NaCl和PEG脅迫對不同大小刺槐種子萌發和幼苗生長的影響*

林慶芝 朱祥元 毛培利 朱 琳 郭龍梅 李澤秀 曹幫華 郝迎東 譚海濤 洪丕征 盧小軍

(1.山東農業大學林學院 黃河下游森林培育國家林業和草原局重點實驗室 山東泰山森林生態系統國家定位觀測研究站 泰安 271018； 2. 內蒙古自治區林業和草原保護總站 010020；3. 山東黃河三角洲國家級自然保護區 東營 257500； 4. 農業農村部腐植酸類肥料重點實驗室 泰安 271600；5. 東營市勝景林業有限公司 東營 257516)

干旱脅迫對植物存活、生物量造成的影響超過其他環境脅迫的總和(楊斌， 2019)。土壤鹽漬化已經成為當今世界除了干旱外的第二大生態環境問題。干旱脅迫、鹽脅迫抑制植物生長和生物量積累，甚至導致植株死亡。幼苗是植物生活史中對土壤條件反應最為敏感的階段，隨著脅迫增強，幼苗株高、基徑的生長受到抑制，生物量積累顯著降低(姚小蘭等， 2018； 牛素貞等， 2017； 楊偉等， 2018)。干旱脅迫與鹽脅迫之間有著一定的相似性，但也有著明顯的差別。干旱和鹽脅迫下土壤中的水勢通常會低于植物細胞，植物處于此環境下體內水分容易外滲，導致缺水，產生滲透脅迫。但對等滲水、鹽脅迫下的研究發現，干旱脅迫的脅迫程度比鹽脅迫嚴重得多(崔興云等， 2018； 張桂玲， 2013； 薛建國等， 2008)。鹽脅迫下鹽離子打破了土壤中各離子間的動態平衡，導致植物對離子吸收不均衡，產生離子毒害(毛戀等， 2019)。但對于一些植物，土壤中較低的鹽濃度會對其種子萌發和生長有一定的促進作用(王寶增， 2004)。因此，干旱和鹽脅迫對植物種子萌發作用機制的差異仍需深入研究，這對闡明其適應性具有重要意義。

種子的傳播、萌發，幼苗的存活、生長發育以及種群分布都與種子大小有著密切的聯系(張金峰， 2020； 王秀麗等， 2019)。一般認為，同一物種內大種子萌發早，幼苗生長期較長利于生長(郭有燕等， 2016； Zhaoetal.， 2015； Venableetal.， 1988； Maoetal.， 2019； Hopperetal.， 1979)，但也有研究表明種子大小與萌發無關(王慧慧等， 2016)。種子大小與幼苗大小呈正相關關系，大種子比小種子能夠形成較大個體的幼苗，其幼苗對資源競爭和環境適應能力更強； 但小種子具有更強的傳播和散布優勢(武高林等， 2008)。種子大小與環境因子共同影響植物種子萌發和幼苗早期生長。種子越大萌發和幼苗生長優勢越明顯(付錦雪等， 2020； 王秀麗等， 2019； Maoetal.， 2019)。但有研究表明，不同大小的側柏(Platycladusorientalis)種子在不同脅迫方式下，大種子的生長優勢也有差別(付錦雪， 2020)。因此，深入探討種子大小對逆境下樹木萌發的影響對闡明其適應機制具有重要意義。

刺槐(Robiniapseudoacacia)原產于北美洲，自20世紀初期引入我國，經過馴化后，目前被廣泛栽植于全國各地，其適應能力強、用途廣泛(李軻等， 2019)。刺槐主要集中分布在黃淮流域，因其能耐一定干旱且能在低于0.3%的鹽堿地上正常生長，是困難立地和濱海鹽堿地的重要造林樹種(中國植物志， 1993)。研究表明，刺槐種子在含鹽低于0.3%條件下能夠正常萌發(崔竣嶺， 2013； 宋麗華， 2008； 尹鍇， 2019)； 干旱脅迫下滲透勢高于-0.15 MPa下正常萌發(曹幫華， 2005； 王慧慧等， 2014)，但等滲透勢的鹽和干旱處理對刺槐種子萌發影響的差異還未見詳細報道。種子質量與苗木質量密切相關(麥苗苗等， 2009)。鑒于此，本文系統研究刺槐不同大小種子在干旱脅迫、鹽脅迫下的萌發與幼苗生長，比較在干旱和鹽脅迫下種子萌發和幼苗生長的差異，探討逆境和種子大小對其萌發和幼苗生長的影響，為逆境下優質苗木培育提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

