兩種旱生灌木種子萌發與幼苗復活對模擬干濕處理的響應

曲文杰，趙文智，王磊，屈建軍，楊新國*

（1. 中國科學院西北生態環境資源研究院，甘肅 蘭州 730000；2. 寧夏大學生態環境學院，寧夏 銀川 750021；3. 寧夏大學西北退化生態系統恢復與重建教育部重點實驗室，寧夏 銀川 750021；4. 中國科學院大學，北京 100049）

植被更新涉及種子、幼苗、成熟植株整個生命周期，而種子萌發和幼苗初期階段是其最脆弱時期，是植被更新中不可或缺的過程［1-2］。幼苗的低復活率，尤其當干旱加劇時種子萌發率和幼苗復活率更低，已被證明強烈影響種群動態、物種多樣性、群落組成和生態系統功能等關鍵生態過程［3］。干旱地區降水量少且時空分布不均，并且降水很大程度上決定了干旱地區的生態過程［4-6］。因此，降水格局是荒漠植物種子萌發及幼苗早期成活的主要限制性因子之一。

已有研究表明，干旱區降水頻次、強度和分布格局都可以顯著影響種子萌發和幼苗生長過程［5，7-10］。干旱區降水少、蒸發量大、降水間隔期不一，植物經常面對不同周期的干濕變化和不同程度的干旱脅迫。種子經歷干旱后再吸水的過程一般可以啟動萌發機制［11］，并影響到種子的壽命［12-13］，種子萌發率［14-17］，甚至包括種子萌發的速度［18］。植物可忍耐一定程度的脫水，復水后仍能恢復生長［15］。當固定根長的幼苗干旱達到某一時間時，復水后幼苗無法恢復，這個時間點被稱為“不歸點”［19］。一些耐旱植物的幼苗在生長早期就能耐受干燥，比如根長5 cm 的鈍稃野大麥（Hordeum spontaneum）幼苗脫水21 d 后復水仍可恢復生長［20］；根長為0.1 cm 的賴草（Leymus secalinus）幼苗的干旱不歸點是60 d［15］。

檸條（Caragana korshinskii）、花棒（Corethrodendron scoparium）是騰格里沙漠東南緣防風固沙體系的典型多年生灌木，其根系發達，固沙能力強、耐風蝕、沙埋、干旱，是荒漠地區優良的防風固沙植物［21］。花棒是本地物種，檸條是建立防護體系時的引入物種。目前已有一些關于檸條、花棒種子對干旱脅迫、沙埋等響應的研究［22-26］，但是關于它們萌發過程，以及干旱復水后早期幼苗的響應研究報道較少。因此，本研究的主要目標就是通過室內模擬的方法，分析不同濕潤-干旱處理對檸條、花棒種子的萌發率，以及干旱復水處理對早期幼苗復活的影響，揭示檸條、花棒種子萌發和幼苗復活的環境適應策略，為研究區植被更新管理提供支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

2020 年7-11 月在騰格里沙漠東南緣的沙坡頭沙漠試驗研究站內（105°02′ E， 37°32′ N），采集成熟檸條和花棒種子，挑選飽滿均一的種子進行模擬降水事件變化對種子萌發率和幼苗早期復活影響的試驗。每個物種挑選100 粒種子通過種子分析儀（plant seed analyzer， OPTOMACHINES， OPTO-Agri， 荷蘭）對其主要形態指標進行測定，結果見表1。

表1 檸條、花棒種子形態指標Table 1 Seed morphological indexes of C. korshinskii and C. scoparium （mean±SD）

