， ， ， ， ， ， ， (.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 泰安 2708；2.中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煙臺海岸帶研究所)， 山東 煙臺 2600；.煙臺大學(xué)， 山東 煙臺 26005； . 山東省東營市科技局， 山東 東營 25709)

水分脅迫和母樹年齡對山東半島黑松沿海防護(hù)林種子萌發(fā)的影響

毛培利1,2，于曉3，曹幫華1，馬向明4，瞿慶祥3，董建3，趙舒悅3，李修宇3
(1.山東農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)與環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山東 泰安 271018；2.中國科學(xué)院海岸帶環(huán)境過程與生態(tài)修復(fù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煙臺海岸帶研究所)， 山東 煙臺 264003；3.煙臺大學(xué)， 山東 煙臺 264005； 4. 山東省東營市科技局， 山東 東營 257091)

以山東半島黑松沿海防護(hù)林種子為實(shí)驗(yàn)材料，研究了水分脅迫和母樹年齡對黑松種子萌發(fā)的影響。結(jié)果表明，隨水分脅迫程度增加，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)呈波浪形降低，而平均發(fā)芽時間增加，種子萌發(fā)受到顯著抑制。隨母樹年齡增加，種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)呈波浪形增加，種子質(zhì)量明顯提高。對于發(fā)芽率，水分脅迫和母樹年齡有著顯著交互作用。母樹年齡的增加使得發(fā)芽率在水分脅迫下降低變緩，提高了種子耐水分脅迫能力。因此，母樹特性與生態(tài)因子的共同作用是黑松海防林天然更新的重要決定因素。

水分脅迫； 母樹年齡； 黑松； 沿海防護(hù)林； 種子萌發(fā)

黑松沿海防護(hù)林是山東省最重要的沿海防護(hù)林體系[1]。大部分黑松海防林是20世紀(jì)50—60年代營造，已有林分進(jìn)入成熟、過熟階段，防護(hù)功能受到嚴(yán)重影響，急需進(jìn)行林分改造更新。天然更新是黑松海防林更新的重要方式[2-4]。但由于部分基干防護(hù)林帶處于海岸風(fēng)口地段，海風(fēng)、海霧、干旱、土壤貧瘠等惡劣的生境條件造成黑松海防林更新極為困難[4]。種子能否萌發(fā)、產(chǎn)生正常苗是生態(tài)系統(tǒng)更新的關(guān)鍵階段[5]，受外界生態(tài)條件諸如水分、溫度、光照、土壤鹽分、埋深和生物等條件的綜合影響，是各種生態(tài)因子互作的產(chǎn)物[6]。但生態(tài)因子如何影響黑松海防林種子萌發(fā)目前研究不夠系統(tǒng)。韓廣軒等研究了土壤鹽分對黑松種子萌發(fā)的影響，認(rèn)為土壤含鹽量有著顯著抑制作用，但其它生態(tài)因子研究較少[7]。除了環(huán)境因素，生物因素母樹年齡對種子萌發(fā)也有顯著影響[8-9]，這在黑松海防林中也有相似發(fā)現(xiàn)[10]。但對于生態(tài)因子和母樹年齡如何共同影響種子萌發(fā)研究較少。本實(shí)驗(yàn)通過研究水分脅迫和母樹年齡對黑松種子萌發(fā)的影響及二者的交互作用，探討黑松海防林的天然更新機(jī)制，為其管理提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于山東省煙臺沿海防護(hù)林自然保護(hù)區(qū)。所處區(qū)域?qū)倥瘻貛|亞季風(fēng)型大陸性氣候，年平均溫度11.5 ℃，降水量760 mm，無霜期200 d左右，年平均絕對濕度為71%，年平均日照時數(shù)為2 642.7 h，日照率為60%。土壤為濱海砂地土壤，機(jī)械組成以砂為主，有機(jī)質(zhì)含量很低，一般不超過1%。黑松林栽植于20世紀(jì)50年代，大多為純林。林下植被比較簡單，灌木主要由紫穗槐(Amorphafruticosa)、單葉蔓荊(VitextrifoliaLinn.var.simplicifoliaCham.)、胡枝子(Lespedezabicolor)、野薔薇(Rosamultiflora)等組成；草本植物主要為羊胡子草(Carexrigescens)、細(xì)苞蟲實(shí)(Corispermumstenolepis)、刺沙蓬(Salsolaruthenicalljin var.ruthenica)、白茅(Imperatacylindricavar.major)、馬齒莧(Portulacaoleracea)、腎葉打碗花(Calystegiasoldanella)、毛鴨嘴草(Ischaemumantephoroides)、茵陳蒿(ArtemisiacapillarisThunb.)、鴨跖草(Commelinacommunis)、西伯利亞濱藜(Atriplexsibirica)、龍葵(Solanumnigrum)等。

