袁 禎，陳大立，羅鑫萍，楊凌杰，胡小文

（蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室 / 蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室 /蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅 蘭州 730020）

豆科(Leguminosae)錦雞兒屬(Caragana)植物主要分布于亞洲和歐洲干旱、半干旱荒漠區(qū)，具有固氮、耐旱等特性，是防風(fēng)固沙、保持水土的優(yōu)良植物[1-4]。此外，錦雞兒屬植物還具有一定的飼用、薪炭、蜜源、入藥等用途[5]，在干旱與半干旱地區(qū)具有潛在的栽培與利用價值。

種子萌發(fā)與幼苗建植是植物生活史中最為脆弱的階段，也是限制野生植物資源栽培利用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[4]。對于原產(chǎn)溫帶的大多數(shù)野生豆科植物而言，其種子普遍存在硬實特性[6]，萌發(fā)率低、建植難，在一定程度制約了這一資源的開發(fā)與利[7-8]。有研究發(fā)現(xiàn)，刺葉錦雞兒(C. acanthophylla)、荒漠錦雞兒(C. roborovskyi)等物種存在硬實特性[9]。但也有研究發(fā)現(xiàn)，錦雞兒屬植物種子通常不存在硬實特性，較易萌發(fā)[10-11]。這一爭議一方面可能是由于研究物種不同，另一方面也可能受到種子采集地環(huán)境、試驗種子狀態(tài)(如是否經(jīng)過貯藏)等因素的影響。但截至目前，尚未見研究從上述角度就錦雞兒屬植物的硬實特性開展系統(tǒng)的比較研究。

此外，未存在休眠或休眠破除后的種子能否建植成功，與其萌發(fā)對環(huán)境的需求密切相關(guān)[12]。溫度和水勢是影響荒漠地區(qū)植物種子萌發(fā)并進(jìn)而成功建植的主要環(huán)境因子[13]。一般認(rèn)為，研究種子萌發(fā)對溫度的需求特性有利于其調(diào)整萌發(fā)時機(jī)，以在特定生境下最大程度地增加幼苗的存活[6]。如白毛錦雞兒(C. licentiana)、甘蒙錦雞兒(C. opulens)、中間錦雞兒(C. intermedia)種子萌發(fā)的最低溫和最適溫與其地理分布和生境密切相關(guān)[14]。水勢是限制干旱荒漠區(qū)植物種子萌發(fā)與幼苗成功建植的另一重要因素[15-16]。種子萌發(fā)對水勢的響應(yīng)通常反映了其對特殊生境的適應(yīng)特性，如Zeng等[17]認(rèn)為，萌發(fā)緩慢、不耐旱是干旱荒漠區(qū)植物對干旱區(qū)降水量少且不確定的一種適應(yīng)策略。因而，研究種子萌發(fā)對于環(huán)境條件如水勢、溫度等的需求，無論對于尋求種子適宜的建植方法，還是深入了解不同物種之于環(huán)境的生態(tài)適應(yīng)性都具有重要意義。但截至目前，有關(guān)錦雞兒屬植物種子萌發(fā)需求的比較研究主要局限于白皮錦雞兒(C. leucophloea)、草原錦雞兒(C. pumila)少數(shù)幾種物種上[10,14,18]，且上述研究所用物種多采自于不同地方的不同物種，其在萌發(fā)需求上的差異可能來自母本環(huán)境與物種遺傳背景的共同影響。

基于此，本研究以引種至甘肅省民勤沙生植物園的15種錦雞兒屬植物種子為材料，擬回答以下幾個問題：1)錦雞兒屬植物種子是否存在硬實特性？如果有，貯藏對其有何影響？2)種子萌發(fā)對溫度和水勢等環(huán)境因子的需求在種間是否存在分異？

