土壤水分對(duì)地楓皮種子萌發(fā)與早期幼苗生長(zhǎng)的影響

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(1.廣西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 廣西 桂林 541004；2.廣西植物功能物質(zhì)研究與利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西植物研究所， 廣西 桂林 541006)

地楓皮(IllicicumdifengpiK.I.B.et K.I.M)為八角科常綠灌木或小喬木，其干燥樹(shù)皮具有祛風(fēng)除濕，行氣止痛的功效[1]。地楓皮主要生長(zhǎng)在喀斯特石山山頂或山腰[2]，根皮發(fā)達(dá)，近肉質(zhì)，扎于巖縫石隙間，儲(chǔ)水能力很強(qiáng)；并且其根、莖、葉在解剖結(jié)構(gòu)上也表現(xiàn)出很強(qiáng)的旱生植物特性[3]。由于其分布范圍狹窄、野生資源蘊(yùn)藏量小，生境脆弱、自然更新慢，再加上亂采濫伐現(xiàn)象嚴(yán)重，已被列為國(guó)家第一批珍稀瀕危植物[4]。

喀斯特地區(qū)是三大生態(tài)脆弱帶之一，該地區(qū)巖石裸露率高，土壤瘠薄，保水能力極差，經(jīng)常發(fā)生臨時(shí)性干旱，干旱脅迫頻發(fā)是限制該地區(qū)植物生長(zhǎng)與分布的主要因素之一[5-6]。水分是影響植物種子萌發(fā)與成苗的重要因素，種子成熟后隨機(jī)散落到不同的地方，生境中的水分供應(yīng)情況在很大程度上決定著種子的命運(yùn)[7-8]。種子和幼苗期是植物個(gè)體生命周期中最脆弱的階段，地楓皮種子萌發(fā)后，水分脅迫對(duì)其子葉出土與早期幼苗生長(zhǎng)的影響關(guān)系到以后的定居成功，因此開(kāi)展土壤水分脅迫對(duì)喀斯特特征性植物地楓皮的種子萌發(fā)和早期幼苗生長(zhǎng)的影響研究，將為進(jìn)一步開(kāi)展地楓皮物種保護(hù)、退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)和種質(zhì)資源的持續(xù)利用研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 種子萌發(fā)試驗(yàn)

地楓皮果實(shí)采自廣西靖西縣的同一野生種群，采回后自然風(fēng)干，待種子自果實(shí)中彈出后，將種子置于5 ℃冰箱儲(chǔ)藏。2016年3月21日，種子用0.1%的KMnO4溶液消毒15 min后，播種于裝有地楓皮原生土的透明塑料杯中(土壤提前105 ℃殺菌48 h)，表面蓋土1 cm，用保鮮膜密封保濕。用稱(chēng)重法控制土壤水分，共設(shè)置10個(gè)相對(duì)土壤含水量，分別為10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%和100%，每個(gè)處理3次重復(fù)，每杯10顆種子。于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，光照強(qiáng)度為70μmol/(m·s)(每天07：00—19：00光照，其余黑暗)。根據(jù)預(yù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，每周各處理補(bǔ)充1次水分到相應(yīng)的含水量即可。以種子頂出土面為種子發(fā)芽的標(biāo)志，發(fā)芽后每2 d調(diào)查1次種子萌發(fā)情況。播種150 d后，10%、20%、30%和100%處理均無(wú)種子發(fā)芽，于播種160 d后對(duì)未發(fā)芽的處理進(jìn)行復(fù)水實(shí)驗(yàn)，并觀(guān)察種子萌發(fā)情況。

1.2 幼苗生長(zhǎng)試驗(yàn)

2016年5月15日，將沙床萌發(fā)的地楓皮幼苗(與種子萌發(fā)試驗(yàn)同批種子，帶2片子葉)移植于透明塑料杯中，每杯1株，置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱培養(yǎng)，各處理含水量控制在70%～80%，適應(yīng)生長(zhǎng)1個(gè)月后，進(jìn)行水分控制，水分處理與培養(yǎng)條件同實(shí)驗(yàn)1。水分處理后，10%、20%和30%水分處理的地楓皮幼苗均于控水后相繼死亡，其余各處理于2017年5月15日測(cè)定株高、基徑、冠幅(東西與南北兩個(gè)方向的平均值)和數(shù)葉片數(shù)，清洗出根部后數(shù)一級(jí)根系的數(shù)量，并測(cè)量根長(zhǎng)與根粗，然后將植株分成地下與地上部分，在 80 ℃下恒溫烘干至恒重，稱(chēng)量，計(jì)算生物產(chǎn)量和根冠比。

