长芒草(Stipa bungeana)种子萌发与出苗对关键环境因子的响应

孙清琳,张瑞红,易三桂,杨 柳,李巧燕,周继华,来利明,姜联合,郑元润,*

1 中国科学院植物研究所北方资源重点实验室,北京 1000932 中国科学院大学,北京 100049

种子萌发是种子植物生活史中的一个重要过程[1],是植物适应环境变化以保持自身繁衍的重要特性[2]。种子萌发决定着植物萌发后所面临的生存环境和植物进入生态系统的时间[3],直接影响着植被的分布、动态和多样性[4]。因而,深入研究种子萌发对不同环境因子的反应,对理解植物群落动态,促进退化植被恢复具有重要意义。种子萌发是一个复杂的生理过程,受光照、温度、水势和埋深等多种环境因素的影响[5]。光照在植物生活史及种子萌发过程中起着重要的环境调节信号的作用[6],进而控制种子萌发[7]。大量研究表明,光照能够提高种子中某些酶和生理活性光敏色素的含量,促进种子萌发[8]。部分植物种子萌发不受光照影响[9],这是由植物的遗传特性和环境因素共同决定的[10]。对于部分植物,光照可单独控制种子萌发,其他植物种子萌发则受光照与温度的共同影响[11]。因而,温度亦是影响种子萌发的重要环境因子之一,种子只有在适宜的温度范围内才能萌发。研究表明昼夜变温相对于恒温更有利于种子萌发[2]。土壤水分是影响种子萌发的另一个重要环境因子,在一定范围内(1.7%—14.7%)种子萌发百分率与土壤水分成正比关系[12]。水势在种子萌发过程中亦发挥着关键作用[7]。由于高分子聚乙二醇(PEG,polyethylene glycol)不能穿过细胞壁,且为惰性物质[13],通常通过高分子材料如(PEG6000)溶液处理种子的方式研究水势对种子萌发的影响[14]。适当的沙埋能够增加种子与土壤的接触面积及种子周围的土壤湿度,同时可以避免因土壤表面温度过高而导致种子的损伤,因而适当的沙埋有利于种子萌发[5,15]。研究表明沙埋在2—6 cm范围内大部分种子均能萌发,这与植物种及种子性状密切相关[16]。

内蒙古鄂尔多斯高原处于中国北部,属温带大陆性干旱半干旱高原气候。长芒草(Stipabungeana)为禾本科针茅属多年生草本植物[17],其草质柔软、营养丰富,是牲畜喜食的天然牧草,长芒草草原为鄂尔多斯高原地带性植被[18],具有重要的生态和经济价值。但由于长期过度人为干扰,以长芒草为主的暖温带草原被以油蒿(Artemisiaordosica)为主的半灌木植被取代,长芒草仅在鄂尔多斯高原硬梁呈片断化存在,严重降低了草地的饲用价值[19],同时导致草地灌丛化和荒漠化。为更加深入理解长芒草草原被油蒿半灌木植被取代的原因,探讨油蒿灌丛化草地向长芒草草原恢复的途径,提高鄂尔多斯高原草地的饲用价值和生态功能,有必要从种子萌发的角度理解油蒿取代长芒草的过程和机制。本文研究关键环境因子和长芒草种子萌发与幼苗出土的关系,有助于从种子萌发的角度理解油蒿代替长芒草的机制,对理解鄂尔多斯高原群落动态、草地灌丛化发生机制,制定油蒿灌丛化草地恢复的适宜对策具有重要意义。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

鄂尔多斯高原位于内蒙古自治区中南部(37°35′—40°51′N,106°42′—111°27′E),海拔850—1600 m。处于温带典型草原向荒漠草原过渡的半干旱区,气候上属于四季分明的温带强大陆性、弱季风性、干旱半干旱高原气候。11月至3月平均月气温为5.8℃,4月至10月为7.4—21.9℃,年平均气温一般在5.5—7.5℃之间。年降水量为150—450 mm,自东向西逐渐减少,93%的降水发生在4—10月。年蒸发量多在2200—2600 mm[20]。植被盖度由东向西逐渐降低[21]。

1.2 研究方法

实验所需种子于2016年9月种子成熟季节采集于鄂尔多斯高原伊金霍洛旗(39°29′N,110°11′E)。为充分反映植物的遗传多样性,在伊金霍洛旗硬梁地分布于坡顶、坡中、坡底的长芒草群落中各设置10个10 m×10 m的样方,在每个样方中随机选取50个以上的长芒草植株,采集成熟长芒草种子。采集到的种子混匀后于室内自然干燥,在4℃的条件下储藏直至实验开始。实验开始前,将长芒草种子用0.52%次氯酸钠溶液表面消毒1分钟,然后用蒸馏水冲洗几次,避免真菌感染[11]。在种子萌发实验中,每个处理包括5个重复,每个重复使用25粒种子,每天进行观察。如胚根出现,视为种子萌发。实验持续到不再有种子萌发时为止。