1 材料與方法

1.1 試驗材料及采集地概況

供試種分別于2014年和2016年采集于甘肅省民勤縣沙生植物園，清選干燥后立即用于試驗(種子采集后不超過1周)，其余種子于室內(nèi)貯存?zhèn)溆?，貯存條件為相對含水量20%～45%，溫度16～22 ℃，種子樣品詳細(xì)信息如表1所列。此外，由于所收集的參試物種種子數(shù)量有限，因此在研究種子硬實特性、種子萌發(fā)對溫度水勢響應(yīng)時所用物種不同。

民勤沙生植物園(102°59′ E，38°34′ N)位于中國西北部騰格里沙漠西緣，溫帶大陸性極干旱氣候，降水稀少，風(fēng)大沙多，氣候干燥，光照充足；年平均日照時間2 833.1 h；年平均氣溫7.4 ℃；年平均降水量110 mm，且大多集中在7月-9月，年平均蒸發(fā)量2 485 mm[19]。

表 1 供試種基本信息Table 1 Basic seed information

1.2 試驗內(nèi)容

1.2.1 硬實率測定

采用紙上萌發(fā)法測定所有供試種種子硬實率，隨機(jī)數(shù)取25粒種子置于墊有雙層濾紙、直徑為11 cm的干凈培養(yǎng)皿中，4次重復(fù)，將培養(yǎng)皿置于20 ℃(光照12 h，黑暗12 h)條件下培養(yǎng)，適時補(bǔ)充水分以保持萌發(fā)床濕潤，持續(xù)統(tǒng)計4周，第28天統(tǒng)計未吸脹種子數(shù)(種子吸水2周后，所有參試物種的吸水種子數(shù)目不再增加)。種子室溫貯藏半年后再進(jìn)行硬實率測定，方法同上。

硬實率 = 硬實種子數(shù)/供試種子數(shù) × 100%。

1.2.2 種子萌發(fā)對溫度的響應(yīng)

按1.2.1方法數(shù)取檸條錦雞兒(C. korshinskii)、多刺錦雞兒(C. spinosa)、粉刺錦雞兒(C. pruinosa)、邊塞錦雞兒(C. bongardiana)、紅花錦雞兒(C. rosea)、荒漠錦雞兒、中間錦雞兒、甘蒙錦雞兒、狹葉錦雞兒(C. stenophylla)共9種供試物種種子，置于5、10、15、20、25、30、35、40、45 ℃(光照12 h，黑暗12 h)條件下進(jìn)行培養(yǎng)，適時補(bǔ)充水分以保持萌發(fā)床濕潤，以“露白”為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，逐日統(tǒng)計萌發(fā)數(shù)，統(tǒng)計至21 d后連續(xù)3 d內(nèi)無萌發(fā)種子視為萌發(fā)結(jié)束，最多統(tǒng)計4周。由于供試種種子數(shù)量有限，萌發(fā)溫度梯度設(shè)置因種而異，具體如圖1所示。

圖 1 溫度對9種錦雞兒屬植物種子萌發(fā)率的影響Figure 1 Effects of temperature on the seed germination of 9 Caragana species

萌發(fā)率 = 萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù) × 100%；

式中：Gt為第t天的萌發(fā)數(shù)，Dt表示萌發(fā)天數(shù)。

1.2.3 種子萌發(fā)對水勢的響應(yīng)

隨機(jī)數(shù)取一定量的檸條錦雞兒、多刺錦雞兒、粉刺錦雞兒、邊塞錦雞兒、紅花錦雞兒、荒漠錦雞兒共6種供試物種種子置于20 ℃進(jìn)行萌發(fā)試驗，方法同1.2.2。按照Michel和Kaufmann[20]的方法配置不同濃度的PEG-6000溶液模擬不同水勢(0.0、-0.4、-0.8、-1.2 MPa)，試驗期間，為保持溶液水勢恒定，每2 d換一次溶液及濾紙。以“露白”為萌發(fā)標(biāo)準(zhǔn)，逐日統(tǒng)計萌發(fā)數(shù)，統(tǒng)計至21 d后連續(xù)3 d無萌發(fā)種子視為萌發(fā)結(jié)束，最多統(tǒng)計4周。

