鹽堿脅迫和溫度對豬毛蒿種子萌發(fā)的影響

張通穎， 盛 軍， 王柔懿， 李海燕， 楊允菲

(東北師范大學(xué)草地科學(xué)研究所， 植被生態(tài)科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 吉林 長春 130024)

土壤鹽堿化是影響植物生長發(fā)育的主要非生物脅迫因子之一[1]。土壤鹽堿化嚴(yán)重限制了我國農(nóng)牧業(yè)的發(fā)展以及生態(tài)環(huán)境的恢復(fù)[2]。近年來我國鹽堿化土壤面積正呈現(xiàn)出不斷增大的趨勢。一部分鹽堿化土地是在自然過程中通過不斷的鹽分積累而產(chǎn)生的，還有一部分鹽堿化土地是由人類活動(dòng)引起的[3]。松嫩草原是中國北方最大的生產(chǎn)牧場，但是近年來由于人類活動(dòng)的影響，包括過度放牧和農(nóng)田復(fù)墾等使土壤鹽堿化問題愈發(fā)嚴(yán)重[4]。鹽堿草地的恢復(fù)和改良是目前面臨的最主要生態(tài)問題之一，因而，各階段優(yōu)勢植物種萌發(fā)特性的研究對于草地的恢復(fù)具有重要的意義[5]。

種子萌發(fā)期是植物生活史的最初時(shí)期，也是植物生活史中最重要和最脆弱的時(shí)期[6]。發(fā)芽狀況的好壞直接決定植物能否成功建植[4]。影響種子萌發(fā)的非生物因素有很多，諸如陽光、溫度、水以及土壤中的鹽堿成分等[7]。其中，鹽堿土壤中的鹽堿含量高于正常土壤，這些鹽堿成分會(huì)對植物的種子萌發(fā)以及植物體的生長產(chǎn)生重要的影響[8]。研究發(fā)現(xiàn)：土壤中的鹽分會(huì)通過滲透作用以及離子毒害作用來影響植物種子的萌發(fā)[9,10]，同時(shí)土壤中的堿性鹽對種子萌發(fā)的抑制作用要大于中性鹽，這可能是由其較高的pH所致[4,11]。對于東北松嫩平原的鹽堿草地而言，其成分中既含有中性鹽，也含有堿性鹽，所以混合鹽堿脅迫是草地恢復(fù)中存在的主要問題[1]。目前已開展的研究包括模擬鹽堿脅迫對羊草(Leymuschinensis)、星星草(Puccinelliatenuiflora)和朝鮮堿茅(P.chinampoensis)種子萌發(fā)的影響等[12-14]。在草地植被的恢復(fù)過程中，多因素作用下先鋒種子萌發(fā)的研究對于鹽堿草地的恢復(fù)進(jìn)程起著至關(guān)重要的作用[15]。

豬毛蒿(Artemisiascoparia)為菊科蒿屬多年生草本或近一、二年生草本植物，適應(yīng)性強(qiáng)，生態(tài)幅廣，在鹽堿草地、沙丘和沙地中廣泛分布，其植物體內(nèi)含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，適口性好，為各種牲畜所喜食[16]。同時(shí)豬毛蒿通常為鹽堿草地、沙質(zhì)草地和撂荒耕地植被恢復(fù)過程的先鋒植物[17]。目前對豬毛蒿的研究僅見于其揮發(fā)油的化感作用以及發(fā)酵特性的研究等[18-19]，對其種子萌發(fā)的研究主要對種子萌發(fā)格局進(jìn)行了分析[20]，而溫度和鹽堿脅迫影響下豬毛蒿種子萌發(fā)特性的研究迄今未見報(bào)道。本研究在不同的溫度下對鹽脅迫、堿脅迫和混合鹽堿脅迫對草原先鋒植物豬毛蒿種子的萌發(fā)特征進(jìn)行了研究和綜合分析，既有助于深入了解其萌發(fā)的耐鹽堿性，又為豬毛蒿在鹽堿草地恢復(fù)過程中的作用和應(yīng)用實(shí)踐提供科學(xué)的理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

供試的豬毛蒿種子采自松嫩平原南部，吉林省長嶺種馬場，東北師范大學(xué)松嫩草地生態(tài)研究站(地理位置為44°45′ N，123°45′ E)。該地區(qū)屬于溫帶半濕潤、半干旱氣候，年均降水量為470 mm，年均氣溫為4.9℃[12]。

