譚廷鴻，王 卓，吳禮佳，許金石，王祖華，劉 敏

(1 銅仁學(xué)院 農(nóng)林工程與規(guī)劃學(xué)院，貴州銅仁 554300；2 銅仁學(xué)院 貴州省梵凈山地區(qū)生物多樣性保護(hù)與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州銅仁 554300；3 西北大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西西安 710069；4 魯東大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，山東煙臺(tái) 264025)

梵凈山冷杉，是世界自然遺產(chǎn)地——梵凈山的特有種，為第四紀(jì)孑遺植物，被列入《中國(guó)植物紅皮書》并成為國(guó)家一級(jí)保護(hù)瀕危植物，1998 年被IUCN列入《世界自然保護(hù)聯(lián)盟瀕危物種紅色名錄》成為全球重點(diǎn)保護(hù)的針葉樹(shù)種之一[1]。由于梵凈山冷杉僅分布于海拔2 100～2 390 m 的山體上部，該區(qū)域毗鄰山脊，地勢(shì)陡峭，坡向朝北，夏涼冬冷，霜降頻繁，尤其冬季寒潮直侵，加上土層較淺，局部生境脆弱，因而種群不連續(xù)成片，多呈小面積碎片化分布[2]，且近三十年來(lái)不斷發(fā)現(xiàn)有枯立木或成片死亡植株[3]。由于惡劣的生存條件以及長(zhǎng)期孤立的群落演替，導(dǎo)致梵凈山冷杉的群體遺傳變異性低、成年母樹(shù)更新較慢、幼樹(shù)長(zhǎng)勢(shì)較弱，加劇了其瀕危態(tài)勢(shì)[3-5]。

截至目前，有關(guān)梵凈山冷杉的研究主要集中在生境特征、森林類型、種群結(jié)構(gòu)、遺傳學(xué)特性、土壤成分和瀕危機(jī)制等方面[1, 4-6]。劉增力等[7]認(rèn)為梵凈山冷杉的分布范圍極窄，屬于珍稀瀕危森林類型，且梵凈山冷杉常與南方鐵杉和闊葉樹(shù)組成針闊混交林。生長(zhǎng)區(qū)局部地段由于闊葉樹(shù)種的侵入，致使林冠不能郁閉，同時(shí)林下苔蘚植物及凋落物覆蓋較厚，嚴(yán)重阻礙種子接觸土壤和萌發(fā)[8]。李曉笑等[1]研究表明，梵凈山冷杉的種群結(jié)構(gòu)存在波動(dòng)性，但幼苗不足和幼樹(shù)死亡率高是種群瀕危的重要原因，如果不進(jìn)行遷地保育，整個(gè)種群會(huì)因氣溫持續(xù)升高而瀕臨滅絕。保護(hù)遺傳學(xué)研究表明，梵凈山冷杉自交現(xiàn)象嚴(yán)重，不存在種群間基因流動(dòng)，因而遺傳多樣性水平較低[9]。此外，張玉武等[10]開(kāi)展了關(guān)于梵凈山冷杉的就地育繁和遷地馴化栽培等試驗(yàn)研究，但迄今尚未發(fā)現(xiàn)有引種或馴化成功的梵凈山冷杉小樹(shù)甚至幼苗。以上相關(guān)研究表明，梵凈山冷杉的保育和引種馴化存在較大困難與挑戰(zhàn)，關(guān)鍵在于種子到幼苗較低的轉(zhuǎn)化率，導(dǎo)致幼苗和幼樹(shù)天然更新不足。

