不同水鹽條件對鹽地堿蓬種子發(fā)芽和生長的影響

龐慶莊， 郭建超， 陳家東， 蘇芳莉

(1.海南省水利水電勘測設(shè)計研究院，海南 海口 570204； 2.沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué) 水利學(xué)院，遼寧 沈陽 110866；3.遼寧雙臺河口濕地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，遼寧 盤錦 124112)

鹽地堿蓬(Suaedasalsa)是一種海侵成土母質(zhì)的先鋒植物，鹽地堿蓬種群是濕地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，而鹽地堿蓬種群種質(zhì)退化會導(dǎo)致堿蓬種群生物量下降，退化嚴(yán)重的地區(qū)還會使整個濕地生態(tài)系統(tǒng)遭受破壞，生物多樣性降低，物種瀕臨滅絕，引起土地沙化和鹽漬化。

鹽地堿蓬為藜科(Chenopodiaceae)堿蓬屬(Suaeda)一年生草本植物[1]，生長于海濱、湖邊、荒漠等鹽堿地上，有很高的耐鹽性，能夠降低土壤鹽含量，增加土壤有機質(zhì)含量[2]，改良鹽堿地，是一種典型的鹽堿地指示植物。不過，鹽地堿蓬的抗鹽能力并非沒有限度，當(dāng)土壤含鹽量超過3.5%，鹽地堿蓬就會死亡[3]。所以長在海灘上的鹽地堿蓬基本集中在潮間帶上。鹽地堿蓬對光照和溫度比較敏感，光照不足會影響幼苗初期的光合作用[4]，但高溫又會阻礙其新鮮嫩枝的正常生長[5]。地下水位的增加，能使表層土壤鹽度升高，較高水位條件(>10 cm)會顯著抑制鹽地堿蓬種子的發(fā)芽[6]。劉興[7]通過鹽地堿蓬種子萌發(fā)試驗發(fā)現(xiàn)，低鹽濃度(<300 mmol·L-1)促進種子萌發(fā)，高鹽濃度(>300 mmol·L-1)抑制種子萌發(fā)，推遲發(fā)芽時間。李悅等[8]通過沙培試驗的結(jié)果表明，低鹽濃度會促進鹽地堿蓬幼苗生長(<200 mmol·L-1)，高鹽濃度(>200 mmol·L-1)會抑制其生長。蘇芳莉等[9]研究發(fā)現(xiàn)，鹽地堿蓬幼苗在鹽度為300 mmol·L-1時各生長指標(biāo)達到最優(yōu)，在鹽度為600 mmol·L-1時表現(xiàn)出生長緩慢、莖枝枯黃、葉片脫落等現(xiàn)象，各生長指標(biāo)不同程度下降，并出現(xiàn)鹽地堿蓬植株死亡的情況。鹽度對鹽地堿蓬種子的萌發(fā)生長起主要作用，一定范圍內(nèi)的鹽度，有利于鹽地堿蓬的發(fā)芽，生長情況良好；但是鹽度繼續(xù)升高，鹽地堿蓬的生長受到抑制，超過一定的限度后，鹽地堿蓬無法生長。

遼河口濕地是全球候鳥“東亞-澳大利亞”遷徙路線的重要驛站。鹽地堿蓬群落構(gòu)成了遼河口濕地著名的“紅海灘”景觀，是珍稀物種黑嘴鷗的主要覓食和棲息地[10-11]，具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)價值[12]，維系區(qū)域生物多樣性的作用不可替代。自2000年以來，遼河口濕地發(fā)生顯著退化，鹽地堿蓬在生長季節(jié)的不同時期出現(xiàn)不明原因的死亡，使得堿蓬種群面積逐漸減少，而雙臺子河口左岸攔海大堤外的鹽地堿蓬種群退化尤為嚴(yán)重。本研究以遼河口的鹽地堿蓬種子作為研究對象，初步探討不同水分和鹽度條件對鹽地堿蓬種子萌發(fā)及其幼苗生長的影響，旨在為遼河口濕地紅海灘景觀生態(tài)修復(fù)實際應(yīng)用提供一定的理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