1.2 實(shí)驗(yàn)處理

本實(shí)驗(yàn)分別選用NaCl溶液、Na2CO3溶液以及兩者按摩爾比1∶1混合的混合液來模擬鹽脅迫、堿脅迫以及混合鹽堿脅迫，三種脅迫處理液濃度及pH見表1，設(shè)置25/15℃和 35/25℃(日溫/夜溫)兩組變溫條件，各組溫度條件均設(shè)置高溫10 h(光照，光照強(qiáng)度：9 600lx)，低溫14 h(黑暗，相對濕度：40%)。

表1 處理液濃度及pH值Table 1 The concentration and pH of treatments

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

挑選飽滿且大小一致的豬毛蒿種子，用0.5%的高錳酸鉀溶液消毒10 min，蒸餾水反復(fù)沖洗干凈。將雙層濾紙平鋪于直徑為11 cm的培養(yǎng)皿中，每皿分別加入10 mL不同濃度的鹽、堿處理液，以蒸餾水作為對照(CK)，每皿中均勻擺入50粒豬毛蒿種子，每個(gè)處理3次重復(fù)。實(shí)驗(yàn)過程中，每天15:00采用稱重法補(bǔ)充蒸發(fā)失去的水分，保持處理液濃度恒定。胚根露出種皮1 mm即視為萌發(fā)。每天同一時(shí)間記錄發(fā)芽的種子數(shù)量，連續(xù)3天無種子萌發(fā)時(shí)結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，計(jì)算發(fā)芽率、發(fā)芽速率和發(fā)芽勢，計(jì)算公式如下：

發(fā)芽率=最終發(fā)芽種子數(shù)/種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽速率=ΣG/t(其中，G為每天發(fā)芽率，t為總天數(shù)；此值越大表明發(fā)芽速度越快)[5]。

發(fā)芽勢=第3 d累積發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%[21]。

數(shù)據(jù)采用SPSS 23(Chicago,IL,U.S.A.)軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。利用一般線性模型(General Linear Model)對溫度和鹽堿脅迫的交互影響進(jìn)行雙因素方差分析(α=0.05)，鹽、堿及混合鹽堿脅迫各指標(biāo)的差異顯著性檢驗(yàn)，采用多重比較的LSD法進(jìn)行，溫度間差異顯著性檢驗(yàn)采用獨(dú)立樣本t檢驗(yàn)進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽堿脅迫及溫度對豬毛蒿種子發(fā)芽率的影響

鹽堿脅迫、溫度及其交互作用均顯著影響豬毛蒿種子的發(fā)芽率(P<0.05)(表2)。

表2 鹽、堿及溫度對豬毛蒿種子發(fā)芽率、發(fā)芽速率和發(fā)芽勢影響的雙因素方差分析Table 2 Effects of salt concentration(S),alkali concentration(A),salt-alkali concentration(SA) and temperature (T) of incubation on germination percentage,germination rate and germination potential of A.scoparia by two-way ANOVA

注：表中數(shù)據(jù)為雙因素方差分析中的F值，“*”和“**”表示差異顯著性水平為P<0.05 和P<0.01

Note:Data in the table areFvalues by two-way ANOVA,*and** indicate significant difference at the 0.05 and 0.01 level

15/25℃時(shí)，各濃度NaCl處理下，豬毛蒿種子的發(fā)芽率均高于90.00%，當(dāng)濃度為25.0 mmol·L-1時(shí)達(dá)到最高值為93.33%，但與對照之間差異不顯著；25/35℃時(shí)，僅濃度達(dá)到50.0 mmol·L-1時(shí)的發(fā)芽率顯著低于對照(P<0.05)，下降至32.67%；各濃度下豬毛蒿種子在15/25℃下的發(fā)芽率均顯著高于25/35℃(P<0.05)(圖1A)。表明適宜溫度下豬毛蒿種子具有較強(qiáng)的耐鹽性，且高溫、高鹽以及高溫與高鹽的交互作用均會(huì)抑制豬毛蒿種子的萌發(fā)。

