天津?yàn)I海濕地堿地膚種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)

侯濤亮，王春萍，郭宏宇，馬成倉(cāng)，王銀華

（1.天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，天津 300387；2.天津師范大學(xué)天津市動(dòng)植物抗性重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300387）

天津?yàn)I海濕地分布于天津?yàn)I海地區(qū)，該地區(qū)屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候，四季分明[1].天津?yàn)I海濕地是京津冀區(qū)域生態(tài)環(huán)境的重要組成部分，在凈化水體和保持生物多樣性方面有著獨(dú)特的生態(tài)功能，對(duì)維持京津冀區(qū)域的生物多樣性和生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定具有重要意義[2-3].由于人為開(kāi)發(fā)活動(dòng)的影響，天津?yàn)I海濕地生態(tài)環(huán)境出現(xiàn)退化，濕地面積不斷減少，生物多樣性呈下降趨勢(shì)[4].

堿地膚（Kochia scoparia（L.）Schrad.var.sieversiana（Pall.）Ulbr.）為藜科一年生草本植物，是天津?yàn)I海濕地重要植物，對(duì)該地區(qū)植被的保護(hù)和恢復(fù)意義重大[5].堿地膚具有重要的經(jīng)濟(jì)和藥用價(jià)值，其幼苗可用作飼料和中藥[6].堿地膚具有一定的抗逆、耐鹽堿等特性，因此對(duì)退化的鹽堿土壤具有一定的恢復(fù)和改良作用[7-8].對(duì)于多數(shù)植物來(lái)說(shuō)，幼苗期是較為脆弱的時(shí)期，因此幼苗對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力是決定植物是否能正常生長(zhǎng)的關(guān)鍵因素[9].在濱海濕地中，植物常遭受鹽脅迫、水淹或動(dòng)物踩踏，關(guān)于鹽度或水淹單因子對(duì)堿地膚生長(zhǎng)的影響已有報(bào)道[10-11]，而在鹽度、水淹深度和干擾3個(gè)因子共同作用下堿地膚幼苗受到脅迫的影響還未見(jiàn)報(bào)道.

本研究采用多因子交互控制實(shí)驗(yàn)，探究了天津?yàn)I海濕地堿地膚幼苗在不同鹽度（Salinity）、水淹深度（Water depth）和干擾（Disturbance）條件下的出土率和生長(zhǎng)特點(diǎn)，為科學(xué)制定管控措施，促進(jìn)天津?yàn)I海濕地植被的恢復(fù)和生物多樣性保護(hù)提供理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

2016年10月，在天津?yàn)I海濕地中具有代表性的七里海濕地采集健康飽滿(mǎn)的堿地膚種子約5 000粒，于4℃下保存?zhèn)溆?2017年3月，采集七里海濕地表層土壤作為實(shí)驗(yàn)栽培基質(zhì)土壤，土壤鹽度約為1 g/kg.用直徑為7 cm、高度為9 cm的小花盆，底部墊雙層紗布，裝入經(jīng)高壓滅菌后的栽培土壤，土壤表面距花盆底部約為4 cm.

1.2 方法

土壤鹽度處理設(shè)置2個(gè)水平，即1 g/kg和10 g/kg，與天津?yàn)I海濕地部分沼澤區(qū)域出現(xiàn)的鹽漬化水平基本相當(dāng).水淹深度處理設(shè)置2個(gè)水平，分別為0 cm和3 cm.設(shè)置干擾和無(wú)干擾處理，干擾處理采用玻璃棒隨機(jī)點(diǎn)觸土壤表面的方式，每個(gè)栽培花盆每次干擾50次，以此模擬小動(dòng)物踩踏的干擾，每2 d施加干擾處理1次.共8個(gè)實(shí)驗(yàn)處理組合，每個(gè)處理組合8個(gè)重復(fù).

2017年3月，挑選籽粒飽滿(mǎn)的堿地膚種子，均勻播種于花盆土壤中，每盆播種20粒種子，共播種堿地膚種子1 280粒（8個(gè)處理組合×8個(gè)重復(fù)×20粒種子）.將花盆放入深約5 cm的塑料托盤(pán)中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)處理需要向托盤(pán)中添加NaCl溶液至所需水淹深度（0 cm或3 cm）.將裝有花盆的托盤(pán)放置于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)日光充足處，室溫約為20℃.