1.2 研究方法

1.2.1 種子采集

2013年9月，在中國科學(xué)院牟平海岸帶環(huán)境綜合試驗(yàn)站附近黑松海防林內(nèi)隨機(jī)采集了60株生境相近的黑松母樹的球果(表1)，通過D=21.37(1-e-0.1 A)2.638 9(D為胸徑，A為年齡)計(jì)算年齡[1]，根據(jù)母樹年齡分成4個年齡梯度(表1)。通過自然風(fēng)干待球果開裂后按照母樹齡級分別收集，挑選飽滿的種子用于實(shí)驗(yàn)。

表1 黑松球果和種子采集的母樹大小特征

胸徑(cm)樹高(m)年齡(a)AⅠ2．87～11．152．5～6．56～15AⅡ12．10～16．885．5～8．516～25AⅢ17．51～19．437．0～9．026～35AⅣ19．75～24．528．0～9．5>36

1.2.2 種子萌發(fā)實(shí)驗(yàn)

用不同濃度的PEG 6000溶液模擬干旱脅迫，分別設(shè)置0，50，100，150，200 g/kg，其溶液滲透勢分別為0，-0.05，-0.15，-0.30，-0.49 MPa[11]。將4個母樹年齡梯度的種子用0.1%高錳酸鉀液浸泡30 min消毒。消毒后的種子用蒸餾水洗滌3次后，將種子擺入直徑9 cm的培養(yǎng)皿中。種子擺入前，培養(yǎng)皿內(nèi)鋪2層濾紙。每個培養(yǎng)皿擺無破損的種子20粒，5次重復(fù)。種子擺完后，用石蠟封口膜密封。培養(yǎng)皿置于恒溫培養(yǎng)箱中(25±0.2)℃,培養(yǎng)21 d，萌發(fā)過程中每24 h觀測1次。當(dāng)胚根突破種皮時,即認(rèn)為種子萌發(fā),記錄種子萌發(fā)起始時間和每日萌發(fā)種子數(shù)量。培養(yǎng)21 d后，將培養(yǎng)皿內(nèi)萌發(fā)種子放于烘箱內(nèi)(75 ℃，48 h)進(jìn)行烘干，用萬分之一天平稱取干重。然后計(jì)算發(fā)芽率(GR)、平均發(fā)芽時間(MGT)、發(fā)芽指數(shù)(GI)和活力指數(shù)(VI)。

GR=G1/N×100%，式中：G1為萌發(fā)數(shù)；N為供試種子總數(shù)。

MGT=(∑D×n)/∑n，式中：n為相應(yīng)各日正常發(fā)芽粒數(shù)，D為從種子置床起的天數(shù)。

GI=∑(Gt/Dt)，式中：Gt為各日凈發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)發(fā)芽日。

VI=S×GI，式中：S為幼苗干重；GI為發(fā)芽指數(shù)。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

所有數(shù)據(jù)采用SPSS 13.0軟件進(jìn)行分析。采用雙因子方差分析(Two-Way ANOVA)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異；如果差異顯著，再用最小顯著差異法(LSD)進(jìn)行多重比較。分析時顯著性差異檢驗(yàn)水平為plt;0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 發(fā)芽率

隨PEG 6000濃度的增加，發(fā)芽率呈波浪形降低；不同年齡之間，AⅠ和AⅢ最低，AⅣ最高(圖1)。雙因素方差分析結(jié)果表明，水分脅迫(F=39.35,plt;0.01)和母樹年齡(F=25.40,plt;0.01)對發(fā)芽率有著極顯著的影響，并且二者有著極顯著的交互作用(F=2.49,plt;0.01)。不同水分脅迫梯度之間，5% PEG 6000的發(fā)芽率最高，并極顯著高于10% PEG 6000和20% PEG 6000(plt;0.01)；20% PEG 6000的發(fā)芽率最低，并極顯著低于ck、5% PEG 6000和15% PEG 6000(plt;0.01)。這表明較低的水分脅迫不會抑制黑松種子萌發(fā)，而嚴(yán)重的水分脅迫則會顯著抑制種子萌發(fā)。不同母樹年齡之間，AⅠ與AⅢ差異不顯著(p=0.10)，極顯著低于AⅡ和AⅣ(plt;0.01)，AⅣ極顯著高于其它母樹年齡(plt;0.01)。隨PEG 6000濃度的增加，AⅣ的發(fā)芽率下降速率顯著低于其它母樹年齡，有著顯著的交互作用。

