燃燒高溫下松樹球果鱗片對種子的保護*

龍左卿，蔣澤艷，周紹齊，沙月，何滔，曹建新，蘇文華，張光飛

(1.云南大學 生態學與地植物學研究所，云南 昆明 650091；2.云南省林業和草原科學院，云南 昆明 650201)

火是陸生生態系統的重要生態因子，它在植物進化、維持森林生態系統的穩定和多樣性方面有著非同尋常的意義[1-3]。種子的萌發是植物開始其生命的重要開始階段，更是植物整個生活史中至關重要的一環[4]。種子萌發除受自身條件的影響外，在生長過程中生存環境的多種因素也持續影響著這一過程[4-6]。在易火地區，火生態因子往往直接影響種子的存活與否進而決定植物的生存和繁衍。

大多數的松屬(Pinus)物種生活在易發生火的環境中，火對于松屬植物的進化和發展有著深遠的影響[7-10]。云南松(Pinusyunnanensisvar.yunnanensis)作為中國西南地區的特有物種，分布在氣候干濕分明、雨熱同季的易火地區[11-12]。云南松林是在火干擾下形成的穩定群落，其穩定狀態與火息息相關，火后種子萌發和幼苗生長是物種能繁衍并長期存在的關鍵。植冠種子庫是植物繁殖對策的一種,具有延緩繁殖體傳播、使繁殖體免受捕食、調節萌發時間、將種子降落在適宜位置等生態功能[13]。目前國內被確認是延遲開放的松屬植物只有云南松[14]，其具有植冠種子庫。

關于松樹種子萌發受高溫影響的研究多集中于直接對種子進行高溫熱激試驗檢測其萌發能力。國內有學者對大興安嶺分布的3種松科樹種開展了熱激對其種子萌發的影響研究，熱激處理是直接作用于松樹種子[15-16]。國外研究多集中于熱激對土壤種子庫中種子的影響，并且土壤種子庫留存的也是裸露的種子。研究證明了種子暴露狀態下當溫度升高到125 ℃時種子即被燒死[17]。松樹群落林下常常因可燃物的大量積累，林火產生的火焰可以達到植被的上層，而野外林冠火的溫度范圍在93～705 ℃之間，如此高溫對種子的存活極具威脅[18]。而Shaw[19]的研究表明，當球果表面溫度高達421～508 ℃時，其球果內種子的溫度在100 ℃左右，表明松樹球果在高溫下內外溫度有巨大差異，說明球果對內部種子有極強的降溫保護作用。松樹采取了一種將繁殖能量作用于植冠的球果和大量的種子產量上的火適應策略[20]。松樹的球果能保護樹木的種子庫免受火災破壞，為在經常發生火的地區生長的松樹提供了明顯的繁殖益處。

目前，關于自然野火能達到的溫度和種子萌發對高溫的反應等的結果基本都是單一研究報道，很少有兩者綜合研究的結果。因此本研究人工設置了6個高溫燃燒處理，將球果直接燃燒，取出種子開展萌發試驗，以此探討在自然野火燃燒狀態下的松樹球果對種子的保護作用，來討論松樹球果對頻發火災的適應。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

云南松球果在每年10月成熟[11]，其球果有宿存和延遲開放現象[14]，發生野火的時間常常是在每年旱季的3—5月，因此，采樣時間選擇在2020年5月；云南松球果采自云南楚雄姚安，每棵樹采樣4個完好無病蟲害的去年成熟未開放的球果，分裝在4個自封袋中，分大球果(長70～90 mm，寬40～50 mm，用“PB”表示)和小球果(長45～60 mm，寬30～40 mm，用“PS”表示)，各采樣15株，一共取30株。地盤松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)球果(長45～55 mm，寬30～35 mm，用“PP”表示)采自四川西昌解放鄉，采樣方法同云南松。

1.2 試驗方法

1.2.1 球果燃燒試驗

通過模擬野火的不同燃燒程度，設置了不同燃燒處理水平：400 ℃+3 min、500 ℃+3 min、500 ℃+5 min、500 ℃+7 min、600 ℃+3 min、600 ℃+5 min、常溫對照等。對照組球果用純水浸泡24 h后，放進40 ℃的烘箱中烘烤使球果鱗片炸開方便取出種子。其余組控制試驗燃燒時間,每組5個球果，一共15個球果。把400、500、600 ℃組球果單獨編號依次放在對應試驗溫度的燃燒鍋里加熱燃燒后取出，需要記錄球果被點燃時間。3種材料球果處理方法相同。