實(shí)驗(yàn)期間，每天16∶00觀察并記錄各花盆中堿地膚出土幼苗的數(shù)量，監(jiān)測(cè)各處理下各花盆的鹽度和水淹深度，并根據(jù)需要適當(dāng)補(bǔ)充蒸餾水或NaCl溶液來(lái)維持實(shí)驗(yàn)處理設(shè)置.在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到第30 d時(shí)，調(diào)查各處理?xiàng)l件下花盆中堿地膚幼苗的出土率（Seed germination rate）、幼苗高度（各花盆中幼苗平均高度，Seeding height）和幼苗葉片數(shù)（各花盆中幼苗平均葉片數(shù)，Leaf number）.然后將堿地膚幼苗從花盆中取出，用蒸餾水洗凈，測(cè)量幼苗根長(zhǎng)（各花盆中幼苗平均根長(zhǎng)，Seedling root length）.

堿地膚幼苗出土率和幼苗各生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)干擾處理的響應(yīng)率（Response ratio，R）計(jì)算公式如下：

幼苗出土率（%）=出土幼苗數(shù)/種子總數(shù)×100.

式中：xd為干擾處理下測(cè)定指標(biāo)的平均值；x0為無(wú)干擾條件下測(cè)定指標(biāo)的平均值.R＞0表示生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)干擾處理為正響應(yīng)；R＜0表示生長(zhǎng)指標(biāo)對(duì)干擾處理為負(fù)響應(yīng)[12-13].

1.3 數(shù)據(jù)處理

對(duì)各生長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行三因子方差分析，用Tukey HSD檢驗(yàn)方法對(duì)不同處理間的差異進(jìn)行檢驗(yàn)，P＜0.05為差異具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義.用JMP10軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理?xiàng)l件對(duì)堿地膚幼苗出土率的影響

不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的出土率如圖1所示，各環(huán)境因子及交互作用對(duì)出土率和幼苗生長(zhǎng)影響的多因子方差分析結(jié)果如表1所示.

由圖1和表1可以看出，鹽度、水淹深度和干擾對(duì)堿地膚幼苗出土率均有顯著影響（P＜0.05）.相對(duì)于1 g/kg鹽度，10 g/kg鹽度對(duì)堿地膚幼苗的出土率有顯著促進(jìn)作用（P=0.027）；3 cm水淹深度對(duì)幼苗出土率有抑制作用（P＜0.001）；干擾處理對(duì)幼苗出土率有促進(jìn)作用（P=0.044）.在1 g/kg鹽度條件下，0和3 cm水淹深度處理中，堿地膚幼苗出土率對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為0.492和0.410；而在10 g/kg鹽度條件下，0 cm和3 cm水淹深度處理中，堿地膚幼苗出土率對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為0.405和0.251.

圖1 不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的出土率Fig.1 Seed germ ination rate of Kochia scoparia var.sieversiana under different treatments

表1 堿地膚幼苗各生長(zhǎng)指標(biāo)受3種環(huán)境因子及其交互作用影響的多因子方差分析結(jié)果Tab.1 Results of ANOVAs on the effects of three environmental factors and their interactions on the grow th indicators of Kochia scoparia var.sieversiana seedlings

2.2 不同處理?xiàng)l件對(duì)堿地膚幼苗高度的影響

不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的高度如圖2所示.由圖2和表1可以看出，鹽度、水淹深度和干擾對(duì)堿地膚幼苗高度都有顯著影響.相對(duì)于1g/kg鹽度，10g/kg鹽度對(duì)堿地膚幼苗高度有極顯著的抑制作用（P=0.001）；堿地膚幼苗在3 cm水淹深度條件下較低矮；干擾處理對(duì)堿地膚幼苗高度也有抑制作用（P=0.040）.鹽度與水淹深度交互作用對(duì)堿地膚幼苗高度的影響接近顯著水平（P=0.080），其他因子的交互作用對(duì)堿地膚幼苗高度無(wú)顯著影響.總體上，在1 g/kg鹽度條件下，0 cm和3 cm水淹深度處理中，堿地膚幼苗高度對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為-0.509和-0.405；在10 g/kg鹽度條件下，0 cm和3 cm水淹深度處理中，堿地膚幼苗高度對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為-0.606和-0.049.

