人工模擬增雨對唐古特白刺種子形態性狀和萌發特性的影響

張景波，董 雪，辛智鳴,3，劉明虎，張冉浩，黃雅茹，孫 非

(1.中國林業科學研究院荒漠化研究所, 北京 100091; 2中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心，內蒙古 磴口 015200; 3.內蒙古磴口荒漠生態系統國家定位觀測研究站，內蒙古 磴口 015200)

【研究意義】種子形態是重要的植物生活史特性之一，主要包括種子重量、形狀、附屬物和表面結構等性狀[1-2]。它與種子散布、休眠、萌發、出土、幼苗生長及種子庫持久性等密切相關[3-6]。種子形態不僅制約著物種的分布和豐富度[6]，而且影響植物群落演替過程[7-8]，因此具有重要的適應意義[3, 9-11]。【前人研究進展】唐古特白刺(Nitrariatangutorum)是蒺藜科(Zygophyllaceae)白刺屬匍匐性小灌木，抗旱，耐瘠薄，喜沙埋，攔阻并積聚風沙逐漸形成丘狀沙堆，在保障干旱荒漠區生態安全中發揮著極其重要的作用，廣泛分布在西北干旱區[12-16]。國內已經在干旱區對白刺進行了增雨實驗，結果表明，甘肅省民勤縣的增雨量達到當地年均降水量(115 mm)時即增雨100 %，白刺對增加水分的利用比例才能明顯增加[17]。增雨同時可以使白刺的生長期延長，包括春季展葉期和花期提前，秋季落葉期延遲[18]。每增加100 mm水分白刺葉片長度增加0.52 cm、而寬度增加0.2 cm[19]。100 %增雨處理能夠顯著促進白刺當年生枝葉生長，提高生物量[20]。但目前對其種子形態如何響應降水增加卻未涉及，限制了我們對唐古特白刺有性繁殖策略的認識?！颈狙芯壳腥朦c】氣候變化尤其是降水變化對生態系統的結構和功能有重要影響[21]。但降水變化是否影響種子的形態屬性？至今鮮見報道。降水格局變化將對荒漠生態系統產生重要影響[22-23]。隨著降水的增加，不同種子大小的物種豐富度都有增加，但是大種子的優勢將降低，植株數目下降，小種子植物的數目極顯著增加[24]。目前，學者們在群落調查基礎上，探索種子的尺寸、種子的形狀、種子的顏色、種子的有無光澤等這些性狀與溫度、降水、光照等生態因子之間的關系及原因做了一些研究[5,24,28]。研究表明：種子性狀不僅隨氣候變化而變化，而且同一地區的不同坡向、不同演替階段也影響種子特性[10]。但是有關模擬增雨對荒漠植物唐古特白刺種子形態及所造成對干旱環境的適應機制方面的變異未見報道?！緮M解決的關鍵問題】本研究對自然生長的白刺沙包進行長期人工模擬增雨，測定唐古特白刺的種子形態性狀，以期揭示它對模擬增雨的響應，促進唐古特白刺灌叢的保護，為荒漠化土地防治提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區巴彥淖爾市的磴口縣中國林業科學研究院沙林中心第二實驗場內，地理坐標為 E106°43′，N40°24′。該地區屬于中溫帶大陸性季風氣候，夏季炎熱，冬季寒冷。降雨多集中在 6-9月，多年平均降水量約為145 mm；年均潛在蒸發量為2397 mm；年平均氣溫7.6 ℃，晝夜溫差較大，生長季日溫差可達15 ℃；全年平均相對濕度為48 %。年平均日照時數3210 h，占全年可照時數的72 %，無霜期在136～205 d；風沙危害是主要的自然災害，年平均風速為3.4 m/s，最大風力可達18 m/s，平均大風日數為12.5 d。樣地區域地勢平坦，土壤類型為風沙土，地下水埋深在 3～4 m。試驗區廣泛分布著唐古特白刺，群落內伴生有少量沙蒿(Artemisiadesterorum)和沙鞭(Psammochloavillosa)等多年生植物以及蟲實(Corispermumhyssopifolium)、沙米(Agriophyllumsquarrosum)、鹽生草(Halogetonglomeratus)和豬毛菜(Salsolacollina)等一年生植物，群落蓋度為30 %～40 %。

