泡果沙拐棗種子萌發對模擬降雨間隔的響應

朱成林，李曉梅，阿依帕夏·居麥，趙曉英，成鵬

(1.新疆師范大學生命科學學院，新疆 烏魯木齊 830054；2.山東省濰坊第七中學，山東 濰坊 261021；3.烏魯木齊市氣象局，新疆 烏魯木齊 830002)

泡果沙拐棗(Calligonumjunceum)是蓼科沙拐棗屬的超旱生灌木，主要分布在新疆精河、托克遜、吐魯番等地，蘇聯中亞、蒙古也有分布。在達坂城荒漠的有些地段，泡果沙拐棗為優勢種或共建種，對維持荒漠生態系統的穩定性具有重要作用，它也是干旱荒漠地區防風固沙和植被恢復的重要植物[1]。

水分是種子萌發的先決條件，在干旱荒漠區，降雨量(水分)是植被能否成功建立的主要限制因子[2,3]。種子成熟后嚴重脫水，只有在合適的水分條件下經過吸脹，才能啟動萌發。有些植物啟動種子萌發的最低土壤水分含量較高，而有些植物啟動種子萌發的最低土壤水分含量很低，這一機制被認為是其種子適應生境特殊氣候和地形的一種生態對策[4]。降雨的頻率和降雨量的大小會影響種子的萌發率和萌發速率[5,6]。種子萌發對降雨變化的響應以及其適應特征會直接影響后續的幼苗建立與補充，進而影響種群的更新動態。因此，加強干旱區降雨格局變化對種子萌發影響的研究，對干旱區植被的發展趨勢以及種質資源保育更新均具有重要的意義[7]。在干旱荒漠中，土壤表面不能長期保持濕潤，濕潤和干燥狀態交替出現，這可能有利于種子快速萌發。植物為了在干旱區生存，種子必須適應這種吸濕—回干循環[8]。種子附屬物的形成是植物生活史長期進化的重要特征，能夠在種子受到機械損傷或者其他風險時保護種子。種子附屬物除了對種子傳播和擴散進行調控外，還對適宜環境條件下種子的萌發起著重要作用[9,10]。附屬物的吸水保水作用是荒漠植物對環境適應的一個重要特征[11]。

有關泡果沙拐棗的抗旱性[12]，抗逆性[13]，種子催芽處理[14]，種子休眠的解除[15]，形態、遺傳、物候以及分布格局[16,17]、群落多樣性[18]等方面的研究已有報道。吸濕——回干處理對播種前提高種子活力十分有益[19]。一些研究中，通過干濕交替來模擬降雨的頻率和降雨間隔。研究表明，吸濕—回干處理的種子比未經過處理的提前萌發[8]，而且隨著回干時間的延長萌發率增高[20]，我國西北地區旱生植物紅砂(Reaumuriasoongorica)種子，通過增加單次降雨量以及延長降雨間隔(10 d)，其萌發率和出苗率也增高[7]。但浸泡次數過多時銀合歡(Leucaenaleucocephala)種子活力降低，從而影響萌發率[21]。對于有些物種吸濕—回干處理時間的延長也有可能誘導種子休眠[5,22]，如鄂爾多斯荒漠植物賴草屬的賴草(Leymussecalinus)種子[5]，達坂城荒漠地區霸王(Zygophyllumxanthoxylon)種子[22]和羊草(Leymuschinensis)種子[23]。黑麥草(Loliumrigidum)種子在夏季和秋季經雨水吸濕—回干后，種子休眠得以解除雖然促進了種子的萌發，但種子活力會受到一定的影響[24]。

本研究在實驗室模擬自然環境中的降雨間隔時間和土壤水分含量，對泡果沙拐棗種子進行處理并觀察其萌發特性，為植被更新過程中種子適應極端干旱環境的生態機制提供理論依據。

1 材料與方法

研究區位于達坂城柴窩堡林場后的泡果沙拐棗自然群落(43°31′37.11″ N；87°53′23.6″ E)，海拔1 103 m。該地區屬于溫帶大陸性干旱氣候，年平均氣溫6.6 ℃，年平均降雨量71.7 mm，年平均蒸發量212.2 mm[25]。達坂城的植被為荒漠植被，群落組成主要有霸王、泡果沙拐棗、刺木蓼(Atraphaxisspinosa)、膜果麻黃(Ephedraprzewalskii)、木本豬毛菜(Salsolaarbuscula)等。研究區的氣溫和降雨量數據來自烏魯木齊氣象局柴窩堡站(圖1)。