1.3 生理生化指標(biāo)測(cè)定

可溶性糖含量用蒽酮比色法測(cè)定，脯氨酸含量用茚三酮法測(cè)定，丙二醛(MDA)含量用硫代巴比妥酸比色法測(cè)定[9]。用SPSS 11.5 (SPSS Inc.,USA)的一元方差(One-Way ANOVA)分析不同土壤水分地楓皮幼苗各參數(shù)的差異，用SigmaPlot 9.0 (SPSS Inc.,USA)繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤水分對(duì)地楓皮種子萌發(fā)的影響

如圖1 A所示，地楓皮種子萌發(fā)的土壤含水量范圍為40%～90%，在能萌發(fā)的水分范圍內(nèi)萌發(fā)率隨含水量的增大呈先升后降的趨勢(shì)，其中60%和70%相對(duì)土壤含水量的種子萌發(fā)率無(wú)顯著差異，顯著高于其他處理；50%和80%相對(duì)土壤含水量的種子萌發(fā)率無(wú)顯著差異，顯著高于40%和90%土壤含水量，而前者又顯著高于后者。100%和10%～30%土壤含水量地楓皮的種子不能萌發(fā)，但10%～30%土壤含水量處理在恢復(fù)供水后種子仍能萌發(fā)，均能達(dá)到40%土壤含水量的種子萌發(fā)率，且3種低土壤含水量下的萌發(fā)率無(wú)顯著差異。如圖1 B、C所示，復(fù)水前，地楓皮的種子萌發(fā)開(kāi)始時(shí)間和萌發(fā)持續(xù)時(shí)間均隨含水量的降低而顯著增大，其中40%土壤含水量的種子萌發(fā)開(kāi)始時(shí)間和萌發(fā)持續(xù)時(shí)間均顯著長(zhǎng)于其它處理，50%土壤含水量次之，60%～90%土壤含水量范圍內(nèi)的種子萌發(fā)開(kāi)始時(shí)間和萌發(fā)持續(xù)時(shí)間均無(wú)顯著差異，均顯著低于40%和50%土壤含水量；10%～30%土壤含水量處理恢復(fù)供水后，種子的萌發(fā)開(kāi)始時(shí)間和萌發(fā)持續(xù)時(shí)間均顯著縮短，顯著小于復(fù)水前各處理。

圖1 土壤水分對(duì)地楓皮種子萌發(fā)的影響

圖2 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗地上部分形態(tài)特征的影響

2.2 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗地上部分形態(tài)特征的影響

如圖2所示，地楓皮子葉期幼苗在10%、20%和30%土壤含水量下均不能成活，能成活的土壤水分條件下，不同土壤含水量顯著影響地楓皮幼苗的地上部形態(tài)特征。隨土壤含水量的升高，地楓皮幼苗的基徑顯著增大，而株高、葉片數(shù)和冠幅呈先升后降的趨勢(shì)，其中70%相對(duì)土壤含水量的株高、葉片數(shù)和冠幅均顯著大于其它土壤含水量； 40%與100%土壤含水量相比較，除株高無(wú)顯著差異外，100%含水量的葉片數(shù)和冠幅均顯著大于40%含水量?？傮w而言，地楓皮幼苗在70%相對(duì)土壤含水量下地上部分長(zhǎng)勢(shì)最佳，40%相對(duì)土壤含水量下長(zhǎng)勢(shì)最差。

2.3 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗地下部分形態(tài)特征的影響

如圖3所示，不同土壤含水量顯著影響地楓皮幼苗的地下部形態(tài)特征。隨土壤含水量的升高，地楓皮幼苗的一級(jí)根系數(shù)目呈先升后降的趨勢(shì)，其中70%相對(duì)土壤含水量的根系數(shù)目最多，100%的根系數(shù)目最少(圖3 A)。60%～100%含水量范圍內(nèi)，地楓皮幼苗的平均根長(zhǎng)無(wú)顯著差異，均顯著大于40%和50%含水量，而50%又顯著大于40%含水量(圖3 B)。40%～90%含水量范圍內(nèi)，地楓皮幼苗的基徑隨土壤含水量的增大而顯著增大，之后又顯著降低(圖3 C)?？傮w而言，地楓皮幼苗在70%相對(duì)土壤含水量下地下部分長(zhǎng)勢(shì)最佳，40%相對(duì)土壤含水量下長(zhǎng)勢(shì)最差。