刺槐種子由山東省費縣國有大青山林場刺槐良種基地提供。結實母樹年齡為10年，樹高9～12 m，胸徑14～16 cm，人工采集后種子混在一起進行調制。該基地地理位置為35°23′N，118°11′E。年平均氣溫為13.8 ℃，年平均日照時間2 588 h，無霜期197天，年均降水量836.6 mm，屬暖溫帶大陸性季風氣候。

采用8目(孔徑2.50 mm)和10目(孔徑2.00 mm)土壤篩，將種子分為大粒(Ⅰ，2.50 mm≤種子最大寬)、中粒(Ⅱ，2.00 mm≤種子最大寬<2.50 mm)和小粒(Ⅲ，種子最大寬<2.00 mm)3個等級。每個等級種子分別選擇20粒種子用游標卡尺測定最大長度、最大寬度，數據精確到0.01 mm； 利用百粒法測定每個等級種子的千粒質量(0.01 g)。

1.2 試驗設計

1.2.1 種子的吸脹率 把不同大小等級的種子浸泡在燒杯中，去除雜質和壞的種子，之后將種子放在通風處晾干。每個等級種子取5份，每份100粒，將刺槐種子用初始溫度75 ℃熱水浸泡24 h，統計吸脹個數，計算吸脹率。

吸脹率(IR)=吸脹種子數/供試種子總數×100%。

1.2.2 鹽和干旱脅迫下刺槐種子萌發 不同大小的刺槐種子用0.3%高錳酸鉀溶液浸泡30 min消毒，消毒后種子用蒸餾水沖洗數次，直到水不再變色，用初始溫度75 ℃熱水浸泡24 h，備用。培養皿中放置海綿與濾紙，將培養皿和鑷子放置在120 ℃的高壓滅菌鍋中消毒20 min。

采用聚乙二醇(PEG 6000)溶液模擬干旱脅迫，氯化鈉(NaCl)溶液模擬鹽脅迫，配制等滲NaCl與PEG溶液，滲透勢分別為-0.05，-0.15，-0.30，-0.49 MPa，以去離子水為對照(CK)。PEG滲透勢的計算采用Michel研究中的公式(Michel， 1973)，NaCl溶液的滲透勢由公式Ψπ=-iCRT(i為溶液的等滲系數，C為體積摩爾濃度、R為常數、T為開爾文氏度)計算所得(鄒邦基， 1982； 朱敏嘉等， 2017)。本試驗不同種子等級大小與不同滲透勢的NaCl、PEG溶液共30個處理，每處理設5次重復，每次重復擺放40粒吸脹種子。

將培養皿中放入75%酒精消毒后的光照培養箱中，溫度設置為25 ℃，光照12 h，黑暗12 h，光照強度5級，培養11天。在種子萌發的過程中，每24 h觀測1次。當胚根突破種皮時，即視為種子萌發，記錄每天萌發的種子數量。為保持試驗期間各處理濃度的相對穩定，采用稱重法用去離子水補充每天損失的水分，保持濾紙和種子濕潤。在觀察過程中，如出現種子長霉被污染，將種子放在0.3%高錳酸鉀中消毒3 s，再用蒸餾水將種子沖洗干凈，并更換培養皿中的濾紙。試驗結束后，每個處理選取5株長勢適中的幼苗，用WinRHIZO STD 1600根系掃描儀(WinRHIZO，Regent Instruments，Canada)分析掃描圖片獲取根長(RL)、根系表面積(RSA)。每個重復選取10株幼苗分為地上部分和地下部分，用萬分之一天平分別稱取鮮質量。然后用烘箱(80 ℃)對地上部分和地下部分烘干至恒質量，稱取干質量。

1.2.3 指標計算 發芽率(GR)=萌發種子數/供試種子數×100%。

平均發芽時間(MGT)=(∑種子置床起的天數×相應各日正常發芽粒數)/∑相應各日正常發芽粒數。

發芽指數(GI)=∑(各日凈發芽數/相應發芽日)。

活力指數(VI)=幼苗干質量×發芽指數。

幼苗生物量(SB)=地上干質量+根干質量。

地上含水量(AWS)=(地上鮮質量-地上干質量)/地上鮮質量×100%。

根系含水量(UWS)=(地下鮮質量-地下干質量)/地下鮮質量×100%。

根冠比(RSR)=根干質量/地上干質量。

比根長(SRL)=根長/根干質量。

比根表面積(SRA)=根表面積/根干質量。

可塑性指數(PI)=(處理最大值-處理最小值)/處理最大值。

脅迫指數(SI)=脅迫處理值/對照處理值。

1.3 數據處理與分析

使用Excel 2010與SPSS 19.0軟件對數據進行整理和統計分析。用SPSS 19.0對種子最大長、種子最大寬、吸脹率和千粒質量進行單因素方差分析(one-way ANOVA)，對種子萌發指標、幼苗生物量與含水量指標、根系特征指標進行3因素方差分析(three-way ANOVA)。如果差異顯著，再用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較，分析時顯著性差異檢驗水平為P<0.05。