萌 發(fā) 抗 旱 指 數(shù)(PI) = 1.00 × nd2+ 0.75 × nd4+0.50 × nd6+ 0.25 × nd8。

式 中：nd2、nd4、nd6、nd8分 別 表 示 第2、4、6、8天種子的萌發(fā)率。

萌 發(fā) 抗 旱 指 數(shù) 相 對 值(GDRI) = PI1/ PI2，其中，PI1表示干水勢迫條件下種子萌發(fā)抗旱指數(shù)，PI2表示對照種子萌發(fā)抗旱指數(shù)。

參照侯建華等[21]采用的模糊數(shù)學(xué)隸屬函數(shù)法，計算萌發(fā)抗旱指數(shù)的隸屬函數(shù)值，具體如下：

式中：X、Xmin、Xmax分別為萌發(fā)抗旱指數(shù)相對值的測定值，最小值和最大值。先求出不同水勢脅迫下萌發(fā)抗旱指數(shù)的隸屬值，再累加求平均值，該值越大，說明抗旱性越強(qiáng)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)均采用SPSS 21.0數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用雙因素方差分析方法分析物種、溫度、水勢及其互作對種子萌發(fā)參數(shù)的影響；采用單因素方差分析方法分析不同溫度或不同水勢對種子萌發(fā)參數(shù)的影響，用Duncan法對均值作多重比較。用Excel 2010制作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子硬實率

荒漠錦雞兒、刺葉錦雞兒種子硬實率相對較高，分別為63%和14%，樹錦雞兒(C. arborescens)、川西錦雞兒(C. erinacea)、檸條錦雞兒、小葉錦雞兒(C. microphylla)、灰毛小葉錦雞兒(C. microphylla var. cinarea)、甘蒙錦雞兒、中間錦雞兒、紅花錦雞兒、多刺錦雞兒均不存在硬實，其余物種硬實率均低于10% (表1)。干貯6個月能不同程度地降低所有錦雞兒植物種子的硬實率，其中荒漠錦雞兒、刺葉錦雞兒硬實率分別由63%、14%顯著下降至37%、5% (P ＜ 0.05) (表1)。

表 2 物種、溫度及其互作對9種錦雞兒屬植物種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)的影響Table 2 Effects of species, temperature, and their interaction on the seed germination and germination index of 9 Caragana species

2.2 種子萌發(fā)對溫度的響應(yīng)

溫度、物種及其互作均顯著影響種子的萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)(P ＜ 0.001) (表2)。所有物種種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)均隨溫度上升呈現(xiàn)先上升而后下降的趨勢(圖1、圖2)。種子萌發(fā)的溫度閾值因物種而異，除邊塞錦雞兒在5 ℃條件下有少量萌發(fā)外，其余物種均不萌發(fā)；10 ℃顯著降低了大部分物種種子的萌發(fā)率(與萌發(fā)率最高時的溫度相比)，但對粉刺錦雞兒、紅花錦雞兒種子萌發(fā)率無顯著影響。參試種種子萌發(fā)的最適溫度都介于15～30 ℃，如邊塞錦雞兒、紅花錦雞兒、甘蒙錦雞兒最適萌發(fā)溫度為15 ℃；粉刺錦雞兒、荒漠錦雞兒、中間錦雞兒、狹葉錦雞兒最適萌發(fā)溫度為25 ℃；檸條錦雞兒、多刺錦雞兒最適萌發(fā)溫度為30 ℃。因種而異，高溫不同程度抑制種子的萌發(fā)。如相對于其他物種，25 ℃時甘蒙錦雞兒種子的萌發(fā)率顯著下降；而多刺錦雞兒、粉刺錦雞兒與邊塞錦雞兒種子的萌發(fā)在40 ℃時才顯著受到抑制。