研究表明，以有性繁殖為主的植物，其種子發(fā)育、成熟以及由種子轉(zhuǎn)化成幼苗的過(guò)程是生活史中最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，直接決定種群能否實(shí)現(xiàn)更新和壯大[11-12]。對(duì)裸子植物而言，球果和種子是物種繁殖系統(tǒng)的重要特征，它們?cè)趶?qiáng)大的選擇壓力下能表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性[13-14]。同時(shí)，球果和種子也是受遺傳控制較強(qiáng)的繁殖器官，最具有區(qū)分和比較意義[15]。然而，當(dāng)前尚無(wú)關(guān)于梵凈山冷杉生殖特性尤其是球果及種子性狀的研究報(bào)道。本研究通過(guò)對(duì)梵凈山冷杉結(jié)實(shí)母樹(shù)球果的跟蹤觀測(cè)和定期采集，比較研究不同采種期梵凈山冷杉球果和種子的基本性狀，揭示其球果和種子的發(fā)育和成熟規(guī)律，為成熟球果適宜采種期的確定提供參考，同時(shí)有助于從繁殖生態(tài)學(xué)角度解析其瀕危機(jī)制，為進(jìn)一步有效開(kāi)展就地保育和遷地繁育提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 球果跟蹤觀測(cè)與采集

梵凈山冷杉的球果采自世界自然遺產(chǎn)地——梵凈山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)梵凈山冷杉原生地(27°46′50″～ 28°1′30″N, 108°35′55″～ 108°48′30″E)的野生種群。在分布區(qū)中部最適生的純林帶，選取30 株海拔相近，且樹(shù)齡為第Ⅳ齡級(jí)(20 cm ≤ DBH ≤ 30 cm)的結(jié)實(shí)母樹(shù)作為球果跟蹤觀測(cè)和采種對(duì)象[2]，球果發(fā)育的跟蹤觀測(cè)起始時(shí)間為2018 年7 月15 日。球果采集日期分別為2018 年8 月25 日、9 月10 日、9 月24 日、10 月10 日和10 月26 日，每期每株母樹(shù)至少采集3 個(gè)球果，每期至少采集90 個(gè)球果。

1.2 球果形態(tài)性狀及重量測(cè)定

從同期采集的球果中，隨機(jī)選取30 個(gè)，測(cè)定每個(gè)球果的長(zhǎng)、寬，基徑、頂徑，鮮重、干重，并計(jì)算球果的長(zhǎng)寬比、基頂徑比和相對(duì)含水量。球果的長(zhǎng)和寬分別取其最長(zhǎng)和最寬部位的測(cè)定值[16]；球果的基徑和頂徑分別取第2 輪種鱗對(duì)應(yīng)球果基部和頂部的測(cè)量值，測(cè)量精度0.1 cm。球果干重以球果自然風(fēng)干至恒重的數(shù)值為測(cè)定值，測(cè)定精度0.01 g。

1.3 種鱗和種子的性狀參數(shù)測(cè)定

從同期采集的種鱗尚未開(kāi)放的球果中，隨機(jī)選取15個(gè)，待其自然風(fēng)干至恒重后，按照球果基部、中部和頂部逐一解剖每個(gè)球果，測(cè)定單個(gè)球果的種鱗層數(shù)、種鱗總數(shù)量和種鱗總重量；測(cè)定單球果的未飽滿種子數(shù)量和重量、飽滿種子數(shù)量和重量及種子總數(shù)量和總重量，并測(cè)定單球果種子飽滿率和千粒重[17]。

從球果基部、中部和頂部逐一解剖的種鱗和種子中，分別取各部分的種鱗30 片和純凈的種子30 粒，在解剖顯微鏡(Olympus, SZX 7)下，測(cè)量種鱗長(zhǎng)、寬、厚度，種子的長(zhǎng)、寬和厚度，以及種翅的長(zhǎng)度和寬度。種子、種鱗、種翅的長(zhǎng)、寬、厚度分別取最長(zhǎng)、最寬和最厚部位的測(cè)定值[18]，精度為0.01 mm。同時(shí)，用萬(wàn)分之一天平分別稱量種鱗和種子的重量，測(cè)定單片種鱗和單粒種子的重量，測(cè)定精度0.001 g。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2016 對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并使用GraphPad Prim 5和Canvas X軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和制圖；采用單因素方差分析(One-way ANOVA)對(duì)不同采種期的球果、種鱗和種子的性狀參數(shù)進(jìn)行多重比較和差異性顯著分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 梵凈山冷杉的球果性狀

