種子大小和原位埋藏對17種高寒草甸植物種子萌發率和死亡率的影響

李 聰， 馬 真， 武 林， 任彥梅， 孫建平， 傅延錦， 孟 潔，寧鑫蕊， 周華坤， 張春輝,2*

(1.青海大學生態環境工程學院省部共建三江源生態與高原農牧業國家重點實驗室， 青海 西寧 810016； 2. 中國科學院西北高原生物研究所青海省寒區恢復生態重點實驗室， 青海 西寧 810008；3. 中國科學院高原生物適應與進化重點實驗室，青海 西寧 810008； 4.青海大學農牧學院， 青海 西寧 810016)

種子萌發是植物生活史中不可或缺的階段，一直是備受關注的研究熱點[1-2]。種子的萌發特征影響著幼苗存活能力[3]、個體適合度[4]和植物生活史的表達[5]。種子萌發率是植物種群繁殖能力的表現，種子的成功萌發直接關系著物種的繁衍與生存[6]。因此，對種子萌發性狀的研究已成為群落生態學和進化生態學研究的重要課題。

種子萌發是一個復雜的多步驟過程，容易受內外因素的影響，內因素包括種子自身的發芽力以及解除休眠的能力，外因素主要為環境條件，如光照、水分等[7]。相關的研究大多集中于光照[2,8]、溫度[9]和水分條件對種子萌發特性的影響[10]。光照主要作為刺激信號，打破種子休眠使種子萌發[11]，除光照條件以外，溫度和水分也是種子萌發所必須的條件，萌發環境溫度和水分含量可以決定種子萌發速率[12]。

自然條件下，種子成熟脫落后進入土壤，所以種子在土壤中埋藏的階段是植物生活史的重要階段。埋藏可以影響種子所處環境的溫濕度和光照條件，這些環境條件與種子萌發[13]、幼苗存活[14]等關系密切。埋藏土壤的理化性質(例如土壤pH)和土壤微生物(特別是病原微生物)可以影響種子的休眠程度和存活狀態[15]，從而影響植物種群更新過程和種群動態。因此，深入探究埋藏對植物種子萌發率影響，可以為植被恢復和多樣性保護提供科學依據。

種子大小是種子植物諸多性狀中的一個重要性狀，能影響種子的萌發能力以及群落的結構和動態[16-17]。種子大小決定種子內部儲存營養物質的含量，一般而言，大的種子具有更強的競爭優勢和存活能力[18-19]，而小種子在數量和傳播方式方面更具有優勢[20]。種子大小與種子萌發率呈顯著負相關關系[21]，與幼苗的存活率呈正相關關系[22]。也有研究表明，種子大小與萌發率之間沒有直接的相關性[23]。然而，關于種子大小和萌發率之間關系的研究一般沒有涉及埋藏處理。因而在種子埋藏處理下，研究種子大小和萌發率的關系是種子生態學研究中的一塊空白。

青藏高原是世界上海拔最高的地區，被稱為“世界第三極”，是全球變化和人類干擾的敏感區，也是生物多樣性熱點區域[24]。高寒草甸是青藏高原分布面積最大且類型最多的生態系統，是適應高原隆起與長期低溫環境形成的特殊產物，作為青藏高原典型的地帶性植被，高寒草甸生態系統極為脆弱且部分地區退化嚴重[24]。種子是退化草地恢復的重要來源，研究青藏高原高寒草甸種子萌發對環境因子的響應及其適應局部環境的生態機制，可為高寒草地種質資源的利用和保護提供理論依據，并為高寒草地植物種群的保育、退化草地恢復等方面提供支持。

1 材料與方法

1.1 研究區域概況

試驗所用植物種子采集及埋藏地點位于青藏高原東北部青海省門源回族自治縣境內的中國科學院海北高寒草甸生態系統定位站(37°37′ N，101°12′ E),海拔3 200 m；年降水量561 mm，降水主要分布于6—9月；年平均氣溫0.8℃，全年無絕對無霜期，相對無霜期20 d；屬于典型的高原大陸性氣候。