就萌發(fā)指數(shù)而言，其對溫度的響應(yīng)也因物種而異(圖2)，如粉刺錦雞兒、邊塞錦雞兒、荒漠錦雞兒、中間錦雞兒、狹葉錦雞兒25 ℃時萌發(fā)指數(shù)最大，紅花錦雞兒、甘蒙錦雞兒15 ℃時萌發(fā)指數(shù)最大，而檸條錦雞兒、多刺錦雞兒分別于30、35 ℃時萌發(fā)指數(shù)最大。

2.3 種子萌發(fā)對水勢的響應(yīng)

水勢、物種及其互作均顯著影響種子的萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)(P ＜ 0.001) (表3)。所有參試錦雞兒種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)均隨水勢脅迫程度的增加呈下降趨勢(圖3、圖4)。6種參試種中，紅花錦雞兒和檸條錦雞兒較耐旱，其萌發(fā)抗旱指數(shù)隸屬函數(shù)值分別為0.53和0.52，邊塞錦雞兒、粉刺錦雞兒、多刺錦雞兒和荒漠錦雞兒萌發(fā)抗旱指數(shù)隸屬函數(shù)值分別為0.48、0.32、0.31和0.26。此外，粉刺錦雞兒、荒漠錦雞兒、多刺錦雞兒在水勢為 -1.2 MPa時萌發(fā)率較低(＜ 20%)。就萌發(fā)指數(shù)而言，紅花錦雞兒和檸條錦雞兒種子萌發(fā)指數(shù)相對較高，而其余物種種子萌發(fā)指數(shù)普遍較低。

圖 2 溫度對9種錦雞兒屬植物種子萌發(fā)指數(shù)的影響Figure 2 Effects of temperature on the seed germination index of 9 Caragana species

表 3 物種、水勢及其互作對錦雞兒屬植物種子萌發(fā)率和萌發(fā)指數(shù)的影響Table 3 Effects of species, water potential, and their interaction on the seed germination and germination index of Caragana species

圖 3 水勢脅迫對6種錦雞兒屬植物種子萌發(fā)率的影響Figure 3 Effects of water potential on the seed germination of 6 Caragana species

圖 4 水勢脅迫對6種錦雞兒屬植物種子萌發(fā)指數(shù)的影響Figure 4 Effects of water potential on the seed germination index of 6 Caragana species

3 討論與結(jié)論

3.1 種子硬實特性

硬實特性普遍存在于野生豆科植物中，但硬實率因物種、生長環(huán)境不同而異[22]。本研究發(fā)現(xiàn)，參試的15種錦雞兒屬植物中，除刺葉錦雞兒、荒漠錦雞兒具有較高的硬實率外(＞ 10%)，其他13種硬實率較低或不存在硬實，因而種子是否存在硬實及硬實程度高低與物種密切相關(guān)。此外，基于前人對錦雞兒屬植物硬實特性的研究發(fā)現(xiàn)，已有報道的24種錦雞兒屬植物中，僅有7種存在硬實特性，這一結(jié)果表明，錦雞兒屬多數(shù)物種不存在硬實特性。分布于溫帶地區(qū)的大部分豆科植物種子普遍存在硬實特性，然而本研究重點關(guān)注同一生境的植物種子其硬實特性表現(xiàn)如何，研究發(fā)現(xiàn)，來自同一生境的15種錦雞兒屬植物種子中只有兩種有硬實特性，即這種差異可能與種子自生結(jié)構(gòu)（如柵欄層緊密程度等）等有關(guān)，但具體原因還有待進(jìn)一步研究。

