种皮的不透性，增进种子内部的新陈代谢，从而促进种子的萌发。不同低温冷冻处理沙生针茅种子，随着温度的降低，种子发芽率、发芽势逐步升高，温度达到－20℃，发芽率、发芽势达到最大值，超过20℃，种子发芽率、发芽势开始降低，但种子发芽率差异不明显。说明低温对沙生针茅种子发芽影响不大。由低温变温处理常被用来打破种子的休眠 。对于成熟的沙生针茅种子进行10d、20d的低温变温处理，然后在正常条件下萌发，结果显示经过低温变温处理种子与未经低温变温处理的种子萌发率差异极显著，说明成熟的沙生针茅种子在萌发前需要经过一个低温变温时间，从而提高其发芽率和发芽势。

水分胁迫和盐分胁迫对植物种子的萌发具有明显的抑制作用，表现在降低种子的发芽率，推迟种子的初始萌发时间、延长种子的萌发时间等［20－25］。土壤含水量是调节种子萌发的重要因素之一。聚乙二醇是常用的造成水分胁迫的渗透剂，它使组织失水而起到模拟自然干旱的作用。水分胁迫显著影响荒漠区沙生针茅种子的萌发，随着土壤水分含量的增加，各种子发芽率、发芽势、发芽指数、抗旱指数明显下降，结果与赵丽珍等［26］研究结果一致。通过各指标综合分析表明，沙生针茅是相对耐旱的植物。

试验表明沙生针茅种子在水分胁迫和盐分胁迫下萌发均受到抑制，其抑制程度随着浓度的增大而提高。沙生针茅种子在高浓度的水分胁迫下仍有萌发，说明其对干旱环境有一定的适应性，种子发芽水分胁迫浓度的临界值和极限值，分别为15.9%和26.3%。通过数据还可以得出，随着PEG和盐浓度增加，沙生针茅种子的萌发率达到最高时的PEG和盐浓度不同，说明植物在特殊环境中已经形成了适应环境的萌发策略。不同的盐分不同溶液浓度处理对沙生针茅种子的发芽率均有一定的抑制作用，Na2CO3溶液对沙生针茅种子萌发的抑制作用大于NaCl溶液。说明沙生针茅种子对NaCl盐具有较高的耐盐性，而对Na2CO3盐耐受程度较低。回归分析表明了沙生针茅种子对相同质量浓度的Na2CO3的耐受能力显著低于对NaCl的耐受能力。因为NaCl是中性盐，其胁迫主要以离子和渗透胁迫为主，而Na2CO3是一种碱性盐，碱性盐所独有的胁迫因素是高pH。因此，在Na2CO3胁迫下，沙生针茅种子不仅要应对生理干旱、离子毒害等，还必须应对高pH的影响，这是试验Na2CO3胁迫对沙生针茅种子萌发抑制更为严重的重要原因；另外，Na2CO3溶液处理比NaCl溶液处理可使沙生针茅种子胚根和胚芽积累了更多的Na＋，这就是Na2CO3胁迫作用更强的原因之一，但对于其机理还需进一步研究。种子萌发过程中的抗盐耐盐性是一个极为复杂的生理过程，不同品种抗盐耐盐性不同，同一品种不同生育期抗盐耐盐性也不相同，且盐溶液对种子萌发过程的胁迫只是其抗盐耐盐性的部分表现，不能完全代表其抗盐耐盐性的强弱。因而对抗盐耐盐性的研究还需从植物生理生化及分子生物学的角度作进一步的探讨［27］。对各种指标经过综合分析，得出荒漠区沙生针茅种子具有相对较弱的耐盐能力和较高的抗旱能力，这也是沙生针茅在西部干旱荒漠区主要分布于含盐分较低的覆沙地和碎石山坡的主要原因之一。

4 结论

储藏温度对沙生针茅种子萌发具有极显著影响（P＝0.00，P＜0.01）。多重比较结果表明：4℃条件下储藏的种子和常温条件下（25℃）储藏的种子萌发率在0.01水平上具有极显著差异。

温水浸泡，60℃温水浸泡、自然降温至常温12h最好；种子低温贮藏＋变温处理，以－20℃低温贮藏12h＋20℃常温12h，反复变温4次，累计96h，再置于20℃常温回温12h后做萌发试验种子萌发率最高；光调节，以黑暗条件下种子萌发率最好；水分和盐分胁迫均抑制种子正常萌发。

盐分与干旱胁迫均显著抑制沙生针茅种子萌发，其耐盐指数、抗旱指数、发芽率、发芽势、发芽指数均随着盐与PEG浓度的增加而降低，相对盐害率和干旱伤害率则随之增加。

不同的盐分不同溶液浓度处理对沙生针茅种子的发芽率均有一定的抑制作用，只是对相同质量浓度的Na2CO3的耐受能力显著低于对NaCl的耐受能力。

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