圖1 水分脅迫和母樹年齡對黑松種子發(fā)芽率的影響

2.2 平均發(fā)芽時間

隨PEG 6000濃度的增加，不同母樹年齡黑松種子平均發(fā)芽速呈波浪形增加(圖2)。雙因素方差分析結(jié)果表明，水分脅迫對平均發(fā)芽時間有著極顯著的影響(F=3.98,plt;0.01)，母樹年齡影響不顯著(F=1.74,p=0.17)，而二者之間交互作用不顯著(F=1.31,p=0.24)。不同水分脅迫梯度之間，5% PEG 6000的平均發(fā)芽速最短，顯著低于10% PEG 6000(plt;0.05)，極顯著低于20% PEG 6000(plt;0.01)；20% PEG 6000的平均發(fā)芽速最長，顯著長于ck(plt;0.05)，極顯著長于5% PEG 6000和15% PEG 6000(plt;0.01)。

圖2 水分脅迫和母樹年齡對平均發(fā)芽時間的影響

2.3 發(fā)芽指數(shù)

隨PEG 6000濃度的增加，黑松發(fā)芽指數(shù)呈波浪形降低；不同母樹年齡之間，AⅠ最低，AⅣ最高(圖3)。雙因素方差分析結(jié)果表明，水分脅迫(F=29.03,plt;0.01)和母樹年齡(F=39.27,plt;0.01)對發(fā)芽指數(shù)有著極顯著的影響，二者交互作用不顯著(F=1.43,p=0.18)。不同水分脅迫梯度之間，5% PEG 6000濃度發(fā)芽指數(shù)最大(plt;0.05)，20% PEG 6000濃度顯著低于ck、5% PEG 6000和15% PEG 6000(plt;0.05)。不同母樹年齡之間，AⅠ與AⅢ差異不顯著(p=0.07)，極顯著低于AⅡ和AⅣ(plt;0.01)，AⅣ極顯著高于其它母樹年齡(plt;0.01)。

圖3 水分脅迫和母樹年齡對黑松發(fā)芽指數(shù)的影響

2.4 活力指數(shù)

隨PEG 6000濃度的增加，黑松活力指數(shù)呈波浪形降低；不同母樹年齡之間，AⅠ、AⅡ和AⅢ接近，AⅣ最高(圖4)。雙因素方差分析結(jié)果表明，水分脅迫(F=19.39,plt;0.01)和母樹年齡(F=43.21,plt;0.01)對活力指數(shù)有著極顯著的影響，二者交互作用不顯著(F=1.70,p=0.09)。不同水分脅迫梯度之間，5%PEG 6000濃度活力指數(shù)最高，極顯著高于10%PEG濃度和20%PEG濃度(plt;0.01)，20% PEG 6000濃度最低，極顯著低于ck、5% PEG 6000和15% PEG 6000(plt;0.01)。不同母樹年齡之間，AⅠ極顯著低于AⅡ(plt;0.01)，與AⅢ差異不顯著(p=0.06)，AⅡ與AⅢ差異不顯著(p=0.13)，AⅣ極顯著高于其它母樹年齡(plt;0.01)。

圖4 水分脅迫和母樹年齡對黑松種子活力指數(shù)的影響

3 討 論

水分脅迫是沿海防護(hù)林天然更新重要的限制因子[4,12]。隨著水分脅迫程度的增加，黑松種子發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)逐漸降低，表明水分脅迫顯著抑制了種子萌發(fā)，這與華南沿海防護(hù)林主要樹種木麻黃[12]、固沙造林樹種樟子松[13]的研究結(jié)果相似。最優(yōu)的發(fā)芽時間對幼苗的建立至關(guān)重要，是對多變外界環(huán)境的適應(yīng)[14]。隨著水分脅迫程度的增加，黑松種子平均發(fā)芽時間增加，延緩了發(fā)芽進(jìn)程。延緩種子發(fā)芽進(jìn)程是水分脅迫影響眾多植物種子萌發(fā)的基本特征[13,15]。種子發(fā)芽進(jìn)程延緩對幼苗的初期生長[15]和形態(tài)[12-13]有著重要影響，進(jìn)而影響到了幼苗對生態(tài)因子的適應(yīng)性[13]。