1.2.2 種子萌發試驗

取出處理過球果的種子，每個球果種子單獨編號不混合，再選取所有完整飽滿的種子單獨萌發。把每個球果種子分開放置在不同培養皿中，培養皿底部放置上濾紙，向濾紙內加入純水至濾紙完全濕潤，再把培養皿放入培養箱培養。培養箱條件設置為:每天光照12 h、21 ℃、光強1 250 Lx，黑暗12 h、18 ℃。萌發培養的種子每天適量加水，并記錄種子的萌發數量。

1.2.3 萌發種子根長和株高測量

把每一處理組已萌發的種子取出15粒，分別放在新的培養皿里單獨培養，培養條件一樣。培養時間為10 d，10 d后用游標卡尺測量種子的根長和株高。

1.3 指標測定與方法

每天記錄萌發試驗的種子的萌發數量(種子萌發以胚根突破種皮2 mm為標椎)，持續記錄到3 d無種子萌發時停止試驗。萌發試驗結束后計算種子的萌發率、萌發勢、萌發指數、萌發時滯和萌發歷時等指標。

萌發率(%)=萌發種子數/供試種子數×100

萌發勢(%)=日平均萌發數到達最大的種子數/試驗種子數×100

式中：Gt為第幾日的萌發數，Dt為試驗的第幾日。

萌發時滯指從種子著床到種子開始萌發的時間(d)。

萌發歷時指從第一粒種子開始萌發到種子萌發結束所持續的時間(d)。

1.4 數據分析

用Excel 2019軟件對數據進行處理和作圖，用IBM SPSS Statistics 軟件在95%水平上進行單因素方差(ANOVA)分析,采用Duncan進行差異顯著性分析，圖表數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 參試3種球果的植物學特征

如表1所示，PB球果的長度、寬度和球果鱗片的厚度、面積都是3種球果中最大的，且顯著大于其余兩種球果(P<0.05)。PS和PP球果的長度、寬度并無明顯差異，但是PS球果鱗片的厚度、面積都顯著大于PP球果鱗片的厚度、面積(P<0.05)。

表1 球果的植物學特征

2.2 不同燃燒處理下3種球果種子萌發率比較

不同燃燒處理對3種球果萌發率的影響見表2。

表2 不同燃燒處理對3種球果萌發率的影響Tab.2 Effects of different combustion treatments on seedgermination rate of three cones %

由表2可知，與對照組相比，PB在500 ℃+3 min下種子萌發率顯著下降(P<0.05)；PB在600 ℃+3 min下的種子萌發率已經下降到9.52%。由表2知，與對照組相比，PS在400 ℃+3 min下種子萌發率顯著下降(P<0.05)；PS在500 ℃+3 min下種子萌發率已經極其的低(1.05%)。由表2知，與對照組相比，PP在400℃+3 min下種子萌發率顯著下降(P<0.05)。

3種球果在500 ℃+5 min、500 ℃+7 min與600 ℃+5 min，且PS在600 ℃+3 min和PP在500 ℃+3 min、600 ℃+3 min下種子都停止萌發，其萌發率已經為0。

2.3 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發勢比較

不同燃燒溫度處理對3種球果種子萌發勢的影響見表3。由表3可知，與對照組相比，PB在400 ℃+3 min下種子萌發勢有下降趨勢，但是未達到顯著水平；PB在500 ℃+3 min下種子萌發勢顯著下降(P<0.05)；PB在600 ℃+3 min下種子已無萌發勢。與對照組相比，PS在400 ℃+3 min、500 ℃+3 min下的種子萌發勢已經急劇下降到幾乎無萌發勢(P<0.05)。與對照組相比，PP在400 ℃+3 min萌發勢急劇下降(P<0.05)，500 ℃+3 min、600 ℃+3 min下種子已無萌發勢。

表3 不同燃燒溫度處理對3種球果種子萌發勢的影響Tab.3 Effects of different combustion temperatures on seedgermination potential of three cones %

