橫斷山區(qū)干旱河谷川滇薔薇種子休眠與萌發(fā)的地理空間差異

周志瓊,何其華

中國科學(xué)院成都生物研究所,中國科學(xué)院山地生態(tài)恢復(fù)與生物資源利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,生態(tài)恢復(fù)與生物多樣性保育四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,成都 610041

種子休眠是植物在長期進(jìn)化過程中形成的抵御不良環(huán)境的適應(yīng)策略,是調(diào)節(jié)種子萌發(fā)最佳時間和空間分布的有效方法[1]。種子休眠程度在不同生態(tài)水平如物種間[2]、同一物種的種群間[3-4]、同一種群的不同個體之間[5],甚至同一果實(shí)內(nèi)[6]也存在差異。種群間種子休眠差異是一種普遍存在的現(xiàn)象,主要是由植物自身遺傳特征差異以及種子成熟的母體環(huán)境所致[7]。目前,對植物自身特征以及生長環(huán)境差異引起的種群間種子休眠程度差異的認(rèn)識仍較為缺乏。

對于同一物種,影響種子休眠的因素可以分為兩類：外在環(huán)境因素以及植物自身特征。目前,已有大量研究證明不同生境中種子休眠存在差異。如,高溫[8-9]、長日照[7]、干旱[10]環(huán)境下以及低緯度地區(qū)植物種子具有較低程度休眠[11]。不同研究者對于種子休眠與海拔之間的關(guān)系得出的結(jié)果并不一致,其潛在的機(jī)制仍不清楚。大部分研究結(jié)果顯示,種子休眠隨著海拔的升高而加深[8,12]；部分學(xué)者卻得出了不同結(jié)論[13]。因此,種子休眠程度與海拔的關(guān)系可能與海拔梯度范圍以及取樣區(qū)域的氣候環(huán)境條件有關(guān)。此外,種子休眠程度與植物自身特征,如種子大小、種皮厚度和開花時間有關(guān)。與大種子相比,小種子一般具有更深程度的休眠；種皮厚度增加會加深休眠程度[4]。不同種群間種子休眠的差異是由環(huán)境因子直接作用,還是通過環(huán)境因子引起種子特征變異間接作用仍需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證實(shí)。

川滇薔薇(Rosasoulieana)是橫斷山區(qū)干旱河谷廣泛分布的鄉(xiāng)土灌木,海拔范圍1200—3600 m[14],具有淺性生理休眠[15],該物種在橫斷山區(qū)分布覆蓋該物種整個海拔分布范圍。此外,橫斷山區(qū)具有典型的山地垂直帶譜,海拔梯度上環(huán)境因子差異顯著[16]。因此,川滇薔薇為研究該區(qū)域植物環(huán)境適應(yīng)性提供了理想材料。相對干旱河谷其他灌草植物,川滇薔薇植株高大,高度2—4 m,冠幅可達(dá)5—10 m2。花和果實(shí)數(shù)量巨大,可為區(qū)域昆蟲和食果動物提供豐富的食物來源,是干旱河谷植被恢復(fù)的重要目標(biāo)物種。前期研究結(jié)果表明：橫斷山區(qū)干旱河谷川滇薔薇的生長與繁殖特征存在較強(qiáng)的空間差異性[14]。

本研究以橫斷山區(qū)4個典型干旱河谷的18個川滇薔薇種群為對象,試圖闡明在不同流域間以及不同種群間種子休眠程度與萌發(fā)的差異；揭示種子休眠與萌發(fā)在海拔梯度上的變異格局,進(jìn)一步分析植物自身因素,如種子大小、種皮厚度和活力,以及環(huán)境因素,如溫度、降雨、蒸發(fā)量與干燥度等對種子休眠與萌發(fā)的影響,探討川滇薔薇種子萌發(fā)特征的生態(tài)適應(yīng)性,為干旱河谷植被恢復(fù)以及野生薔薇資源的開發(fā)利用提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)域