1.2 濕潤-干旱處理對種子萌發的影響

為探索不同濕潤-干旱處理時間對檸條、花棒種子萌發的影響，設置了12 個濕潤-干旱處理（即4h1d、4h2d、4h4d、4h8d、12h1d、12h2d、12h4d、12h8d、24h1d、24h2d、24h4d、24h8d）和對照處理（CK，未進行濕潤-干旱處理，直接進行萌發試驗），其中4h1d 表示濕潤4 h 和干燥1 d，4h2d 表示濕潤4 h 和干燥2 d，依此類推。兩個物種共26 個處理，每個處理30 粒種子，重復5 次。將檸條、花棒種子用1%高錳酸鉀溶液消毒15 min，用蒸餾水反復清洗5～7次后整齊擺放在直徑9 cm 且墊有2 張whatman 1 號濾紙的一次性培養皿中，加入5 mL 蒸餾水，放入24 h 光照、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室進行濕潤處理，然后轉入室溫實驗室進行干旱處理。結束濕潤-干旱處理的培養皿中加入3 mL 蒸餾水，置于光暗交替（12 h 光照）、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室進行種子萌發試驗。每2 d 加入3 mL 蒸餾水保持濕潤。萌發的判斷依據為胚根出芽長度為1 mm。每24 h 統計一次并去除萌發的種子。連續5 d 不萌發視為試驗結束。萌發率（%）＝萌發種子數/供試種子數×100。

1.3 早期幼苗的干旱復水試驗

為探索不同干旱時間對檸條、花棒早期幼苗的影響，設置了8 個干旱處理（即2、4、7、10、14、21、30、45 d），將萌發后的種子根據胚根長度分為4 個等級，即0～0.2 cm、0.2～0.5 cm、0.5～1.0 cm、1.0～1.5 cm。每個胚根等級都進行8 個干旱處理，兩個物種共64 個處理，每個處理15 個早期幼苗，重復5 次。首先將檸條、花棒種子用1%高錳酸鉀溶液消毒15 min，用蒸餾水反復清洗3～5 次后整齊擺放在直徑9 cm 且墊有2 張whatman 1 號濾紙的一次性培養皿中，加入5 mL 蒸餾水，放入12 h 光照、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室對種子進行萌發獲得早期幼苗。其次，將早期幼苗根據上述胚根長度進行分類后，整齊擺放在直徑9 cm 且墊有2 張whatman 1 號濾紙的一次性培養皿中，放入室溫實驗室進行干旱處理。干旱處理結束后，加入5 mL 蒸餾水，放入12 h 光照、25 ℃恒溫、75%濕度條件的人工氣候室進行復活試驗。每2 d 加入3 mL 蒸餾水保持濕潤。如果早期幼苗的根進一步拉長，被認為有生命力，記錄每天的復活數量。早期幼苗復活率（%）＝復活幼苗個數/供試幼苗個數×100。

1.4 數據分析

采用R 4.2.0 軟件完成試驗數據分析。通過線性回歸方法對比分析濕潤-干旱處理對檸條和花棒種子萌發率的影響，以及對檸條和花棒種子萌發過程的影響，采用R 中sjPlot 包繪圖。采用線性回歸方法分析不同干旱時間、不同根長對干旱復水的早期幼苗復活率的影響，采用R 中visreg 包繪圖。通過One-way ANOVA 在95%的置信水平上，用Tukey HSD 方法檢驗不同等級根長和不同干旱處理的早期幼苗復活天數之間的差異性，采用Origin 繪圖。

2 結果與分析

2.1 濕潤-干旱處理對檸條、花棒種子萌發的影響

如圖1 所示，濕潤-干旱處理顯著提高了檸條種子的總體萌發率（8.31%，P＜0.05），而對花棒種子沒有顯著影響（1.24%，P＞0.05）。在全部處理中，只有12h1d 處理下兩個物種的種子萌發率都出現了降低的趨勢，但是依然不顯著（P＞0.05）。

圖1 濕潤-干旱處理對檸條和花棒種子萌發率的影響Fig.1 Effects of wet-dry treatment on seed germination of C. korshinskii and C. scoparium

