土壤水分和種子大小對梭梭種子萌發、出苗和幼苗生長的影響

朱淑娟，王方琳,2*，劉有軍，孫 濤,2，柴成武，張劍揮,3，張紅媛

(1.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省荒漠化與風沙災害防治國家重點實驗室(培育基地)，甘肅 武威 733000；3.甘肅民勤荒漠草地生態系統國家野外科學觀測研究站，甘肅 民勤 733300)

荒漠化防治最終體現為植被的有效恢復，而種子萌發及幼苗成功定居、生長對荒漠區植被恢復過程具有決定性作用[1]。干旱荒漠區降水稀少，蒸發強烈，植被稀疏，生態環境異常惡劣，風蝕、沙埋及土地鹽漬化危害十分嚴重。其中，水分是限制植物在鹽堿化沙地上繁衍生息的主要因子，尤其是種子萌發及幼苗出土時期的水分條件[2]。因此，深入研究不同水分條件對荒植物種子萌發與幼苗生長的影響，具有重要的理論和現實意義。

梭梭(Haloxylonammodendron)為藜科(Chenopodiaceae)梭梭屬(Haloxylon)植物，主要分布于新疆、甘肅、內蒙古等省(區)，在鹽漬化程度較高的固定沙丘、丘間低地、湖盆地均可生長，是流動沙丘主要防風固沙植物，根系發達，繁殖能力強，可有效固沙或改良鹽堿土壤，具有很強的抗鹽及抗風蝕、沙埋能力，是荒漠植被演替中的優勢物種[3]。此外，梭梭也是被譽為“沙漠人參”的名貴中藥肉蓯蓉(Cistanchedeserticola)的主要寄主，是兼生態、經濟效益為一體的重要荒漠植物[3]。研究表明，種子繁殖是梭梭種群擴大的惟一途徑，種子萌發行為直接影響著種群的更新[4]，目前關于梭梭種子萌發及幼苗生長方面已有較多研究，但主要針對影響其種子萌發的溫度、鹽分、沙埋、水分、光照等單個因子或幾個因子的綜合效應來展開[5-8]，但這些都是影響種子萌發的外部因子，而專門將外部因子與種子自身因子二者結合進行的研究較少。因此，本文開展了不同水分條件對梭梭不同大小種子萌發及其出苗、幼苗生長影響的研究，旨在了解梭梭種子對生長環境的生態適應對策，探討荒漠植物對水分干擾的適應機制，為荒漠區植被恢復重建和生物多樣性保護提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 種子采收

試驗所需種子于2019年秋季采收。選擇在同一地點生長健壯、無病蟲害的不同母株，采收達到生理成熟期的種子，之后在實驗室風干，去除雜質并裝入紙袋，4℃冰箱中貯藏備用。生長成熟的梭梭種子多為黑棕色，胚盤旋呈凹凸不平的陀螺狀，吸水膨脹后呈暗綠色。

1.2 試驗設計與處理

1.2.1 種子萌發率及大小、質量測定 2020年5月底，采用培養皿濾紙法測定室內自然光照條件下梭梭種子的萌發率，室內溫度為(24±1)℃。首先將雙層濾紙平鋪于培養皿中并滴入適量蒸餾水使濾紙完全浸濕，之后將挑選好的大、小粒(劃分標準見表1)梭梭種子均勻地撒在培養皿內進行培養，每皿50粒種子，5個重復，每天觀測種子發芽情況并及時向培養皿內補充水分，連續3 d沒有新種子萌發時試驗結束。千粒重采用精度0.000 1 g的天平稱重，用游標卡尺測定種子直徑并計算周長，將種子按直徑大小分為大粒、小粒并測定千粒重，每組五個重復。

1.2.2 不同水分條件下種子發芽測定 試驗用沙取自甘肅省民勤治沙綜合試驗站附近，過篩去雜后，在100℃下烘干48 h以殺死沙中可能存在的種子。試驗設計參考賀宇等[9]的方法，稱取100 g烘干沙土，將一部分沙土裝入口徑12.5 cm、高15 cm的塑料杯，然后分別將40粒梭梭種子均勻地撒在沙土上，最后將剩余的少量沙土均勻撒在置有種子的沙土表面，厚度0.3～0.5 cm。之后分別向塑料杯中加入1.0、2.0、3.0、4.0、5.0、7.5、10.0、12.5 mL和15 mL蒸餾粒水，此時杯中土壤含水量分別為2%、4%、6%、8%、10%、15%、20%、25%和30%，大、小粒種子各5個重復。

每天定時觀測種子萌發情況，并通過稱重及時補充因蒸發而散失的土壤水分，使土壤含水量保持恒定。連續3 d沒有新種子萌發時試驗結束，最后計算各水分處理下的大、小粒梭梭種子萌發率。