1.2.1温度和光照对种子萌发的影响

实验在温度和光照自动控制的生长室箱内进行。采用锡纸包裹培养皿控制光照,包括3种处理：持续黑暗,培养皿加水,实验结束时检查种子萌发情况；黑暗,培养皿加水,每天检查种子萌发情况；光照,采用冷白色荧光灯进行光周期(14 h光照,10 h黑暗)控制,光通量密度为125 μmol m-2s-1。根据半干旱区春季种子萌发时的多年平均温度及昼夜温差,同时考虑种子萌发的最低和最高温度[7],设定5个昼夜变温处理,分别为5℃:15℃、10℃:20℃、15℃:25℃、20℃:30℃和25℃:35℃(夜间：白天)。

1.2.2水势和温度对种子萌发的影响

采用已知水势(θw)的聚乙二醇6000(PEG6000)溶液对长芒草种子进行处理[22]。设定11个水势处理,分别为0、-0.2、-0.4、-0.6、-0.8、-1.0、-1.2、-1.4、-1.6、-1.8 MPa和-2.0 MPa。每个水势均设置5个温度处理(10℃、15℃、20℃、25℃和30℃)。实验在黑暗条件下进行,每天检查种子萌发情况。每天更换培养皿中约三分之二的水或溶液,避免水势发生显著变化。

1.2.3沙埋深度和供水对出苗的影响

实验在15℃:25℃(夜间：白天),125 μmol m-2s-1光通量密度下进行。实验用沙取自鄂尔多斯高原伊金霍洛旗,过筛去除杂质后,在100℃条件下烘干48 h,使其中可能存在的其他种子失活。实验使用塑料圆柱形容器(内径6.8 cm,高16 cm),先将经处理过的沙子填充到拟放置种子的深度位置,播种后将该容器覆满沙子,并使沙表面保持水平。浇水时避免干扰种子,容器底部开排水孔,排水孔上方垫细尼龙网,防止细沙渗漏,同时允许排出过量水分。每天改变容器位置,使各容器受光一致。

深埋深度为0.5、1、1.5、2、3、5 cm 6个处理。供水设置为单次2.5、5、7.5、10、15、20 mm和30 mm降雨的7个水分处理,各处理供水量分别为9.1、18.2、27.2、36.3、54.5、72.6 mL和109.0 mL；设置多次2.5、5、7.5 mm降雨3个水分处理,多次供水设置为每3天浇水一次,各处理供水量分别为9.1、18.2、27.2 mL/3d。计算公式为：π×(d/2)2×h/10,其中d为圆柱形容器内径(cm),h为降雨量(mm)。

1.3 统计分析

采用最终萌发百分率(最终出苗百分率)和萌发速率(出苗速率)描述长芒草种子的萌发与出苗情况。最终萌发百分率(最终出苗百分率)为实验过程中萌发或出苗的种子数量占实验使用种子数量的百分比,萌发速率(出苗速率)是描述萌发或出苗快慢的指标,其计算公式为[23]：

式中,n代表每个处理中使用的种子数量,Gi代表ti(ti= 0,1,2,3…,∞)天的萌发或出苗数量。萌发速率或出苗速率值越大,表示萌发速率或出苗速率越快。

在进行方差分析时,先对数据进行方差齐性检验,必要时,对数据进行反正弦平方根变换。根据实验设计进行独立样本T检验或双因素方差分析(ANOVA),方差齐性时采用Tukey检验进行多重比较,方差不齐时采用Dunnett′s T3检验进行多重比较,确定哪些处理间的差异达到显著水平。所有统计分析均采用SPSS 21.0软件进行,采用Sigma Plot 10.0作图。

2 结果

2.1 温度与光照对长芒草种子萌发的影响

双因素方差分析结果表明温度和光照对长芒草种子最终萌发百分率和萌发速率均有显著影响；温度和光照的交互作用对长芒草种子最终萌发百分率有显著影响,对萌发速率无显著影响(表1)。

表1 温度和光照对长芒草种子萌发影响的双因素方差分析F值

df为自由度,P为概率

与黑暗和持续黑暗相比,光照条件下长芒草种子的最终萌发百分率最高。在光照和黑暗条件下,10℃∶20℃、15℃∶25℃时长芒草种子的最终萌发百分率显著高于其他变温条件下种子的最终萌发百分率。在持续黑暗条件下,15:25℃时最终萌发百分率最大。在低于15℃∶25℃时,光照、黑暗和持续黑暗条件下种子萌发百分率均随温度升高而增加；超过该温度时,种子萌发百分率随温度上升而下降。在25℃∶35℃时最终萌发百分率最低。黑暗与持续黑暗间的最终萌发百分率无显著性差异(图1)。