圖1 達坂城地區2007—2016年月平均降雨量、最高和最低氣溫

于2015年6月中旬種子成熟期，在自然群落中每隔10 m隨機選取30叢以上泡果沙拐棗植株，采集成熟的種子，將采集的種子充分混勻，置于通風干燥的室內晾干，選取健康飽滿的種子備用。每個培養皿(直徑為100 mm)底部放25粒種子，4次重復。分別用100 g沙子覆蓋(約1 cm厚)。沙子取自原生境，過0.5 mm孔徑的篩子，洗凈，105 ℃下烘干，置于不同的實驗條件下，以種子長出2 mm胚根視為萌發，每天檢測1次，并且將已萌發的幼苗撿出，持續觀測30 d。實驗結束后對未萌發的種子用TTC法檢測生活力。萌發率=萌發種子數/有活力的種子數×100%[26]。

1.1 種子的物理特性

隨機選取800粒種子，經測量表明，種子百粒質量為3.24±0.06 g，長、寬、高分別為12.16±0.34 mm、10.21±0.22 mm和10.21±0.19 mm。

1.2 不同降雨間隔種子的萌發

于2017年7月，將種子低溫層積7個月，解除休眠進行萌發試驗，每個培養皿第1次加14 mL蒸餾水，降雨間隔設為5、10、20、30、60 d(模擬夏季降雨之間的干旱期)，之后每過一個降雨間隔加1次水，置于室溫下培養。

1.3 不同降雨量種子的萌發

采用ECH2O土壤水分檢測系統(Decagon ,USA)記錄地表和土中3～5 cm的土壤水分含量。每2 h記錄1次，取當日的平均值作為當日的土壤含水量(圖2)，根據測量結果設置土壤水分含量的梯度。

選取試驗田埋藏5個月的泡果沙拐棗種子，晾干11周，進行萌發試驗。每組培養皿分別加入0.5、1、2、5、8、11、14、17、20、23、26、29 mL蒸餾水，計算出沙子的含水量分別為0.5%、1%、1.5%、2%、5%、8%、11%、14%、17%、20%、23%、26%、29%。將培養皿置于25/15 ℃(適溫)的變溫培養箱內培養，每天稱質量，補充因蒸發散失的水分，保持恒定的濕度，每次檢出已萌發的種子時立刻稱質量記錄，下次加水時總質量減去已萌發的幼苗的質量。

圖2 2015—2016年研究區生長季種子埋放生境地表和土中(3～5 cm)的土壤水分含量

1.4 種子附屬物與種子吸水脫水的關系

實驗室條件下，選取室內貯藏6個月的完整泡果沙拐棗果實360粒。設置3組處理，附屬物完好120粒，用針刺破附屬物120粒，完全去除附屬物120粒。每皿30粒，4次重復。將處理好的果實稱質量，分別置于裝有蒸餾水的培養皿中，檢測附屬物對種子的吸水量和吸水時間。吸水開始0、0.5、1和2 h后時將果實分別從培養皿取出，用電子天平稱質量，之后每隔4 h稱質量，直到恒質量為止，檢測附屬物對果實的脫水量和脫水時間。

種子累積吸水率(%)=種子吸水量(g)/吸水前種子質量(g)×100%

種子累積失水率(%)=種子吸水量(g)/失水前種子質量(g)×100%

1.5 數據處理與分析

利用SPSS 19.0統計分析軟件和Excel 2010軟件對數據進行處理和繪圖，結果以平均值(Mean)±標準誤(SE)表示。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)、最小顯著性差異法(LSD)和新復極差法(Duncan)檢驗分析試驗數據。