兩種溫度下的Na2CO3處理和NaCl與Na2CO3摩爾比為1∶1(以下簡稱混合溶液)處理均使豬毛蒿種子的發(fā)芽率呈現(xiàn)出隨著脅迫濃度的增大而逐漸下降的趨勢。15/25℃時(shí)，兩種處理液濃度除12.5 mmol·L-1外，豬毛蒿種子發(fā)芽率均顯著低于對照(P<0.05)，至最高脅迫濃度時(shí)，種子發(fā)芽率為69.33%和43.33%，分別降低了22.00%和48.00%；25/35℃時(shí)，各濃度的兩種處理液均使發(fā)芽率極顯著低于對照(P<0.01)，至最高脅迫濃度時(shí)，種子發(fā)芽率為8.67%和5.33%，分別降低了56.66%和60.00%；15/25℃溫度處理下的發(fā)芽率均顯著高于25/35℃處理下的發(fā)芽率(P<0.05)(圖1B，圖1C)。表明Na2CO3和混合溶液均會(huì)抑制豬毛蒿種子的萌發(fā)，但豬毛蒿種子仍能耐受一定的堿性鹽脅迫，且高溫下這種抑制作用會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。兩種變溫影響下，各濃度NaCl處理下豬毛蒿種子發(fā)芽率均顯著高于其他兩種處理(P<0.05)(圖2)，表明相比于鹽脅迫，堿性鹽脅迫對豬毛蒿種子萌發(fā)的抑制作用更強(qiáng)。15/25℃時(shí)，處理液濃度達(dá)到50.0 mmol·L-1時(shí)，堿處理下豬毛蒿種子的發(fā)芽率顯著高于混合脅迫處理(P<0.05)(圖2A)；25/35℃時(shí)，各濃度的堿脅迫與混合脅迫處理之間種子的發(fā)芽率差異均不顯著(圖2B)，由此表明，堿性鹽的pH越高，對豬毛蒿種子萌發(fā)的抑制作用越強(qiáng)。

圖1 不同脅迫類型與溫度對豬毛蒿發(fā)芽率的影響Fig.1 Effects of different stress and temperatures on germination percentage of A. scoparia注：不同字母表示同一溫度下各處理間差異顯著(P<0.05)，**表示同一濃度處理下不同溫度間差異顯(P<0.01)。下同Note:Different letters indicate significant difference among treatments under the same temperature at the 0.05 level,**means significant difference between temperatures under the same concentration at the 0.01 level．The same as below

圖2 各溫度下不同處理液對豬毛蒿種子發(fā)芽率的影響Fig.2 Effects of different stress on germination percentage of A. scoparia under different temperatures

2.2 鹽堿脅迫及溫度對豬毛蒿種子發(fā)芽速率的影響

鹽堿脅迫、溫度及其交互作用均顯著影響豬毛蒿種子的發(fā)芽速率(P<0.05)(表2)。15/25℃時(shí)，各濃度NaCl處理下，豬毛蒿種子的發(fā)芽速率之間差異不顯著，濃度為25.0 mmol·L-1時(shí)達(dá)到69.52%，整體呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢；25/35℃時(shí)，至最高脅迫濃度時(shí)，種子的發(fā)芽速率顯著低于對照(P<0.05)，下降了26.58%(圖3A)；豬毛蒿種子在低溫處理下的發(fā)芽速率顯著高于高溫處理(P<0.05)，表明豬毛蒿種子具有較強(qiáng)的耐鹽性，適宜溫度下一定濃度的鹽脅迫會(huì)使豬毛蒿種子的萌發(fā)速率加快。

兩種溫度下的Na2CO3處理和混合溶液處理均使豬毛蒿種子的發(fā)芽速率呈現(xiàn)出隨著脅迫濃度的增大而逐漸下降的趨勢，且除低溫下處理液濃度為12.5 mmol·L-1外，其余處理下種子發(fā)芽速率均顯著低于對照(P<0.05)；25/35℃時(shí)，至最高脅迫濃度時(shí)，兩種脅迫處理下的種子的發(fā)芽速率為6.86%和3.81%，分別下降了46.1%和49.15%(圖3B，圖3C)；兩種變溫影響下，除低溫下處理液濃度為12.5 mmol·L-1時(shí)混合溶液處理下的發(fā)芽速率稍高于NaCl處理外，其余NaCl處理下的豬毛蒿種子發(fā)芽速率均顯著高于其他兩種處理(P<0.05)(圖4)，表明相對于鹽脅迫來說，堿脅迫對豬毛蒿種子發(fā)芽速率的抑制作用更強(qiáng)，且在高溫下這種抑制作用會(huì)進(jìn)一步增強(qiáng)。

圖3 不同脅迫類型與溫度對豬毛蒿發(fā)芽速率的影響Fig.3 Effects of different stress and temperatures on germination rate of A. scoparia

圖4 各溫度下不同處理液對豬毛蒿種子發(fā)芽速率的影響Fig.4 Effects of different stress on germination rate of A. scoparia under different temperatures