在5℃∶15℃时,光照条件下长芒草种子最终萌发百分率显著高于黑暗和持续黑暗条件下的最终萌发百分率；在10℃∶20℃时,光照条件下长芒草种子最终萌发百分率显著高于持续黑暗条件的种子萌发百分率。其他变温条件下,光照条件下的种子最终萌发百分率略高于黑暗条件下的最终萌发百分率,但差异并不显著。除在光照条件下10℃∶20℃时萌发速率达到最大值,在20℃∶30℃时光照与黑暗条件下的萌发速率差异显著外,温度、光照对长芒草种子萌发速率的影响与对最终萌发百分率的影响趋势基本一致(图1、图2)。

图1 光照和温度对长芒草种子最终萌发百分率的影响Fig.1 Effects of light and alternating temperature on final percent germination of Stipa bungeana不同小写字母表示在不同温度处理间存在显著差异,不同大写字母表示在不同光照处理间存在显著差异(P<0.05)

图2 光照和温度对长芒草种子萌发速率的影响 Fig.2 Effects of light and alternating temperature on germination rate of Stipa bungeana不同小写字母表示在不同温度处理间存在显著差异,不同大写字母表示在不同光照处理间存在显著差异(P<0.05)

2.2 温度和水势对种子萌发的影响

温度和水势及两者之间的交互作用对长芒草种子最终萌发百分率和萌发速率均有显著影响(表2)。

种子最终萌发百分率随水势的降低而降低,在所有的温度条件下,0 MPa条件下种子的最终萌发百分率最高。当水势为-1 MPa或低于-1 MPa时很少有种子能够萌发。除-0.2、-0.6、-0.8、-1 MPa水势时种子的最终萌发百分率在15℃时达到最大值外,其他各水势条件下,种子最终萌发百分率在10℃时到达最大值。当温度为30℃时最终萌发百分率趋近于0(表3)。

长芒草种子萌发速率对温度和水势的响应与最终萌发百分率一致。

2.3 沙埋和供水对长芒草出苗的影响

沙埋和供水及两者之间的交互作用对长芒草最终出苗百分率和出苗速率均有显著影响(表4)。

多次供水条件下的最终出苗百分率高于单次供水。单次供水30 mm时,长芒草出苗较少,其他单次供水条件下长芒草基本没有出苗。多次供水为2.5 mm/3d时,长芒草不能出苗。多次供水5 mm/3d和7.5 mm/3d时,在各个沙埋深度,长芒草均能出苗；但沙埋深度≥3 cm时,最终出苗百分率显著降低；沙埋深度为5 cm时,长芒草几乎不能出苗。沙埋深度为0.5、1、1.5、2 cm时,长芒草最终出苗百分率显著高于其他沙埋深度时的最终出苗百分率(P<0.01)；沙埋深度为0.5、1、1.5、2 cm时,最终出苗百分率差异不显著。供水为7.5 mm/3d时的出苗百分率略高于 5 mm/3d时的出苗百分率。总体趋势为最终出苗百分率随沙埋深度的增加而降低,在供水量为7.5 mm/3d,沙埋深度为0.5—2 cm时,最终出苗百分率较高(图3)。

表2 温度和水势对长芒草种子萌发影响的双因素方差分析F值

表3 温度和水势对长芒草种子最终萌发百分率影响的多重比较

表中数值为平均值±标准误(mean±SE)；不同小写字母表示相同温度下不同水势处理间差异显著；不同大写字母表示相同水势下不同温度处理间差异显著(P<0.05)

表4 供水和沙埋对长芒草出苗影响的双因素方差分析F值

长芒草出苗速率对沙埋和供水的响应与最终出苗百分率基本一致。除在多次供水5 mm/3d和7.5 mm/3d时,长芒草出苗速率较高外,其他供水条件下的出苗速率几乎为0。在多次供水5 mm/3d和7.5 mm/3d条件下,埋深0.5、1、1.5、2 cm时的出苗速率显著高于埋深3、5 cm时的出苗速率(P<0.01)。在7.5 mm/3d时,出苗速率最高(图4)。

图3 埋深和供水对长芒草最终出苗百分率的影响Fig.3 Effect of burial depth and water supply on final percent seedling emergence of Stipa bungeana不同小写字母表示在不同供水处理间存在显著差异 (P<0.05)

图4 埋深和供水对长芒草出苗速率的影响Fig.4 Effect of burial depth and water supply on seedling emergence rate of Stipa bungeana不同小写字母表示在不同供水处理间存在显著差异 (P<0.05)