遼河口濕地位于遼河三角洲中心區(qū)域，地理坐標(biāo)為121°28′24.58″～121°58′27.49″E，40°45′00″～41°05′54.13″N。濕地的土壤由河流沖積形成，土地利用類型有蘆葦沼澤、河流水域、灘涂等。屬于暖溫帶大陸性半濕潤季風(fēng)氣候，具有雨熱同季、干冷同期的特點，年降水量611.6～640.1 mm，集中在7—9月，年平均氣溫9.2 ℃，年日照時數(shù)為2 780.5 h，全年無霜期182 d。該區(qū)地貌類型為沖積海積濱海平原，地勢平坦、開闊，多葦塘沼澤和海域灘涂。濕地土壤類型以沼澤土、鹽土、潮灘土為主，pH值為7.2～7.6。河口濕地類型有蘆葦濕地、鹽地堿蓬濕地和裸灘濕地，優(yōu)勢植物主要為蘆葦和鹽地堿蓬。鹽地堿蓬植株生長旺盛期為6—9月，蓬植株高20～22 cm。鹽地堿蓬主要分布區(qū)鹽分含量最高可達3.4%。

1.2 樣品采集

從遼河口濕地鹽地堿蓬主要分布區(qū)隨機采集鹽地堿蓬植株地上部分1 000株，分株裝入10號自封袋中，帶回實驗室，放置于陰涼通風(fēng)處，室溫晾干。種子脫落之后，從中隨機抽取100份，計算每個植株上種子數(shù)量。種子掉落后，用1.6 mm孔徑的篩子對種子進行去雜和篩選，選出的種子裝入自封袋。對篩選出的二型性種子進行標(biāo)號，最后用游標(biāo)卡尺測量種子直徑和厚度，并確定棕色種子、黑色種子的數(shù)量。

1.3 樣品處理

2種類型的種子在水培模擬水淹環(huán)境和紗布培養(yǎng)模擬非水淹環(huán)境下生長，觀察種子萌發(fā)的特性，第一組為非水淹培養(yǎng)皿，紗布一直用蒸餾水保持濕潤，第二組為水淹培養(yǎng)皿，蒸餾水量以覆蓋培養(yǎng)皿底部為宜。每組4個培養(yǎng)皿，分別放入5粒大棕色種子、5粒小棕色種子、5粒大黑色種子、5粒小黑色種子。8個培養(yǎng)皿均放于適宜溫度和光照條件下培養(yǎng)，每天觀察其生長情況，并做好相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄，實驗重復(fù)3次。

將105 ℃條件下烘干的分析純NaCl晶體，按照相應(yīng)的質(zhì)量比例，溶于純凈水，分別配置成0、3、5、10、15%濃度梯度的NaCl溶液，注入10個干凈的培養(yǎng)皿(直徑9 cm)，并覆蓋底部。選取飽滿的2類鹽地堿蓬種子分2組進行試驗，均以蒸餾水為對照。每個培養(yǎng)基內(nèi)分別放5粒棕色種子和黑色種子，每日觀察其種皮顏色等形態(tài)特征，并做好記錄。每組實驗均重復(fù)3次。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Microsoft Excel 2019進行數(shù)據(jù)的整理及圖表的繪制，應(yīng)用SPSS 22.0進行差異分析，采用單因素方差分析計算各處理鹽地堿蓬種子的發(fā)芽率和幼苗高度的差異多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 鹽地堿蓬種子異型性

每棵鹽地堿蓬植株上有2種類型的種子(圖1)，棕色種子的種皮具有柔軟、透明、粗糙的特點，而黑色種子種皮致密、堅硬、光滑，從鹽地堿蓬濕地分布區(qū)同一地點隨機選取100株鹽地堿蓬植株，共得到種子2 024粒，其中棕色種子1 773粒，黑色種子251粒，占比分別為87.5%和12.5%，棕色種子的數(shù)量遠遠多于黑色種子。