2.1.1 球果的發(fā)育及形態(tài)變化通過(guò)實(shí)地跟蹤觀測(cè)和對(duì)比拍攝發(fā)現(xiàn)，梵凈山冷杉的球果每年7 月中旬開(kāi)始形成，8 月上旬至10 月上旬為發(fā)育關(guān)鍵期，10 月下旬陸續(xù)成熟并自然掉落，球果從形成至成熟約3 個(gè)月。發(fā)育早期即8 月上旬，球果呈圓錐形，顏色深灰色或灰紫色，基部逐漸膨大，雌球花的頂部繼續(xù)發(fā)育，球果長(zhǎng)寬比??；發(fā)育中期為9 月中旬至下旬，球果卵圓形至近圓柱形，深灰色，雌球花發(fā)育完全，基部和頂部寬度繼續(xù)增加，長(zhǎng)寬比也逐漸增加；發(fā)育后期為10 月上旬至中旬，球果近圓柱形或圓柱形，灰黑色或棕褐色，長(zhǎng)寬比最大(圖 1，A～C)。此外，跟蹤觀測(cè)和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，梵凈山冷杉成年結(jié)實(shí)母樹(shù)結(jié)果枝的球果結(jié)實(shí)數(shù)量通常1～3 個(gè)，且樹(shù)冠上端尤其是靠近頂端的結(jié)果枝結(jié)實(shí)數(shù)量多于樹(shù)冠下端。

A. 發(fā)育早期(8月5日)；B. 發(fā)育中期(9月10日)；C. 發(fā)育后期(10月10日)

2.1.2 不同采種期的球果形態(tài)特征對(duì)不同采種期的球果形態(tài)進(jìn)行了比較分析發(fā)現(xiàn)，5個(gè)采種期的梵凈山冷杉球果外形相似，為卵圓形或近圓柱形，灰黑色或棕褐色；球果表面附著斑塊狀的白色油脂，油脂面積隨采集時(shí)間后延而增加(圖 2)。統(tǒng)計(jì)分析球果的形態(tài)參數(shù)(圖 3)表明，隨采種時(shí)間后延，10 月 26日采集的球果長(zhǎng)、寬、基徑和頂徑最大，但5個(gè)采種期的球果基頂徑比(球果基徑和頂徑之比)差異不顯著(P> 0.05)；前四個(gè)采種期的球果長(zhǎng)、寬、基徑和頂徑增加最明顯(P< 0.05)，10 月10 日和10 月26 日采集的球果長(zhǎng)、寬、基徑和頂徑差異不顯著(P> 0.05)；與8 月25 日相比，9 月10 日采集的球果長(zhǎng)寬比增加不明顯(P> 0.05)，9 月10 日、10 月10 日和10 月26 日采集的球果長(zhǎng)寬比顯著增加(P< 0.05)，但后3個(gè)采種期間的球果長(zhǎng)寬比差異不顯著(P> 0.05)。

圖2 不同采種期梵凈山冷杉球果的形態(tài)特征

2.1.3 不同采種期球果的重量及含水量進(jìn)一步測(cè)定分析不同采種期單個(gè)球果的鮮重、干重和含水量。數(shù)據(jù)顯示，隨采種時(shí)間的后延，梵凈山冷杉單球果的鮮重和干重顯著增加(圖 4，A～B)，以10 月26 日采集的球果鮮重和干重最大，分別為36.98 g和20.33 g；后四個(gè)采種期較8 月25 日球果的鮮重分別增加10.33%、38.18%、52.20%和71.14%，球果的干重分別增加24.44%、79.89%、119.08%和149.24%；從較前一采種期的數(shù)據(jù)增幅來(lái)看，后四個(gè)采種期的單球果鮮重增幅依次為10.33%、25.23%、10.15%和12.45%，單球果干重的增幅依次為24.44%、44.56%、21.79%和13.77%。表明梵凈山冷杉球果重量的劇增期為發(fā)育早期和發(fā)育中期，即9 月10 日至9 月24 日，而發(fā)育后期和成熟期球果的重量增幅減緩，但成熟期球果重量顯著高于發(fā)育期。此外，8 月25 日至10 月10 日，球果的相對(duì)含水量連續(xù)顯著降低(圖 4，C)，然而，10 月10 日與10 月26 日相比，球果的相對(duì)含水量差異不顯著(P> 0.05)。表明球果的重量和含水量與發(fā)育時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，球果的相對(duì)含水量從發(fā)育早期至發(fā)育后期持續(xù)降低，而發(fā)育后期至成熟期趨于穩(wěn)定。