除物種自身的遺傳背景外，種子成熟時的環(huán)境，收獲后的貯藏條件、貯藏時間，種子本身的成熟度、含水量、大小、形狀及顏色都能影響種子的硬實率[23]。如室溫干貯可解除牧豆樹(Prosopis juliflora)種子的硬實[24]。本研究發(fā)現(xiàn)，室內(nèi)貯藏半年不同程度地降低了所有錦雞兒屬植物種子的硬實率，如荒漠錦雞兒與刺葉錦雞兒種子硬實率分別由原來的63%、14%顯著下降至37%、5%。與此一致，刺葉錦雞兒經(jīng)室內(nèi)干貯1、6、8年后萌發(fā)率由46.4%分別增至59.4%、72.9%、70.4%[25]。因而，在評價種子硬實特性時應(yīng)考慮種子的狀態(tài)如是否經(jīng)過貯藏等因素的影響。此外，種子成熟期間的氣候條件也在一定程度上影響其硬實特性。如黃芪(Astragalus membranaceus)種子成熟期若氣候涼爽，其種子硬實率低，而高溫干燥條件下成熟的種子其硬實率高[26]。本研究測試物種均采自位于溫帶荒漠區(qū)的民勤，降水稀少，氣候干燥，太陽輻射強(qiáng)烈，理論上有利于種子硬實的形成，而本研究15種參試種中僅有兩種物種硬實率較高(＞ 10%)，具體原因還有待深入研究。

3.2 種子萌發(fā)對溫度的響應(yīng)

種子萌發(fā)是植物生活史的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，研究環(huán)境因子對種子萌發(fā)的影響對種群的繁殖更新具有重要意義[27]。溫度是影響種子萌發(fā)的一個關(guān)鍵因素，溫度過低或過高均不利于種子萌發(fā)[28]。如2 ℃ /5 ℃變溫完全抑制草原錦雞兒和狹葉錦雞兒種子的萌發(fā)[29]。本研究也發(fā)現(xiàn)除邊塞錦雞兒在5 ℃時有少量萌發(fā)外，包括狹葉錦雞兒在內(nèi)的其余物種均不萌發(fā)。Lai等[18]研究發(fā)現(xiàn)25 ℃ /35 ℃時檸條錦雞兒種子萌發(fā)率高達(dá)90%。與此一致，本研究也發(fā)現(xiàn)檸條錦雞兒種子萌發(fā)較耐高溫，30 ℃為其萌發(fā)最適溫，40 ℃時其萌發(fā)率仍高達(dá)59%。但也有研究表明檸條錦雞兒種子的最適萌發(fā)溫度為15～20 ℃，30 ℃顯著抑制其種子萌發(fā)[13]。此外，甘蒙錦雞兒在5 ℃和30 ℃時萌發(fā)率分別為40%、66%[14]，而本研究發(fā)現(xiàn)其在5 ℃和30 ℃時萌發(fā)率分別為0、5%。這一差異一方面可能是由于上述研究所用物種均為經(jīng)過貯藏的種子，而本研究所用物種均為新鮮未貯藏種子；另一方面由于采集環(huán)境如溫度等的差異，同一物種的種子萌發(fā)特性可能存在較大變異，如有研究表明生長在英國的紫羊茅(Festuca rubra)種子萌發(fā)的最低溫為4.7 ℃，而分布在青藏高原東緣的紫羊茅種子萌發(fā)的最低溫為0.11 ℃[30-31]。

一般認(rèn)為，種子萌發(fā)對溫度的需求通常與其所處的環(huán)境條件密切相關(guān)[6]。Rosbakh和Poschlod[32]研究發(fā)現(xiàn)，種子萌發(fā)最低溫與其生境年均溫呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。但Hu等[33]研究表明，與采自阿拉善的物種相比，采自青藏高原的物種種子萌發(fā)具有較低的最低溫與最適溫。本研究中除邊塞錦雞兒在5 ℃有少量萌發(fā)外，其余參試物種均不萌發(fā)，這可能是因為本研究中大多數(shù)物種主要分布于干旱荒漠區(qū)[34]，相對較高的萌發(fā)溫度需求有利于其在溫暖濕潤的雨季萌發(fā)，從而避免早春萌發(fā)遭遇干旱閃苗的風(fēng)險。與此一致，本研究中大多數(shù)物種萌發(fā)最適溫相對較高(＞ 25 ℃)，因而有利于其在雨季快速萌發(fā)建植。但值得注意的是，參試物種中甘蒙錦雞兒、邊塞錦雞兒、紅花錦雞兒萌發(fā)最適溫僅為15 ℃，遠(yuǎn)低于其他物種。這可能與其特殊的生境有關(guān)，如甘蒙錦雞兒主要分布于高海拔區(qū)域(3 400 m)[34]，生境溫度相對較低，較高的萌發(fā)溫度需求反而不利于其在相對寒冷的生境快速建植。紅花錦雞兒主要分布在半濕潤地區(qū)[34]，降雨量相對充沛，因而相對較低的萌發(fā)溫度需求有利于其在早春季節(jié)萌發(fā)。