2 材料與方法

2.1 試驗設計與種子采集

模擬增雨實驗于2008年開始，每年的5-9月進行。以磴口縣多年(1961-2000年)平均降水量 145 mm為依據設置 4個增雨梯度，即分別增加年降水量 25 %、50 %、75 %以及100 %，同時設置 0 %的增雨為對照樣地(CK)，每次增雨量分別為0、7.25、14.5、21.75和29 mm, 增雨時長約5 h。每個處理和對照都設置 4個重復，共 20個實驗樣地，樣地之間的間隔在5 m以上，以盡量減少相鄰樣地之間的相互干擾。每個樣地為 1個半徑為 6 m的圓形，面積約為 113 m2。每個樣地內有一個白刺沙包，沙包位于樣地中間，其平均高度和面積分別為(1.24±0.14)m和(29.9±0.39)m2。除對照樣地外，每個樣地安裝1套全光照噴霧灌溉系統，進行人工模擬增雨，增雨用水取自樣地附近的水井，由輸水管道輸送到樣地內。所有實驗測定和樣品采集都在增雨能夠穩定覆蓋的范圍內進行，2017年7月上旬在每棵母樹采集生長發育正常的新鮮果實，果實采收后搓去果肉，淘洗干凈后晾干，風干至恒重，于0～4 ℃下保存。

2.2 種子性狀測定

本研究中測定每顆種子的表型性狀采用Winseedle種子和針葉圖象分析系統軟件。該軟件可獲得種子形態指標包括種長(平行子葉方向)、種寬(垂直子葉方向)、種子體積、種子表面積、種子長寬比等。種子形態指標測定以單株為單位，不同增雨處理的指標值均以該模擬增雨條件下各單株的均值來表示，以50粒種子為一個樣本。千粒重用 1/10000 電子天平測定。每次隨機取100粒種子，5次重復。

種子長寬比(L/W)=種子長度/種子寬度的比值

變異系數=性狀標準差/性狀平均值×100 %

2.3 唐古特白刺種子分級發芽試驗

實驗于2018年4月15日在中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心進行。將種子播種于16 cm×8 cm的塑料花盆內，把不同增雨處理0 %、25 %、50 %、75 %和100 %的種子分別劃分成特大粒、大粒、中粒、小粒和特小粒5個等級，每盆30粒，6個重復，播種深0.5 cm，播種后每天記錄出苗情況，18 d后，將盆內沙土全部倒出，仔細核對幼苗的數量，同時記錄花盆內萌發但未出土的種子數量。

2.4 數據處理

采用 Excel 2003和SPSS 17.0軟件將各性狀進行方差分析、差異顯著性檢驗、相關性分析。采用回歸分析種子形態指標(種長、種寬、種子體積、種子表面積、種子長寬比和千粒重)隨著模擬增雨的變異趨勢，以增雨量為自變量，各性狀分別為因變量，作多項式回歸分析。

3 結果與分析

3.1 試驗樣地2008-2017年天然降水量

由圖1可知，研究區2008-2017年自然年平均降雨量為128.54 mm，其中年降雨量和生長季5-9月最大降雨量出現在2012年，分別為219.5和218.2 mm，而年降雨量和生長季最小降雨量出現在2017年，分別為86.0和54.5 mm，由2008-2017年降雨數據分析可知生長季降雨量占全年降雨量的85.36 %。由此可以看出干旱地區降水量具有極大的波動性和不確定性，唐古特白刺種子表型特征變化是在以上天然降水背景條件下進行測定的。

3.2 增雨對唐古特白刺種子性狀變異特征

從表1可以看出，不同增雨條件下，種子長度的變異范圍為5.710～6.753 mm，變異系數為 6.313 %。其中0 %處理的種子長度最大，且與50 %、75 %和100 %增雨處理差異性顯著(P<0.05)。100 %增雨處理后種子長度最小且與其它4種處理均顯著(P<0.05)。種子寬度的變異范圍為3.095～3.580 mm，變異系數為5.868 %。其中0 %處理的種子寬度最大，且與其它四種增雨處理差異性均顯著(P<0.05)。種子千粒重、體積和表面積的變異系數分別為20.386 %、17.239 %和11.488 %，且各處理間差異性均較顯著。種長/種寬的變異系數為5.650 %。