研究區(qū)域?yàn)闄M斷山區(qū)干旱河谷的四個主要流域：岷江流域、大渡河流域、雅礱江流域以及金沙江流域(28°51′37″—32°15′56″N,99°24′37″—103°44′48E)河谷兩側(cè)山地,海拔1200—3700 m。該區(qū)域年均氣溫6—16℃,降水量308—720 mm,氣候干燥[17]。植被為典型干旱河谷灌草叢,不同地段植被覆蓋率差異較大。大部分地段覆蓋率為20%—40%之間,部分地段達(dá)60%以上。所有植物種類基本上為陽生,大多數(shù)種類具有葉片角質(zhì)層發(fā)達(dá)、多刺、多毛的特點(diǎn)。土壤類型以山地褐土和山地棕壤為主。本研究調(diào)查范圍包括岷江流域主河道：汶川綿虒至松潘鎮(zhèn)江關(guān),支流黑水河及雜谷腦河,約360 km,海拔1200—2460 m；大渡河流域：馬爾康白灣鄉(xiāng)至金川德威鄉(xiāng),約400 km,海拔1780—2260 m；雅礱江流域：雅江縣的馬扎鄉(xiāng)至米龍鄉(xiāng),約70 km,海拔2560—3060 m；金沙江流域：鄉(xiāng)城縣沙貢鄉(xiāng)至德榮縣松麥鎮(zhèn),約300 km,海拔2700—3700 m[14]。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置與數(shù)據(jù)收集

2011年6月至7月,在川滇薔薇盛花期開展環(huán)境因子調(diào)查。在全面踏查的基礎(chǔ)上,針對不同流域不同海拔川滇薔薇的典型分布區(qū)域進(jìn)行樣點(diǎn)布設(shè),共布設(shè)18個種群樣點(diǎn),包含川滇薔薇整個海拔分布范圍,各樣點(diǎn)的布局如圖1。記錄樣點(diǎn)的七個地理位置參數(shù)：流域、經(jīng)度、緯度、海拔、坡度、坡向和距離河道的高度(表 1)。2011年10月1日至10月20日,在川滇薔薇果實(shí)及種子成熟期,開展繁殖性狀調(diào)查,采集種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)材料。通常所說的薔薇種子是指薔薇瘦果,因此,本研究中所提到的瘦果為萌發(fā)單位種子。繁殖性狀調(diào)查在每個樣點(diǎn)的10叢薔薇(已調(diào)查生長特征)中選取5叢,分別在冠叢頂端的北方、西南和東南3個方向,各選取一個當(dāng)年生小枝,共計(jì)15個樣本。瘦果重量的測定以小枝作為重復(fù)。將瘦果從薔薇果中分離出來,測定瘦果數(shù)量與總重量,瘦果重量=瘦果總重量/瘦果數(shù)量。每叢薔薇隨機(jī)選取20粒瘦果,TTC染色法測定種子活力[14]。每個種群隨機(jī)選取20粒瘦果,用單面刀片將瘦果在中間部位橫切,測定3個不同部位的瘦果皮厚度,平均值為該瘦果皮厚度。種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)材料的采集,是在每個樣點(diǎn)隨機(jī)采集20株以上植株的薔薇果,將瘦果從薔薇果中分離,每個樣點(diǎn)的所有瘦果混合成一個樣品,共計(jì)18個樣品。

圖1 橫斷山區(qū)干旱河谷川滇薔薇分布示意圖[14]Fig.1 Distribution of Rosa soulieana in the dry valleys of the Hengduan mountain regionP1 鎮(zhèn)江關(guān)Zhengjiangguan,P2 紅巖Hongyan,P3 較場Jiaochang,P4 飛虹Feihong,P5 渡口Dukou,P6 楊家灣Yangjiawan,P7 巴底Badi,P8 甲居Jiaju,P9小金河Xiaojinhe,P10 孔玉Kongyu,P11 雅江北Yajiangbei,P12 八角樓Bajiaolou,P13 雅江南Yajiangnan,P14 馬熊溝Maxionggou,P15 雨洼Yuwa,P16 青德Qingde,P17 正斗Zhengdou,P18 茨巫 Ciwu