3.3 種子萌發(fā)對水勢的響應(yīng)

隨水勢脅迫程度增強(qiáng)，種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)均呈下降趨勢[35-36]。與此一致，本研究發(fā)現(xiàn)，6種錦雞兒屬植物種子萌發(fā)率、萌發(fā)指數(shù)均隨水勢降低呈下降趨勢，但其下降幅度因物種而異。根據(jù)種子萌發(fā)抗旱指數(shù)隸屬函數(shù)值，6種參試種中紅花錦雞兒抗旱性能最佳，其余物種抗旱程度依次為檸條錦雞兒 ＞ 邊塞錦雞兒 ＞ 粉刺錦雞兒 ＞ 多刺錦雞兒 ＞ 荒漠錦雞兒。

一般認(rèn)為，水勢脅迫下植物種子的萌發(fā)特性與其生境密切相關(guān)[37]。如Lai等[18]對檸條錦雞兒、中間錦雞兒與小葉錦雞兒的研究發(fā)現(xiàn)，種子萌發(fā)的耐旱程度隨其生境降雨量的增加而降低。韓瑾[38]通過對47種旱生植物的研究指出，水勢脅迫下生境相對惡劣的植物種子其萌發(fā)率與對照相比無顯著差異，而生境相對較好的植物種子其萌發(fā)率在水勢脅迫時受到明顯抑制。與此相反，本研究所有參試物種中，分布在半濕潤地區(qū)的紅花錦雞兒其萌發(fā)最耐旱，而分布在干旱荒漠區(qū)的多刺錦雞兒、荒漠錦雞兒、粉刺錦雞兒其種子萌發(fā)對水勢脅迫較為敏感。這可能是由于分布在半濕潤區(qū)的植物，水勢并非影響其種子萌發(fā)并進(jìn)而成功建植的限制因子，因而種子即使在相對干旱的條件下萌發(fā)，也不易遭遇極端干旱環(huán)境導(dǎo)致幼苗死亡；而對于降雨量較少且多變的干旱荒漠區(qū)，種子萌發(fā)后幼苗極易遭遇干旱而導(dǎo)致閃苗。因而，種子在水分相對充足的條件下萌發(fā)可降低閃苗的風(fēng)險，并進(jìn)而提高幼苗的建植率。Zeng等[17]研究指出，水勢脅迫下種子萌發(fā)緩慢、萌發(fā)率低是干旱荒漠區(qū)優(yōu)勢物種保證幼苗存活的萌發(fā)對策。本研究中分布于干旱荒漠區(qū)的邊塞錦雞兒、粉刺錦雞兒、荒漠錦雞兒、多刺錦雞兒這種緩慢萌發(fā)的特性或許就是上述萌發(fā)對策的體現(xiàn)。

綜上所述，本研究中大部分錦雞兒屬植物種子不存在硬實，室溫貯藏顯著影響種子硬實率的評價，以后的研究中應(yīng)予以考慮。此外，參試植物中檸條錦雞兒最耐高溫，紅花錦雞兒最耐旱，在干旱半干旱地區(qū)植被恢復(fù)以及水土保持中可予以考慮。