圖2 不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的高度Fig.2 Seedling height of Kochia scoparia var.sieversiana under different treatments

2.3 不同處理?xiàng)l件對(duì)堿地膚幼苗葉片數(shù)的影響

不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的葉片數(shù)如圖3所示.由圖3和表1可以看出，無(wú)論在1 g/kg還是10 g/kg鹽度條件下，堿地膚幼苗在3 cm水淹深度處理中的葉片數(shù)都顯著少于在0 cm水淹深度處理中的葉片數(shù)（P＜0.001），而鹽度和干擾條件對(duì)葉片數(shù)無(wú)顯著影響（P＞0.05）.3個(gè)因子的交互作用對(duì)堿地膚幼苗的葉片數(shù)也沒(méi)有顯著影響.在1 g/kg條件下，0 cm和3 cm水淹深度處理中，堿地膚幼苗葉片數(shù)對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為-0.035和-0.167；在10 g/kg條件下，0 cm和3 cm水淹深度處理中，幼苗葉片數(shù)對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為-0.100和-0.118.

圖3 不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的葉片數(shù)Fig.3 Leaf number of Kochia scoparia var.sieversiana under different treatments

2.4 不同處理?xiàng)l件對(duì)堿地膚幼苗根長(zhǎng)的影響

不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的根長(zhǎng)如圖4所示.由圖4和表1可以看出，鹽度、水淹深度和干擾對(duì)堿地膚幼苗根長(zhǎng)都有顯著影響（P＜0.05）.與1 g/kg鹽度處理相比，10 g/kg鹽度對(duì)堿地膚幼苗根長(zhǎng)有顯著抑制作用（P=0.035）.無(wú)論在1 g/kg還是10 g/kg鹽度條件下，幼苗在3 cm水淹深度處理中的根長(zhǎng)都顯著小于在0 cm水淹深度處理中的根長(zhǎng)（P＜0.001）.總體上，干擾處理對(duì)堿地膚幼苗根部的生長(zhǎng)有抑制作用（P=0.044），在0 cm水淹深度處理中的抑制作用尤為顯著.在1g/kg鹽度條件下，0 cm和3 cm水淹深度處理中，堿地膚幼苗根長(zhǎng)對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為-0.353和-0.243；在10 g/kg鹽度條件下，0 cm和3 cm水淹深度處理中，根長(zhǎng)對(duì)干擾處理的響應(yīng)率分別為-0.551和-0.256.

圖4 不同處理?xiàng)l件下堿地膚幼苗的根長(zhǎng)Fig.4 Seedling root length of Kochia scoparia var.sieversiana under different treatments

3 討論與結(jié)論

本研究通過(guò)多因子交互實(shí)驗(yàn)，探究了天津?yàn)I海濕地堿地膚幼苗在不同鹽度、水淹深度和干擾條件下的出土率和生長(zhǎng)特點(diǎn).結(jié)果表明，稍高的鹽度（10 g/kg）對(duì)堿地膚幼苗出土率有顯著促進(jìn)作用.顏宏等[14]用不同濃度的中性鹽對(duì)堿地膚種子進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)NaCl濃度為40 mmol/L和80 mmol/L時(shí)，堿地膚種子的發(fā)芽率均高于對(duì)照組，這表明一定的鹽度能夠刺激堿地膚種子萌發(fā).張建偉等[15]對(duì)野生地膚（Kochia scoparia）的研究也表明，濃度小于100 mmol/L的NaCl對(duì)野生地膚種子的萌發(fā)有促進(jìn)作用.本研究中，鹽度對(duì)堿地膚幼苗的株高和根長(zhǎng)均有負(fù)面影響，即抑制了堿地膚幼苗的生長(zhǎng).曲冰冰[16]模擬各種鹽堿混合脅迫對(duì)堿地膚植株進(jìn)行處理，發(fā)現(xiàn)與對(duì)照組相比，堿地膚幼苗的相對(duì)生長(zhǎng)率整體呈下降趨勢(shì)，表明鹽脅迫對(duì)堿地膚植株的生長(zhǎng)具有明顯抑制作用.這些結(jié)果均表明同一個(gè)環(huán)境因子對(duì)植物的作用會(huì)隨植物生長(zhǎng)發(fā)育階段的不同而改變，因此，對(duì)環(huán)境因子與植物生長(zhǎng)間的關(guān)系要進(jìn)行系統(tǒng)性研究，從整體上把握環(huán)境因子對(duì)植物的作用.

