海拔對泰山側(cè)柏林種子活力的影響

張夢穎，王樹梅，曹幫華，毛培利，李業(yè)宇，龐元湘，范祖碩，秦永建

（1.山東省高校森林培育重點實驗室，山東泰山森林生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站，山東農(nóng)業(yè)大學生態(tài)與環(huán)境重點實驗室，山東 泰安271018；2.山東省林木種苗和花卉站，山東 濟南250014）

植物群落的演替更新始終是森林生態(tài)系統(tǒng)研究的熱點之一。天然更新是森林生態(tài)系統(tǒng)自我繁衍、恢復的手段和基礎(chǔ)。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［1］。種子是物種繁殖系統(tǒng)的重要特征，在強大的選擇壓力下表現(xiàn)出很大的適應性［2］，對植物種群的分布格局、種群動態(tài)及種群的調(diào)控等方面均有重要意義［3］。種子進入土壤后，發(fā)芽速度快和發(fā)芽率高對幼苗成功建立具有重要意義［4］。這與發(fā)芽時間越長，種子越容易被病菌感染導致不能發(fā)芽密切相關(guān)［5］。

海拔是影響植物種子活力的重要因子。海拔對光照、水分、熱量等一系列環(huán)境因子有著綜合影響，而不同環(huán)境變量之間的協(xié)同作用對植物生物量的積累和種子活力大小產(chǎn)生重要影響。有研究表明，不同海拔春小麥的種子活力差異顯著，高海拔春小麥種子活力明顯高于低海拔［6］。急尖長苞冷杉在海拔3 600～4 300 m之間發(fā)芽率先增加然后降低，其中3 900 m處發(fā)芽率最高［7］。對海拔1 500～1 700 m的獨活種子進行質(zhì)量和重量研究，1 600 m處的種子質(zhì)量和產(chǎn)量最好，隨后隨海拔的增加質(zhì)量降低［8］。說明樹種對海拔有一定的最佳適應范圍，但不同樹種之間的適應范圍存在差異。

側(cè)柏（Platycladus orientalis）是泰山景區(qū)的主要組成樹種之一，在泰山風景林資源中占有重要地位。經(jīng)營管理好側(cè)柏林對整個泰山風景維持、景區(qū)森林資源可持續(xù)發(fā)展和永續(xù)利用有著重要的意義。泰山景區(qū)的側(cè)柏林主要是20世紀50年代營造的人工純林。由于屬于風景林，在管理過程中對林分的改造要求嚴格，極少進行撫育更新，造成林分結(jié)構(gòu)不合理，嚴重影響了其景觀效果。野外調(diào)查表明，側(cè)柏具有較好的天然更新能力［9］。天然更新可以大大降低更新成本，同時又有利于保持其生態(tài)穩(wěn)定性和環(huán)境效益的持續(xù)性。但是目前對于泰山側(cè)柏種子活力與天然更新之間的關(guān)系研究并不深入。本試驗以泰山不同海拔側(cè)柏林內(nèi)采集的種子為研究對象，通過光照培養(yǎng)箱觀測了種子的發(fā)芽過程，分析了種子發(fā)芽能力，探討海拔對側(cè)柏種子活力的影響規(guī)律，為泰山側(cè)柏林的管理提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

泰山海拔1 545 m，地形復雜，坡度較大。泰山年均氣溫10℃，年降水量700～900 mm，年日照總時數(shù)為2 893 h，年平均濕度達62%。母巖多為雜性，土壤為中性、微酸性棕色森林土，土層厚度為15～60 cm［10］。森林面積約3.35萬hm2，森林覆蓋率81.5%，泰山屬暖溫帶氣候區(qū)，基帶植被類型為暖溫帶落葉闊葉林和溫性針葉林。側(cè)柏是泰山主要人工林之一，20世紀50年代營造，以其為主的林分總面積為1 080 hm2，主要分布在海拔800 m以下的山坡上。

1.2 種子采集

2015年9月，分別在海拔200 m（普照寺）和的海拔300 m（萬仙樓）以及順次沿泰山登山東路向上500，800，1 000 m的側(cè)柏林內(nèi)采集種子。在每個海拔側(cè)柏林內(nèi)設(shè)置10 m×10 m的臨時樣地3個，對高度＞1.5 m的側(cè)柏進行高度、胸徑測量，林分具體特征見表1。在海拔1 000 m已經(jīng)達到了側(cè)柏分布的上線，向上很少有側(cè)柏林，多為零星分布。每塊樣地選擇5株接近平均木的母樹，收集種子進行試驗。即每個海拔選15株母樹收集當年種子進行試驗。將種子帶回實驗室后陰干貯藏至2016年4月，清除雜質(zhì)，測定種子千粒重。