母樹年齡對種子質(zhì)量有重要影響，這在Sorbustorminalis[8]、Pinuspinea[16]、Pinusechinata[9]、Pinuspinaster[17]及黑松海防林[10]都有體現(xiàn)。隨著母樹年齡的增加，黑松種子的發(fā)芽率、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)呈波浪形變化，這與母樹會通過調(diào)節(jié)球果胚珠敗育率保障種子質(zhì)量有關(guān)[18]。Müller et al.[19]認(rèn)為，C.albidus種子質(zhì)量隨年齡增加不斷降低除了與提高胚珠敗育率相關(guān)外，還與種子內(nèi)部維生素E和激素變化有關(guān)。本研究在進(jìn)行種子分組時按照黑松母樹年齡劃分，與以前的研究按照母樹胸徑劃分有所不同，本研究是隨母樹年齡增加種子質(zhì)量波浪增加。這表明胸徑與母樹年齡對種子質(zhì)量的影響有所差別[20]。同時，本研究還發(fā)現(xiàn)在發(fā)芽率上，母樹年齡與水分脅迫有著顯著交互作用，提高了黑松種子在水分脅迫下的發(fā)芽率。這表明母樹年齡影響黑松種子萌發(fā)過程中對生態(tài)因子的適應(yīng)能力。

種子萌發(fā)是黑松沿海防護(hù)林天然更新的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對種子萌發(fā)的研究多集中在生態(tài)因子對萌發(fā)的影響，對母樹特性研究較少，尤其是二者之間的交互影響。在黑松沿海防護(hù)林天然更新過程中種子來源于不同樹齡的母樹，而不同樹齡母樹產(chǎn)生種子的質(zhì)量差異對種子在不同生境下的萌發(fā)將會產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響幼苗建立。因此，在今后的研究中，深入研究種子質(zhì)量的母樹年齡效應(yīng)，探討母樹年齡與生態(tài)因子之間的作用方式，是闡明黑松海防林的天然更新機(jī)制的重要研究內(nèi)容。

[1]許景偉,李琪,王衛(wèi)東,等.沙岸黑松海防林防護(hù)成熟期及更新年齡的研究[J].林業(yè)科學(xué),2003,39(2):91-97.

[2]張志東,韓廣軒,毛培利,等.成年個體密度、距海遠(yuǎn)近及下層植被對煙臺黑松海防林天然更新的影響[J].自然資源學(xué)報,2009,24(5):782-790.

[3]朱教君,李鳳芹,松崎健,等.間伐對日本黑松海岸林更新的影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2002,13(11):1 361-1 367.

[4]許景偉,王衛(wèi)東,喬勇進(jìn).沿海沙質(zhì)岸基干林帶黑松防護(hù)林的更新方式[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,31(5):4-6.

[5]González-Rodríguez V,Villar R,Casado R,et al.Spatio-temporal heterogeneity effects on seedling growth and establishment in fourQuercusspecies[J].Annals of Forest Science,2011,68:1 217-1 232.

[6]魚小軍,師尚禮,龍瑞軍,等.生態(tài)條件對種子萌發(fā)影響研究進(jìn)展[J].草業(yè)科學(xué),2006,23(10):44-49.

[7]韓廣軒,毛培利,劉蘇靜,等.鹽分和母樹大小對黑松海防林種子萌發(fā)和幼苗早期生長的影響[J].生態(tài)學(xué)雜志,2009,28(11):2 171-2 176.

[8]Espahbodi K,Hosseini S M,Mirzaie-Nodoushan H,et al.Tree age effects on seed germination inSorbustorminalis[J].Gen and Appl Plant Physiology,2007,33(1-2):107-119.

[9]Grayson K J,Wittwer R F,Shelton M G.Cone characteristics and seed quality 10 years after an uneven-aged regeneration cut in shortleaf pine stands [C]//Proceedings of the eleventh biennial southern silvicultural research conference.Gen Tech Rep,SRS-48. Ashville,NC:U.S.Department of Agriculture.Foreste Service,Southern Research Station,2002:310-314.

