3种河岸带草本植物人工种子库的水淹可持续性

陈韶华， 陈芳清， 张 淼

(1.湖北省三峡地区生态保护与治理国际合作研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

3种河岸带草本植物人工种子库的水淹可持续性

陈韶华1,2， 陈芳清1,2， 张 淼2

(1.湖北省三峡地区生态保护与治理国际合作研究中心，湖北 宜昌 443002；2.三峡库区生态环境教育部工程研究中心，湖北 宜昌 443002)

本研究模拟三峡水库水位消涨节律，设置了水淹0、5、6、7、8和9个月共6个处理，分别测定了狗牙根(Cynodondactylon)、牛鞭草(Hemarthriasibirica)和回头青(Pycreusglobosus)3种草本植物人工种子库的种子生活力及种子蛋白质、可溶性糖和淀粉含量的变化特征，以期为三峡库区消落带生态恢复人工种子库的构建提供依据。结果表明，3种人工构建的草本植物种子库对于短期水淹均具有较好的可持续性。在经历5～6个月的水淹后, 3种人工种子库的种子活力虽有一定幅度的下降，但仍保持较高的水平，其中以狗牙根种子库的种子活力最高。水淹7个月后3种草本植物种子库的种子活力都发生急剧下降，并随着水淹处理时间的延长而不断下降。水淹9个月后，狗牙根、牛鞭草和回头青种子库的种子活力与对照相比，分别下降了34.2%、43.0%和63.8%。水淹还导致3种草本植物种子库种子的蛋白质、淀粉、可溶性糖含量显著下降(P<0.05)，其下降幅度最大的时期均发生在水淹7个月后。相比之下，狗牙根种子库的水淹持续性最强，牛鞭草次之，回头青最弱。本研究还发现，回头青和牛鞭草种子库的种子活力与水淹时间呈显著线性负相关。同时种子库的营养物质含量与种子活力也呈线性负相关，其相关程度因物种种类而异。

消落带；生态恢复；人工种子库；种子活力；种子营养

土壤种子库是指存在于土壤上层凋落物和土壤中全部存活种子的总和[1-2]，是植物种群定居、生存、繁衍和扩散的基础，在植被的更新、演替和恢复过程中起着重要的作用[3]。由于种子比成熟植株具有更强的耐胁迫能力，更有利于逃避干扰、疾病和捕食的损害以及环境条件的胁迫，种子库在植被遭受破坏后的自然恢复中常常起着更关键作用[4-5]。国内外已有很多研究表明，在原有植被遭到破坏的情况下，潜在的种子库可以恢复受损的植被[6]。三峡工程建成后，库区形成了总面积400多km2的消落带，水位消涨节律也从原有的“夏季水淹-冬季出露”变成“夏季出露-冬季水淹”[7-8]。库区水位的上涨淹没了原有的消落带植物群落，而反季节的水位消涨节律使得很多植物种类因不适应新环境而消亡，植物群落严重退化[9-10]。恢复与重建消落带植物群落对于维护消落带的生态功能，保护库区的生态功能具有积极的意义。由于自然恢复的进程一般较为缓慢，难以满足三峡库区消落带生态恢复的急切需求，而库区现有消落带海拔位置的原有植被又为陆生植被，缺乏河岸带植物种子库资源。运用人工恢复，特别是人工种子库的办法来恢复消落带的植被成为一种比较理想的选择[11-13]。

三峡库区消落带每年夏季之后都要经历6～9个月的水淹胁迫。目前，已经有一些应用植株直接构建消落带植物群落以及与此相关的先锋植物种类幼苗与成年植株对水淹胁迫适应能力的研究[14-15]。而关于消落带土壤种子库对水淹胁迫的适应能力，以及通过构建人工种子库进行植被恢复的研究则少有报道。由于种子库要经历三峡库区反季节的长期水淹的影响，土壤种子库的可持续性是人工种子库构建中的关键因素。而土壤种子库的持续性主要取决于种子在土壤里的存活能力，这种能力由种子库所含物种的生态学特征和种子库所处的生态环境来决定[16]。基于此，本研究选取狗牙根(Cynodondactylon)、牛鞭草(Hemarthriasibirica)和回头青(Pycreusglobosus)3种拟用于三峡库区植被恢复人工种子库构建的草本植物种子，模拟三峡库区反季节的水淹节律进行水淹试验，测定3种草本植物种子库的种子生活力及相关生化特性的变化，以期揭示其对持续水淹胁迫适应能力和机理，为三峡库区生态恢复工程中人工种子库的构建提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 材料