1.2 供試材料

本試驗以青藏高原高寒草甸的17種植物種子為研究對象并進行埋藏試驗。詳情見表1。

1.3 試驗種子處理及稱量

本試驗所用17種植物種子(見表1)于2019年9—10月的種子成熟期采集。每一個物種采集選取2～3個種群，每一種群的種子隨機在20株以上的個體中均勻的采集，采集后的種子充分混合。將采集到的種子帶回實驗室進行清理，風干后裝入信封中在15℃室溫下儲藏待用。

表1 高寒草甸17種植物物種以及種子大小Table 1 Species name and Seed size of 17 plants in alpine meadow

將處理好的每種植物種子充分混合，隨機選取飽滿健康的種子進行試驗，并用萬分之一的電子天平稱量每種植物種子的百粒重，重復3次。埋藏試驗前，每一物種數出3份種子，每份50粒種子，進行四氮唑試驗檢驗種子活性，并計算每一物種的活種子率。后續的種子萌發率和死亡率的計算都基于活種子率進行計算。

1.4 埋藏試驗

試驗包括兩個處理(對照處理和原位埋藏處理)，每個處理8個重復，每個重復30粒種子，30粒種子放于一個尼龍網袋內。每一物種包括16個尼龍網帶，共計272個尼龍網袋，于2019年11月5日運往海北站。其中8包分別埋藏于8個地點，每一地點相隔10 m，埋藏深度為15 cm，稱為(原位)埋藏處理。另外8包放在埋藏點附近的彩鋼房內(可以擋雨，冬季無任何取暖措施)，稱為對照處理。第二年6月15日，把每一物種的8份種子運回實驗室。

1.5 種子死亡率測定試驗

在實驗室內，隨機取埋藏處理每一物種8份種子中的4份(剩余4份種子用于萌發試驗)，用蒸餾水清洗埋藏的種子，統計埋藏的每一尼龍網袋中腐爛的和消失的種子數，這些種子算為土壤中死亡的種子。其他種子進行四氮唑試驗檢驗種子活性，得到剩余活種子數，進而得到種子死亡數[25-26]。這兩部分數據相加，得到埋藏處理的種子死亡率。

隨機取對照處理每一物種8份種子中的4份(剩余4份種子用于萌發試驗)，直接進行四氮唑試驗檢驗種子活性，得到剩余活種子數，進而得到種子死亡數及對照處理的種子死亡率。

1.6 萌發試驗

在實驗室內，用蒸餾水清洗埋藏和未埋藏的種子，去除腐爛和不完整的種子，其他種子放在鋪有2層濾紙的培養皿(直徑9 cm)內，加入蒸餾水至濾紙充分濕潤，放于培養箱內。培養箱溫度設置為20℃/10℃，光照設置為14 h光照/10 h黑暗。每天檢查培養皿缺水情況，補充適量蒸餾水，挑出發芽種子。萌發試驗進行45天后，連續7天培養皿內沒有發芽種子視為萌發結束。

1.7 數據分析

1.7.1萌發指標及計算方法： (1) 萌發率(Germination proportion)=(試驗種子達到完全萌發時種子總數/試驗處理活種子總數)×100%；

(2) 種子死亡率(Seed mortality rate)=(試驗中種子死亡數/試驗處理種子總數)×100%。

萌發率用試驗前的活種子率和埋藏處理或對照處理的種子死亡率矯正；種子死亡率用試驗前的活種子率矯正。

1.7.2數據統計與分析方法 數據分析之前，萌發率和種子死亡率經過反正弦平方根轉化；種子重量經過對數(log10)轉化。使用SPSS 22.0 軟件進行數據統計與分析，用T檢驗(T test)檢驗顯著性水平，應用一般線性回歸檢驗種子大小與萌發率和死亡率的相互關系。作圖使用Origin 9.1軟件。