圖中不同小寫字母表示不同采種期之間差異顯著(P < 0.05)。下同

2.2 梵凈山冷杉種鱗的性狀特征

2.2.1 不同采種期單球果的種鱗數(shù)量和重量測(cè)定不同采種期梵凈山冷杉單球果的種鱗層數(shù)、種鱗數(shù)量和種鱗干重(圖 5)。結(jié)果顯示，與8 月25 日相比，后四個(gè)采種期的單球果種鱗層數(shù)、數(shù)量和重量均達(dá)到顯著差異(P< 0.05)，單球果種鱗層數(shù)依次增加27.50%、47.50%、68.21%和70.13%，種鱗數(shù)量依次增加26.30%、48.91%、59.57%和63.48%，種鱗干重依次增加24.23%、79.61%、107.62%和123.02%。從較前一采種期的數(shù)據(jù)增幅來(lái)看，后四個(gè)采種期的單球果種鱗層數(shù)的增幅依次為27.50%、15.68%、14.04%和1.14%，種鱗數(shù)量的增幅依次為26.30%、17.90%、7.15%和2.45%，種鱗干重的增幅依次為24.23%、44.57%、15.60%和7.42%?？梢?jiàn)，單球果種鱗數(shù)量和重量在發(fā)育早期和發(fā)育中期即9 月10 日和9 月24 日增加最明顯，在發(fā)育后期和成熟期逐漸趨于穩(wěn)定。

圖5 不同采種期梵凈山冷杉單球果的種鱗數(shù)量和重量

2.2.2 不同采種期球果種鱗的形態(tài)特征由于冷杉屬球果基部和頂部種鱗不能完全發(fā)育，因而對(duì)不同采種期球果中部種鱗的形態(tài)參數(shù)進(jìn)行了測(cè)定，如表1所示。后四個(gè)采種期球果中部種鱗的長(zhǎng)較8 月25 日均達(dá)到顯著差異水平(P< 0.05)；而對(duì)于種鱗的寬，只有10 月26 日采集的球果較8 月25 日達(dá)到了顯著差異水平(P< 0.05)；種鱗的長(zhǎng)寬比隨種鱗發(fā)育逐漸減小，但5個(gè)采種期種鱗的長(zhǎng)寬比差異不顯著(P> 0.05)。對(duì)于種鱗的厚度，前3個(gè)采種期差異不顯著(P> 0.05)，直到10 月10 日和10 月26 日才顯著增加，較8 月25 日分別增加1.16 倍、1.39 倍。9 月10 日種鱗的干重較8 月25 日差異不顯著(P> 0.05)，后三個(gè)采種期種鱗的干重較8 月25 日顯著增加(P< 0.05)，分別增加了2.35 倍、3.17 倍和4.76 倍。此外，發(fā)育后期和成熟期，即10 月10 日和10 月26 日，球果中部種鱗的厚度和干重差異不顯著(P> 0.05)。可見(jiàn)，隨著球果的發(fā)育和成熟，梵凈山冷杉球果種鱗的長(zhǎng)、厚度和干重會(huì)顯著增加，而發(fā)育后期和成熟期種鱗的厚度和干重趨于穩(wěn)定。