表1 橫斷山區(qū)干旱河谷川滇薔薇取樣點(diǎn)的地理位置[14]

2.2 種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

將瘦果從薔薇果中分離、凈種后在室內(nèi)陰干。由于川滇薔薇具有淺性生理休眠,為了弄清低溫層積對不同種群打破休眠,提高發(fā)芽率的效果,將瘦果進(jìn)行8周5℃低溫層積,對照為新采集瘦果。層積方法為：將凈種后的種子在蒸餾水中室溫浸泡24 h,同時將水苔在蒸餾水中浸泡30 m,擠干備用。將種子與水苔按體積比1∶4充分混合,裝入自封袋中,在5℃冰箱中放置8周進(jìn)行層積。新采集種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)在種子陰干后2周內(nèi)進(jìn)行,層積種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)在層積完成后進(jìn)行。用5%次氯酸鈉(v/v)對萌發(fā)種子表面消毒10min,無菌水清洗三次。然后將種子均勻放入裝有兩層濾紙的培養(yǎng)皿(直徑 9 cm),每個處理50粒種子,3個重復(fù),共計(jì)5400粒種子。將培養(yǎng)皿放入人工氣候箱(20℃,14 h有光/10 h黑暗,光強(qiáng)為30 μmolm-2s-1)。每兩天將培養(yǎng)皿隨機(jī)放置,以避免培養(yǎng)箱位置不同造成的差異。每兩天檢查一次種子萌發(fā)情況,當(dāng)胚根達(dá)到1 mm視為萌發(fā),并將已經(jīng)萌發(fā)的種子從培養(yǎng)皿中去除。萌發(fā)實(shí)驗(yàn)共持續(xù)90 d,實(shí)驗(yàn)結(jié)束時,將單面刀片將種子切開,完整、白色和硬實(shí)的種子視為活力種子。

2.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

樣地環(huán)境因子包括年均氣溫、7月平均氣溫、年降水量、年蒸發(fā)量和干燥度。各因子通過查找樣地附近氣象站數(shù)據(jù)獲得,對于離氣象站較遠(yuǎn)的樣地,結(jié)合張榮祖一書中有關(guān)氣象因子空間變化規(guī)律進(jìn)行推算獲得[17]。

發(fā)芽率和發(fā)芽速度指數(shù)計(jì)算。

發(fā)芽率 GP=萌發(fā)種子數(shù)/活力種子數(shù)量×100%

發(fā)芽速度指數(shù) CRG=[Σn/Σ(n×d)]×100%

式中,n為測試活力種子數(shù)量,d萌發(fā)天數(shù),0為開始萌發(fā)時間。

將發(fā)芽率和發(fā)芽速度指數(shù)進(jìn)行反正弦平方根轉(zhuǎn)換。單因素方差分析ANOVA分析層積對打破休眠,促進(jìn)種子萌發(fā)的作用。協(xié)方差分析ANCOVA分析流域?qū)ΨN子發(fā)芽率和發(fā)芽速度的影響。將發(fā)芽率和發(fā)芽速度作為固定因子,種群為協(xié)變量。偏相關(guān)分析種子特征與發(fā)芽率和發(fā)芽速度的相關(guān)關(guān)系時,將各環(huán)境因子進(jìn)行控制；偏相關(guān)分析環(huán)境因子與發(fā)芽率和發(fā)芽速度的相關(guān)關(guān)系時,將種子特征進(jìn)行控制。

3 結(jié)果與分析

3.1 川滇薔薇種子萌發(fā)的流域差異

圖2 川滇薔薇在橫斷山區(qū)4個干旱河谷流域中的發(fā)芽率和發(fā)芽速度Fig.2 Germination percentage and the coefficient of rate of germination of Rosa soulieana in the four dry valleys of Hengduan Mountain region (mean±S.E.)岷江流域P1—P4,大渡河流域P5—P10,雅礱江河流域P11—P13,金沙江流域P14—P18