2 結果與分析

2.1不同降雨間隔種子的萌發

由圖3可知，泡果沙拐棗種子經低溫層積7個月后(無降雨間隔)在室溫條件下萌發率為69%。降雨間隔5、10、20、30、60 d后萌發率分別為47%、31.2%、24.4%、24.3%、16.5%，顯著低于未經回干處理的種子(P<0.05)，其降雨間隔60 d萌發率最低，為16.5%，顯著低于降雨間隔5 d和10 d(P<0.05)。降雨間隔0～30 d，從第2天開始有種子萌發，降雨間隔60 d，從第3天開始有種子萌發，集中萌發時間為1周，之后的30 d內無種子萌發。

圖3 泡果沙拐棗不同降雨間隔(0～60 d)的種子萌發率(平均值±標準誤)

2.2 不同土壤水分含量種子的萌發

泡果沙拐棗在不同土壤水分含量條件下的萌發情況見圖4，在土壤水分含量0.5%時無種子萌發，1%時萌發率最低，為2.4%，土壤水分含量1.5%、2%、5%、8%、11%、14%、17%、20%、23%、26%和29%時的萌發率，分別為13.5%、42.4%、75.3%、73%、83.2%、95.2%、91.7%、77.6%、76%、73.6%和75%，從1%極干旱條件到所測沙子的飽和含水量29%的條件下均有種子萌發。土壤水分含量≥5%時萌發率均≥73%。14%和17%具有相對較高的萌發率，分別為95%和91%，其差異顯著(P<0.05)。土壤水分含量在5%～11%和20%～29%范圍內的種子萌發率差異不顯著(P>0.05)。當土壤水分含量1%～1.5%時，從第4天開始有種子萌發，萌發持續時間為10 d，當土壤水分含量5%～29%時，從第2天開始有種子萌發，第4天萌發指數最高，集中萌發時間為1周，之后無種子萌發或只有5%的種子萌發。

圖4 不同土壤水分條件下(0.5%～29%)泡果沙拐棗種子萌發率(平均值±標準誤)

2.3 種子吸水脫水特性

由圖5可見，刺破附屬物的果實在0～12 h期間吸水量快速增加，24 h后吸水量達到飽和狀態；完整果實在0～36 h內吸水緩慢，之后吸水量快速增加，50 h后達到飽和狀態；無附屬物種子前12 h快速吸水，之后達到基本飽和狀態。具附屬物果實的吸水量顯著高于無附屬物果實，二者之差代表了種子附屬物吸水量的變化特征。

吸水飽和之后，完整果實、刺破附屬物果實和無附屬物果實在室溫下脫水的速率存在顯著差異。由圖6可見，隨著時間的增加，3種處理的果實本身的含水量均呈下降趨勢，但是下降的速率不一，依次為完整果實<刺破果實<無附屬物果實。其中無附屬物的果實約12 h就從吸水飽和狀態恢復到原重，完整果實和刺破果實0～12 h緩慢脫水，之后迅速脫水，質量到48 h后才恢復到吸水前狀態。

圖5 泡果沙拐棗完整果實、刺破附屬物和去除附屬物后果實吸水質量變化和累積吸水率(平均值±標準誤)

圖6 泡果沙拐棗完整果實、刺破附屬物和去除附屬物后果實脫水質量變化和累積脫水率(平均值±標準誤)

3 討論與結論

3.1 附屬物對種子吸水脫水的影響

干旱荒漠生境中土壤種子庫主要集中在0～2 cm表層。由于春季風多，水分和溫度波動性大，大多數表層土壤種子庫處于干濕交替的環境中，種子萌發受到干旱脅迫。因此，作為種子特殊結構的附屬物具有一定吸水保水功能被看作是干旱荒漠植物種子適應環境的一種生態機制[11]。有附屬物的泡果沙拐棗種子吸水率均高于無附屬物的種子吸水率。二者之差代表了種子附屬物吸水率的變化特征。這表明，附屬物的吸水能力遠高于種子自身的吸水能力，其吸收的水分在泡果沙拐棗果實的吸水過程中占主導作用。而脫水率和脫水速率低于無附屬物的果實，這表明，附屬物具有較強的保水能力，在干旱脫水的環境中能使種子保持濕潤，緩慢脫水。附屬物的保水作用可能減緩干旱脅迫對種子萌發的不利影響，使種子在干旱少雨的荒漠環境中有效利用有限的降雨而不至于快速脫水死亡，保持種子活力。西北地區草本植物歐夏至草(Marrubiumvulgare)具有附屬物的集合繁殖體能保護種子被捕食，附屬物比種子吸收更多的水分并能更長時間的保留水分防止種子迅速干燥[27]。小車前(Plantagominuta)種子表面上的黏液物質具有吸水保水的特性，在干濕交替劇烈的干旱荒漠區通過調節水分來起到調節種子萌發時機的作用[11]。

