趙天福

背景與研究目的

距離烏魯木齊市不足50km區(qū)域的達(dá)坂城鎮(zhèn)，號(hào)稱百里風(fēng)區(qū)，以極端干旱和滿地礫石、伴隨著長(zhǎng)年大風(fēng)天氣而聞名于世。但在這樣極端大風(fēng)和干旱環(huán)境下，依然有植物生長(zhǎng)繁衍。

那么，這些植物有怎樣的生長(zhǎng)和繁殖特性？以什么特殊的方式適應(yīng)這樣極端的環(huán)境？我選擇了達(dá)坂城為主要研究區(qū)，以這里典型的優(yōu)勢(shì)種植物——霸王（Zygophyllum xanthoxylum，見(jiàn)圖1）為對(duì)象，以植物生活史的最初階段——萌發(fā)為主題，開(kāi)展了觀察和實(shí)驗(yàn)，想探究這種環(huán)境中荒漠植物的特殊適應(yīng)特性及機(jī)制，以便了解在這樣極端環(huán)境中生物的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程及生存機(jī)制。

本研究通過(guò)種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)和實(shí)地觀察，研究了霸王種子在原生境礫石地、灌叢表面和灌叢土壤中放置8個(gè)月后，其種子的萌發(fā)率和萌發(fā)進(jìn)程，分析其生態(tài)適應(yīng)意義；探討霸王種子成熟脫落后，積存在不同微生境，經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)冬季后，在第2年春天的萌發(fā)潛勢(shì)。為揭示荒漠植物對(duì)干旱和大風(fēng)的適應(yīng)策略提供依據(jù)，同時(shí)也為找出一些耐旱性強(qiáng)、抗風(fēng)能力強(qiáng)、適宜在類似大風(fēng)和干旱極端環(huán)境中生長(zhǎng)的植物提供依據(jù)。

方法與步驟

前期準(zhǔn)備

用2個(gè)月時(shí)間查閱文獻(xiàn)，收集資料，前往科研院所走訪專家，進(jìn)行文獻(xiàn)研究，并同步開(kāi)始技能實(shí)踐與訓(xùn)練、野外實(shí)地環(huán)境的植被調(diào)查，了解研究概況、制訂方案。

文獻(xiàn)查閱和研究

通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)及中國(guó)知網(wǎng)數(shù)據(jù)庫(kù)，查閱達(dá)坂城的環(huán)境、霸王生物生態(tài)學(xué)特性、貯藏條件對(duì)種子萌發(fā)的影響、荒漠灌木的特點(diǎn)、植物適應(yīng)方式和策略等方面的文獻(xiàn)。并對(duì)查找到的文獻(xiàn)進(jìn)行了歸類、分析、綜合。

野外調(diào)查

分別于2012年、2013年冬、春、夏和秋季，前往達(dá)坂城柴窩堡，在天然的霸王群落中對(duì)自然生長(zhǎng)的霸王的生物生態(tài)學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行了初步的觀察（圖2）。觀察每月至少進(jìn)行1次，節(jié)假日和暑假期間增加頻次。利用規(guī)范樣方法調(diào)查霸王植被組成及其種群的動(dòng)態(tài)變化，并對(duì)土壤水分及土壤種子庫(kù)進(jìn)行測(cè)定。測(cè)得霸王自然群落中不同生境的土壤水分含量分別為：較干生境為0.0009%，較濕生境為0.0023%。這說(shuō)明該地區(qū)非常干旱，對(duì)植物種子的萌發(fā)不利。種子成熟脫落后，積存在不同的微生境，且因生境的不同而不同。

種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

種子的采集

種子于種子成熟期采集。霸王果實(shí)于2012年8月采自達(dá)坂城自然植物種群，從40個(gè)以上的植株上采集，每株采集20個(gè)果實(shí)，連同附屬物一并采集，兼顧大小花序及花序的位置。采集后的種子在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通風(fēng)處晾干，裝入紙袋儲(chǔ)存在暗處。