2 結果與分析

2.1 埋藏對種子萌發率的影響

如圖1所示，17種植物種子的萌發率存在差異(對照：F=27.17，P<0.001；埋藏：F=122.32，P<0.001)。在對照處理下，17種物種的平均萌發率為52.25%，變化范圍在0(高山嵩草(Kobresiapygmaea)和扁蕾(Gentianopsisbarbata))到99.94%(冷地早熟禾Poacrymophila)之間。對照處理下有6種植物種子的萌發率在80%～100%之間，占物種總數的35.29%；2種植物種子的萌發率在60%～80%之間，占物種總數的11.76%；1種植物種子萌發率在40%～60%之間，占物種總數的5.88%；2種植物種子萌發率在20%～40%之間，占物種總數的11.76%；6種植物種子萌發率小于20%，占物種總數的35.29%(圖1)。埋藏處理下，17種物種的平均萌發率為45.40%，變化范圍在0(高山嵩草和扁蕾)到100%(美麗風毛菊(Saussureapulchra)和垂穗披堿草(Elymusnutans))之間。埋藏處理下有7種植物種子的萌發率在80%～100%之間，占物種總數的41.18%；0種植物種子的萌發率在40%～80%之間；3種植物種子萌發率在20%～40%之間，占物種總數的17.65%；7種植物種子萌發率小于20%，占物種總數的41.18%，其中扁蕾和高山嵩草種子發芽率為0(圖1)。整體上，埋藏處理沒有顯著改變種子的萌發率(t=1.74，P=0.101)。

圖1 17種高寒草甸植物種子萌發率和死亡率Fig.1 Seed germination proportion and mortality rate of 17 species of alpine meadow 注：誤差棒為標準誤；不同字母表示差異顯著(P<0.05)Nome:The error bars represent standard error;Different letters indicate significant difference at the 0.05 level

埋藏處理可以顯著提高麻花艽(Gentianastraminea)和異針茅(Stipaaliena)的種子萌發率(P<0.05)，與對照相比，分別提高了20.50%和11.65%。埋藏處理顯著降低了圓萼刺參(Morinachinensis)、冷地早熟禾、釘柱委陵菜(Potentillasaundersiana)和甘肅馬先蒿(Pediculariskansuensis)的種子萌發率(P<0.05)，與對照相比，分別降低了8.33%，6.84%，32.12%和59.94%。另外，埋藏處理邊際顯著地降低了短腺小米草(Euphrasiaregelii)的種子萌發率(t=2.31，P=0.06)，與對照相比，降低了13.57%。埋藏處理對于其他物種的種子萌發率沒有顯著影響。

2.2 埋藏對種子死亡率的影響

如圖1所示，17種植物的種子死亡率存在差異(對照：F=3.85，P<0.001；埋藏：F=3.85，P<0.001)。在對照下，17種物種的平均死亡率為8.43%，變化范圍在0(棉毛茛Ranunculusmembranaceus)到21.67%(麻花艽)之間。對照處理下有1種植物的種子死亡率在20%～30%之間，占物種總數的5.88%；7種植物的種子死亡率在10%～20%之間，占物種總數的41.18%；9種植物的種子死亡率小于10%，占物種總數的52.94%(圖1)。埋藏處理下，17種物種種子的平均死亡率為7.60%，變化范圍在0(扁蕾、疏齒銀蓮花(Anemoneobtusiloba)和棉毛茛)到30%(釘柱委陵菜)之間。埋藏處理下有3種植物的種子死亡率在20%～30%之間，占物種總數的17.65%；1種植物種子死亡率在10%～20%之間，占物種總數的5.88%；13種植物的種子死亡率小于10%，占物種總數的76.47%，其中扁蕾、疏齒銀蓮花和棉毛茛的種子死亡率為0(圖1)。在整體上，埋藏處理邊際顯著地改變了種子死亡率(t=1.85，P=0.083)。

埋藏處理顯著降低了細葉亞菊(Ajaniatenuifolia)和麻花艽的種子死亡率，與對照相比，分別降低了10.65%和19.14%(圖1)。對于其他物種，埋藏處理對于種子死亡率沒有顯著影響(圖1)。

2.3 對照和埋藏處理下種子大小與萌發率和死亡率的關系

在對照處理下，種子大小與種子萌發率和死亡率均無顯著相關關系(表2)；在埋藏處理下，種子萌發率和死亡率與種子大小也均無顯著相關關系(表2)。

表2 對照和埋藏處理下種子大小與萌發率和死亡率的回歸分析Table 2 Regression analysis of seed size with germination proportion and mortality rate under the control and burial treatments