圖1 未萌發(fā)的鹽地堿蓬棕色種子和黑色種子

從圖2可以看出，1 773粒鹽地堿蓬棕色種子的直徑分布范圍為0.100～0.250 cm，平均直徑為0.179 cm；251粒鹽地堿蓬黑色種子的直徑分布范圍為0.100～0.180 cm，平均直徑為0.147 cm。棕色種子直徑分布范圍比黑色種子更加廣泛。鹽地堿蓬棕色種子的厚度分布范圍為0.020～0.116 cm，平均厚度為0.069 cm；鹽地堿蓬黑色種子的厚度分布范圍為0.023～0.116 cm，平均厚度為0.082 cm。

圖2 鹽地堿蓬棕色種子和黑色種子直徑和厚度分布

2種種子厚度分布范圍差別不大。

2.2 鹽地堿蓬種子萌發(fā)影響因素及機制

2.2.1 鹽分對種子萌發(fā)的影響

從圖3看出，不同濃度NaCl溶液對2種鹽地堿蓬種子萌發(fā)率有不同的影響。在較低鹽分濃度范圍內(nèi)(<3% NaCl濃度)，棕色種子的萌發(fā)不受鹽度影響，能夠全部萌發(fā)，而隨鹽分濃度的增大，萌發(fā)率顯著降低，當(dāng)鹽分濃度從3%提高到5%時，種子萌發(fā)率最大降低幅度為60%；黑色種子在較低的鹽分濃度下(<3% NaCl濃度)，種子萌發(fā)率從40%提高到80%，但當(dāng)鹽分濃度從3%提高到5%時，萌發(fā)率又從80%降低為40%，當(dāng)鹽分達到5%時，2種種子的發(fā)芽率變化一致，當(dāng)鹽分為15%時，種子死亡?？偟膩碚f，在一定鹽度范圍內(nèi)(0～15%)，鹽地堿蓬棕色種子對鹽分的適應(yīng)能力強于黑色種子。

圖3 鹽地堿蓬棕色和黑色種子在不同NaCl濃度下萌發(fā)率

從圖3可以看出，隨著鹽分濃度的增加，棕色種子和黑色種子的萌芽長度均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，清水組棕色種子萌芽長度值最大為1.7 cm，黑色種子萌芽長度值最大為1.3 cm；當(dāng)鹽分濃度達到15%時，棕色種子萌芽長度為最小值0，當(dāng)鹽分濃度為10%時，黑色種子萌芽長度值為最小值0。在0%、3%、5%、10%、15%的鹽分濃度下，棕色種子和黑色種子的萌芽長度值相差分別為0.4、0.4、0.6、0.3 cm，差距最大出現(xiàn)在鹽分濃度為5%時，相差0.6 cm，差距最小出現(xiàn)在鹽濃度為10%時，相差0.3 cm。表明鹽分濃度范圍為0%～15%時，隨著鹽分濃度增加，棕色種子和黑色種子的萌芽長度均逐漸降低，但鹽分對鹽地堿蓬黑色種子萌芽長度抑制效果更加顯著。

2.2.2 水淹對種子萌發(fā)的影響

從圖4可以看出，棕色種子在非水淹條件下的萌芽飽滿、粗壯，顏色鮮亮，具有活力，而在水淹條件下，種子雖然也萌發(fā)了，但是萌芽卻呈現(xiàn)出黃色，顏色暗淡，缺乏活力。可能是因為棕色種子體積大、種皮薄且軟，較多的營養(yǎng)物質(zhì)可以為前期快速發(fā)芽提供養(yǎng)分，經(jīng)短暫的浸泡后可以迅速萌發(fā)，但是若發(fā)芽后，處于水淹造成的無氧條件下，幼苗的呼吸作用將受到抑制，進而影響幼芽初期的光合作用。

黑色種子無論是在非水淹還是水淹條件下，萌芽都表現(xiàn)出飽滿、鮮亮和旺盛活力的狀態(tài)，說明水淹脅迫對棕色種子的影響大于黑色種子。由于黑色種子體積小，種皮致密不吸水，起到隔離外界環(huán)境的作用，保護種胚免受水淹和鹽害的損傷，通過緩慢吸收水分進行層積，經(jīng)過一段時間后，種胚逐漸強壯，休眠釋放，種子開始萌發(fā)。所以，無論是非水淹還是水淹，黑色種子的幼苗受抑制程度小于棕色種子。