2 結果與分析

2.1 種子大小特征與吸脹率

方差分析結果表明： 種子最大長和吸脹率都是大粒(Ⅰ)和中粒(Ⅱ)差異不顯著，顯著大于小粒(Ⅲ)，小粒種子吸脹程度最差； 種子最大寬和千粒質量則是大粒>中粒>小粒(表1)。

2.2 NaCl和PEG處理的種子萌發

隨滲透勢的降低，NaCl和PEG處理的發芽率和發芽指數均極顯著降低，平均發芽時間極顯著增加，活力指數在NaCl處理下先增加再降低，而PEG處理下逐漸降低(圖1、表2)，以上指標的脅迫指數變化與之相似(表3)，這表明滲透勢越低種子所受到的脅迫作用越強。脅迫方式之間，發芽率、平均發芽時間、發芽指數都是NaCl處理下顯著高于PEG處理，但活力指數上差異不顯著。種子大小對發芽率、發芽指數、活力指數影響極顯著，但對平均發芽時間影響不顯著。在發芽率、發芽指數、活力指數中，Ⅰ級與Ⅱ級種子顯著優于Ⅲ級種子(P<0.05)，表明大粒種子其萌發能力強于小粒種子。在交互作用上，種子大小與脅迫方式、滲透勢除在平均發芽時間上差異不顯著外，與其他因素之間對種子萌發指標均有明顯影響，表明種子萌發受到了上述因素的交互影響。

表1 刺槐不同大小的種子特征①

表2 鹽、干旱脅迫對不同大小的刺槐種子萌發、幼苗生物量和根系特征指標的三因素方差分析①

2.3 NaCl和PEG處理的幼苗含水量

隨滲透勢的降低，NaCl和PEG處理的幼苗地上含水量顯著降低，根系含水量變化不顯著(圖2、表2)。PEG處理的地上含水量脅迫指數逐漸降低，根系含水量先增加再降低。PEG處理下幼苗的地上和根系含水量均極顯著低于NaCl處理，脅迫指數也是低于NaCl處理(表4)，說明PEG處理比NaCl處理更能抑制幼苗的水分吸收。種子大小極顯著影響地上與根系含水量，Ⅰ級與Ⅱ級種子萌發幼苗的含水量差異不顯著(P>0.05)，二者顯著低于Ⅲ級種子(P<0.05)。在交互作用上，種子大小與脅迫方式、滲透勢梯度及三者對含水量(除地上含水量)都有極顯著影響，表明上述因素共同影響了幼苗體內的水分狀況。

圖1 鹽和干旱脅迫對不同大小刺槐種子萌發的影響

表3 不同大小刺槐種子萌發的脅迫指數

圖2 鹽和干旱脅迫對不同大小刺槐種子萌發的幼苗含水量的影響

表4 不同大小刺槐種子萌發的幼苗含水量的脅迫指數

2.4 NaCl和PEG處理的幼苗生物量和根冠比

圖3 鹽和干旱脅迫下對不同大小刺槐種子萌發的幼苗生物量及其分配的影響

隨滲透勢的降低，NaCl處理的地上干質量和幼苗生物量均先增加再降低，根干質量和根冠比變化不顯著。NaCl處理的幼苗生物量大于PEG處理，但幼苗根干質量和根冠比低于PEG處理(圖3，表2)，表明適宜的NaCl濃度促進幼苗地上部分的生長，而PEG處理促進根系的生長。種子大小對上述4個指標均影響極顯著，Ⅰ級和Ⅱ級種子萌發的幼苗生物量指標顯著高于Ⅲ級(P<0.05)，根冠比則是Ⅲ級>Ⅱ級>Ⅰ級種子(P<0.05)。NaCl處理下Ⅱ級種子萌發的幼苗其生物量的脅迫指數大于Ⅰ、Ⅲ級而根冠比脅迫指數是Ⅲ級種子最大，PEG處理下Ⅲ級種子萌發的幼苗其生物量的脅迫指數大于Ⅰ、Ⅱ級，而在根冠比中是Ⅰ級種子的脅迫指數最大表5。交互作用上，種子大小×滲透勢、滲透勢×脅迫方式×種子大小對地上干質量和幼苗生物量均具有明顯影響。Ⅰ、Ⅱ級種子萌發的幼苗比Ⅲ級的有著高的地上干質量和幼苗生物量，隨著脅迫程度的增加三者生物量逐漸接近，表明大粒種子的優勢體現在脅迫程度低的情況下。