橫斷山區(qū)干旱河谷18個川滇薔薇種群種子具有不同程度的休眠。新采集種子發(fā)芽率變化范圍較大,為15.8%±5.0%至82.7%±2.3%,發(fā)芽速度指數(shù)2.3%±0.2%至5.3%±0.5% (圖2)。不同種群種子發(fā)芽率(F=13.87,P<0.0001)和發(fā)芽速度(F=8.56,P<0.0001)差異極顯著。低溫層積8周顯著提高了發(fā)芽率(F=42.07,P<0.0001)和發(fā)芽速度(F=9.42,P<0.007),同時降低了種群間發(fā)芽率(F=11.81,P<0.0001)的差異,但增加了種群間發(fā)芽速度指數(shù)的差異(F=21.21,P<0.0001)。新采集種子發(fā)芽率(F=8.94,P<0.0001)和發(fā)芽速度(F=3.49,P=0.022)在流域間存在顯著差異,具體表現(xiàn)為金沙江流域種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度明顯高于其他3個流域,雅礱江流域發(fā)芽率高于大渡河和岷江流域種子發(fā)芽率,但大渡河和岷江流域種子發(fā)芽率之間沒有顯著差異。8周低溫層積降低了流域間發(fā)芽率(F=4.06,P=0.012)的差異,層積后種子發(fā)芽速度在流域間沒有差異(F=1.12,P=0.350)。

3.2 川滇薔薇種子萌發(fā)的海拔差異

川滇薔薇種子萌發(fā)在不同海拔間存在顯著差異。新采集種子的發(fā)芽率和發(fā)芽速度隨著采集地點(diǎn)海拔的升高而顯著增加(圖3),發(fā)芽率(r=0.690,P<0.0001)和發(fā)芽速度(r=0.610,P<0.0001)與海拔呈顯著正相關(guān)。低溫層積8周提高了休眠程度低的種群種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度,導(dǎo)致發(fā)芽率(r=0.232,P>0.05)和發(fā)芽速度(r=-0.073,P>0.05)與海拔間沒有顯著的相關(guān)關(guān)系(圖3)。

圖3 川滇薔薇采集地點(diǎn)海拔對種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度的影響Fig.3 The effect of collection site altitude on germination percentage and the coefficient of germination rate of Rosa soulieana

3.3 瘦果特征對發(fā)芽率和發(fā)芽速度的影響

偏相關(guān)分析結(jié)果表明,固定環(huán)境因子的影響,分析發(fā)芽率和發(fā)芽速度與瘦果特征的關(guān)系,對于新采集瘦果,只有瘦果皮厚度與發(fā)芽速度成顯著負(fù)相關(guān),而瘦果重量和種子活力與發(fā)芽率和發(fā)芽速度沒有顯著相關(guān)。層積8周后,瘦果活力與發(fā)芽率成顯著負(fù)相關(guān),其他因子間相關(guān)關(guān)系不顯著(表2)。

表2 川滇薔薇18個種群萌發(fā)參數(shù)與瘦果特征的偏相關(guān)分析

3.4 環(huán)境因子對種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度的影響

固定瘦果特征的影響,分析發(fā)芽率和發(fā)芽速度與環(huán)境因子的關(guān)系。對于新采集瘦果,年蒸發(fā)量與發(fā)芽率和發(fā)芽速度之間具有極顯著正相關(guān),而降水量與發(fā)芽率和發(fā)芽速度之間具有顯著的負(fù)相關(guān)。其中年蒸發(fā)量與發(fā)芽率和發(fā)芽速度關(guān)系最為緊密。低溫層積8周后,各環(huán)境因子與發(fā)芽速度都沒有顯著相關(guān),而年均氣溫、年蒸發(fā)量和干燥度與發(fā)芽率成顯著負(fù)相關(guān)。