無論是水淹還是非水淹條件，棕色種子的幼苗都要比黑色種子的幼苗顯得粗壯，一方面，可能是棕色種子比黑色種子大，所含營養(yǎng)物質(zhì)高，基礎(chǔ)雄厚；另一方面，黑色種子的胚較弱，且要突破厚厚種皮需要很大的機械阻力。

從圖5中可以得出，大棕色種子和小棕色種子在非水淹條件下的萌芽長度分別為3.1 cm和1.5 cm，在水淹條件下的萌芽長度分別為1.2 cm和1.1 cm。大棕色種子在水淹和非水淹時萌芽長度相差1.9 cm；小棕色種子在水淹和非水淹條件下萌芽長度相差0.4 cm。在非水淹條件下，大棕色種子和小棕色種子的萌芽長度相差1.6 cm；在水淹條件下，大棕色種子和小棕色種子的萌芽長度相差0.1 cm。

圖5 鹽地堿蓬棕色種子和黑色種子在水淹和非水淹條件下萌芽長度和萌發(fā)率

大黑色種子在水淹和非水淹條件下的萌芽長度都為0.3 cm；小黑色種子在水淹和非水淹條件下的萌芽長度分別為0.9 cm和1.1 cm，相差0.2 cm。在非水淹條件下，大黑色種子和小黑色種子的萌芽長度分別為0.3 cm和1.1 cm，相差0.8 cm；在水淹條件下，大黑色種子和小黑色種子的萌芽長度分別為0.3 cm和0.9 cm，相差0.6 cm。

從圖5可以看出，無論是在非水淹還是水淹條件下，大棕色種子和小棕色種子的萌發(fā)率都是100%，說明棕色種子的萌發(fā)率不受水淹脅迫的影響，可以一次性萌發(fā)完成。大黑色種子和小黑色種子在非水淹條件下萌發(fā)率都是40%，在水淹條件下都是20%，說明無論是棕色種子還是黑色種子，在水淹和非水淹條件下，其萌發(fā)率不受種子自身大小的影響。

在非水淹或水淹條件下，棕色種子的萌發(fā)率比黑色種子的萌發(fā)率高，說明無論是水淹還是非水淹條件，棕色種子的萌發(fā)率顯著高于黑色種子。黑色種子在非水淹條件下的萌發(fā)率比在水淹條件下的萌發(fā)率高，說明水淹環(huán)境對黑色種子萌發(fā)率的抑制程度高于非水淹環(huán)境。

3 小結(jié)

種子二型性指在同一株植物上產(chǎn)生2種在形態(tài)結(jié)構(gòu)及萌發(fā)特性等方面存在顯著差異的種子[13]。自然選擇表明，擁有種子二型性的植物有不同的萌發(fā)時間，避免了物種一次性滅絕，進而保證種群的成功建立和順利繁殖，這是植物在這些嚴(yán)酷環(huán)境中長期進化的結(jié)果[14]。藜科植物的種子具有二型性，二型種子不同的形態(tài)、休眠和萌發(fā)特性，提高了該物種在高度異質(zhì)性生境中的適合度，對種群成功地適應(yīng)溫帶鹽漠環(huán)境具有重要的意義[15]。

棕色種子皮薄，在適宜鹽分條件下，其吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)的速度比黑色種子快，萌發(fā)速度和萌發(fā)率都要優(yōu)于同一條件下的黑色種子。但是，隨著鹽分濃度增大，黑色種子表現(xiàn)出較高的耐鹽性，例如，在海潮臨時水淹狀態(tài)下，棕色種子承受大量海水而不能正常生長；而黑色種子的種皮是角質(zhì)，對外界的海水環(huán)境有一定的阻擋作用，既能保持種子發(fā)芽所需的水分，又能與外界的水分保持一定的限度[16]。