本研究选取了狗牙根、牛鞭草和回头青3种多年生草本植物。其中狗牙根为禾本科狗牙根属植物，具有发达的匍匐茎和较强的繁殖能力，分布范围广，在三峡库区消落带也较为常见。具有广铺地面的根茎，且对一些重金属元素如Cu、Cd、Pb等具有较强的富集能力，是一种不可多得的固堤保土植物[17]。牛鞭草为禾本科牛鞭草属植物，主要分布于中国长江以南各省，在三峡库区消落带也较为常见。繁殖能力强，且耐水淹，在长江中上游地区常常与狗牙根相伴生长[18]。回头青为莎草科扁莎草属植物，分布于除内蒙古和西藏之外的全国各地。喜生于湿地或水边，在三峡库区消落带较为常见，其根入土很深，耐逆性和繁殖力很强。从种子公司采购上述种子(狗牙根：千粒重0.28 g，含水量7%；牛鞭草：千粒重0.24 g，含水量7%；回头青：千粒重0.42 g,含水量11%)并通风避光保存于实验室备用。

1.2 研究方法

1.2.1 水淹处理 分别选取各物种饱满健康的种子100 g与经过灭菌的细沙以1∶2的比例进行混合，用高密度渗透布包裹后放入带有换气泵的水箱中进行水淹试验，每个物种30个包裹。水淹按照三峡库区水位消长节律，从2014年10月开始，与库区蓄水同步进行，各物种均按照三峡库区的消落带不同海拔梯度的出露规律设置有淹水5、6、7、8、9个月和对照组(0个月)共6个处理。每个水淹处理结束时各物种分别取出6个包裹，将包裹内种子用自来水洗净，吸水纸吸干表面水分后用于指标测定。

1.2.2 各指标测定方法

1)种子库种子活力的测定：每个水淹处理结束后从各物种样品中随机选取50枚饱满的种子，用解剖刀沿胚轴切开，然后用0.5%的TTC溶液做种子的活力检测试验，然后观察种子的显色情况，得出种子库具活性种子的百分数。每个物种每个处理水平各6个重复。

2)种子库种子营养成分含量的测定：分别从各处理的每个重复中称取一定数量的种子，测定其蛋白质、可溶性糖和淀粉的含量。其中蛋白质含量的测定用考马斯亮蓝法，可溶性糖含量的测定用蒽酮比色法，淀粉含量的测定用旋光法[19-20]。每个物种每个处理水平各6个重复。

1.2.3 数据处理与分析 分别以水淹时间为自变量，以种子库种子活力、蛋白质含量、可溶性糖含量和淀粉含量为因变量通过SPSS 19.0进行单因素方差分析(one-way ANOVA)，检验淹水时间的处理效应，当某因变量的变化达到显著性时，再采用多重比较(Student-Newman-Keuls)法分析各处理之间的差异性。图表都在Excel 2013中完成。

2 结果与分析

2.1 植物种子生活力随水淹时间的变化

水淹时间对各物种种子生活力有显著影响(P<0.05)，各物种的种子生活力在持续水淹处理中随着水淹时间增加而不断下降(表1)。在水淹处理初期(5-6个月)狗牙根种子生活力在组间无显著差异(P>0.05)，而牛鞭草、回头青各组间差异显著(P<0.05)，但降低幅度不大。但各物种的种子生活力在经历7个月的水淹时均发生大幅下降，其后下降程度减缓。在经过9个月水淹处理后，各物种种子生活力与对照相比差异更大，其中狗牙根的种子生活力降低了34.3%，牛鞭草降低了43.0%，回头青降低了63.8%。相比之下，狗牙根种子生活力降幅最小，回头青种子生活力降幅最大。

表1 水淹对人工种子库种子活力(%)的影响Table 1 Effect of submersion on seed viability of artificial seed banks (%)

注:同列不同字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters within the same column indicate significant difference at the 0.05 level.