表1 不同采種期梵凈山冷杉球果中部的種鱗性狀

2.2.3 成熟期球果種鱗的形態(tài)特征對(duì)成熟期即10 月26 日采集的梵凈山冷杉球果的種鱗逐一解剖后，分別選取球果基部、中部和頂部各3 層的種鱗進(jìn)行拍攝和形態(tài)分析。如圖 6所示，梵凈山冷杉成熟球果的種鱗完全木質(zhì)化，堅(jiān)硬。球果基部的種鱗近圓形或方形，中部的種鱗腎形，頂部的種鱗矩扇形。種鱗上下邊緣均有細(xì)鋸齒，下邊緣中央凸出形成柄；柄左右兩側(cè)不對(duì)稱。球果基部種鱗的柄較短，中部和頂部種鱗的柄稍長(zhǎng)，柄上寬下窄，棕褐色；中部種鱗的柄略寬且厚。種鱗由腹面向背面凹陷，腹面柄兩側(cè)分別附著1 粒帶種翅的種子，因而種鱗柄兩側(cè)的中央?yún)^(qū)域和下邊緣略薄，上邊緣略厚；種鱗腹面和背面的中央?yún)^(qū)域棕褐色，背面的上邊緣為黑褐色；腹面粗糙或有顆粒狀凸起，背面稍平滑；種鱗腹面頂部中央有刺狀突起，較短，質(zhì)地硬。

每個(gè)部位分別取第1、第2和第3輪的種鱗

2.2.4 成熟期球果種鱗的性狀特征進(jìn)一步測(cè)定成熟期球果基部、中部和頂部的第二輪種鱗的性狀參數(shù)，包括種鱗的長(zhǎng)、寬、長(zhǎng)寬比、厚度和干重(表 2)。數(shù)據(jù)顯示，球果基部種鱗的長(zhǎng)和長(zhǎng)寬比最小；頂部種鱗的寬、厚度和干重最??；球果中部種鱗的所有性狀指標(biāo)均為最大。對(duì)于種鱗的長(zhǎng)，成熟球果基部、中部、頂部之間差異顯著(P< 0.05)，中部種鱗的長(zhǎng)分別是基部和頂部種鱗的2.13 倍、1.85 倍。與種鱗的長(zhǎng)類似，成熟球果基部、中部、頂部的種鱗寬差異顯著(P< 0.05)，中部種鱗的寬分別是基部和頂部的1.21 倍、1.64 倍，基部種鱗的寬是頂部種鱗的1.35 倍。中部和頂部種鱗的長(zhǎng)寬比相當(dāng)，且都顯著大于底部(P< 0.05)?；糠N鱗的厚度介于中部和頂部之間，但與兩個(gè)部位的種鱗厚度差異不顯著(P> 0.05)。三個(gè)部位間的種鱗干重差異顯著(P< 0.05)，中部種鱗干重分別是基部和頂部的1.52 倍、2.91 倍。

表2 梵凈山冷杉成熟球果不同部位的種鱗性狀特征

2.3 梵凈山冷杉種子的性狀特征

2.3.1 不同采種期球果的種子數(shù)量對(duì)不同采種期梵凈山冷杉球果的種子數(shù)量進(jìn)行測(cè)定，比較分析單球果未飽滿種子數(shù)量、飽滿種子數(shù)量、種子總數(shù)量和種子飽滿率(圖 7)。結(jié)果顯示，前3個(gè)采種期，單球果的未飽滿種子數(shù)量顯著增加，隨后兩個(gè)采種期又顯著降低，發(fā)育中期即9 月24 日的單球果未飽滿種子數(shù)量最多。單球果的飽滿種子數(shù)量、種子總數(shù)量和種子飽滿率均隨采種時(shí)間后延逐漸增加，雖然較早兩個(gè)采種期即8 月25 日和9 月10 日之間無(wú)明顯差異(P> 0.05)，但是后三個(gè)采種期較8 月25 日的增長(zhǎng)率均顯著(P< 0.05)，單球果飽滿種子數(shù)分別增加5.23 倍、13.82 倍、23.57 倍，種子總數(shù)分別增加1.87 倍、2.79 倍、3.83 倍，種子飽滿率分別增加1.17 倍、2.91 倍、4.19 倍。以上結(jié)果表明，發(fā)育早期至發(fā)育中期，球果以形成新種子為主，而發(fā)育中期至成熟期，新種子形成減少，以灌漿增加種子飽滿度為主。