1.2.3 不同水分條件下幼苗存活率及生物量測定 試驗結束后(3 d內各處理中沒有新種子萌發)，將各水分條件下的梭梭幼苗間苗至每盆保留10株(不足10株時全部保留)，將幼苗連根挖出沖洗干凈，測量各株的苗高和根長，用精度0.000 1 g的天平測定整株生物量鮮重，同一水分處理3個重復。

1.3 數據分析

采用SPSS 25.0進行數據處理及方差分析，利用Duncan法對各處理間的顯著性進行檢驗，Excel 2007作圖。評價種子活力的參數包括萌發率(germination percentage，GP)、萌發速率(germinationrate，GR)、萌發指數(germination index，GI)和活力指數(vigor index，VI)[10-11]。公式如下：

GP=(萌發的種子數/試驗用種子總數)×100%

GR=∑100Gi/nti

式中,n為每種處理所用的種子數量，Gi為ti(ti= 0，1，2，3…)天萌發的種子數；萌發速率越大，表示萌發越快[10]。

GI=∑Gt/Dt

式中,Gt為時間t天的萌發種子數，Dt為萌發試驗天數。

VI=萌發率×(幼苗根的長度+幼苗莖長度)，單位均為cm[11]。

2 結果與分析

2.1 自然條件下不同大、小梭梭種子萌發率及基本特征

如表1所示，大粒種子單粒直徑及周長顯著大于小粒種子，分別為2.28 mm和7.16 mm(P<0.05)；不同大小種子單粒質量及千粒重也呈顯著差異(P<0.05)，大粒種子千粒重為3.49 g，小粒種子僅為2.92 g；但自然狀態下大、小粒種子萌發率間無顯著差異(P>0.05)，分別為82.39%和78.59%(表1)。

表1 不同大小梭梭種子萌發率及基本特征

2.2 不同水分條件下大、小粒梭梭種子萌發率變化特征

不同水分條件下大、小粒梭梭種子萌發特征如圖1所示。種子萌發率均呈隨土壤含水量增加而逐漸增大的趨勢，各水分條件下大粒種子萌發率均大于小粒種子，土壤含水量為2%時，大粒種子萌發率僅為1.67%，小粒種子不萌發，兩者間無顯著差異(P>0.05)。土壤含水量為4%～10%時，大、小粒種子萌發率呈隨土壤含水率增加而劇烈增大的趨勢，各水分處理時2種子間存在顯著差異(P<0.05)。土壤含水量增加為15%～30%時，大粒種子萌發率逐漸趨于穩定，達70%～80%，且各水分處理間無顯著差異(P>0.05)，但同一水分條件下，大、小粒種子間存在顯著差異(P<0.05)，說明適宜的水分條件對梭梭大小粒種子萌發率的影響較小，土壤水分變化時，大、小粒梭梭種子萌發情況有所差異。

注:不同大寫字母標記在P=0.05水平上相同大小的種子在不同土壤水分條件下萌發率之間的差異顯著；不同小寫字母標記在P=0.05水平上在同一土壤水分條件下不同大小的種子萌發率之間的差異顯著。下同。

2.3 不同水分條件下梭梭種子的萌發速率、萌發指數和活力指數

不同水分條件下梭梭大、小粒種子萌發速率、萌發指數及活力指數變化特征如表2。大、小粒梭梭種子萌發速率呈隨土壤含水量增加而逐漸增大之后又略有減小的趨勢；其中土壤含水量為2%時，小粒種子不萌發，大粒種子的萌發速率僅為3.95%；大、小粒種子均在土壤含水量為15%時出現萌發速率最大值，分別為8.81%和8.70%。2種子均在土壤含水量為8%～30%時萌發速率均達到8%以上，大、小粒種子間及各個水分處理間均無顯著差異(P>0.05)；土壤含水量降低為4%和6%時，萌發速率逐漸降低，2水分處理間呈顯著差異(P<0.05)，但大、小粒種子間無顯著差異(P>0.05)。

表2 不同水分條件下梭梭種子萌發速率、萌發指數和活力指數變化特征

種子萌發指數與萌發速率變化趨勢略有不同，土壤含水量為2%～15%時呈逐漸上升趨勢，之后又隨土壤含水量增加而先降低后略有增大的趨勢，并在含水量為15%時，2種子萌發指數達到最大值38.70%和25.46%，并均與其他水分處理間呈顯著差異(P<0.05)；2種子間除土壤含水量為10%的處理外，同一水分條件下萌發指數間均呈顯著差異(P<0.05)。