此外，棕色種子萌發(fā)溫度范圍廣，在早春低溫條件下，其萌發(fā)率顯著高于黑色種子；隨著溫度升高，土壤表層鹽度增大，厚皮的黑色種子萌發(fā)率高于棕色種子，即使雨后土壤鹽分含量降低，棕色種子繼續(xù)萌發(fā)能力依然低于黑色種子，可能的原因是薄種皮的棕色種子胚受到鹽分損害，活力降低；但厚皮又阻礙了黑色種子的發(fā)芽，劃破種皮明顯提高了其萌發(fā)率[17]。

同時，黑色種子具有非深度休眠特性，研究發(fā)現(xiàn)，儲存提高了鹽地堿蓬黑色種子萌發(fā)，說明新成熟黑色種子胚自身活力較低，需要完成后熟；黑色種子經(jīng)過蒸餾水或不同濃度鹽分的低溫層積均顯著提高了其萌發(fā)率，這種現(xiàn)象可能與種子內(nèi)源激素有關(guān)[18]。低溫層積可為種子提供濕潤、低溫和通氣的條件，感受低溫部位的分生組織中激素達到平衡，致使代謝發(fā)生順序性的變化。種子胚中的抑制劑含量過高，而赤霉素、乙烯等促進劑含量過低，可能是鹽地堿蓬黑色種子萌發(fā)率低的一個主要內(nèi)在因素，外源赤霉素可有效促進胚的生長[19]。

棕色種子對光照不太敏感，雖然鹽地堿蓬黑色種子在光照和黑暗條件下萌發(fā)率均不高，但光照條件下萌發(fā)率比黑暗條件下更高，并且與溫度存在相互作用，由此說明，光可能會影響土壤種子庫中黑色種子的萌發(fā)，即埋于淺層土壤的黑色種子接受光照后易萌發(fā)，形成潛在種子庫，而深層土壤的種子無光照，處于休眠狀態(tài)，形成土壤種子庫[20]。

種子大小明顯地影響幼苗的初始大小和幼苗的生長高度。相對于較小種子產(chǎn)生的幼苗，大種子產(chǎn)生的幼苗較大，具競爭優(yōu)勢。例如，三角葉濱藜(Atriplextriangularis)大種子的幼苗較大，在以后的生長中一直保持這種差異，這種差異是大種子發(fā)芽快的結(jié)果。棕色種子的植株地上部分生物量均高于黑色種子植株，可能與棕色種子的幼苗具有較多的分枝有關(guān)[21]。

因此，棕色種子主要在春天建群，且棕色種子剛萌發(fā)幼苗耐鹽性較強，而黑色種子在夏天雨季來臨后萌發(fā)，黑色種子可能在環(huán)境不利情況下群落的持續(xù)建成中起一定作用。鹽地堿蓬異型性種子拓寬了萌發(fā)時間，分散了萌發(fā)地點，降低了種子一次性萌發(fā)完的風(fēng)險，為鹽地堿蓬種群建成提供了多種可選擇的機會[22]。

黑色種子體積小，平均直徑0.147 cm，種皮角質(zhì)有光澤，而棕色種子體積大，平均直徑0.179 cm，種皮膜質(zhì)無光澤。低鹽度(<3% NaCl)條件下，棕色種子的萌發(fā)率不受影響，而黑色種子發(fā)芽率提高；高鹽度(>3% NaCl)條件下，2類種子的萌發(fā)率均隨鹽分濃度的升高而下降。隨著鹽分濃度的升高，2類種子的萌發(fā)長度均受到抑制，萌芽長度與鹽濃度之間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，黑色種子萌芽長度受到抑制的程度比棕色種子高。

無論是在非水淹還是水淹條件下，棕色種子的萌發(fā)率均可一次性萌發(fā)完成。在非水淹或淹條件下，棕色種子的萌發(fā)率比黑色種子的高，說明無論是水淹還是非水淹條件，棕色種子的萌發(fā)率顯著高于黑色種子。黑色種子在非水淹的條件下的萌發(fā)率比在水淹條件下高，說明水淹環(huán)境對黑色種子萌發(fā)率的抑制程度顯著高于非水淹環(huán)境。