固沙樟子松種子萌發與幼苗生長對干旱脅迫的響應及抗旱性評價

王東麗， 張日升， 方 祥， 王 凱， 吳葉禮， 秦崧悅， 龍丹丹， 沈海鷗

（1. 遼寧工程技術大學 環境科學與工程學院， 遼寧 阜新123000； 2. 遼寧省沙地治理與利用研究所 章古臺科爾沁沙地生態系統國家定位觀測研究站， 遼寧 阜新123000； 3. 吉林農業大學 資源與環境學院， 吉林 長春130021）

樟子松Pinus sylvestrisvar.mongolica以其抗逆性強（耐旱性、 耐寒性）、 速生、 成材早的生物學特性， 已成為中國北方干旱半干旱地區山地、 草原和沙地植被恢復的主要造林樹種之一， 發揮著重要的水土保持與防風固沙等生態效益［1-2］。 然而， 不同引種區的樟子松林在非衰老期開始出現生長衰退、 病蟲害， 甚至死亡等現象［3-5］。 同時， 中國北方最早引種的樟子松已進入更新階段， 天然更新是森林經營可持續發展的重要方式。 樟子松在天然分布區具有很強的天然更新能力， 但在大部分引種區卻存在天然更新困難的問題［1，6-8］。 可是， 大面積的樟子松造林仍在進行［9］， 其可持續發展問題亟需解決， 天然更新引起相關學者的廣泛關注。 植物更新的關鍵敏感期在于種子萌發與幼苗生長［10］。 以往研究發現， 極端溫度、 蒸發量和多年平均積雪日數等氣候因子［11］與林分郁閉度、 枯枝落葉層、 植被蓋度和立地條件等環境因子［7］是引種區樟子松天然更新的主要障礙， 朱教君等［12］研究指出： 干旱脅迫可能通過影響引種區沙地樟子松種子萌發而限制其天然更新。 然而， 不同生長發育階段林木結實特性、 種子質量各異［13］， 引種區不同生命周期階段的樟子松固沙林種子萌發與幼苗生長特性是否存在差異， 對干旱脅迫的響應及抗旱性是否存在規律性， 是否在種子萌發期具備天然更新的優勢， 這些問題亟需明確。 本研究以沙地引種區不同林齡樟子松種子為材料， 研究樟子松種子萌發與幼苗生長對干旱脅迫的響應， 采用隸屬函數法綜合評價其抗旱性， 明確不同生命周期樟子松固沙林在種子萌發期的天然更新優勢， 為其經營管理與可持續發展提供指導， 進而保障其發揮生態防護功能。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試樟子松種子于2017 年9 月采集于遼寧省章古臺地區， 選取4 個不同林齡的典型結實林分， 分別隨機選擇10 株結實株， 從樹冠上部、 中部、 下部采集種子。 具體情況見表1。

1.2 干旱脅迫實驗

采用聚乙二醇（PEG 6000）溶液模擬不同干旱脅迫處理， 設置質量分數0（ck）、 5%（T1）、 10%（T2）、15%（T3）、 20%（T4）等5 個脅迫梯度， 模擬水勢梯度分別為0、 -0.054、 -0.177、 -0.393 和-0.735 MPa［14］，每個處理3 次重復。 以鋪有2 層濾紙的培養皿（直徑9 cm）為培養床， 選取大小均一、 成熟飽滿的種子置床， 采用100 ℃熱水消毒殺菌， 每個重復放置50 粒種子， 置于人工氣候培養箱。 依據研究區的多年平均氣象觀測資料， 培養條件設置為白天（光照時段）13 h， 溫度25 ℃， 夜晚（黑暗時段）11 h， 溫度為16 ℃， 光合光子照度為110 μmol·m-2·s-1， 相對濕度為60%。