表3 川滇薔薇18個種群萌發(fā)參數(shù)與種子特征的偏相關(guān)分析

4 討論

4.1 川滇薔薇種子休眠與萌發(fā)的差異

薔薇屬植物種子一般具有不同程度的生理休眠[18]。本研究中,新采集的川滇薔薇種子雖發(fā)芽率差異較大,但8周低溫層積可有效打破休眠,提高發(fā)芽率。此外,據(jù)觀察川滇薔薇的瘦果皮透水且胚發(fā)育完全,按照Baskin和Baskin種子休眠的分類標(biāo)準(zhǔn)[19],18個種群川滇薔薇種子的休眠類型都屬于淺性生理休眠。這與我們前期對岷江干旱河谷川滇薔薇種子休眠與萌發(fā)的研究結(jié)果一致[15]。橫斷山區(qū)干旱河谷廣泛分布的黃薔薇具有深度生理休眠[4],而多苞薔薇具有中度休眠至深度休眠[20]。因此,與同一區(qū)域黃薔薇和多苞薔薇相比,川滇薔薇種子休眠程度相對較淺。這可能與其種皮相對較薄,對胚發(fā)育的機(jī)械阻力較小,以及胚的休眠程度相對較淺有關(guān)[20]。

種群間種子休眠的差異是普遍存在的植物適應(yīng)環(huán)境的重要生存策略[7]。本研究中,川滇薔薇種子休眠與萌發(fā)不僅在流域之間存在差異,即使在同一流域的不同種群間也存在顯著差異。我們前期研究也表明：18個川滇薔薇種群的生長和繁殖存在顯著的地理空間差異[14]。因此,川滇薔薇在干旱河谷多變的環(huán)境條件中,可以根據(jù)自身的生存環(huán)境在生長、繁殖以及種子休眠與萌發(fā)等方面進(jìn)行自我調(diào)節(jié),以適應(yīng)環(huán)境條件而獲得最高適合度。這可能是該種植物適應(yīng)橫斷山區(qū)干旱河谷多變環(huán)境條件的一種生存策略。

4.2 種子自身特征對種子休眠差異的影響

種子自身特征以及植物生長環(huán)境條件共同作用引起種子休眠的空間差異[4,7- 9]。對于生理休眠種子,種皮的機(jī)械限制以及胚生理休眠是影響種子休眠的兩個最重要因素[19]。在薔薇屬植物中,堅(jiān)硬的瘦果皮在種子生理休眠中起著重要作用[20-22]。本研究中,川滇薔薇種子發(fā)芽速度與瘦果皮厚度成顯著負(fù)相關(guān),也證明了堅(jiān)硬瘦果皮對種子萌發(fā)的機(jī)械阻礙作用。這也與我們前期在同一地區(qū)研究中多苞薔薇種子休眠程度隨著瘦果皮厚度增加而加深的結(jié)果一致[4]。但低溫層積8周后,川滇薔薇的發(fā)芽速度與發(fā)芽率與瘦果皮厚度之間沒有顯著相關(guān)性,這可能與川滇薔薇瘦果皮較薄,休眠程度淺,層積后瘦果皮的限制作用以及胚生理休眠基本解除有關(guān)。

同一物種的不同種群,大種子種群一般具有更高的發(fā)芽率,且其發(fā)芽速度更慢。這是因?yàn)榇蠓N子需要更長時間吸收萌發(fā)所需要的水分[2,23]。但本研究中,新采集川滇薔薇種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度與瘦果重量沒有顯著相關(guān)。這可能是因?yàn)樗N薇種子的休眠機(jī)制復(fù)雜,受到薔薇瘦果皮機(jī)械阻力、薔薇果肉及種子內(nèi)抑制物質(zhì)和胚生理休眠等多種因素綜合影響[4,20],而種子大小對休眠程度的影響相對較小。