2.3 鹽堿脅迫及溫度對豬毛蒿種子發(fā)芽勢的影響

鹽堿脅迫、溫度及其交互作用顯著影響豬毛蒿種子的發(fā)芽勢(P<0.05)(表2)。15/25℃時(shí)，各濃度NaCl處理下豬毛蒿種子的發(fā)芽勢與對照之間差異不顯著，但均高于70%，濃度為25.0 mmol·L-1時(shí)達(dá)到79.33%；25/35℃時(shí)，僅濃度達(dá)到50.0 mmol·L-1時(shí)，發(fā)芽勢顯著低于對照(P<0.05)，下降了33.33%(圖5A)。15/25℃時(shí)，三種脅迫處理下豬毛蒿種子的發(fā)芽勢除NaCl濃度為25.0 mmol·L-1外，均顯著高于25/35℃(P<0.05)；表明在適宜溫度下，豬毛蒿種子在一定濃度的鹽脅迫下能夠保持較高的種子活力，高溫與高鹽的交互作用使豬毛蒿種子活性下降。

兩種溫度處理下的Na2CO3溶液以及高溫處理下的混合溶液均使豬毛蒿發(fā)芽勢呈現(xiàn)出隨處理液濃度增大而逐漸下降的趨勢。15/25℃時(shí)，除Na2CO3濃度為12.5 mmol·L-1外，其余Na2CO3處理下的發(fā)芽勢均顯著低于對照(P<0.05)，混合溶液濃度處理下，濃度為12.5 mmol·L-1時(shí)，發(fā)芽勢最大，但與對照之間差異不顯著，濃度達(dá)到50.0 mmol·L-1時(shí)，發(fā)芽勢最小，與對照相比下降了48.00%；25/35℃時(shí)，兩種脅迫處理在各濃度下均顯著低于對照(P<0.05)，至最高濃度時(shí)，發(fā)芽勢為8.67%和5.33%，分別下降了52.66%和56.00%(圖5B，5C)；除低溫下處理液濃度為12.5 mmol·L-1時(shí)混合溶液處理下的發(fā)芽勢稍高于NaCl處理外，其余NaCl處理下的種子發(fā)芽勢顯著高于另外兩種脅迫處理(P<0.05)(圖6)，表明相對于鹽脅迫來說，堿性鹽脅迫對豬毛蒿種子的傷害作用更大，在適宜溫度下，豬毛蒿種子在低濃度的堿性鹽脅迫下能夠保持較高的種子活性，但超過一定范圍堿脅迫就會(huì)對豬毛蒿種子產(chǎn)生傷害，且這種傷害作用在高溫下會(huì)進(jìn)一步加劇。

圖5 不同脅迫類型與溫度對豬毛蒿發(fā)芽勢的影響Fig.5 Effects of different stress and temperatures on germination potential of A. scoparia

圖6 各溫度下不同處理液對豬毛蒿種子發(fā)芽勢的影響Fig.6 Effects of different stress on germination potential of A. scoparia under different temperatures

3 討論

鹽堿脅迫是影響生物生長的重要逆境因素之一[21]。鹽脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用主要通過滲透作用與離子毒害作用來實(shí)現(xiàn)，而堿脅迫對種子萌發(fā)的抑制在鹽脅迫的基礎(chǔ)上，還包括較高的pH值，這種作用可能會(huì)使種子發(fā)生離子失衡，從而使堿脅迫對植物種子的傷害作用更強(qiáng)[2]。本實(shí)驗(yàn)的研究結(jié)果也體現(xiàn)了這一點(diǎn)，單獨(dú)鹽脅迫處理時(shí)，每個(gè)處理濃度下的豬毛蒿種子的發(fā)芽狀況均表現(xiàn)良好，且在處理液濃度為25.0 mmol·L-1時(shí)，發(fā)芽率最高，表明適宜濃度的鹽脅迫會(huì)刺激豬毛蒿種子的萌發(fā)，同時(shí)體現(xiàn)了豬毛蒿種子一定的抗鹽特性，這可能與適宜的鹽濃度會(huì)促進(jìn)細(xì)胞膜的滲透調(diào)節(jié)有關(guān)[22]。在適宜溫度下，豬毛蒿種子在低濃度的鹽脅迫、堿脅迫以及混合鹽堿脅迫下，均有較高的發(fā)芽率，體現(xiàn)出豬毛蒿種子具有一定的抗鹽堿特性，這可能是豬毛蒿適應(yīng)能力強(qiáng)，分布范圍廣的一個(gè)主要原因。同一濃度不同脅迫液之間的比較發(fā)現(xiàn)，堿脅迫對種子萌發(fā)的抑制作用更強(qiáng)，可能與堿脅迫較高的pH有關(guān)[2,23]。另外，通過兩個(gè)溫度梯度下發(fā)芽指標(biāo)的比較，發(fā)現(xiàn)高溫與堿的交互作用對種子萌發(fā)產(chǎn)生的傷害要高于高溫與鹽的交互作用，由此體現(xiàn)了堿脅迫對豬毛蒿種子萌發(fā)的更強(qiáng)的抑制作用。