表1 種子及采集地的基本概況Table 1 Overview of the seed and its collection sites

1.3 種子萌發指標測定

從種子置床起， 隔24 h 記錄1 次種子萌發數， 種子萌發以胚突破種皮且長為種子長度的一半時為標準（參考《國際種子發芽規程》）， 記數， 直到連續5 d 不出現有萌發時為止。 萌發特性用以下指標來表征： ①萌發率=種子萌發總數/供試種子數×100%。 ②萌發時滯： 從種子置床到種子開始萌發持續的時間（d）。 ③萌發歷時： 從第1 粒種子開始萌發至種子萌發結束所持續的時間（d）。 ④t50和t90： 從種子萌發開始， 種子萌發數分別達到萌發總數的50%和90%所持續的時間（d）。 其中， 萌發率表征種子萌發能力的大小， 萌發時滯和萌發歷時表征種子萌發格局，t50和t90表征種子萌發速率。

1.4 幼苗生長指標測定

隨機從各處理選取20 粒新萌發種子， 置于新的培養皿繼續進行相應處理的培養。 待培養15 d 后，隨機選擇10 株幼苗， 在濾紙上吸干幼苗表面的水分后， 測定其幼苗鮮質量、 胚芽長、 胚根長以及胚軸直徑。 為減少種子百粒重差異導致幼苗鮮質量的不準確性， 本研究采用幼苗生長相對值來表征， 即幼苗鮮質量與種子質量的比值。

1.5 抗旱性綜合評價方法

采用模糊數學隸屬函數法對不同林齡樟子松種子更新關鍵期抗旱性進行綜合評價。 計算公式如下：

式（1）中： X（u）為隸屬函數值；X為參試值某一抗旱指標的測定值；Xmax和Xmin分別為指標的最大值和最小值。 如果某一指標與抗逆性成負相關， 則用反隸屬函數計算。 公式為：

先運用式（1）或式（2）求出不同林齡樟子松種子在不同脅迫下的隸屬函數值， 將各林齡樟子松抗旱指標的隸屬函數值加權平均。 通過比較加權平均值的大小， 確定不同林齡樟子松更新關鍵期抗旱性的強弱［14］。

1.6 數據處理與分析

數據統計與分析采用SPSS 18.0 軟件， 采用最小顯著差法（LSD）比較同一林齡下不同干旱脅迫對樟子松種子萌發率與幼苗生長特征影響的差異性， 采用雙因素方差分析法分析不同林齡與不同干旱脅迫對樟子松種子萌發特征與幼苗生長特征的影響及二者之間的互作作用。 采用主成分分析法計算各指標的權重。 結果圖繪制采用SigmaPlot 13.0 軟件。

2 結果與分析

2.1 樟子松對干旱脅迫的種子萌發響應特征

2.1.1 種子萌發率 由表2 可見： 樟子松種子萌發率對干旱脅迫表現出極顯著的響應（P＜0.001）， 總體表現出在干旱脅迫下呈下降趨勢， 變化在0～78.0%（對照為88.3%～99.3%）， 僅林齡為28 年生的樟子松種子在T1處理下種子萌發率（94.0%）高于ck（圖1）。 樟子松種子萌發率對林齡、 林齡與干旱脅迫交互作用均表現出顯著的響應。 在干旱脅迫下， 28 年生樟子松種子萌發率整體表現為較高， 在T4處理時仍可達24.7%， 且隨著干旱脅迫的增加逐漸下降； 而其他林齡種子萌發率對干旱脅迫的響應具有差異性， 16年生樟子松種子萌發率在T4處理下顯著降低（P＜0.05）， 而35 和54 年生樟子松種子萌發率分別在T2和T3處理下已顯著下降（P＜0.05）。 可見， 樟子松種子萌發率對干旱脅迫的響應存在閾值， 且不同林齡的響應閾值各異， 林齡相對較小的樟子松種子萌發率響應干旱脅迫的閾值較大。

