温度、光照和水分对珍稀濒危树种崖柏种子萌发的影响

(1.中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所，国家林业和草原局森林生态环境重点实验室，北京100091；2.北京市八一学校附属玉泉中学，北京100091)

崖柏(ThujasutchuenensisFranch.)为柏科(Cupressaceae)崖柏属(Thuja)常绿乔木，我国特有的珍稀濒危裸子植物和白垩纪孑遗植物[1]，国家优先抢救的极小种群植物。天然分布在重庆市城口县、开州区以及四川省宣汉县的石灰岩山区(31°25′～31°44′ N，108°23′～108°54′E)[2]。1892年4月首次发现，此后“绝迹”了100多年，1999年10月被重新发现[3]；在此期间，世界自然保护联盟(IUCN)曾将其定为野外已灭绝(EW)物种[4]，2003年定为极危种(CR)[5]；2013年，根据恢复起来的崖柏野生植株数量，改定为濒危种(EN)[6]。崖柏濒危的主要原因是种群年龄结构不完整，幼龄个体不足[7-8]。造成这种现象有以下原因：一是受结实母树树龄偏大和生境条件的影响，具备结实能力的植株少，且种子败育率高[9]；二是结实间隔期长，种子供应不能持续。自崖柏被重新发现以来，仅出现过1次结实丰年；三是种子小，千粒质量仅为1.496 2 g[9]，种皮近革质，对环境变化的抵御能力差。即便有种子落下，也很难发芽、生长。老龄个体不断死亡，幼龄个体又不能及时补充，是崖柏种群面临的严峻问题。需要积极进行人工干预。从野外种群中收集种子，通过人工播种育苗，而后回归原生地，以弥补崖柏野生种群幼龄个体的不足，是当前避免崖柏种群走向灭绝的正确而有效的途径。

人工播种育苗必须掌握适宜种子萌发的环境条件。只有种子萌发的环境条件适宜，种子潜在的发芽能力才能被激发出来，播种育苗才能取得实效。种子萌发是植物生活史中的一个脆弱环节，受多种环境因素的影响[10-11]。其中，温度、光照和水分是影响种子萌发的主要因素[12-14]。然而，受遗传因素的影响，不同植物受各环境因素影响的程度会有所不同，因而需区分植物种分别进行研究。目前对崖柏的研究主要集中在崖柏的生理生态、种群生态、群落生态、繁殖技术、野外回归以及球果和种子形态测定等方面[2,7,9,15-29]，对适宜崖柏种子萌发环境条件的研究尚未见报道。

本试验选取温度、光照、水分等对植物种子萌发起主要影响的环境因子，通过设置不同的温度条件、光照和黑暗环境、种子浸泡时间等，研究各环境因子对崖柏种子萌发的影响特征，并探讨其影响机制。旨在掌握适宜崖柏种子萌发的环境条件，为崖柏人工播种育苗生产提供参考。

1 材料与方法

1.1 参试种子

崖柏球果采自重庆市开州区雪宝山国家级自然保护区白泉乡林区内崖柏成年野生种群。地理坐标为 31°35′53.8″ N，108°50′36.6″ E，海拔高度为1 661 m。采集时间为2017年11月6日。采集时，球果已由绿色变为浅黄色，尚未开裂，已具备种子成熟的表现特征[9,30]。采回球果后，将其摊放在温度20 ℃左右、相对湿度40%左右的室内通风干燥处自然风干。种鳞开裂后，脱出种子，装入透气的布袋内，置于4 ℃冰箱中保存备用。

1.2 试验方法

1.2.1净种和种子消毒

试验起始时间为2017年12月30日。试验前对参试种子进行净种和消毒。净种采用水选法[31]，即将种子放入盛有40 ℃温水的容器中浸泡，3 d后，清除漂浮在水面上的空粒，而后用0.5%的高锰酸钾溶液浸泡30 min，对种子进行消毒，再用蒸馏水洗掉种子表面的药液，备用。

1.2.2温度处理

设置20 ℃、25 ℃和30 ℃等3种温度处理。试验分别在3个植物光照培养箱(日本三洋公司生产的MLR-350 H植物光照培养箱)中进行。培养器具为内径9 cm铺有2层滤纸的培养皿。每皿播种经过净种和消毒处理的种子100粒，每种处理设3次重复。3种处理累计900粒。每种处理使用1个培养箱。各处理的起始时间一致。各培养箱设置的光照时间和光照强度相同，均为光照时间8 h·d-1[32]，光照强度250μmol·(m2·s)-1。

1.2.3光照处理

设置光照(光照时间为每天8 h、光照强度250μmol·(m2·s)-1)和持续黑暗2种处理。试验分别在2个植物光照培养箱中进行。各培养箱设定的温度条件一致，均为25 ℃。培养器具为内径9 cm铺有2层滤纸的培养皿。每皿播种100粒，每种处理设3次重复。