溫度是影響種子萌發(fā)的主要生態(tài)因子之一。溫度主要是通過影響種子的膜透性、膜結(jié)合蛋白的活力以及種子內(nèi)的各種物質(zhì)代謝過程，促進(jìn)赤霉素、細(xì)胞分裂素等的合成來影響該物種的萌發(fā)和分布[24]。不同的溫度下種子的萌發(fā)狀況因植物的種類不同而不同[24]。一般的，與恒溫條件相比，變溫條件因更加接近于自然狀況而更能真實(shí)的反映種子在自然條件下的萌發(fā)狀況[12]。本研究中，15/25℃時(shí)豬毛蒿種子的發(fā)芽率、發(fā)芽速率和發(fā)芽勢均顯著高于25/35℃時(shí)，可見，適當(dāng)?shù)牡蜏卮龠M(jìn)了豬毛蒿種子的萌發(fā)，相對的高溫則會(huì)抑制豬毛蒿種子的萌發(fā)，此研究結(jié)果驗(yàn)證了作者在松嫩平原觀察到的豬毛蒿的實(shí)際萌發(fā)情況，即豬毛蒿總是在初秋季節(jié)開始大量萌發(fā)并形成大小不等的幼苗，這些具有一定根系的幼苗通常能夠越冬并能渡過干旱的春季，而在夏季雨熱同季時(shí)快速生長，這充分體現(xiàn)出豬毛蒿對松嫩平原氣候特點(diǎn)的適應(yīng)。

已有研究發(fā)現(xiàn)，溫度與鹽、堿的交互作用對種子的發(fā)芽率和發(fā)芽速度均存在顯著影響[5]。不適宜的溫度及鹽堿脅迫會(huì)抑制種子的萌發(fā)，甚至?xí)狗N子徹底死亡[25]。但是對于某些植物種子來說，適宜的溫度及鹽堿脅迫會(huì)促進(jìn)其種子的萌發(fā)[22]。本研究中，溫度與鹽、堿的交互作用均對豬毛蒿種子的萌發(fā)產(chǎn)生顯著影響(表2)，在三種不同脅迫處理下，豬毛蒿種子的發(fā)芽率、發(fā)芽速率和發(fā)芽勢總體上表現(xiàn)出不同程度的下降，且在高溫處理下，下降幅度進(jìn)一步增大；但在低溫處理下中低濃度的鹽脅迫和混合脅迫會(huì)使豬毛蒿種子的發(fā)芽率和發(fā)芽速率高于對照，可見，高溫與鹽、堿的交互作用對種子萌發(fā)產(chǎn)生了雙重脅迫，加劇了對種子萌發(fā)的抑制作用[12]，但適宜的溫度及鹽堿脅迫也促進(jìn)了種子的萌發(fā)，提高了種子活性[22]。

本研究通過不同溫度和鹽堿脅迫對豬毛蒿種子萌發(fā)特性的比較分析，發(fā)現(xiàn)豬毛蒿種子對鹽堿化土壤中不同的鹽堿成分耐受性不同，對中性鹽的耐受性較強(qiáng)，而對堿性鹽的耐受性較弱，需要一定的低溫刺激才能更好的萌發(fā)。這些現(xiàn)象進(jìn)一步解釋了豬毛蒿適應(yīng)能力強(qiáng)且分布范圍廣的原因。同時(shí)在應(yīng)用豬毛蒿進(jìn)行退化鹽堿草地的恢復(fù)時(shí)，需進(jìn)行適時(shí)適地播種，即在溫度較低的初秋季節(jié)以及輕度鹽堿化或中度鹽堿化的鹽堿地中播種，將更有利于退化鹽堿草地的恢復(fù)。

4 結(jié)論

高鹽脅迫、堿脅迫及二者與高溫的交互作用會(huì)抑制豬毛蒿種子的萌發(fā)；豬毛蒿種子的萌發(fā)需要適宜的溫度，本實(shí)驗(yàn)中15/25℃為豬毛蒿種子萌發(fā)的適宜溫度；適宜溫度下一定濃度的鹽堿脅迫可以促進(jìn)豬毛蒿種子萌發(fā)；豬毛蒿種子對中性鹽脅迫具有較強(qiáng)的耐受性，對堿性鹽脅迫的耐受性較弱。