2.4 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發指數比較

不同燃燒溫度處理對3種球果種子萌發指數的影響見表4。由表4可知，萌發指數與對照組相比，除了PB在400 ℃ 3 min下無顯著變化，3種球果的其他處理組的萌發指數都顯著下降(P<0.05)，且萌發指數都隨著試驗溫度的升高而下降。

表4 不同燃燒溫度處理對3種球果種子萌發指數的影響

2.5 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發時滯比較

不同燃燒溫度處理對3種球果種子的萌發時滯的影響見表5。

表5 不同燃燒溫度處理對3種球果種子萌發時滯的影響Tab.5 Effects of different combustion temperatures onthe germination delay of three cones d

由表5可知，與對照組相比，PB和PP處理組的萌發時滯隨著試驗溫度升高而增加。由表5知，與對照組相比，PS在400 ℃ +3 min下的萌發時滯顯著增加(P<0.05)；PS在500 ℃+3 min下的萌發時滯與對照組無顯著差異。

2.6 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發歷時比較

不同燃燒溫度處理對3種球果種子的萌發歷時的影響見表6。由表6可知，與對照組相比，3種球果種子的萌發歷時都隨著試驗溫度升高而縮短；且PS在500 ℃+3 min 下的萌發歷時已縮短到極低水平(1 d)。

表6 不同燃燒處理對3種球果種子萌發歷時的影響Tab.6 Effects of different combustion temperatures ongermination duration of three cones d

2.7 不同燃燒溫度處理下3種球果種子幼苗生長比較

不同燃燒溫度處理下3種球果種子的幼苗生長比較結果見圖1～圖2。

圖1 不同燃燒溫度處理下3種球果幼苗株高比較注：燃燒時間均為3 min,下圖同。Fig.1 Comparison of plant height of three cone seedlings under different burning temperature

圖2 不同燃燒溫度處理下3種球果幼苗根長比較

由圖1和圖2可知，與對照組相比，PB的株高和根長在400 ℃+3 min、500 ℃+3 min下有所提高，而在600 ℃+3 min下則稍微降低。與對照組相比，PS的株高和根長在400 ℃+3 min下有提高，而PS的株高和根長在500 ℃+3 min下則顯著降低(P<0.05)；與對照組相比，PP的株高和根長無明顯變化。無論是株高還是根長，在相同試驗條件下的生長量：PB>PS>PP。同時，無論是株高還是根長都隨著試驗溫度的升高先增加后降低。

3 討論與結論

種子對高溫的響應會隨著試驗溫度和時間的變化而變化，過高的溫度或者時間都會導致種子的死亡[21-22]。2種形式其實都是高溫的一種強化，對種子萌發的影響相似[23]。隨著燃燒溫度的升高，3種球果的種子各項萌發指標(除了萌發時滯)都在降低。萌發時滯的升高表明隨著溫度升高種子啟動萌發的時間增加，這與其他萌發指標的結果指向一致。本試驗結果與Shaw和Linhart的試驗結果相吻合，Shaw的研究表明，當球果內溫度達到100 ℃(種子的安全溫度)時，球果外部溫度已在421～508 ℃之間[19]；而Linhart的研究就證明了種子在暴露狀態下當溫度升高到125 ℃時種子被燒死[17]。所以設置的試驗溫度已經達到或者大大超過了種子的安全溫度，種子存活數和種子活力都會大幅降低。在相同燃燒溫度下，燃燒時間的增加，種子被燒死的概率陡然增加，當燃燒時間增加到5 min時，所有試驗溫度下均已完全沒有種子萌發。燃燒的持續時間會嚴重影響種子的存活。

3種不同大小球果獲得的種子，其幼苗根生長和植株株高都隨著試驗燃燒溫度先升高后降低。高溫處理后的種子所萌發幼苗后續生長能力因為高溫的作用有所提高，但是高溫的作用是有閾值的，一旦超過種子的承受能力勢必會破壞其生長能力。

本試驗結果顯示球果越大，球果鱗片厚度越厚，種子距離球果表面越遠，被火侵害的機會越小，降溫保護效果越明顯。這與土壤種子庫中的種子隨在土壤中的埋藏深度增加，在火中被侵害的幾率降低的結果相類似[24]。從著火到最終種子的萌發和幼苗的形成是非常復雜的過程，本試驗結果表明在野火發生時球果對其內種子的降溫保護作用顯著，球果延遲開放是云南松種群對易發生林火生境的一種繁殖更新適應。