3 討論

種子萌發階段是植物生活史的關鍵階段，種子萌發階段的特征是植物生活史的重要特征。種子休眠是種子在適應環境過程中產生的特殊機制[26-27]。種子存在休眠現象的意義在于延長種子的存活時間，更容易形成土壤種子庫。埋藏對種子萌發會產生3種影響：1)種子萌發；2)種子沒有萌發，且可能受到其他生物破壞；3)種子休眠，成為土壤種子庫的一部分[28]。青藏高原海拔較高，年平均溫度低，降水分布不均勻，紫外線強，空氣氧含量低，且各種環境因子的變化具有隨機性和無法預測性。植物生活在這樣的特殊環境之中，會產生不同的生態萌發對策[2,8]。本研究表明，埋藏對種子休眠程度和種子存活率具有一定的影響，進而影響植物的生態適應策略及其更新機制。

3.1 萌發率

植物種子在合適的條件下發芽，或是在不利的環境中處于休眠狀態，這是植物適應逆境并保持物種延續的一種生態策略[26,29-30]。不同物種對埋藏的響應存在差異。埋藏處理下萌發率增高的物種為麻花艽和細葉亞菊，從萌發格局分類，它們屬于埋藏促進型。這可能是由于土壤的理化性質和微生物環境促進了種子休眠狀態的打破。而埋藏處理萌發率減少的物種包括冷地早熟禾、短腺小米草、甘肅馬先蒿、圓萼刺參和釘柱委陵菜，從萌發格局分類，它們屬于埋藏抑制型。這可能是這些物種具有不同的適應機制或者生態對策，它們萌發率降低表示這些物種具有一定的風險平攤對策[2,31]。另一方面，研究發現埋藏處理可以減少種子的死亡率，從而使種子處于一個相對低死亡率的環境中，進而促進了種子休眠。另外，原位埋藏使種子處于一個濕潤、低氧和相對恒定的環境中，這樣一個環境可能促進了種子休眠。對于其他10個物種，埋藏沒有顯著影響它們的萌發率，這10個物種在萌發格局上屬于埋藏不敏感型。總之，整體水平上埋藏對種子萌發率無顯著影響，但不同物種對埋藏有著不同的響應。這也反映了高寒草甸物種面對埋藏有著多樣性的生態對策，進而促進高寒草甸群落物種共存。

3.2 死亡率

研究發現埋藏處理整體上降低了種子死亡率，其中，麻花艽和細葉亞菊的種子死亡率對埋藏處理的響應最為明顯。這說明埋藏處理更有利于保存種子，從而促進土壤種子庫的形成。植物種子長期在土壤種子庫中保持活力，可以減小物種在惡劣環境中滅絕的風險[23,32]。李海靜等[33]研究埋藏對沙芥(Pugioniumcornutum)和斧翅沙芥(Pugioniumdolabratum)種子死亡率的影響，發現種子在埋藏處理下可能受到真菌感染或者是遇到不適宜其存活的微環境，導致其死亡率偏高，和本研究結果不同，這可能是因為高寒生態系統的溫度較低，影響種子存活的病原微生物較少。在高寒生態系統，埋藏處理有利于種子的長期保存，可以促進土壤種子庫的形成，種子進入土壤(類似埋藏)是形成土壤種子庫的第一個步驟，也是最為關鍵的一個步驟。

3.3 種子大小與萌發率和死亡率的關系

種子大小是植物生活史的重要性狀，與植物的競爭能力或種群擴散能力密切相關。植物群落中不同物種會產生不同大小的種子(有的群落中種子大小差異高達106)[31]，而種子大小反映了種子內部儲存營養物質的含量，因而一般認為不同種子大小的物種萌發率也不相同[34]。本研究發現種子大小與萌發率無相關關系，和宗文杰等[35]對青藏高原51種菊科植物的研究結果一致。在張玲衛等[36]對荒漠化生態系統的研究中也得到了類似的結果，但朱雅娟等[37]的研究表明荒漠化生態系統的種子大小與萌發能力呈現負相關的關系。一般認為，小種子更容易形成土壤種子庫，也就是說小種子應該在土壤中有著高的存活率。然而，本研究結果也不支持這一觀點。因此，種子大小與種子萌發和死亡之間的關系需要進一步的詳細研究。

4 結論

對埋藏處理下17種高寒植物種子休眠程度和死亡率的影響研究表明：種子大小與種子萌發和死亡不相關；埋藏處理可以促進或打破種子休眠，是促進土壤種子庫形成的潛在機制。但不同的物種對埋藏有著不同的響應，這反映了高寒草甸物種面對埋藏有著多樣的生態對策，進而促進了高寒草甸群落物種共存。