4.3 環(huán)境因子對種子休眠差異的影響

多種地理空間要素,如經(jīng)度、緯度以及海拔等導(dǎo)致種子休眠程度的空間差異。地理空間的差異歸根結(jié)底是環(huán)境因子如溫度、水分、蒸發(fā)、光照等差異。本研究中,對于新采集的川滇薔薇種子,蒸發(fā)量是最重要的環(huán)境影響因素,其次為降水量,而年均氣溫、7月均氣溫和干燥度與發(fā)芽率沒有顯著相關(guān)。與溫度、降雨以及干燥度相比,蒸發(fā)量是更為綜合的指標(biāo),受溫度、風(fēng)和空氣干燥度等共同影響。一定地段內(nèi),一般溫度越高,風(fēng)越大,空氣越干燥,蒸發(fā)越強(qiáng)。本研究中蒸發(fā)量與發(fā)芽率和發(fā)芽速度成極顯著正相關(guān)關(guān)系,表明溫度越高、風(fēng)力越強(qiáng)、空氣干燥度越高的環(huán)境下,川滇薔薇種子休眠程度越低。在控制實(shí)驗(yàn)條件下,溫度和水分對種子休眠影響表現(xiàn)為：低溫以及水分較好環(huán)境條件下產(chǎn)生的種子具有更深程度的休眠[24- 25]。本研究中,川滇薔薇不同種群種子采集區(qū)域范圍較廣,經(jīng)度范圍為：99°24′36.95″—103°44′47.52″E,緯度范圍：28°51′37.18″—32°15′55.56″N,氣候、土壤及其他生境要素復(fù)雜多變。但本研究中川滇薔薇種子萌發(fā)特征與蒸發(fā)量和降雨的關(guān)系與控制實(shí)驗(yàn)條件下得出的結(jié)果一致。本文研究結(jié)果也與Fernández-Pascual對地中海地區(qū)多年生草本植物Centauriumsomedanum不同海拔(25—1670 m)種群種子休眠與環(huán)境因子關(guān)系的結(jié)果一致,即種子休眠程度與降水量成負(fù)相關(guān)關(guān)系[9]。

海拔是影響種子休眠的重要地理環(huán)境要素。迄今為止,還未得出有關(guān)種子萌發(fā)與海拔關(guān)系的一致結(jié)論。大部分研究結(jié)果顯示,高海拔種群種子休眠程度更高,需要更長時間的低溫層積以打破休眠提高發(fā)芽率[3,8,12,26]。這是因?yàn)楦吆０蔚貐^(qū)冬季溫度更低且霜凍時間更長。較高程度的休眠可延遲種子萌發(fā)時間,避免植物在氣溫突變的早春萌發(fā)而受凍害,是植物對高海拔環(huán)境的一種適應(yīng)策略。部分研究也表明,高海拔種群比低海拔種群具有更高的發(fā)芽率和發(fā)芽速度[13]。即使在同一區(qū)域內(nèi)采集的種子,不同植物種類種子休眠與海拔的關(guān)系也表現(xiàn)不同。Wang 等對青藏高原東緣的5種木本植物的研究發(fā)現(xiàn),Philadelphusincanus,和Berberis vernae 發(fā)芽率和發(fā)芽速度隨著采集地海拔的升高而降低,而Betulautilis和Piceapurpurea卻表現(xiàn)出相反的趨勢,Berberisdubia種子休眠與萌發(fā)與海拔之間沒有明顯趨勢[26]。本研究中川滇薔薇種子發(fā)芽率和發(fā)芽速度與海拔成負(fù)相關(guān)關(guān)系。其原因在于：一方面種子休眠與海拔關(guān)系受多種因素協(xié)同限制而復(fù)雜多變；此外,川滇薔薇采集區(qū)范圍廣,經(jīng)度、緯度和海拔交互變化,進(jìn)一步加強(qiáng)了種子休眠與海拔關(guān)系的不確定性。總的來看,種子休眠與海拔的關(guān)系是復(fù)雜多變的,與物種本身特性,種子采集區(qū)域范圍大小,海拔梯度范圍等密切相關(guān)。