2.1.2 種子萌發格局 樟子松種子萌發時滯對干旱脅迫表現出顯著的響應， 而對林齡、 林齡與干旱脅迫交互作用的響應不顯著； 萌發歷時對干旱脅迫與林齡表現出顯著的響應， 而對林齡與干旱脅迫交互作用的響應不顯著（表2）。 不同林齡樟子松種子萌發時滯在ck 處理下均為5 d， 在各干旱脅迫處理下總體變長（圖2）， 除35 年生外， 樟子松種子萌發時滯在T4處理下僅為2.7 d； 在T3和T4處理下不同林齡間種子萌發時滯變化較長， 特別是16 年生的樟子松種子萌發時滯在T4處理下達9.0 d。 與ck 相比， 樟子松種子萌發歷時在T4處理下顯著縮短， 但對其他干旱脅迫處理的響應存在林齡間差異， 16 和28 年生樟子松種子萌發歷時均有所延長， 分別為8.0～10.33 和7.7～11.0 d， 而35 和54 年生樟子松種子萌發歷時均縮短， 分別為5.7～9.0 和4.3～7.0 d。 可見， 種子萌發對干旱脅迫響應為啟動推遲， 林齡較小的種子萌發持續時間延長， 而林齡較大的則反之， 而且隨著干旱脅迫的增強萌發格局具有不穩定性。

2.1.3 種子萌發速率 樟子松t50和t90對干旱脅迫均表現出顯著的響應， 而對林齡的響應不顯著，t50對林齡與干旱脅迫交互作用的響應不顯著，t90則顯著（表2）。 由圖3 可知： 樟子松種子t50和t90總體表現為隨著干旱脅迫的增強先增大再減小， 在T3時達到最大值， 但在T4處理時有所下降， 主要由于強干旱脅迫導致林齡大的少量種子短時間內完成萌發， 相對而言萌發速率變快。 可見， 樟子松種子對干旱脅迫響應為萌發變慢， 且干旱脅迫越強萌發越慢。

2.2 樟子松對干旱脅迫的幼苗生長響應特征

表2 林齡和干旱脅迫對樟子松種子萌發影響的雙因素方差分析

圖1 不同處理下種子萌發率Figure 1 Seed germination percentages of different treatments

圖2 不同處理下種子萌發格局Figure 2 Seed germination patterns under different treatments

經過15 d 的培養， T4處理下的樟子松幼苗均未生長， 幼苗鮮質量對林齡與干旱脅迫響應顯著， 但對兩者的交互作用響應不顯著（表3）。 如圖4 所示： 與ck 比較（變化在5.1～5.5）， 樟子松幼苗生長相對值在干旱脅迫條件下均有所下降（變化在2.4～4.8）； 除35 年生的樟子松幼苗生長相對值隨著干旱脅迫的增加而降低外， 其他林齡的均隨干旱脅迫的增強呈現先增大后降低的趨勢。

由表3 可知： 除胚根長與胚軸直徑對林齡的響應不顯著、 幼苗鮮質量對林齡與干旱脅迫的互作響應不顯著外， 幼苗胚芽長、 胚根長和胚軸直徑對不同處理均顯著響應。 由表4 可知： 與ck 比較， 樟子松幼苗胚芽長在干旱脅迫處理下均有所下降； 35 年生樟子松幼苗胚芽長隨著干旱脅迫的增強逐漸減小， 其他林齡的則在T2處理下大于在其他干旱處理； 54 年生樟子松幼苗胚芽生長顯著小于其他林齡。 樟子松幼苗胚根生長在干旱脅迫處理下整體表現為有所增加， 且隨著干旱脅迫強度的加強先增大后降低， 尤其在T2處理下達到最長； 且林齡越小的樟子松胚根長在干旱脅迫處理下變化幅度相對較大。 樟子松幼苗胚軸直徑生長在干旱脅迫下均有所下降， 且整體表現為隨著干旱脅迫的加強而減小的趨勢。 可見， 樟子松幼苗對干旱脅迫響應為胚芽與胚軸直徑生長受限制， 而胚根生長有所促進， 且林齡小的響應更敏感。

圖3 不同處理間種子萌發速率Figure 3 Seed germination rate of different treatments

2.3 不同林齡樟子松更新關鍵期抗旱性的綜合評價

采用隸屬函數法對樟子松種子萌發率、 萌發時滯、 幼苗鮮質量、 胚芽長、 胚根長、 胚軸直徑進行綜合評價， 結合主成分分析法得到了不同林齡樟子松的隸屬函數的加權平均值， 如表5 所示： 抗旱性從大到小依次為16、 28、 35、54 年生， 即隨著林齡的增加逐漸降低。