種子的存放

選取顆粒飽滿、無(wú)病蟲(chóng)害、大小一致的成熟種子，分裝成小袋，于2012年9月30日分別存放在7種不同的貯藏條件下：干熱、干冷、野外礫石地表、野外較干地表、野外較干土中、野外較濕地表、野外較濕土中。干熱貯藏環(huán)境為師范大學(xué)有暖氣的實(shí)驗(yàn)室，平均溫度為25℃左右；干冷條件貯藏環(huán)境是達(dá)坂城柴窩堡無(wú)暖氣較干燥的空房；野外礫石地表環(huán)境是將分裝成袋的種子放在礫石地表面，再用鐵絲網(wǎng)罩??；野外較干地表和野外較干土中條件的種子分別貯藏在較干生境的地表和較干生境地下10cm處；野外較濕地表和野外較濕土中條件的種子分別貯藏在較濕生境的地表和較濕生境地下10cm處。每種環(huán)境5個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)50粒種子。

2013年4月3日將所有的種子取出，記錄已經(jīng)萌發(fā)或腐爛的種子數(shù)，再將殘留的種子放在人工氣候箱內(nèi)萌發(fā)。

萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

萌發(fā)實(shí)驗(yàn)于光照培養(yǎng)箱（RXZ智能型）中進(jìn)行。選取顆粒飽滿、無(wú)病蟲(chóng)害、大小一致的成熟種子，將種子均勻擺放在直徑為90 mm的培養(yǎng)皿中培養(yǎng)，每皿放50粒種子，3次重復(fù)。氣象數(shù)據(jù)表明，達(dá)坂城近5年4月份的日平均最高氣溫和日平均最低氣溫分別為19.14℃和5.79℃。種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)為20℃/10℃（晝12h/夜12h），以接近自然生境中的日平均最高和最低氣溫，萌發(fā)實(shí)驗(yàn)在光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行，每隔12h定期補(bǔ)水保持濾紙濕潤(rùn)（變溫光照中光照強(qiáng)度設(shè)為66%）。

種子的萌發(fā)以胚的展開(kāi)為標(biāo)志，種子長(zhǎng)出2mm胚根視為萌發(fā)。萌發(fā)過(guò)程中每天定時(shí)統(tǒng)計(jì)發(fā)芽粒數(shù)，并將已發(fā)芽種子撿出，直至連續(xù)5天無(wú)新萌發(fā)即為該重復(fù)萌發(fā)結(jié)束。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后對(duì)種子萌發(fā)數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對(duì)未萌發(fā)的種子進(jìn)行活力檢測(cè)，種子的萌發(fā)率為萌發(fā)種子數(shù)占有活力種子數(shù)的百分比（已萌發(fā)種子數(shù)/有活力種子數(shù)×l00%）。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算種子萌發(fā)率以分析不同貯藏方式對(duì)種子萌發(fā)影響的差異程度。

數(shù)據(jù)處理

利用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)測(cè)得數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，通過(guò)單因素方差分析（One-way ANOVA）檢驗(yàn)差異的顯著性（P<0.05為差異顯著）。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以平均值（Mean）±標(biāo)準(zhǔn)誤差（SE）表示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

霸王種子的千粒重為10.88+0.22g。在不同微生境下霸王種子的萌發(fā)率和萌發(fā)進(jìn)程如圖3。從圖中可以看出，經(jīng)干熱貯藏后的種子萌發(fā)最快，在第1天就開(kāi)始萌發(fā)，其他貯藏條件的均在第2天開(kāi)始萌發(fā)。最終統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，干熱貯藏下的種子萌發(fā)率最低，僅為27.39%，野外礫石地表的種子萌發(fā)較為緩慢，但其萌發(fā)率最高，達(dá)到57.33%。貯藏在野外地表的種子萌發(fā)率都高于土中的，野外較干地表和野外較干土中種子的萌發(fā)率分別為59.33%和48.67%，野外較濕地表和野外較濕土中種子的萌發(fā)率分別為48.37%和38.50%。從濕度條件看，野外較濕地表和野外較干地表相比，野外較濕地表種子萌發(fā)率高于野外較干地表種子萌發(fā)率；野外較濕土中和野外較干土中相比，野外較干土中種子萌發(fā)率稍高于野外較濕土中。