圖7 不同采種期梵凈山冷杉單球果的種子數(shù)量及飽滿率

2.3.2 不同采種期球果的種子重量對(duì)不同采種期梵凈山冷杉球果的種子重量進(jìn)行測(cè)定，比較分析單球果的未飽滿種子重量、飽滿種子重量、種子總重量和種子千粒重(圖 8)。數(shù)據(jù)顯示，與單球果的未飽滿種子數(shù)量類似，單球果的未飽滿種子重量在前3個(gè)采種期顯著增加，隨后兩個(gè)采種期又顯著降低，發(fā)育中期即9 月24 日最高。單球果飽滿種子重量在前兩個(gè)采種期差異不顯著(P> 0.05)，后續(xù)三個(gè)采種期均顯著增加(P< 0.05)。單球果種子總重量和種子千粒重隨采種時(shí)間后延均顯著增加(P< 0.05)。與前四個(gè)采種期相比，10 月26 日的單球果種子總重量分別增加3.78 倍、2.55 倍、1.31 倍和0.41 倍，種子千粒重分別增加0.87 倍、0.51 倍、0.29 倍和0.13 倍。以上數(shù)據(jù)表明，梵凈山冷杉球果從發(fā)育早期至發(fā)育中期，種子重量的顯著增加主要源于種子數(shù)量的增加；而球果發(fā)育中期至成熟期，種子的重量增加源于種子數(shù)量和種子飽滿率的增加。

圖8 不同采種期梵凈山冷杉單球果的種子重量

2.3.3 成熟期球果的種子形態(tài)特征對(duì)成熟期采集的梵凈山冷杉球果進(jìn)行解剖后，分別選取球果基部、中部和頂部各3 層的種子進(jìn)行顯微拍攝和形態(tài)分析。如圖 9所示，球果基部、中部和頂部的種子均有明顯的種翅，種翅為頂側(cè)生長(zhǎng)；種翅上邊緣平截，較薄，有鋸齒；球果基部和中部的種翅顏色較深、棕褐色，頂部的種翅顏色較淺、棕色；種翅表面有豎條紋和顆粒。種子的種皮與種翅連生，種皮薄，膠質(zhì)，易碎；種皮表面粗糙，有凹凸紋。種子梭子型，中間寬厚、兩端細(xì)，表面粗糙，淺棕色；種子含油脂，質(zhì)地偏軟，易撕裂；種子的形態(tài)大小依次為球果中部 > 球果基部 > 球果頂部。

每個(gè)部位分別取第1、第2和第3輪的種子

2.3.4 成熟球果的種子性狀特征進(jìn)一步測(cè)定成熟期球果基部、中部和頂部的種子性狀參數(shù)，包括種子長(zhǎng)、寬、厚度、千粒重，同時(shí)測(cè)定了種翅的長(zhǎng)和寬(表 3)。數(shù)據(jù)顯示，球果中部種子的所有性狀參數(shù)均為最大，基部和頂部的種子除長(zhǎng)度差異顯著(P< 0.05)外，其余性狀參數(shù)無(wú)顯著差異(P> 0.05)。球果中部種子的長(zhǎng)分別是基部和頂部的1.14 倍、1.34 倍，寬分別是基部和頂部的1.28 倍、1.31 倍，厚度分別是基部和頂部的1.39 倍、1.48 倍。球果基部、中部和頂部種子的千粒重差異顯著(P< 0.05)，中部種子千粒重分別是基部和頂部的1.38 倍、1.60 倍。數(shù)據(jù)表明，梵凈山冷杉成熟球果的種子并非呈上中下均勻分布，球果中部種子的長(zhǎng)、寬和飽滿度均顯著高于基部和頂部的種子。