1.2.4水浸处理

设置浸种72 h、96 h和120 h等3种处理。试验在同一植物光照培养箱中进行。培养箱设定的温度和光照条件一致，均为25 ℃、光照时间为每天8 h、光照强度为250μmol·(m2·s)-1。培养器具为内径9 cm铺有2层滤纸的培养皿。每皿播种100粒，每种处理设3次重复。

1.2.5试验观测

自播种之日起，每天10：00时观测。观测内容主要是萌发和霉烂的种子粒数。每次观测后，视培养皿失水情况补充蒸馏水。补水量以不使种子移动为宜。种子萌发以胚根达到种子长度的1/2为标志[32]。在发芽末期，当连续5 d的发芽粒数平均不足参试种子总粒数的1%时，视为发芽结束[32]。

1.3 数据计算和处理

发芽率、发芽势、发芽指数和霉变率等的计算公式如下[32-34]：

萌发开始时间(d)：指从播种到第1粒种子萌发所需的天数；

萌发持续时间(d)：指从种子萌发开始到萌发结束所需的天数；

发芽率(%)=(正常发芽的种子粒数/参试种子的总粒数)×100%；

霉变率(%)=(发芽结束时霉变的种子粒数/参试种子的总粒数)×100%；

发芽指数= ∑(Gt/Dt)(Gt为在时间t日发芽的种子粒数，Dt为相应的发芽天数)；

发芽势(%)=(规定日期内正常发芽种子粒数/参试种子总粒数)×100%。

在发芽进行到第12天时计算发芽势。

采用SPSS 19.0软件对所得数据在95%水平上进行单因子方差分析(One-way ANOVA)，萌发结果以百分率±标准误表示，绘图采用 Excel 2010软件。

2 结果与分析

2.1 温度对崖柏种子萌发的影响

从不同温度条件下崖柏种子的发芽率(表1)可以看出，随着温度升高种子发芽率呈先增加后减少的变化趋势。25 ℃下的种子发芽率最高(88%)，20 ℃下的次之(77%)，30 ℃下的最低(33%)。发芽指数和发芽势的变化与发芽率的变化趋势一致，但种子霉变率的变化趋势与发芽率、发芽指数、发芽势相反，即随着温度的升高表现为先减少后增加。以25 ℃下的种子霉变率最低(3%)，20 ℃下的次之(6%)，30 ℃下的最高(40%)。对不同温度条件下各观测指标进行差异显著性检验的结果表明，20 ℃和25 ℃条件下的崖柏种子发芽率及霉变率的差异不显著，但二者与30 ℃下的差异显著；不同温度下的发芽指数均存在显著差异(0.01

表1 不同温度条件对崖柏种子萌发的影响

图1 不同温度条件下崖柏种子的萌发过程

2.2 光照对崖柏种子萌发的影响

在25℃下，有光照(8 h·d-1，250μmol·(m2·s)-1)和持续黑暗下的崖柏种子发芽率、发芽指数和发芽势均不存在显著差异(F=1.489，p=0.289>0.05；F=0.924，p=0.391>0.05；F=0.535，p=0.505>0.05)。种子霉变率也不存在显著差异(F=6.000，p=0.07>0.05)(表2)。然而在光照下，崖柏的种子发芽率、发芽指数和发芽势较持续黑暗条件下的稍有提高，种子霉变率略有降低。光照和连续黑暗下的种子萌发开始时间相同，均为播后第6天(图2)，但光照下结束萌发时间(23 d)比持续黑暗下(25 d)提前了2 d。表明，光照对崖柏种子萌发并不是必需的条件，在持续黑暗条件下种子仍能萌发，但在有光照条件下的种子持续发芽的时间比持续黑暗下的有所缩短，且霉变率有所降低。

2.3 浸种时间对崖柏种子萌发的影响

在温度25 ℃、光照时间8 h·d-1，光照强度250μmol·(m2·s)-1下，浸种72 h 、96 h和120 h的种子发芽率、发芽指数、发芽势和霉变率均不存在显著差异(表3)。但是随着浸种时间的增加，种子的发芽率呈逐渐降低的变化趋势；发芽指数呈逐渐升高的变化趋势；发芽势呈先升高后降低的变化趋势，浸种72 h 和96 h种子霉变率相同，浸种120 h的种子霉变率升高。不同浸种时间下种子萌发开始的时间略有不同(图3)。浸种120 h和96 h的种子萌发开始时间为播后第5天，浸种72 h的在播后第6天。浸种120 h和96 h的比浸种72 h的提前了1 d。浸种120 h的种子萌发结束时间(22 d)，比浸种72 h (24 d)和96 h(24 d)提前了2 d；浸种120 h的种子霉变率(5%)比浸种72 h(3%)和96 h(3%)的略有提高。表明，在种子浸泡72～120 h范围内，浸泡时间长短对种子发芽率没有产生较大影响，只是浸种时间长的种子萌发开始的时间早，种子萌发结束的时间略有提前。浸泡120 h的种子霉变率有所提高。