總體看來(lái)，在不同貯藏條件下霸王種子的萌發(fā)率高低依次為：野外礫石地表>野外較濕地表>干冷>野外較干地表>野外較干土中>野外較濕土中>干熱。

討論與建議

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在以上幾種環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)8個(gè)月的貯存，霸王的種子均具有活力，可以萌發(fā)，但萌發(fā)率及特點(diǎn)不同。一般來(lái)說(shuō)，影響種子活力的主要生態(tài)因子是溫度和濕度。

溫度是影響種子活力和萌發(fā)的決定性因素。霸王種子在干熱條件下的萌發(fā)率最低，只有27%，而在野外地表的萌發(fā)率普遍較高。因?yàn)闊o(wú)論是達(dá)坂城野外的無(wú)暖氣房子，還是礫石地、灌叢中，溫度都比較低，尤其是冬天。低溫有助于干旱區(qū)灌木植物種子活力的保持。霸王在野外貯藏后的萌發(fā)率較高，說(shuō)明種子可進(jìn)入持久土壤種子庫(kù)，有可能在來(lái)年溫度回升后，在有降雨或融雪水時(shí)得以萌發(fā)成苗，實(shí)現(xiàn)種群的擴(kuò)展更新。

水分是影響種子萌發(fā)的重要因素。大部分植物只有在水分充足的條件下，種子才能夠萌發(fā)。但造成種子活力下降的另一個(gè)重要因素就是濕度，霸王種子在野外無(wú)暖氣房子以及地表的萌發(fā)率明顯高于土壤中的，因?yàn)橥寥乐械臐穸却笥诘乇?，因此灌叢土壤中的種子萌發(fā)率是僅次于干熱條件的較低萌發(fā)率。

種子能夠保持活力是溫度和濕度共同作用的結(jié)果。在達(dá)坂城地區(qū)，年降水量只有60mm左右，因此地表的濕度非常小，即使在有少量徑流的沖溝，地表土壤水分含量也只有0.23%，是種子貯存的臨界濕度。在野外地表貯存的種子萌發(fā)率相對(duì)較高，這是合適的溫度和濕度共同作用的結(jié)果，在這樣的溫度和濕度下，種子呼吸強(qiáng)度最弱，貯藏最安全，穩(wěn)定壽命最長(zhǎng)，種子活力下降速度明顯降低。

從上述分析可以得出，霸王的種子在達(dá)坂城野外干冷環(huán)境下貯存后，其萌發(fā)率依然較高，種子活力也保持得較好。這為了解極端干旱環(huán)境中植物的適應(yīng)對(duì)策提供了依據(jù)。

綜合以上結(jié)論，建議在達(dá)坂城大風(fēng)區(qū)營(yíng)造防風(fēng)林時(shí)，考慮將現(xiàn)有的喬木和本地抗風(fēng)能力強(qiáng)、超旱生的霸王配合種植，以達(dá)到既節(jié)水耐旱、又可速生的效果，滿足對(duì)防風(fēng)林的要求。另外，在應(yīng)用本地灌木霸王時(shí)，采集種子后應(yīng)貯存在野外地表，這樣才有利于種子活力的保持和種子萌發(fā)。

該項(xiàng)目獲得第29屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組植物學(xué)一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

本課題以達(dá)坂城極端環(huán)境中的超早生灌木霸王為研究對(duì)象，通過(guò)實(shí)地觀察和實(shí)驗(yàn)室種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)，研究了霸王種子在原生境礫石地灌叢表面和灌叢土壤等不同生境埋放8個(gè)月后的萌發(fā)特性，以探討種子成熟脫落后在不同微生境經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)冬季后的萌發(fā)潛勢(shì)，解釋其生態(tài)適應(yīng)意義。該研究地區(qū)特色鮮明，創(chuàng)新性較好，為揭示荒漠地區(qū)植物對(duì)干旱和大風(fēng)的適應(yīng)策略提供了有益參考。