2.5 NaCl 和PEG處理的幼苗根系特征

隨滲透勢的降低，NaCl和PEG處理的幼苗根長、根表面積、比根長、比根表面積均極顯著降低(圖4、表2)，各指標的脅迫指數變化也相似(表6)。脅迫方式上，PEG處理的根長、根表面積、比根長、比根表面積高于NaCl處理，但NaCl處理下各指標的脅迫指數高于PEG處理，表明其對幼苗根系生長的抑制弱于PEG處理。種子大小對根系各指標均影響極顯著，Ⅱ、Ⅲ級種子萌發幼苗的根長、根表面積、比根長、比表面積顯著優于Ⅰ級種子(P<0.05)。交互作用上，種子大小與脅迫方式對比根長和比根表面積影響極顯著，滲透勢×脅迫方式×種子大小對比根表面積有顯著影響，表明各因素間的交互作用影響了幼苗根系的生長發育。

表5 不同大小刺槐種子萌發的幼苗生物量和根冠比的脅迫指數

表6 不同大小刺槐種子萌發的幼苗根系指標的脅迫指數

2.6 不同大小種子的可塑性指數

刺槐各級大小的種子在PEG脅迫中的萌發指標、幼苗含水量、根系特征指標的可塑性指數均高于NaCl脅迫處理，Ⅰ級與Ⅱ級種子在幼苗生物量指標的可塑性指數低于NaCl處理(表7)。刺槐種子在NaCl和PEG處理下的累計可塑性指數均是Ⅰ級和Ⅱ級種子可塑性指數接近，大于Ⅲ級種子，NaCl處理的種子累計可塑性指數低于PEG處理，說明種子越大其適應性越強且刺槐種子在PEG處理的適應能力高于NaCl處理。在各項指標中累計可塑性指數最大的是根長，其次是比根長、活力指數、比根表面積。

圖4 鹽和干旱脅迫下對不同大小刺槐種子萌發的幼苗根系特征的影響

表7 不同大小刺槐種子的可塑性指數

3 討論

3.1 NaCl和PEG脅迫對刺槐種子萌發和幼苗生長的影響

本研究發現，NaCl和PEG脅迫對刺槐種子萌發和幼苗生長均具有明顯的抑制作用。在種子萌發階段，隨滲透勢不斷降低，發芽率、發芽指數均顯著降低，平均發芽時間顯著增加，表明種子遭受脅迫的程度增加，與沈禹穎等(1999)對牧草種子、宋麗華等(2008)對刺槐種子的研究結果一致。在幼苗含水量上，地上含水量隨滲透勢的降低顯著降低，但根系含水量變化不顯著，表明水分運輸受到明顯抑制，根系受到的抑制程度低于地上部分，這與根系在脅迫下調整根系活力維持吸水能力有關(牛素貞等， 2017； 季楊等， 2013)。在生物量上，滲透勢梯度對根干質量和根冠比影響不顯著，表明滲透勢對根系質量和分配的影響較小(張紫薇等， 2017； 楊海莉， 2019)。在根系特征上，刺槐幼苗各項指標均表現為隨著滲透勢的降低顯著降低。柴媛媛等(2008)對甜高粱(Sorghumdochna)種子及宋麗華等(2008)對臭椿(Ailanthusaltissima)種子耐鹽萌發研究中表明，隨著鹽脅迫的加劇，幼苗根長下降幅度增大； 牛素貞等(2017)對野生茶樹幼苗在干旱脅迫下根系特征的研究表明，干旱程度越高幼苗的根長、根表面積下降越明顯。因此，NaCl和PEG脅迫對刺槐種子萌發和幼苗生長的影響存在一定的相似性。