表1 不同海拔側(cè)柏林主要特征

1.3 試驗設(shè)計

1.3.1 種子萌發(fā)測定

2016年4月10日，在光照培養(yǎng)箱內(nèi)用培養(yǎng)皿進行種子萌發(fā)。將種子用40℃溫水浸種48 h，按數(shù)量要求隨機挑選出無病蟲害種子作為試驗材料，用4‰高錳酸鉀溶液對種子消毒30 min，然后用蒸餾水沖洗干凈進行擺盤，用濾紙和紗布制作發(fā)芽床。每個培養(yǎng)皿擺50粒種子，3次重復。參照《林木種子檢驗規(guī)程》技術(shù)［11］，將培養(yǎng)皿置于25℃培養(yǎng)箱中，每天對濾紙發(fā)芽的種子進行觀察，及時補充水分并對發(fā)霉種子進行消毒，逐日記錄發(fā)芽情況。第21天結(jié)束發(fā)芽實驗。

1.3.2 測定指標及方法

1）種子千粒重測定。從不同海拔的純凈種子中隨機選出100粒為1組，重復取8組稱重，在變異系數(shù)不超過6.0的條件下，即可按測量結(jié)果計算千粒重。

2）發(fā)芽指標測定。發(fā)芽試驗結(jié)束后分別計算種子的發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)（VI）及平均發(fā)芽時間（MGT）。同時統(tǒng)計每個培養(yǎng)皿的萌發(fā)幼苗的重量計算單株幼苗的生物量。

發(fā)芽率（%）＝發(fā)芽種子數(shù)／供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽勢（%）＝規(guī)定日期內(nèi)發(fā)芽種子數(shù)／供試種子總數(shù)×100%；

發(fā)芽指數(shù)（GI）＝∑Gt／Dt（式中：Dt為發(fā)芽試驗第幾日；Gt為第幾日的發(fā)芽數(shù)）；

平均發(fā)芽時間（MGT）＝（∑D×n）／∑n（式中：n為相應各日正常發(fā)芽粒數(shù)；D為從種子置床起的天數(shù)）；

活力指數(shù)（VI）＝S∑（Gt／Dt）＝S×GI（式中：S為種苗生長量（鮮重，g）；GI為發(fā)芽指數(shù)）。

3）根系活力指標。取第21天擺盤發(fā)芽的幼苗，用TTC法測幼苗根系活力。以四氮唑還原強度［mg／（g·h）］作為活力指標［12］。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析

分別對不同海拔側(cè)柏種子的千粒重、發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)、簡化活力指數(shù)、幼苗重量，利用SPSS20.0進行單因素方差分析，并進行LSD多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 千粒重

千粒重是體現(xiàn)種子大小與飽滿程度的重要指標。方差分析結(jié)果表明，海拔對林內(nèi)種子千粒重（F＝53.20，p＜0.01）有著顯著影響。由圖1看出，側(cè)柏種子千粒重隨海拔的升高先降低，然后從300 m開始增加至800 m后再降低。多重比較表明，800 m處千粒重最大（p＜0.01），300 m 處千粒重最?。╬＜0.01）。

圖1 側(cè)柏種子千粒重隨海拔的變化

2.2 種子萌發(fā)特征

由圖2可看出，海拔200，300，500 m側(cè)柏種子發(fā)芽進程相似，在第6天均有部分種子發(fā)芽，而后發(fā)芽數(shù)一直增加；800 m種子第6天才開始發(fā)芽，到第13天發(fā)芽數(shù)上升趨勢明顯；1 000 m在第9天開始發(fā)芽，發(fā)芽數(shù)少變化趨勢不明顯。

方差分析結(jié)果表明，海拔對側(cè)柏種子發(fā)芽率（F＝48.07，p＜0.01）、發(fā)芽勢（F＝22.86，p＜0.01）、發(fā)芽指數(shù)（F＝54.41，p＜0.01）、平均發(fā)芽時間（F＝29.99，p＜0.01）和活力指數(shù)（F＝63.86，p＜0.01）都有著極顯著影響。隨著海拔的增加，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)都是單峰型變化（圖3）。多重比較表明，在發(fā)芽率和發(fā)芽勢上，海拔300 m與500 m之間對于發(fā)芽指數(shù)和活力指數(shù)，則是海拔300 m處最大（p＜0.01）。在上述指標中，海拔800 m和1 000 m處的數(shù)值最低，顯著低于其他海拔（p＜0.05）。在平均發(fā)芽時間上，800 m與1 000 m差異不顯著（p＞0.05），顯著高于其他海拔（p＜0.01）。