圖4 不同處理下幼苗生長相對值Figure 4 Seedling growth relative value under different treatments

表3 林齡和干旱脅迫對樟子松幼苗生長影響的雙因素方差分析Table 3 Two-way ANOVA analysis for the effects of forest age and drought stress on seedling growth for P. sylwestris var. mongolica

3 討論

水分是植物種子萌發和幼苗生長、 存活的關鍵限制因子［15-16］， 干旱脅迫是植物生長的逆境之一， 對植物的影響一直受到廣泛關注［17］。 干旱脅迫下種子萌發、 幼苗生長及吸水特性對幼苗生存具有重要的意義［18］。 在脆弱生態系統中， 種子能夠萌發成苗是植物在極端條件下生長發育的前提， 此階段對干旱的適應性對于植物更新至關重要［10］。 大量研究利用PEG 6000 模擬干旱脅迫研究其對植物的影響及抗旱性，被證實是可靠的［15，19-20］。 本研究發現： 4 種林齡樟子松種子萌發率、 幼苗相對生長值、 胚芽長總體呈現隨著干旱脅迫的加強而下降的趨勢， 種子萌發時滯、 萌發歷時、t50、t90、 胚根長與胚軸直徑則呈相反的趨勢， 因此， 引種樟子松種子萌發在干旱脅迫下總體為抑制性， 降低種子萌發率， 推遲種子啟動萌發，延長種子萌發歷時， 降低種子萌發速率， 這與以往對其他種子的研究結論一致［21］； 但本研究28 年生樟子松種子萌發率對干旱脅迫響應為低促高抑， 這與不少植物種子萌發對干旱脅迫的響應一致［15，19］， 這種輕微的逆境脅迫能夠激發植物種子自身保護機制， 減少種子萌發過程中膜系統的損傷， 進而提高其體內抗氧化物酶活性和可溶性蛋白質含量， 增強植物抗旱性， 提高植物種子的發芽率［20］。 此階段的引種樟子松處于壯年期， 結實旺盛， 可為林分更新提供大量種子， 可利用輕度干旱脅迫處理在森林培育過程中進行引發。 植物在幼苗期對干旱脅迫反應最為敏感， 本研究不同林齡樟子松幼苗生長相對量、 胚芽與胚軸生長在干旱處理下均低于對照， 表現為引種樟子松幼苗生長受干旱脅迫限制。 種子發芽后能否有效定植成活主要取決于立地土壤水分狀況和幼苗根系獲取水分的能力［18］。 在干旱脅迫下， 胚根的生長對幼苗的生存、 生長和發育有著十分重要的意義［22］。 一定干旱脅迫下， 植物根系對土壤水分的減少最敏感， 胚根的伸長有利于從不同的土層深度獲得更多水分， 這是植物適應干旱脅迫的一種生態適應表現［23］。 本研究樟子松幼苗胚根生長在干旱脅迫處理下整體表現為有所增加， 且隨著干旱脅迫強度的加強先增大后降低， 可見引種樟子松幼苗具有抵抗一定干旱脅迫的能力， 這與何凌仙子等［24］對沙地赤松Pinus densiflora、樟子松和青海云杉Picea crassifolia的研究結果一致。

表4 不同處理下幼苗生長特征Table 4 Seedling growth characteristics of different treatments

表5 不同處理下樟子松種子萌發與幼苗生長指標隸屬函數值及綜合評價Table 5 Subordinate function values and comprehensive evaluation of seed germination and seedling growth for P. sylwestris var.mongolica under different treatments