本研究中，與NaCl處理相比，刺槐種子在PEG處理下發芽率、發芽指數、幼苗含水量和幼苗生物量均較低，表明PEG脅迫下種子萌發和幼苗生長受到的抑制更嚴重。多項研究表明，在鹽和干旱的等滲處理中，干旱脅迫下種子的萌發水平低于鹽脅迫處理(崔興云等， 2019； 張桂玲等， 2013； 於麗華等， 2008)。對甜菜(Betavulgaris)幼苗研究發現，等滲透勢處理下PEG的幼苗生物量低于鹽脅迫處理(於麗華和耿貴， 2008)。種子在NaCl脅迫下能從溶液中吸收無機離子增加細胞溶液濃度進行滲透調節，而無法吸收PEG(張桂玲等， 2013)。NaCl處理的根干質量、根冠比和根系指標均低于PEG處理高的根冠比有利于植物從土壤中獲取更多的水分(Guoetal.， 2007； 李冬琴等， 2016)。因此，PEG脅迫下刺槐幼苗更依賴于通過調整根系生物量投入和形態提高吸收水分的能力。高鹽脅迫下刺槐種子萌發和幼苗生長受到抑制可能是滲透脅迫與離子毒害共同作用的結果(朱敏嘉等， 2017； Inzeetal.， 1995)。

3.2 種子大小對刺槐種子萌發和幼苗生長的影響

本研究發現，種子大小對種子萌發和幼苗生長過程均存在顯著影響。在種子萌發階段，刺槐Ⅰ、Ⅱ級種子的發芽率、發芽指數、活力指數均顯著高于Ⅲ級種子，這與側柏(付錦雪等， 2020)、文冠果(Xanthocerassorbifolium)(郭有燕等， 2016)的研究結果一致。本研究中，Ⅰ、Ⅱ級種子的吸脹率、千粒質量明顯優于Ⅲ級種子，這是刺槐大種子萌發優于小種子的重要原因。閆興富等(2020)對不同大小遼東櫟(Quercuswutaishansea)種子的研究表明，種子越大其萌發的幼苗生物量越大，本研究也得出相似結論。因此，刺槐大種子在種子萌發和幼苗生物量上比小種子存在明顯的優勢，與Mao等(2019)、高志剛(2015)的研究結果基本一致。刺槐Ⅲ級種子形成幼苗的根冠比、根長、根表面積、比根長、比根表面積顯著大于Ⅰ、Ⅱ級種子，吸收水分的能力強，這是其幼苗含水量高的重要原因。郭有燕等(2016)對文冠果的研究也發現了類似的結果。在指標的總可塑性上，Ⅰ、Ⅱ級種子大于Ⅲ級種子。有研究表明，可塑性越大，適應能力越強(王俊杰等， 2019； 楊賀雨等， 2016)。因此，刺槐大種子要比小種子有著明顯的適應優勢。

刺槐種子大小與脅迫方式存在顯著的交互作用。種子大小與脅迫方式對發芽率和發芽指數有著極顯著影響。NaCl處理的Ⅰ、Ⅱ級種子的發芽率和發芽指數顯著高于Ⅲ級種子，但在PEG處理下數值接近。在各指標的脅迫指數中，NaCl處理的Ⅰ、Ⅱ級種子高于Ⅲ級種子，但在PEG處理下兩者均低于Ⅲ級種子。因此，種子大小在NaCl和PEG脅迫下的作用存在差別。種子大小與脅迫程度在發芽率、發芽指數、地上干質量、幼苗生物量上均存在顯著的影響，在活力指數和含水量上有著極顯著影響，隨著脅迫程度的增加大種子的優勢減小，說明大種子的優勢隨脅迫程度的增加而降低。因此，大種子的優勢受到環境條件和脅迫強度的影響，與王方琳等(2020)對沙埋處理不同大小沙蒿(Artemisiadesertorum)種子、閆興富等(2020)對干旱脅迫處理不同大小遼東櫟種子的研究結論一致。

4 結論

NaCl和PEG脅迫對刺槐種子的萌發和幼苗生長的影響有著一定的相似性，2種脅迫下隨著脅迫程度增加種子萌發、幼苗生長和根系構建受到的抑制作用均顯著增強，但與NaCl脅迫相比，PEG脅迫的抑制作用更明顯。適宜的NaCl濃度促進了刺槐的種子萌發和幼苗生長，PEG則促進了根系的生長發育。相較于小粒種子，大粒與中粒種子在發芽能力、幼苗生物量和可塑性更具優勢，形成的幼苗適應能力更強，但二者的優勢均體現在脅迫程度較輕的情況下。因此，建議刺槐大田播種育苗時選擇大粒與中粒種子，在干旱地區土壤水勢不低于-0.15 MPa，在鹽堿地區土壤含鹽量不高于0.3%。