表3 梵凈山冷杉成熟球果的種子性狀特征

3 討 論

對(duì)于種子植物而言，遺傳多樣性是生物多樣性的決定因素[19]，認(rèn)識(shí)遺傳多樣性和種群結(jié)構(gòu)特征是有效保護(hù)瀕危植物的重要基礎(chǔ)[20-22]。在眾多影響物種種群結(jié)構(gòu)的因素中，繁殖系統(tǒng)一直是學(xué)者們關(guān)注的焦點(diǎn)，因?yàn)槠浔硇偷亩鄻有猿潭润w現(xiàn)了種群對(duì)于環(huán)境適應(yīng)能力的程度[23]。球果和種子是裸子植物的重要繁殖系統(tǒng)，也是冷杉屬瀕危植物的基因庫(kù)和種群發(fā)展與維持的內(nèi)在動(dòng)力[14]。本研究選取梵凈山冷杉分布區(qū)中部最具物種代表性的適生純林帶的結(jié)實(shí)母樹(shù)為采種對(duì)象，跟蹤觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，每年7 月中旬梵凈山冷杉的球果開(kāi)始形成，10 月底成熟并陸續(xù)自然掉落。發(fā)育早期至發(fā)育中期球果的顏色和外形有明顯變化，發(fā)育后期至成熟期球果的顏色和形態(tài)不再發(fā)生顯著變化。因此，不能以球果的顏色或者形態(tài)作為其成熟的判斷依據(jù)。冷杉屬球果的形態(tài)發(fā)育和成熟過(guò)程受到嚴(yán)格的遺傳控制[24-25]，環(huán)境因素對(duì)特定物種的種實(shí)性狀也有影響。影響冷杉屬球果遺傳分化的生態(tài)因子主要是海拔、溫度、生長(zhǎng)期和光周期，如秦嶺冷杉(Abieschensiensis)球果在低海拔發(fā)育最好，高海拔處較差[16, 26]。與秦嶺冷杉不同，梵凈山冷杉分布范圍比較狹窄，分布區(qū)的坡向基本相同，均為陰坡，不同生境對(duì)其種群結(jié)構(gòu)的差異影響不大[1]。但是分布區(qū)垂直海拔差約300 m，且不同海拔的小氣候和土壤養(yǎng)分不同，因此海拔、土壤和氣候等環(huán)境因子是否對(duì)梵凈山冷杉球果發(fā)育、成熟及性狀特征有顯著影響，需進(jìn)一步研究。本研究發(fā)現(xiàn)梵凈山結(jié)實(shí)母樹(shù)的結(jié)果枝能夠孕育1 ～ 3 個(gè)球果，且單株母樹(shù)能夠滿足5 次球果采集，表明當(dāng)年跟蹤的結(jié)實(shí)母樹(shù)產(chǎn)果量大于15 個(gè)。同屬的秦嶺冷杉平均結(jié)實(shí)量為113 個(gè)，結(jié)實(shí)量在海拔高度間、植株間和結(jié)實(shí)的空間上有差別，而且還存在球果結(jié)實(shí)大小年現(xiàn)象和生殖間隔期[16-17]。松科植物如油松(PinustabulaeformisCarr.)，兩年生球果的發(fā)育會(huì)降低樹(shù)體結(jié)果枝的營(yíng)養(yǎng)水平，從而引起結(jié)實(shí)大小年[27]，因此我們推測(cè)梵凈山冷杉球果結(jié)實(shí)同樣存在大小年和生殖間隔。

梵凈山冷杉成熟球果的平均長(zhǎng)度為7.18 cm，平均寬度3.84 cm，平均鮮重36.98 g，平均干重 20.33 g，單球果平均種鱗層數(shù)30.76 層，種鱗數(shù)250.67 片。與冷杉屬的其他樹(shù)種相比，梵凈山冷杉球果大小居中[16]，種鱗數(shù)量較多。與球果的長(zhǎng)和寬類似，梵凈山冷杉單球果種鱗數(shù)量和重量在發(fā)育早期和發(fā)育中期，即9 月10 日和9 月24 日增加最明顯，在發(fā)育后期和成熟期逐漸趨于穩(wěn)定，表明梵凈山冷杉種鱗與球果的發(fā)育和成熟同步，這與松科的大多數(shù)樹(shù)種類似[8, 28]。然而，關(guān)于冷杉屬種鱗的層數(shù)和每層種鱗的數(shù)量是否決定球果長(zhǎng)和寬，迄今尚無(wú)相關(guān)報(bào)道。梵凈山冷杉球果發(fā)育中期至成熟期，部分種鱗背面附有油脂，這可能與種鱗密封及種子開(kāi)放有關(guān)[29]，此外，梵凈山冷杉球果基部、頂部和中部種鱗的形態(tài)不同，僅球果中部的種鱗能夠完全發(fā)育。成熟球果中部種鱗的所有性狀指標(biāo)均最大，每片種鱗腹2 粒種子。與此不同，崖柏球果中部的種鱗通常1 粒種子，其球果基部和頂部的種子不能發(fā)育成熟[30]。