植物的抗逆性是一個復雜的現象， 一般隨個體的發育階段而變化， 在逆境中的定植取決于萌發與幼苗階段［25］。 種子的萌發和幼苗特性與其自身特性密切相關［26-27］。 林木不同生命周期階段的結實特性各異， 如在青年期結實少而大， 壯年期結實多而小［28］。 本研究發現： 不同林齡樟子松種子萌發對干旱脅迫響應存在差異， 林齡相對較小的樟子松種子萌發率響應干旱脅迫的閾值較大， 不同林齡樟子松種子萌發率的抗旱性閾值有待深入研究， 進而為不同林齡樟子松人工促進天然更新的林分結構調控與立地管理提供科學依據。 潘昕等［27］研究表明： 種子的相對萌發率越大， 植物抗旱性越強。 由此可推斷， 引種樟子松種子萌發在青壯年期具有較強的抗旱性。 本研究隸屬函數法綜合評價結果也證實這一結論。 林齡較小的種子萌發歷時延長， 林齡大的種子僅有少數在強干旱脅迫下萌發持續時間短， 故種子萌發格局對干旱脅迫的響應存在林齡差異， 體現了不同生育期樟子松種子萌發響應干旱脅迫的適應策略不同。 樟子松種子對干旱脅迫響應總體為萌發變慢， 且隨干旱脅迫增強萌發越慢。 干旱脅迫會使植株生長減慢甚至停止，干旱逆境下植物生長量的大小是衡量其抗旱能力的重要指標［29］。 本研究通過隸屬函數法綜合分析結果表明： 28 年生樟子松在種子萌發期具有較好的抗旱性， 但其幼苗各生長指標在干旱脅迫條件下較其他林齡小， 可能與其種子質量小有關。 54 年生樟子松在T4處理下幼苗完全不生長， 各幼苗生長指標在其他干旱脅迫處理下變化幅度也較小， 可見其對干旱脅迫的響應不敏感， 尤其是其胚根長隨干旱脅迫的增強而增長較小， 而胚根長直接影響植物獲取水分的能力， 再次表明林齡大的樟子松幼苗抗旱性弱； 相對而言， 16 年生樟子松的幼苗生長對干旱脅迫的響應更敏感。 本研究16 和35 年生樟子松的胚根長在各干旱脅迫處理下較其他林齡均變化較大， 表現出較強的抗旱性。

目前， 隸屬函數法已被廣泛應用植物抗旱性的綜合評價， 特別是使植物種子萌發期抗旱性差異具有可比性、 可行性和可靠性［30］。 本研究采用隸屬函數法綜合分析， 不同林齡樟子松在種子萌發更新期抗旱性由強到弱依次為16、 28 、 35、 54 年生。 可見， 處于青壯年期的樟子松在更新敏感期的抗旱性更強。研究表明： 科爾沁沙地樟子松天然更新是可能的［31］， 降水條件好的雨季， 在母樹周圍可見1 年生天然更新苗， 當年11 月僅有母樹東北方向的幼苗能夠存活， 但越冬后也會因寒干害死亡［7］。 可見， 樟子松種苗階段的抗性對其更新成功的重要性。 由于引種區存在較多樟子松天然更新障礙的因子［7］， 故在樟子松引種區宜進行人工促進天然更新。 因此， 對于林齡相對較小的更新林分， 創造有利于種子萌發出苗與幼苗存活、 建植的微生境， 保障其天然更新； 對林齡較大的衰退林分可優先選取抗逆性強的種子進行補播， 即選用青壯年樟子松種子， 進而提高人工促進天然更新的成功率。 然而， 植物的抗旱性是一種復合性狀， 受形態、 解剖和生理生化等特性控制， 本研究僅限于種子萌發期抗旱性在萌發與形態方面的探究， 若要深入地掌握其抗旱性的機制仍需從解剖和生理生化方面開展進一步研究。

4 結論

干旱脅迫成為引種樟子松天然更新困難的重要障礙因子， 引種樟子松種子可通過降低萌發率， 推遲萌發， 延長萌發持續時間， 減緩萌發速率， 增加胚根生長適應干旱脅迫。 隨著樟子松生命周期的演進，樟子松種子萌發期抗旱性逐漸減弱。 在人工促進引種樟子松天然更新時， 在林齡較小的更新林分， 創造有利于天然更新的微生境； 在林齡較大的衰退林分， 選用青壯年樟子松種子進行人工補播。