在研究水淹處理對(duì)堿地膚生長(zhǎng)的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)，3 cm水淹處理顯著降低了堿地膚幼苗的出土率，對(duì)幼苗的高度、根長(zhǎng)和葉片數(shù)也均有顯著抑制作用.這可能是由于水淹造成了堿地膚種子以及幼苗的缺氧，從而抑制了種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng).水淹脅迫對(duì)植物生長(zhǎng)的負(fù)面影響已有較多報(bào)道.如劉波等[17]研究了水深對(duì)蘆葦（Phragmites australis）種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)水淹條件會(huì)降低蘆葦種子的萌發(fā)率.王秋林等[18]研究了不同水位對(duì)灰化苔草（Carex cinerascens）生長(zhǎng)的影響，發(fā)現(xiàn)水淹處理?xiàng)l件下苔草的株高和分株數(shù)均低于對(duì)照組；肖強(qiáng)等[19]研究發(fā)現(xiàn)，互花米草（Spartina alterniflora）在水淹脅迫下株高和葉面積呈下降趨勢(shì).本研究中鹽度與水淹深度的交互作用對(duì)堿地膚幼苗高度的影響接近顯著水平（P=0.080），表明水淹脅迫對(duì)堿地膚幼苗高度的作用隨鹽度的改變而有所變化，在土壤鹽脅迫條件下水淹脅迫對(duì)堿地膚幼苗高度的抑制作用較明顯.由此可見(jiàn)，堿地膚的種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)均對(duì)水淹脅迫較為敏感，在堿地膚植被恢復(fù)的實(shí)踐中要注意防止水淹脅迫的發(fā)生.

王浩東等[20]研究了干擾（模擬踐踏干擾）對(duì)鹽地堿蓬（Suaeda salsa）種子萌發(fā)的影響，發(fā)現(xiàn)干擾在一定程度上可促進(jìn)鹽地堿蓬種子萌發(fā)，推測(cè)可能是由于干擾對(duì)土壤表面一定程度的擾動(dòng)促進(jìn)了鹽地堿蓬種子對(duì)氧氣的獲取.本研究中也發(fā)現(xiàn)，一定程度的干擾可以促進(jìn)堿地膚種子的萌發(fā)和幼苗出土，但是對(duì)幼苗生長(zhǎng)均有顯著抑制作用.張希彪等[21]的研究表明，干擾（放牧）強(qiáng)度的增加會(huì)影響土壤的顆粒組成和持水性能，降低土壤入滲能力，最終導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，從而使植物根系的生長(zhǎng)受到抑制.由此認(rèn)為，堿地膚植被恢復(fù)過(guò)程中，應(yīng)在其幼苗出土后盡量避免干擾（如踐踏干擾）.

總之，在濱海濕地堿地膚建植過(guò)程中，10 g/kg的鹽度和一定程度的干擾可提高堿地膚幼苗出土率，而水淹（3 cm）則會(huì)降低堿地膚幼苗出土率.10 g/kg的鹽度、干擾和3 cm水淹均對(duì)堿地膚幼苗生長(zhǎng)有抑制作用.因此在濱海濕地堿地膚植被的恢復(fù)過(guò)程中，在種子萌發(fā)期可進(jìn)行適度干擾，在生長(zhǎng)期應(yīng)避免鹽脅迫、水淹和踩踏干擾.