2.2 各物种种子营养成分随水淹时间的变化

2.2.1 水淹时间对蛋白质含量的作用 水淹时间显著影响各物种种子的蛋白质含量(P<0.05)，各物种种子的蛋白质含量随着水淹进程都呈现下降趋势(图1)。其中在经历5个月水淹后，狗牙根种子的蛋白质含量虽有所下降，但与对照差异不显著(P>0.05)，而牛鞭草和回头青种子的蛋白质含量显著下降(P<0.05)。水淹6个月后，3个物种的种子蛋白质含量均显著下降(P<0.05)，其后逐步趋于稳定。牛鞭草、狗牙根和回头青的种子在经过9个月的水淹后，蛋白质含量与对照相比分别降低了82.40%、86.64%和87.47%。

2.2.2 可溶性糖含量随水淹时间的变化 各物种种子的可溶性糖含量也显著受到水淹时间的影响(P<0.05)，随着水淹时间的增加种子可溶性糖含量均呈现不断下降的趋势，其最大下降幅度均发生在水淹7个月(图2)。牛鞭草、狗牙根和回头青的种子可溶性糖含量在经过9个月水淹后较对照分别降低了79.51%、85.29%和96.59%。

2.2.3 淀粉含量随水淹时间的变化 水淹显著降低各物种种子的淀粉含量(P<0.05)，且种子淀粉含量随着水淹进程均呈逐渐下降的趋势(图3)。其中牛鞭草和回头青种子的淀粉含量相对狗牙根较低，在整个水淹过程中的下降趋势较为缓慢；狗牙根种子淀粉含量相对较高，在水淹5个月后显著下降(P<0.05)，并在水淹6个月后再次显著下降(P<0.05)，其后趋于稳定。牛鞭草、回头青和狗牙根的种子淀粉含量在经过9个月的水淹后较对照相比分别降低了55.90%、59.09%和70.66%。

图1 种子库蛋白质含量对水淹时间的响应Fig.1 Response of protein content of seed banks to submersion time

注:同物种不同柱上的字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters over different bars within the same species indicate significant differences at the 0.05 level.

图2 种子库可溶性糖含量对水淹时间的响应Fig.2 Response of soluble sugar content of seed banks to submersion time

注:同物种不同柱上的字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters over different bars within the same species indicate significant differences at the 0.05 level.

图3 种子库淀粉含量对水淹时间的响应Fig.3 Response of starch content of seed banks to submersion time

注:同物种不同柱上的字母表示差异显著(P<0.05)。

Note: Different lower case letters over different bars within the same species indicate significant differences at the 0.05 level.

2.3 各物种种子生活力、营养物质和水淹时间之间的相关性分析

牛鞭草种子库活力、蛋白质含量和可溶性糖含量均与水淹时间呈显著负相关(P<0.05)，而淀粉含量与水淹时间的相关性不显著(P>0.05)(表2)。同时，种子活力与淀粉含量呈显著正相关(P<0.05)，与可溶性糖含量呈极显著正相关(P<0.01)，而与其蛋白质含量的相关性不显著(P>0.05)。表明牛鞭草种子库活力、蛋白质和可溶性糖含量均随着水淹时间的延长而不断下降，其中可溶性糖和淀粉含量的变化是影响牛鞭草种子活力的主要因素。

狗牙根种子的蛋白质含量与水淹时间呈显著负相关(P<0.05)，淀粉含量与水淹时间呈极显著负相关(P<0.01)，而种子库活力和可溶性糖含量与水淹时间相关性不显著(P>0.05)。同时，种子库活力与其蛋白质含量呈显著正相关(P<0.05)，与可溶性糖含量呈极显著正相关(P<0.01)，而与淀粉含量的相关性不显著。表明种子的蛋白质和淀粉含量均随着水淹时间的延长而不断下降，其中可溶性糖含量和蛋白质含量的变化是影响狗牙根种子库活力的主要因素。

回头青种子库活力、蛋白质含量、淀粉含量和可溶性糖含量均与水淹时间呈显著负相关(P<0.05)。同时，回头青种子库活力与可溶性糖含量呈极显著正相关(P<0.01)，与蛋白质含量和淀粉含量呈显著正相关(P<0.05)。表明回头青种子的生活力的变化受到3种营养物质的共同作用。

表2 种子库活力、种子营养物质含量与水淹时间之间的相关性分析Table 2 Correlation analysis between viability, nutrient content and submersion time of seed banks

注：* 在 0.05 水平(双侧)上显著相关，** 在0.01 水平(双侧)上极显著相关。

Note: * and ** indicate significant correlation (two-tail) at the 0.05 and 0.01 levels, respectively.