3 讨论

种子萌发是植物生活史的关键阶段,也是对外界环境因子反应最敏感的时期之一[24]。在种子萌发过程中,种子内部进行着活跃的物质代谢反应,在一定的范围内,相对较高的温度对种子萌发具有促进作用,超过某一特定范围的过高和过低温度均不利于种子萌发[25]。本文结果表明,在10℃∶20℃—15℃∶25℃温度范围内,长芒草种子萌发快速且集中,15℃∶25℃为长芒草种子的最适萌发温度。

光照是影响种子萌发的诸多环境因素之一[26]。种子成熟后,可能散布在不同的环境中,种子通过感光性识别早期生境的适宜性,从而诱导休眠或萌发[8]。在干旱、半干旱区,种子萌发对光照的需求不同,梭梭(Haloxylonammodendron)[27]和胡杨(Populuseuphratica)种子[28]萌发不受光照影响；光照对沙芥(Pugioniumcornutum)[29]、油蒿[7,30]等种子萌发具有明显抑制作用,特别是当温度不适而光照较强时,油蒿种子萌发受到的抑制更大。本文结果显示适当光照对长芒草种子萌发具有促进作用。由于油蒿植株较长芒草高大,当油蒿占主导地位时,种子所处位置的光照较弱,利于油蒿种子的萌发,而不利于长芒草种子的萌发。

水分是影响干旱半干旱区种子萌发、幼苗出土和生态系统稳定的主要环境因子[25],种子萌发对于干旱胁迫非常敏感[31]。PEG溶液通过抑制种子的吸水过程而抑制种子萌发[32],超过一定浓度的PEG溶液会对幼苗造成严重干旱胁迫,甚至造成幼苗失水死亡[33]。许多研究表明随干旱胁迫的增强,种子萌发呈下降趋势[7],甚至停止萌发。本文结果表明长芒草萌发随水势的降低而降低,超过最适温度时,随温度的升高而下降,超过30℃时,很少有种子能够萌发。

在沙丘生境中,植物种子会因多种因素被埋于不同深度的沙土中[34],影响种子萌发。由于强光、高温和干燥等原因,处于沙子表面的种子萌发率非常低[30]。但当沙埋深度超过植物的忍耐限度后,植物生长会被抑制,甚至死亡；但适量的沙埋能够促进沙生植物种子萌发、幼苗出土以及幼苗生长[35]。沙埋导致种子萌发及生长的物理环境产生了一系列变化,如温度、湿度、土壤通透性以及植物-土壤微环境等[15]。种子遇到沙埋后的结果有四种：(1)种子萌发且幼苗顺利出土；(2)种子萌发但幼苗不能出土,幼苗因土壤微生物的作用而腐烂；(3)种子没有萌发且被其他生物破坏；(4)种子进入强迫休眠或诱导休眠,成为种子库的一部分[15]。本文中,长芒草种子在0.5—2.0 cm的沙埋深度范围内能够较好出苗,这主要是由于沙埋较浅时,种子所处环境的温度及湿度条件适宜。超过2.0 cm时,出苗百分率随沙埋深度增加而下降,当沙埋超过3 cm时,基本不能出苗。由于沙埋会降低光照强度[36],较深的沙埋使长芒草种子基本处于黑暗状态,加之其他不利条件的叠加,不利于长芒草的出苗。

水分条件是制约幼苗出土的关键因素,土壤水分含量过低,种子不能吸收足够的水分,导致出苗率低,甚至不能出苗[6]。本文中,单次供水及较低的多次供水条件下,长芒草基本不能出苗,较高的多次供水有利于长芒草的出苗。研究表明油蒿在单次供水量达到7.5 mm时即可萌发[7,30,37]。在鄂尔多斯高原,当长芒草草地发生严重灌丛化时,土壤表层砂粒含量较高[38],土壤表层持水能力低,降雨发生后,土壤表层很快干燥,有利于油蒿种子的萌发,不利于长芒草种子萌发。而在无灌丛化或灌丛化程度较轻时,情况相反,这可能是由于干扰增加,使土壤结构特别是表层土壤结构改变,油蒿与长芒草的竞争能力此消彼长,进而导致长芒草草地被以油蒿为主的灌丛草地代替。因此,油蒿与长芒草种子萌发与幼苗出土对光照和土壤水分的不同需求及干扰导致的土壤结构改变可能是导致长芒草草地发生灌丛化的原因之一。

4 结论

通过长芒草种子萌发与幼苗出土对关键环境因素响应的研究发现,长芒草种子的萌发需要光照,适宜的温度、较高的土壤水分、合适的沙埋。光照对长芒草种子萌发有促进作用,15℃∶25℃为最适萌发温度,水势低于-1 MPa时很少有种子萌发,幼苗出土适宜的沙埋深度为0.5—2 cm,单次供水基本不能促使种子萌发,较高的多次供水可以较好促进种子萌发。