冷杉屬植物的球果在發(fā)育和成熟過(guò)程會(huì)出現(xiàn)種子敗育或發(fā)育異常等現(xiàn)象，種子也會(huì)存在空粒、澀粒和蟲粒[16, 31-33]。本研究發(fā)現(xiàn)，隨著采種時(shí)間的后延，梵凈山冷杉單球果的種子數(shù)量、種子飽滿率和千粒重顯著增加；成熟單球果的平均飽滿率為82.49%，比冷杉屬的其他樹(shù)種略高；梵凈山冷杉成熟單球果的平均種子數(shù)為436.67 粒，比同屬其他樹(shù)種的單球果出種量更高[16, 34]。雖然成熟球果基部和頂部的種鱗未能完全發(fā)育，卻均能正常孕育種子，不過(guò)球果上、中、下三個(gè)部位的種子形態(tài)和性狀存在較大差異。有研究表明，在針葉樹(shù)種中，種子的大小由球果形態(tài)所決定[14]。梵凈山冷杉球果中部的種子平均長(zhǎng)僅9.14 mm，寬2.30 mm，厚2.37 mm，千粒重11.44 g，在同屬冷杉樹(shù)種中偏小[16]。通常，大?；蛑亓看蟮姆N子比小粒種子的貯藏物質(zhì)更多，種子的大小或重量是植物給每個(gè)后代的物質(zhì)與能量投資指數(shù)，大粒種子產(chǎn)出成本高，周期長(zhǎng)，種子數(shù)量少[35]。梵凈山冷杉種子小、重量輕，但是單球果產(chǎn)量高，這是一種長(zhǎng)期的適應(yīng)對(duì)策。然而，種子種群是植物一生中有能力移動(dòng)的關(guān)鍵期，能否保證足夠的種子種群經(jīng)散布后形成土壤種子庫(kù)，并避開(kāi)不良環(huán)境，在適宜時(shí)機(jī)達(dá)到幼苗的建成，為種群補(bǔ)充后代，對(duì)種群的發(fā)展和壯大至關(guān)重要[36]。雖然梵凈山冷杉單球果種子數(shù)較多，且飽滿率高，但是其分布區(qū)域狹窄，生境條件惡劣，林下苔蘚和凋落物覆蓋較厚，種子成熟后自然散落難以觸及土壤，這就極大限制了種子到幼苗的建成。因此，單株對(duì)后代的貢獻(xiàn)少，難以滿足種群的自然更新，且幼樹(shù)成年周期長(zhǎng)，母樹(shù)結(jié)實(shí)率衰減；同時(shí)，全球氣候變暖對(duì)針葉樹(shù)種的繁殖特性造成巨大影響[37]，加上冰雹雪凝折枝等自然災(zāi)害，使得種群面積越來(lái)越小，導(dǎo)致梵凈山冷杉逐漸成為瀕危樹(shù)種。

綜上所述，不同采種期梵凈山冷杉球果、種鱗和種子的性狀不同。8 月上旬至10 月上旬為梵凈山冷杉球果發(fā)育的關(guān)鍵期，期間球果形態(tài)和重量顯著增加，10 月中旬至10 月底球果、種鱗和種子的形態(tài)和性狀逐漸趨于穩(wěn)定，10 月底球果陸續(xù)成熟并自然掉落，因此，10 月下旬為成熟球果的最佳采集期。梵凈山冷杉成熟球果近圓柱形，灰黑色或棕褐色；種鱗與球果同步發(fā)育和成熟，球果上、中、下三個(gè)部位的種鱗及種子的性狀不同，球果中部的種鱗和種子發(fā)育最好。在同屬冷杉樹(shù)種中，梵凈山冷杉成熟球果的大小居中，出種量大，種子飽滿率高，但是種子小、重量輕，不利于自然散落后形成土壤種子庫(kù)和實(shí)現(xiàn)種子到幼苗的建成。梵凈山冷杉球果與種子的上述性狀特征，是否成為其致危的決定性因素，仍需進(jìn)一步研究。