3 讨论

3.1 草本植物种子生活力对水淹时间的响应

水淹会对植物种子的生活力产生影响，但是随着水淹时间的变化，其效应有较大差异[21-22]。短期水淹有助于三峡库区9种植物种子种子的萌发，但长期水淹后种子的萌发能力普遍大幅降低[23]；苍耳(Xanthiumsibiricum)种子的发芽率也随水淹强度增长而降低[10]。本研究中，3种植物种子对水淹都具有一定耐受性，能适应5～6个月的水淹，其中以狗牙根种子库的耐淹能力最强。但3种草本植物种子库的种子生活力与水淹时间呈显著负相关(P<0.05)，随水淹时间的延长种子生活力呈不断下降的趋势。水淹对种子产生的伤害可能来源于两个方面:一是水中溶解氧分压远低于空气，种子正常的呼吸代谢被抑制；二是水淹过程中胚中盐分、蛋白质、淀粉等渗漏物质的渗出造成胚，特别是种皮损坏的胚的损伤[24-25]。

3.2 草本植物种子生活力对水淹的生化响应机制

伴随着水淹引起的种子生活力的变化，种子体内的生化成分也发生相应的变化。短期水淹一般会引起种子内淀粉含量的下降和可溶性糖含量的增加，这是因为水淹工程中种子将储存的淀粉分解为可直接供能的可溶性糖，聚集在体内以供水下生命活动的高能消耗[24]。但是在长期水淹的条件下，种子在水下由于缺氧引起呼吸代谢途径由低耗能的有氧呼吸转变成高耗能的无氧呼吸[25]，长时间的消耗使得蛋白质、淀粉和可溶性糖含量不断下降[26-27]。本研究中，水淹引起了3种植物种子体内生化性质的变化，虽然蛋白质、淀粉和可溶性糖含量与水淹时间相关显著性有所差异，但各营养成分均随着水淹进程呈不断下降的趋势。种子体内生化性质的变化会进一步影响到种子的生活力[28]。相关研究认为，种子中各营养成分含量的高低与种子生活力的大小密切相关，其中以蛋白质含量对种子生活力的影响最大，淀粉和粗脂肪含量影响次之，可溶性糖含量影响最小[20,29]。但在本研究中，虽然3个物种种子的3种营养物质都与其各自种子生活力具有相关性，但显著性却存在差异。通过相关性分析可以看出：3个物种种子生活力均与可溶性糖含量极显著正相关(P<0.01)，说明可溶性糖在3个物种的种子在对水淹胁迫进行响应时起着重要作用，除此之外牛鞭草种子的生活力还取决于其种子淀粉含量的变化，狗牙根种子的种子生活力取决于其蛋白质含量的变化。这表明种子营养物质随水淹时间的变化会对种子生活力造成影响，但影响方式存在差异。本研究中一个值得关注的现象是,3个物种种子营养物质的含量都在水淹7个月后发生急剧下降，这与种子生活力的下降规律一致，表明7个月是这3个物种耐受水淹的关键期。

3.3 三种草本植物种子用于构建三峡库区消落带人工种子库的可能性

三峡工程建成后，水库水位在每年的6月至9月汛期内，一般保持高程145 m运行。10月开始蓄水，水位在10月底上升至175 m，此后至次年4月维持在高水位运行。从5月开始水位逐渐由175 m降低至145 m。不同海拔地段经历的水淹时间有较大区别，最低水位与最高水位的水淹时间分别长达9个月和5个月[30]。因此，用于消落带种子库构建的物种其种子应该至少能耐受5个月以上的水淹，既要能满足首次人工种子库构建时水淹的需要，同时还能在植物成熟后产生新的种子输入自然种子库，为幼苗更新提供繁殖体。鉴于不同植物种子耐水淹能力不同，在构建人工种子库时可以考虑不同海拔梯度采用不同的物种构建人工种子库。已有研究表明，狗牙根、牛鞭草的植株能够具有较强的耐水淹能力[18,31-32]。本研究进一步显示，狗牙根、牛鞭草和回头青的种子在经历5～6个月的水淹后仍能保持较高生活力，由于三峡库区海拔160 m以上相对而言为短期水淹区域，每年一般经受5～6个月的水淹，因此，3个物种都能用于该区域人工种子库的构建。但海拔160 m以下为长期水淹区，一般经历6～9个月的水淹，相比之下，只有狗牙根的种子在经历这么久的水淹后仍能保持一定的生活力，因此只有狗牙根能用于该区域生态恢复人工种子库的构建。