種子活力指數與萌發指數呈相似的變化趨勢，土壤含水量為15%時，大、小粒梭梭種子活力指數均為最大值，分別為155.35和116.37，均與水分含量為10%、20%的處理間無顯著差異(P>0.05)；土壤含水量為2%～8%時，2種子活力指數均隨土壤水分含量降低而持續減小，在土壤含水量為25%和30%時也呈相同的變化趨勢，在種子活力指數降低過程中，各水分處理間呈顯著差異(P<0.05)；同一水分條件下大、小粒種子間也呈顯著差異(P<0.05)。

2.4 不同水分條件下大、小粒梭梭種子幼苗存活率變化特征

土壤水分含量對梭梭幼苗成活率具有顯著影響(圖2)。土壤水分含量過高或過低均不利于種子萌發后幼苗的存活，含水量為2%、30%時雖然種子可以萌發，但后期幼苗難以存活；大、小粒種子的幼苗存活率最大值均為水分含量為15%的處理，分別達62.15%和43.67%，且均與其他水分處理時呈顯著差異(P<0.05)。土壤含水量為8%和10%時梭梭幼苗也具有較高的存活率，2處理間無顯著差異(P>0.05)。整個水分處理過程中，大粒種子幼苗存活率均大于小粒種子，除水分含量為25%的處理外，其他水分處理時2種子間均為顯著差異(P<0.05)。

圖2 不同土壤水分條件對大、小粒梭梭種子萌發的幼苗成活率的影響

2.5 土壤水分條件對梭梭幼苗生長的影響

土壤水分含量對2種梭梭幼苗苗高、根長及生物量具有不同程度的影響(表3)。整個水分處理過程中，大粒種子生長的幼苗苗高、根長及生物量均大于小粒種子的幼苗，同一水分條件下，2幼苗苗高、根長及生物量間存在顯著差異(P<0.05)。3種指標總體隨土壤含水量增加呈先逐漸增大后降低的趨勢；土壤水分含量為15%時，大、小粒種子的幼苗苗高及生物量鮮重均達到整個處理階段的最大值，其中大粒種子苗高最大值為0.89 cm，與其他水分條件處理時的苗高之間呈顯著差異(P<0.05)；小粒種子苗高最大值為0.78 cm，與同一水分條件下大粒種子間呈顯著差異(P<0.05)。大、小粒種子的幼苗根長分別在水分含量為15%和10%時達到最大值，為0.85 cm和0.77 cm，但采用同一種子時兩水分含量間無顯著差異(P>0.05)，并分別與其他水分處理間存在顯著差異(P<0.05)。2種梭梭幼苗生物量鮮重變化特征與苗高相同。

表3 不同土壤水分條件對梭梭幼苗生長的影響

3 討論

荒漠生態系統中，水分通常是最為有限的資源，也是植物自身重要的物質組成部分。在植物整個生命過程中，水分是不可或缺的重要因子，植物由種子長成植株要經歷種子吸脹、萌發、出苗，這些過程都需要從土壤中吸收水分；此外，植物的諸多生理過程也需要水分的參與才能完成[12]。同一植物遺傳因素、種子之間的競爭以及種子大小與種子數量的權衡等因素都會產生大小不同的種子，這些種子所含能量的多少與自身大小緊密相關，而這些能量對種子萌發率、萌發速度、幼苗出土率、形成幼苗的大小、活力以及生存及自身傳播能力，甚至成熟植株的結實能力等產生一系列影響[1,13]。對萌發率的影響通常可能表現為以下3種情況：一些植物大粒種子的萌發率大于小粒種子[14-15]；另一些植物的小粒種子的萌發率大于大粒種子[16]；還有一些植物大小粒種子萌發率沒有區別[17-18]。

1)土壤含水量對荒漠植物種子萌發的影響。對于多數荒漠植物而言，土壤含水量過多或過少，均不利于其種子的萌發。土壤含水量過低時種子不能吸收充足的水分，胚芽難以突破種皮而萌發，或者即使像梭梭這種遇水即可萌發的種子，過低的土壤水分也難以維持其后期繼續正常生長，最終導致出苗率或存活率下降，甚至不出苗；而土壤含水量過高時，過多的水分會阻礙種子與外界環境的氣體交換，使土壤處于空氣虧缺的狀態，不利于種子的萌發及幼苗出土，這是物種特有的生物學特性[19]。文中土壤含水量為2%時小粒種子不能萌發，其他水分條件下2種子萌發率均隨土壤含水量增加而逐漸增大；同一水分條件下，大粒種子萌發率顯著大于小粒種子(P<0.05)；同樣，本研究也發現當土壤含水量為8%～30%時，梭梭大、小粒種子的萌發速率間無顯著差異，說明在水分條件適宜的情況下，大、小粒種子均可實現快速萌發；但當水分條件較差時(2%～6%)，2種子均會推遲萌發，最終導致其萌發速率顯著下降。這種現象進一步說明，在適宜的環境條件下不同大小的種子均可正常萌發，但當外界條件較為惡劣時，大多數植物的大粒種子會優于小粒種子而萌發，可能表現為萌發率較高、萌發速度較快或種子活力狀況較好等，其原因可能是因為大粒種子比小粒種子中含有較多的營養物質，因而會貯存較多的能量,可以供種子早期萌發使用，在抵抗干旱、沙埋等不良環境條件時具有更強的能力[22]。