3.2 降雨間隔長，仍有種子萌發

本研究中，降雨間隔延長到60 d時仍有部分種子萌發，說明種子在吸脹的狀態下可長時間保持活力，遠長于同一群落中旱生灌木霸王種子，霸王的降雨間隔大于14 d萌發率已明顯降低[22]。任君等在騰格里沙漠所做的3次短時間(最長回干時間10 d)吸濕回干處理對泡果沙拐棗種子萌發無促進作用[6]。水分是荒漠植物種子萌發的主要限制因素，泡果沙拐棗種子在1%的低土壤含水量條件下能啟動萌發(圖4)，而在2%時萌發率高于錦雞兒屬等其他旱生植物[4]。達坂城地區一次降雨過后土壤水分含量可達到2%～13%(圖2)，這種低水分條件完全滿足休眠已解除的泡果沙拐棗種子的萌發。這表明長期進化過程中，泡果沙拐棗種子具備了能在長期干旱環境下生存下來的機制策略。在長期干旱條件下泡果沙拐棗種子仍能持續產生幼苗，可能與其泡狀瘦果的形態特征有關，其種子外有一層淡紅色泡狀膜，包圍整個瘦果的外部，而且種皮木質化，這種特殊的結構有利于種子的吸水和貯水。本試驗表明，泡果沙拐棗種子吸水率很高，帶附屬物的果實吸水約是自重的11倍，可見其附屬物的保水作用，以此可以適應達坂城2個月無降雨的干旱環境。種子的特殊形態結構和萌發機制確保了許多干旱荒漠植物在合適的時間與地點下萌發與幼苗建成[2]。

本研究中，無降雨間隔時泡果沙拐棗種子萌發率較高為70%，試驗開始的第2天就有種子萌發，萌發集中在第1周，后續再無種子萌發，說明種子一旦解除休眠，只要溫度適宜，之后的降雨會推動種子萌發。可能因為泡果沙拐棗種子種皮堅硬，具有休眠現象，而解除休眠需要較長時間的濕冷貯藏，因此種子休眠解除后會立即萌發，避免之后的干旱使幼苗滅絕。

3.3 降雨間隔長，萌發率降低

在達坂城地區降雨量少(年平均降雨量71.7 mm)，蒸發量大(年平均蒸發量212.2 mm)[25]，一次降雨可能很快蒸發掉，因此不足以使土壤中的種子萌發，本試驗表明，短期吸水—回干(降雨間隔5 d)對種子萌發的影響不大，這可能是因為回干后的泡果沙拐棗種子能夠保持著短期吸水后的生理變化，從而保證再次吸水后的快速萌發。類似的現象在降雨偏少，蒸發量大的黃土丘陵地區旱生植物杠柳(Periplocasepium)種子中也有發現[28]。然而降雨間隔延長20～60 d時萌發率顯著降低，其未萌發的種子活力高于90%，說明種子進入休眠。這表明大部分種子通過進入休眠來適應這種持續干旱的環境保持活力。鄂爾多斯荒漠植物賴草種子經過8 d的回干處理后萌發率降低，種子進入休眠[5]。然而，我國西北地區旱生植物紅砂種子，經增加單次降雨量以及延長降雨間隔(10 d)，其增高萌發率和出苗率[7]。還有研究指出，延長降雨間隔時間可以增加旱生植物紅砂的幼苗忍耐干旱脅迫持續的時間[29]。本研究中延長降雨間隔時間種子進入休眠，可能的原因是，隨著降雨間隔時間(干旱)的延長其土壤水分含量減少，種子脫水，新陳代謝緩慢，種子萌發率降低，進入休眠。另外，隨著降雨間隔時間的延長，已變軟的泡果沙拐棗種皮重新堅硬，阻礙胚根突出種皮，從而抑制萌發。泡果沙拐棗種子野外埋放以后，經過秋季、冬季和早春季的冷濕環境，種子會解除休眠，而經過夏季的高溫和干旱環境種子會進入休眠[30]，本研究結果進一步驗證了這一點。種子進入休眠的好處在于，泡果沙拐棗多分布于干旱半干旱的荒漠化礫石地以及沙地。達坂城是干旱荒漠地區，降雨量很少(圖1)，第1次降雨和第2次降雨之間的間隔較長，而且風大，水分蒸發量高，土壤水分的有效性低。在此環境條件下，若種子不能利用有限的水分抵抗干旱，可能導致幼苗全部死亡。因此植物通過休眠對策盡量分攤這種環境條件的風險，在干旱荒漠區種子通過這種適應策略可以避免種子在炎熱和長期干旱環境下萌發之后幼苗的死亡。這種萌發對策被認為是長期生活在干旱地區的植物適應環境的必然結果[31]。