表2 不同光照条件对崖柏种子萌发的影响

图2 光照和持续黑暗条件下崖柏种子的萌发过程

表3 不同浸种时间对崖柏种子萌发的影响

图3 不同浸种时间下崖柏种子萌发进程

3 讨 论

温度是植物种子萌发的必要条件。温度对种子生理过程的影响主要体现在种子的酶促反应过程(水解酶性质、膜结合蛋白的活力及膜透性等方面的变化)、呼吸作用及种子抑制物质的变化上。在最适宜温度下，种子内部酶的活性最高，酶促反应速度快，呼吸作用增强，内部物质分解快，可为种子萌发提供足够的能量和物质[35-37]，不同植物的种子属性不同，适宜种子萌发的最适温度也会有所不同[38-40]。本研究表明，温度变化对崖柏种子萌发影响较大。25 ℃下的种子发芽率和发芽指数最大，且种子萌发开始的时间早，持续萌发的时间短。说明在25℃下崖柏的种子高，而且出苗快、出苗整齐。从温度对种子生理过程的影响分析，可能是该温度能够促进种子吸水、膨胀、种皮软化，加快酶促反应速度，加强呼吸作用，能够为种子萌发和胚的生长提供足够能量和物质。低于25 ℃，种子的发芽率、发芽指数、发芽势降低，种子萌发开始的时间晚，且持续萌发的时间延长，这可能与种子萌发所需的积温不足，不能在一定时间内积累到种子萌发所需的热量有关[35-36]，当温度升高到30 ℃，种子的发芽率、发芽指数显著降低，而霉变率显著提高(表1)，种子萌发开始的时间比25 ℃下的晚，持续萌发时间推迟(图1)，其原因可能在于，温度过高已引起种子内部酶变性，膜的透性以及膜结合的活性受到了影响[37]。在播种育苗生产实践中，萌发开始时间早，持续发芽时间短，可使苗木的生长时间增加，提高苗木生长量，保证苗木充分木质化，这不仅可以节省大量的人力物力，而且还可以使苗木出圃时间提前[32]。

光照对有些植物种子萌发是必不可少的，如合柱金莲木(Siniarhodoleuca)在持续黑暗下种子不能萌发[41]，而对有些植物影响不大。如秦岭冷杉(Abieschensiensis)的种萌发则不受光照条件的限制。只是在黑暗条件下，种子萌发的速率比较慢，发芽不整齐，发芽势低[32]。已有研究表明，种子萌发是否需要光照是由植物的遗传性和环境共同决定的[42]。本研究表明，崖柏种子萌发与秦岭冷杉种子萌发对光的需求相似，无论在光照条件下，还是在连续黑暗条件下均可萌发，而且种子发芽率、发芽指数等均无显著差异(表2，图2)。

水分也是植物种子萌发的必要条件。一般来说，种子萌发时的含水量大大高于贮藏期间的种子含水量，也高于种子完熟期的含水量，所以为了使种子萌发必须供给足量的水分。

浸种是播种育苗预处理中全部技术的核心，目的是让种子吸足水分。因为只有种子吸足水分，才能使胚内的蛋白质等大分子及细胞器活化，进而使种子萌动。但是，如果浸种时间过长，也会导致种子无氧呼吸，使种子腐烂，降低出苗率[43-45]。不同植物的种子生物学特性不同，需要浸种时间的长短也会有所不同。本研究表明，浸泡72 h、96 h和120 h的崖柏种子发芽率、发芽指数、种子霉变率等均无显著差异。但浸种120 h的种子比浸种72 h和96 h的有所提高(表3，图3)。浸种72 h的发芽率最高，霉变率最低，在育苗实践中，浸种72 h足以满足崖柏种子萌发对水分的需求。这与崖柏种子小，种皮薄，近革质，种皮吸水软化较快有关。

4 结 论

1) 崖柏种子萌发的最适温度为25 ℃。低于或高于25 ℃，种子萌发受到抑制。30 ℃高温，会显著降低种子发芽率，且种子霉变率会显著提高。25 ℃下发芽指数和发芽势高，种子萌发开始的时间早，持续萌发的时间短，出苗快，出苗整齐。

2) 光照不是崖柏种子萌发的必要条件。在连续黑暗条件下种子仍可萌发。且在光照和持续黑暗下的种子发芽率、发芽指数、发芽势、霉变率等种子萌发指标间差异不显著。但在有光照条件下的种子持续发芽的时间比持续黑暗下的短，且霉变率低。

3) 浸种72 h、96 h、120 h对崖柏的种子发芽率、发芽指数、发芽势、种子霉变的影响不显著。但浸种72 h的发芽率高，霉变率低，浸种96 h 和120 h的发芽率有所降低，浸种120 h的霉变率有所提高。因此，浸种72 h基本上就可以满足崖柏种子萌发对水分的需求。