[10]Mao P L,Han G X,Wang G M,et al.Effects of age and stand density of mother trees on earlyPinusthunbergiiseedling establishment in the coastal zone,China[J].Sci World J,2014.

[11]Michel B E,Kaufmann M R.The osmotic potential of polyethylene glycol 6000[J].Plant Physiol,1973,51:914-916.

[12]武沖,仲崇祿,張勇,等.聚乙二醇模擬干旱對三種木麻黃種子萌發(fā)的影響[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2011,31(2):22-26.

[13]朱教君,李智輝,康宏樟,等.聚乙二醇模擬水分脅迫對沙地樟子松種子萌發(fā)影響研究[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報,2005,16(5):801-804.

[14]Cendán C,Sampedro L,Zas R.The maternal environment determines the timing of germination inPinuspinaster[J].Environ Exp Bot,2013,94:66-72.

[15]胡紅,曹昀,王穎.水分脅迫對狗牙根種子萌發(fā)及幼苗生長的影響[J].草業(yè)科學(xué),2013,30(1):63-68.

[16]Ganatsas P,Tsakaldimi M,Thanos C.Seed and cone diversity and seed germination ofPinuspineain Strofylia Site of the Natura 2000 Network[J].Biodivers Conserv,2008,17:2 427-2 439.

[17]Alvarez R,Valbuena L,Calvo L.Influence of tree age on seed germination response to environmental factors and inhibitory substances inPinuspinaster[J].Int J Wildland Fire,2005,14:277-284.

[18]毛培利,韓廣軒,張志東,等.黑松海岸防護(hù)林徑級分布及其與球果和種子特性的關(guān)系[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報,2010,38(11):21-23.

[19]Mülle M,Siles L,Cela J,et al.Perennially young:seed production and quality in controlled and natural populations ofCistusalbidusreveal compensatory mechanisms that prevent senescence in terms of seed yield and viability[J].J Exp Bot,2014,65:287-297.

[20]Gross K L.Predictions of fate from rosette size in four “biennial” plant species:Verbascumthapsus,Oenothera biennis,Daucus carota,andTragopogondubius[J].Oecologia,1981,48:209-213.

Effects of Water Stress and Mother Tree Age on Seed Germination of the CoastalPinusthunbergiiProtection Forest in Northern Shandong Peninsula

MAOPeili1,2,YUXiao3,CAOBanghua1,MAXiangming4,QUQingxiang3,DONGJian3,ZHAOShuyue3,LIXiuyu3
(1.Key Laboratory of Agricultural Ecology and Environment, Shandong AgriculturalUniversity,Taian Shandong 271018,China;2.Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation,Yantai Institute of Coastal Zone Research,Chinese Academy of Sciences,Yantai Shandong 264003, China;3.Yantai University,Yantai Shandong 264005,China；4.Bureau of Science and Technology,Dongying Shandong 257091,China)

In this paper,Pinusthunbergiiseeds of different mother tree age were collected from the coast protection forest in northern Shandong Peninsula.The effects of water stress and mother tree age on seed germination were tested.As water stress aggravated,germination rate (GR),germination index (GI) and vigor index (VI) showed an undulating decrease, whereas mean germination time increased,which suggested seed germination was inhibited by water stress.With increasing mother tree age,GR,GI and VI increased undulatingly,which indicated seed quality enhanced significantly.There was significant interaction on Gi between water stress and mother tree age.The decrease velocity of GR deriving from water stress became slowly due to the increase of mother tree age,which suggested mother tree age enhanced seed water stress resistance.The combination of mother tree age and ecological factors was a vital determinant on the natural regeneration of the coastalP.thunbergiiprotection forest.

water stress; mother tree age;pinusthunbergii; coast protection forest; seed germination

2015-12-11

山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(編號：2015 GNC 111026)；煙臺市科技支撐項(xiàng)目(編號：2012017)。

毛培利(1979—)，男，講師，博士，主要從事植物生理生態(tài)學(xué)研究；E-mail:maopl1979@163.com。

曹幫華，E-mail：caobanghua@126.com。

10.16590/j.cnki.1001-4705.2016.07.010

S 791.256

A

1001-4705(2016)07-0010-05