圖1 樣地2008-2017年天然降雨量Fig.1 The natural rainfall of plots from 2008 to 2017

3.3 唐古特白刺種子性狀指標間的相關性

從表2可以看出:種長與種子表面積呈極顯著正相關(P<0.01), 相關系數為0.941，說明種子長度對種子表面積的貢獻較大。種子長度與種子體積和千粒重呈顯著正相關(P<0.05)。種子寬度與種子體積呈顯著正相關(P<0.05)。種子千粒重與種子體積和表面積均呈極顯著正相關(P<0.01)。種子體積與表面積也呈極顯著正相關(P<0.01)，且相關系數最大為0.983。種子長寬比與其它各指標的間的相關性均不顯著(P>0.05)。唐古特白刺種子各指標間的相關性大部分都達到了顯著水平，說明種子形態指標之間存有復雜的聯系，而且不是獨立的。

3.4 唐古特白刺種子性狀指標與增雨處理的相關性

唐古特白刺種子受增雨的影響，其形態性狀在表達上呈現梯度性變異(圖2)。種子各性狀與模擬增雨因子的相關性分析表明，唐古特白刺種子千粒重、體積和表面積與增雨量均呈極顯著負相關(P<0.01)，相關系數依次為0.692、0.777、0.657。種子長度與增雨量呈顯著負相關(P<0.05), 相關系數為0.480。種子寬度和長寬比與增雨量的相關性均不顯著(P>0.05)。增雨處理是種子性狀指標變異的緣由，越干旱地區的種子相對瘦長，這是對干旱條件適應性的響應。

表1 不同增雨處理唐古特白刺種子的形態指標(平均值±標準差)

表2 唐古特白刺種子形態指標相關性

注：*,P<0.05; **,P<0.01。

圖2 種子性狀與增雨處理的相關性Fig.2 Correlation coefficients between seed characters of Nitraria tangutorum and simulated precipitation

圖3 不同大小唐古特白刺種子的出苗率Fig.3 Seed rate of Nitraria tangutorum different size seeds

3.5 唐古特白刺種子大小變異對出苗的影響

如圖3所示，出苗前期即播種5～7 d后，小種子有較大優勢，發芽較早，100 %處理的種子(特小粒)，即小種子出苗迅速，且前期出苗率明顯高于大種子(0 %處理特大粒和25 %處理大粒)；出苗后期即播種第9天后，大種子發芽晚，但具有較高的發芽率，總發芽率和出苗率表現為：0 %處理(特大粒)>25 %處理(大粒)>50 %處理(中粒)>75 %處理(小粒)>100 %處理(特小粒)，各處理間大小種子出苗率逐漸平緩，但大種子和小種子的總體出苗趨勢相似。計算結果顯示，大小種子的萌發率均在40 %左右，大種子的萌發率略高，但各處理間大小種子萌發率不存在顯著差異(P>0.05)。各處理0 %、25 %、50 %、75 %和100 %種子由大到小種子的出苗率分別為43 %、40 %、38 %、35 %和32 %，大種子出苗率高于小種子，但方差分析表明，出苗率之間沒有顯著差異(P>0.05)。這說明無論種子大小，在其它因素一致的條件下，唐古特白刺種子的萌發與出苗情況基本是一致的。