2.2 濕潤-干旱處理對檸條、花棒種子萌發過程的影響

如圖2 所示，濕潤-干旱處理顯著提高了檸條和花棒種子的早期萌發率（P＜0.05），但是兩者的萌發過程和響應格局并不完全一致。濕潤-干旱處理下檸條前3 d 萌發率依次為29.34%，19.40%和5.06%，相對CK 呈現出先提高后降低的響應格局。但是，4h1d、4h8d、12h4d 處理沒有顯著提高檸條種子的早期萌發率（第1 天，P＞0.05）。與檸條不同，濕潤-干旱處理顯著提高了花棒種子第1 天（7.89%，P＜0.05）和第2 天的萌發率（46.90%，P＜0.05），卻顯著降低了第3 天的萌發率（22.40%，P＜0.05）。第1 天，與CK 相比，僅有24h1d、24h2d、24h4d 顯著提高了花棒種子的萌發率（P＜0.05）；第2 天，除4h4d、24h2d 和24h4d 外，其余處理都顯著提高了萌發率（P＜0.05）；而第3 天所有處理都降低了花棒種子的萌發率，其中4h8d、12h2d、24h1d、24h2d、24h4d、24h8d 顯著降低（P＜0.05）。

圖2 濕潤-干旱處理對檸條、花棒種子萌發過程的影響Fig.2 Effects of wet-dry treatments on seed germination process of C. korshinskii and C. scoparium

2.3 干旱復水處理對檸條和花棒幼苗早期復活率的影響

以根長為幼苗生長階段（狀態）的劃分依據，研究發現隨著干旱處理天數的增長和幼苗根長的增加，早期幼苗復水后的復活率也隨之降低，但是花棒早期幼苗整體復活能力明顯強于檸條（圖3）。相比較其他等級的根長，根長為0～0.2 cm 的檸條和花棒早期幼苗復水后復活率最高，分別為77.20%和83.17%，而根長為1.0～1.5 cm 時復活率最低，分別為7.61%和21.17%。根長為0.5～1.0 cm 的檸條和花棒早期幼苗的干旱不歸點分別是21 和45 d，而根長為1.0～1.5 cm 時干旱不歸點分別是7 和14 d。花棒幼苗對干旱處理的總體響應格局與檸條相似，但是基本上花棒早期幼苗每個根長等級下復活率明顯高于檸條，表明花棒早期幼苗具有很強的干旱耐受性。

圖3 不同干旱時間對早期幼苗（不同根長）復活率的影響Fig.3 Effects of different durations of drought on the survival rate of young seedlings with different root lengths

2.4 干旱復水處理對檸條和花棒幼苗早期復活時間的影響

由圖4 可知，不同干旱處理早期幼苗復水后平均復活時間為7.38 d，達到最大復活率平均時間為3.48 d。干旱處理4 d 檸條早期幼苗復活所需天數最長，45 d 干旱處理下復活天數最短；干旱處理2 和45 d 時達到最大復活率所需天數較少?；ò粼缙谟酌缃洑v不同干旱時間復水后所需復活天數和達到最大復活率的天數之間都沒有顯著差異（P＞0.05），而檸條早期幼苗的顯著差異主要表現在4 和2 d 以及4 和45 d 干旱處理之間，其他處理間沒有顯著差異（P＞0.05）。根長為0～0.2 cm 時花棒早期幼苗完成復活天數最短［（5.84±0.46） d］，根長1.0～1.5 cm時所需天數最長［（10.00±0.77） d］。比較而言，檸條早期幼苗復活所需天數［（6.39±0.37） d］短于花棒［（8.28±0.36） d］，且達到最大復活率的天數［（3.05±0.22） d］短于花棒［（3.83±0.20） d］。

圖4 不同等級根長和不同干旱處理幼苗復活天數Fig.4 Seedling revival days at different root length and different drying treatments