4 结论

3种试验构建的人工种子库均具有一定水淹可持续性，在5～6个月的水淹后种子库仍能保持较高的活力，但水淹7个月后均发生急剧下降。狗牙根种子库的水淹可持续性在3个物种中最强，在水淹9个月后，仍能保持62.0%生活力。种子体内的营养物质含量随着水淹进程均呈不断下降趋势，其中以水淹7个月时的下降幅度最大，与种子生活力的变化特征相吻合。表明随着水淹时间的延长，种子体内的营养物质被持续消耗，种子库的活力不断下降。由于不同植物种子的水淹可持续性有所不同，在构建人工种子库时应根据种子的水淹可持续性，结合消落带不同海拔梯度的水淹时间分梯度进行配置。其中狗牙根适于整个消落带的生态恢复，牛鞭草适于中上部消落带的生态恢复，而回头青只能用于上部消落带的生态恢复。

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(责任编辑 武艳培)

The sustainability of artificial seed banks for three riparian herbs under flooding stress

Chen Shao-hua, Chen Fang-qing, Zhang miao

(1.Hubei Province International Research Center for Ecological Protection and Management in the Three Gorges Area,Yichang 443002, China；2.Engineering Research Center of Eco-environment in the Three Gorges Reservoir Region，China Three Gorges University，Yichang 443002, China)

To provide evidence for the feasibility of artificial seed banks for ecological restoration of fluctuation zone, a flooding experiment was conducted in which the variation in seed viability, protein content, soluble sugar content, and starch content forCynodondactylon,Hemarthriasibirica,Pycreusglobosusartificial seed banks was tested. The flooding experiment included 0, 5, 6, 7, 8, and 9 month flooding treatments that simulated the flooding rhythms at different altitudes in the Three Gorges Reservoir region. The results showed that all three artificial seed banks had good sustainability under short-term submersion. Seed viability of the three artificial seed banks remained relatively high after submersion for 5～6 months. Seed activity of theC.dactylonseed bank ranked the highest among the three seed banks. However, seed activity of all artificial seed banks decreased dramatically after submersion for 7 months and decreased further with increasing submersion time. The seed activity ofC.dactylon,H.sibirica, andP.globosusdeclined by 34.2%, 43.0%, and 63.8%, respectively, when submersed for 9 months. Submersion also induced significant reductions in protein, starch, and soluble sugar content of seeds (P<0.05). A dramatic decline occurred when seed banks were submersed for 7 months. TheC.dactylonseed bank had the best sustainability, followed byH.sibiricaandP.globosus. An additional correlation analysis indicated that there were significant negative linear correlations between submersion time and seed viability forH.sibiricaandP.globosusseed banks. Seed nutrients also exhibited a negative linear correlation with the viability of seed banks, with the degree of correlation depending on the species.

fluctuation zone; ecological restoration; artificial seed bank; seed viability; seed nutrients

Chen Fang-qing E-mail:fqchen@ctgu.edu.cn

2016-03-16接受日期：2016-08-30

国家自然科学基金(51379105)

陈韶华(1990-)，男，甘肃兰州人，在读博士生，主要从事恢复生态学研究。E-mail:523186234@qq.com

陈芳清(1963-)，男，江西清江人，教授，博士，主要从事生态学研究。E-mail:fqchen@ctgu.edu.cn

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0136

S325

A

1001-0629(2016)12-2518-08*

陈韶华,陈芳清,张淼.3种河岸带草本植物人工种子库的水淹可持续性.草业科学,2016,33(12)：2518-2525.

Chen S H,Chen F Q,Zhang M.The sustainability of artificial seed banks for three riparian herbs under flooding stress.Pratacultural Science，2016,33(12)：2518-2525.