4 討 論

種子性狀是植物相對穩定的生活史特征之一，但為適應復雜多變的環境會產生適應的變異[25]。不同增雨量處理對唐古特白刺種子形態指標均造成顯著影響，在一定程度上反映了唐古特白刺對降水變化比較敏感。種子千粒重、體積和表面積變異幅度較大，說明這3個種子形態指標受增雨量的影響較大，而種子的長度/寬度的比值變異最小，說明種子長寬比是植物對自然環境長期適應、相對穩定的指標。唐古特白刺種子長度、寬度、體積、表面積、長寬比及千粒重在不同增雨處理間差異均為極顯著水平，說明種子性狀表現出來的差異并不是隨機性的，而是與種子形態對不同增雨處理的響應密切相關。唐古特白刺種子主要借助于動物和重力傳播，其體積、表面積及千粒重的變化可能造成種子傳播能力的變化，進而影響種群格局和群落結構。種子千粒重的變化可能造成出苗率及幼苗生長狀態的變化[26]。增雨處理對種子體積影響最大。體積是反映種子大小的指標，體積越大即吸水的表面積越大，其內含的營養物質越豐富，可以提供發芽的物質越多，使發芽迅速整齊，進而影響到幼苗乃至后期的生長。不同增雨處理間種子體積差異越大，在一定程度上說明了唐古特白刺在育種選擇上的潛力較大，為唐古特白刺的優良群體選擇提供了基礎和條件。

大多數旱生植物長期生活在干旱生境中，限制其生長的主要因子是水分，帶有較少貯存物質的小種子遇到環境中的各種萌發暗示后會快速萌發。隨著降水的增加，唐古特白刺的生存環境改善，小種子的幼苗死亡率降低，并利用先萌發的優勢迅速成長，使大種子的競爭優勢降低，從而擁有更多的成株數目，產生更多的后代。所以，隨著環境的改善，大種子的優勢將逐漸降低。大小種子在分配于繁殖的能量相同的情況下，小種子的數目會比大種子多很多，依靠風力擴散的能力強，距離也較遠，所以能夠充分利用隨機降水，迅速萌發產生更多的幼苗。在降水稀少的地區，大種子更能適應惡劣的環境，使幼苗在短時間內不需要對外界環境的依賴，并且成株有強壯的根系，能有效利用穩定的深層土壤水。種子形狀與土壤種子庫壽命有關，小粒、近圓球形種子易于形成持久種子庫[1]。推測如果未來降水持續增加，唐古特白刺種子會變小，適應荒漠環境的變化。

表型多樣性是遺傳多樣性與環境異質性的綜合體現[1]。唐古特白刺種子性狀在不同增雨處理的群體內都具有豐富的多樣性。其中種子千粒重的變異系數最大20.386 %，種子長寬比的變異系數最小為5.650 %，說明種子的長寬比有較穩定的遺傳特征。表型變異研究對其遺傳改良、優良種質資源保存及開發利用具有極其重要的意義。表型變異必然蘊藏著遺傳變異，即表型變異愈大，可能存在的遺傳變異就越大[27-28]。種子大小對其萌發特性的影響進行初步研究表明唐古特白刺大小種子平均發芽率37.6 %。其中小種子發芽最早，在發芽初期有較大優勢；大種子發芽最晚，但具最高發芽率?？偘l芽率和出苗率均為特大粒(0 %處理)>大粒(25 %處理)>中粒(50 %處理)>小粒(75 %處理)>特小粒(100 %處理)，但進一步的方差分析則表明，種子大小差異對唐古特白刺種子萌發和出苗沒有顯著的影響。因此，可以認為唐古特白刺的種子萌發率和出苗率不受種子大小的影響。這與普遍認為的植物大種子具有較高萌發率和出苗率的觀點相同[29-30]。唐古特白刺不同分級種子的出苗以特小粒種子最早，且出苗早期出苗率相對最高；特大粒種子最晚，但具最高出苗率。本研究是以持續模擬增雨近十年種子的形態指標進行分析，由于所測的指標及所考慮的氣候因子較少，唐古特白刺發育狀況、生理生化特性以及外因影響如何還需進一步探討，可能此時不同增雨對種子的遺傳性狀尚未得到充分表達與穩定，這些早期表現優良的性狀是否與晚期萌發生長相關尚需進一步研究。

5 結 論

不同增雨量對唐古特白刺種子長度、寬度、體積、表面積、長寬比及千粒重均有影響，其中種子體積、表面積和千粒重在不同增雨處理間差異均顯著，且三者與增雨量均顯著負相關。因此，降雨增加后唐古特白刺會產生更小的種子來適應環境變化。特小粒種子發芽最早，特大粒種子發芽最晚，但具最高出苗率，大小不同的唐古特白刺種子在萌發率和出苗率上并不存在顯著差異。