3 討論

干旱地區生長季降水不可預測、且雨量不穩定，因此土壤表面種子經常遭受反復的濕潤-干旱過程。植物通過對降水的適應可以形成不同的萌發策略［10，17-18，24］。本研究中，模擬濕潤-干旱處理顯著提高了檸條種子的萌發率，但是對花棒種子的萌發率無顯著影響，表明花棒對環境變化相對不敏感，選擇的是一種耐受型的萌發策略。但是，類似方法對加拿大的翼薊（Cirsium vulgare， 二年生草本）處理后，發現對其萌發率有抑制作用［27］，砂藍刺頭（Echinops gmelinii， 一年生草本）、賴草（L. secalinus， 多年生草本）也是抑制作用為主［15，28］。鑒于研究區植被構成中以檸條、花棒等多年生灌木和砂藍刺頭等一年生草本為主，灌草植被的種子對濕潤-干旱的響應所存在的明顯差異，反映了旱區高度水分競爭環境下群落內部物種間的反向適應對策選擇，從而達成對潛在水分競爭的最大避免。

濕潤-干旱處理顯著提高了檸條種子的萌發率，表明濕潤-干旱處理是檸條種子萌發的一種啟動機制［11］。研究區的檸條一般在6 月底落種，當地7 月進入雨季，種子則集中在8-9 月萌發；表明經歷多次濕潤-干旱過程后，大多數種子的萌發機制已被啟動，進入8 月伴隨溫度下降和淺層土壤水分含量的提高，檸條種子具備了集中萌發的充分條件［29］。但是，相對而言，花棒種子野外并未發生上述現象。這依然與兩者對濕潤-干旱的不同響應對策有關。

種子萌發后的幼苗生長階段是限制植被更新的另外一個關鍵過程。干旱區植物種子萌發后缺乏降水或整株幼苗暴露在空氣中，都可能導致幼苗脫水［15］。本研究發現，不管經歷了2 d 還是45 d 的干旱，根長為0～0.2 cm 的檸條和花棒早期幼苗復水后，平均復活率分別達到77.20%和83.17%；但是隨著根長的增長，幼苗干旱的不歸點越來越早。這與以往的研究中幼苗脫水后的恢復取決于干燥時根系的長度和干燥時間長度的結果完全一致［20-21，30］。造成這種現象的機制是，胚乳作為種子貯藏營養部位，早期幼苗根系越長則種子中保留胚乳越少，意味著根越長復水后供幼苗再生的能量越少，復活率降低，不歸點從而提前［15］。同時，比較可以發現，根長度相同時，花棒早期幼苗比檸條更耐旱，說明干旱脅迫下，花棒幼苗受到的傷害程度小于檸條，這與丁龍等［31］對檸條錦雞兒、花棒實生苗對干旱脅迫的研究結果一致?？傮w而言，花棒一旦萌發后，其復活能力明顯強于檸條。

花棒是騰格里沙漠東南緣地帶性植被，至今在人工植被區和流沙區依然廣泛地存在。而檸條主要是包蘭鐵路防護體系建設時的引入植被，僅存在于人工植被區。如上所述，檸條和花棒對干旱氣候的適應對策存在顯著的差異，這種差異也與研究區現有植被分布格局相吻合［29，32］。綜合來看，伴隨研究區人工檸條的逐步退化和自然更新的困難，在后續植被建設管理中，建議可以更多采用花棒一類的具有較高干旱忍耐力的灌木，逐步替代退化人工檸條，或輔助強化已有花棒灌叢的種子傳播定居能力，從而提高現有人工固沙植被系統的多樣性和穩定性。

4 結論

濕潤-干旱過程有利于檸條和花棒種子萌發，但是隨幼苗生長，對干旱的耐受程度也隨之降低；相對而言，花棒幼苗對持續干旱的忍耐力要強于檸條。檸條和花棒是研究區最為常見的兩種旱生灌木，其中檸條以人工引種為主，而天然花棒在流動沙地依然分布。在長期氣候變化背景下，建議研究區人工固沙植被可以更多選擇花棒一類的“忍耐型”灌木，進一步替代退化的人工檸條，從而提高固沙植被的多樣性及其穩定性。