3.4 低土壤水分含量下仍然有種子萌發

本研究中，土壤水分含量1%時仍有種子萌發，這說明啟動泡果沙拐棗種子萌發所需的土壤水分含量很低，這比啟動旱生植物白皮錦雞兒(1.25%)、甘蒙錦雞兒(3.75%)和中間錦雞兒(2.50%)種子萌發的最低土壤含水量低。土壤水分含量2%時萌發率達到40%，這說明泡果沙拐棗種子萌發對土壤含水量的要求不是很嚴格。較低土壤含水量能夠啟動萌發的原因可能是，第一、與種子形態結構和遺傳因素有關，泡果沙拐棗種子具附屬物，包圍整個瘦果的外部，而且種皮木質化，這種特殊的結構有利于種子的吸水和較長時間的保水；第二、與泡果沙拐棗種子所生存的環境條件有關，干旱地區水分的補充主要靠降雨并且降雨的時間和空間分布不均勻，年降雨波動性較大，在這樣一個選擇壓力下，泡果沙拐棗種子萌發對策需要對降雨做出響應；第三、達坂城荒漠降雨量很少，降雨時間集中在夏季(圖1)，但是夏季土壤溫度高(65 ℃)、風速較大(7 m·s-1)、蒸發量高(889.7 mm)[25]、土壤水分含量的波動性大，降雨后土壤含水量只能達到2%～13%(圖2)，在這樣的生存環境條件下一場降雨過后，解除休眠的種子能夠在較低土壤含水量下啟動萌發，且萌發速度較快，以適應降雨量少的干旱荒漠環境。在干旱地區，休眠解除的種子當水分適宜時，種子快速萌發出土是該物種能否成功建立種群和自然更新的關鍵。較早萌發的物種具有很大的競爭優勢，它們能夠提前獲得有限的營養和水分資源等來提高存活率，從而減少物種滅絕的風險。

3.5 土壤水分含量的高低與萌發速率的關系

種子萌發時響應不同的環境暗示，萌發對水分的適應主要體現在對土壤濕度的響應。干旱荒漠植物種子在應對水分虧缺的環境壓力時，表現出不同的生態適應對策[2]。本研究中土壤水分含量1%～1.5%時，從第4天開始有種子萌發，萌發持續時間為10 d，說明土壤水分含量極低時種子萌發速率受到限制，萌發策略傾向于緩慢萌發，這可能是因為種子為了避免在達坂城極端干旱條件下萌發之后長期干旱導致幼苗全部死亡的措施。水分虧缺條件下霸王種子萌發率，低萌發速率緩慢，這是適應極端干旱環境的一種策略[32]。種子萌發速率的調控作用確保了更多的泡果沙拐棗種子在適宜的土壤水分含量條件下萌發。土壤水分含量5%～29%時，從第2天開始有種子萌發，第4天萌發指數最高(暴發)，集中萌發時間為1周，之后無種子萌發或只有5%的種子萌發，這說明土壤水分含量適宜時種子萌發策略傾向于快速萌發，避免由萌發持續時間延長而導致幼苗死亡的風險。這確保大部分種子只有在土壤水分含量適宜時啟動萌發，為種群在風險環境中穩定發展打下堅實的基礎。