圖2 側(cè)柏林內(nèi)求同海拔種子發(fā)芽進程

2.3 幼苗根系活力

植物根系中的脫氫酶能引起TTC的還原，生成紅色而不溶與水的TTF，可以用染色情況及吸收TTC的量來表示根系活力。由圖4看出，幼苗根尖酶活力隨海拔的變化呈單峰型變化。方差分析結(jié)果表明，海拔對根系活力（F＝2.493，p＝0.11）無顯著影響。

2.4 幼苗生物量

方差分析結(jié)果表明，海拔對側(cè)柏種子幼苗重量（F＝36.75，p＜0.01）和單株幼苗重量（F＝8.33，p＜0.01）有著極顯著的影響。由圖4看出，側(cè)柏種子幼苗重量隨海拔的增加先升高再降低。多重比較結(jié)果差異不顯著（p＞0.05），顯著高于其他海拔（p＜0.05）。表明，200 m和300 m之間幼苗重量差異不顯著（p＝0.16），200 m和500 m之間幼苗重量差異不顯著（p＝0.39），1 000 m 處幼苗重量最?。╬＜0.01）。單株幼苗重量隨海拔升高先下降后升高再下降。多重比較表明，200 m和300 m之間單株幼苗重量差異不顯著（p＝0.08），顯著高于其他海拔（p＜0.01），300 m 和800 m之間單株重量差異不顯著（p＝0.16），500 m和1 000 m之間單株重量差異不顯著（p＝0.29）。

圖4 幼苗根系酶活力隨海拔的變化

3 結(jié)論和討論

3.1 海拔對側(cè)柏千粒重的影響

圖3 側(cè)柏種子發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、平均發(fā)芽時間和活力指數(shù)隨海拔的變化

圖5 側(cè)柏林內(nèi)種子幼苗重量和單株重量隨海拔的變化

目前關(guān)于海拔高度對側(cè)柏種子千粒重影響的報道并不多見。從本研究的結(jié)果來看，海拔對于側(cè)柏種子千粒重有顯著影響，隨海拔的增加呈先降低后升高的趨勢，到海拔800 m最大后降低。相關(guān)研究表明，野生芥菜型油菜與野生白菜型油菜千粒重隨海拔升高而增加，具有垂直分布的生態(tài)適應性［13］。垂穗披堿草，相對較低海拔（3 500，3 000 m和2 500 m）的3個種群有良好的適應性，而高海拔（4 000 m）的垂穗披堿草在黃土高原地區(qū)的生產(chǎn)性能較低，但4個海拔的種子千粒重表現(xiàn)較小的變異系數(shù)［14］，這表明千粒重受海拔的影響較小。因此，海拔是植物種子的形成和種子大小的重要影響因素之一，但與植物的適應性密切相關(guān)。

3.2 海拔對側(cè)柏發(fā)芽能力的影響

高的發(fā)芽能力是體現(xiàn)種子活力高的直接指標。天然更新過程中，發(fā)芽能力強能夠增大野外幼苗建立的可能性［15］。本研究結(jié)果表明，隨海拔升高，發(fā)芽率、發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)、活力指數(shù)都是呈“低－高－低”的變化趨勢，中等海拔的林分側(cè)柏種子發(fā)芽能力明顯優(yōu)于低海拔和高海拔。這與普布次仁［7］和李續(xù)榮［8］的研究結(jié)果一致。同時，發(fā)芽時間短，種子可以快速的進入到生長階段，降低腐爛和被微生物侵染，有利于幼苗的建立［4］。本研究發(fā)現(xiàn)，在海拔200～500 m的平均發(fā)芽時間顯著低于海拔800 m和1 000 m，這表明過高的海拔不利于側(cè)柏種子的萌發(fā)，這可能與母樹長期生長的外界環(huán)境因子有關(guān)。

3.3 海拔對幼苗生物量的影響

幼苗生物量與天然更新密切相關(guān)。個體大的幼苗有著高的成活率。本研究表明，整個培養(yǎng)皿的幼苗生物量在海拔200～500 m之間差異不大，但海拔500 m的單株生物量顯著低于海拔200 m。幼苗個體大小的差異可能與母樹長期生長的環(huán)境有關(guān)。

3.4 小 結(jié)

種子萌發(fā)是天然更新過程中幼苗建立的關(guān)鍵過程。研究表明，隨著海拔增加，側(cè)柏種子活力先增加再降低，種子質(zhì)量最優(yōu)的海拔范圍為300～500 m，種子發(fā)芽率超過60%，這與野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)的側(cè)柏有著較好的天然更新能力一致。但在野外更新環(huán)境中，側(cè)柏種子萌發(fā)與幼苗建立的過程與關(guān)鍵影響因素并不清楚，如母樹的年齡、土壤水分、大氣溫度等，需要在今后做進一步的研究。

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