2)土壤含水量對荒漠植物幼苗生長的影響。龍利群等[21]認為，環境水分盈虧都不利于種子發芽后幼苗的成活，本研究也得出相同的結論，但在荒漠區自然條件下，由于土壤水分的缺乏導致種子萌發后幼苗死亡的可能性較大，而由于土壤水分過多而導致的幼苗死亡的現象較少，這與荒漠區干旱少雨的氣候條件有直接關系。土壤水分虧缺時，隨著水分的蒸發，沙表形成一定厚度的干沙層，即使種子破土出苗，后期也要面臨高溫和干燥的威脅，導致幼苗出土后死亡；另外，在過高的水分條件下有的種子可以破土出苗，而有的植物種子可能由于土壤中O2含量太低而通氣不良，遭受真菌侵染等直接不出苗或出苗后變質腐爛，這種現象可能在粘性土壤中較為普遍[22-23]；而試驗中可能由于沙土滲透性及透氣性較好，在含水量30%時，2種梭梭幼苗前期均能正常生長，但后期持續的高水分含量處理導致沙土土壤水分飽和甚至在沙土表面出現少量積水，因此萌發后生長4～5 d的梭梭幼苗會由于供水量過多而死亡。

劉國軍[8]等在同屬植物的研究中發現，當采用千粒重分別為3.12 g的梭梭和4.94 g的白梭梭(HaloxylonPersicum)進行沙埋試驗時，種子質量較大的白梭梭在沙埋4 cm時仍可出苗，而沙埋3 cm時梭梭只有少部分種子出苗，這一研究盡管在兩個物種間開展，但由于梭梭和白梭梭屬于同科同屬植物，因此其研究結果同樣能間接證明相對于小粒種子，大粒種子其胚乳或子葉中所含的能量就越多，種子適應外界環境脅迫的能力越強的結論。此外，很多物種的大種子形成的幼苗往往比小種子形成的幼苗大，在同一物種中，朱雅娟、楊慧玲等[14-15]的研究結論支持了本文的結論。通過沙埋試驗處理不同大小沙鞭(Psammochloavillosa)、檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)時，在同樣深度的沙埋脅迫下，大粒種子生長形成的幼苗往往具有較高的生物量，其原因可能是由于大粒種子本身含有較多的營養物質，從而使形成的幼苗具有較長的莖，根系也較為粗壯，因此能長成具有較大生物量的幼苗，這樣的幼苗在后期生長過程中具有較大的生態優勢；因此，大粒種子形成的幼苗有更強的生長勢,生存率更高，幼苗成功定居的可能性也更大，更能促進群落種群的更新[24]。

4 結論

大、小粒梭梭種子萌發率均隨土壤含水量增加而增大，在各個水分條件下，大粒種子萌發率均大于小粒種子，且存在顯著差異，但萌發速率間無顯著差異，在水分條件適宜時，2種子均可實現快速萌發。2種子萌發指數及活力指數隨土壤含水量增加呈先增大后降低的趨勢，且2種子間存在顯著差異。2種子幼苗成活率均在土壤含水量15%時達最大值，同一水分條件下存在顯著差異；含水量為2%及30%時幼苗均無法存活。

幼苗的生物量方面，大粒種子萌發的幼苗生物量顯著高于小粒種子的幼苗生物量，且兩幼苗苗高、根長、生物量鮮重各指標間存在顯著差異。以上結果進一步驗證了植物大種子里含有的胚乳較多，比小種子貯存了更多的能量，在抵御外界不良環境條件時，幼苗也有更強的生長勢，抵抗能力更強這一結論。

需要說明的是，一方面，本研究為室內種子萌發試驗，種子埋入沙土后的蒸發率顯著小于室外自然條件；在室外，土壤含水量為4%或6%時可能種子也難以萌發或其他指標生長受到更大的抑制；另一方面，野外自然條件下沙生植物生長的沙層較厚，加上沙土有利于水分的入滲，可能即使試驗中30%的土壤含水量或更大的含水量也能保證幼苗存活或正常生長。因此，野外自然條件下各水分含量處理對種子萌發及幼苗生長的影響還需進一步研究。