圖3 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗地下部分形態(tài)特征的影響

圖4 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗生物量及其分配的影響

2.4 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗生物量及其分配的影響

如圖4所示，不同土壤含水量顯著影響地楓皮幼苗的各部分生物量及其分配。隨土壤含水量的升高，地楓皮幼苗的總生物量、根生物量、地上部分生物量和根冠比均呈先升后降的趨勢(shì)，其中70%相對(duì)土壤含水量的總生物量、根生物量、地上部分生物量和根冠比(除70%、80%和90% 3個(gè)含水量間無(wú)顯著差異外)均顯著高于其它各水分處理，40%相對(duì)土壤含水量均顯著低于其它各水分處理(圖4)?？傮w而言，地楓皮幼苗在70%相對(duì)土壤含水量下積累的生物量最高，40%相對(duì)土壤含水量下最低。

2.5 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗抗性生理指標(biāo)的影響

如圖5所示，不同土壤含水量顯著影響地楓皮幼苗的抗性生理指標(biāo)。70%相對(duì)土壤含水量下地楓皮幼苗的可溶性糖含量最低，之后隨土壤含水量的降低和升高，其可溶性糖含量均顯著增大(圖5 A)。地楓皮幼苗的脯氨酸和丙二醛含量均隨土壤含水量的降低而顯著增大(圖5 B、C)。

3 討 論

土壤水分對(duì)種子萌發(fā)過(guò)程的影響主要體現(xiàn)在發(fā)芽率、發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間和發(fā)芽持續(xù)時(shí)間的差異上[10-11]。地楓皮種子在60%和70%相對(duì)土壤含水量下的種子萌發(fā)率最高，低于和高于該水分范圍，其發(fā)芽率均顯著降低。干旱脅迫下，地楓皮種子的發(fā)芽開(kāi)始時(shí)間滯后，并且發(fā)芽持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)。地楓皮種子在40%～90%土壤含水量范圍內(nèi)均能萌發(fā)，土壤含水量低于40%時(shí)不能萌發(fā)，但水分脅迫解除后，種子能夠很快恢復(fù)萌發(fā)，且復(fù)水后種子的萌發(fā)開(kāi)始時(shí)間和萌發(fā)持續(xù)時(shí)間均顯著縮短。以上研究結(jié)果表明，地楓皮種子的抗旱能力很強(qiáng)，復(fù)水后的萌發(fā)速度快，這與王滿(mǎn)蓮等[12]的研究結(jié)果一致。喀斯特山頂土層薄，地表植被稀少，土壤水分變化劇烈，地楓皮種子的抗旱性強(qiáng)，發(fā)芽持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，復(fù)水后恢復(fù)發(fā)芽能力強(qiáng)的特點(diǎn)十分利于其對(duì)喀斯特臨時(shí)性干旱頻發(fā)的適應(yīng)。

圖5 土壤水分對(duì)地楓皮幼苗抗性生理指標(biāo)的影響

地楓皮早期幼苗在40%～100%土壤含水量范圍內(nèi)均能生長(zhǎng)，隨土壤含水量的降低地楓皮幼苗的形態(tài)參數(shù)株高、葉片數(shù)、冠幅和根數(shù)均呈先升后降的趨勢(shì)，其中70%相對(duì)土壤含水量下的長(zhǎng)勢(shì)最好，高于或低于該水分含量都顯著影響其生長(zhǎng)，尤其是干旱脅迫的影響更為顯著，其40%相對(duì)土壤含水量下的長(zhǎng)勢(shì)最差。隨土壤含水量的降低地楓皮早期幼苗的各部分生物量積累也均呈先升后降的趨勢(shì)，其中70%相對(duì)土壤含水量下的地上和地下部分積累的生物量最多，總生物量最多，40%相對(duì)土壤含水量下積累的生物量最少，總生物量最少。

可溶性糖和脯氨酸是植物體內(nèi)最重要的有機(jī)滲透調(diào)節(jié)溶質(zhì)之一[13]。在許多抗旱性研究中發(fā)現(xiàn)，干旱脅迫下這些植物的可溶性糖和脯氨酸積累速率越高, 其抗旱性也越高[14]。本研究中，相對(duì)土壤含水量低于70%時(shí)(干旱脅迫)，地楓皮幼苗的可溶性糖和脯氨酸含量均隨干旱程度的加深呈顯著上升的趨勢(shì)，表明地楓皮早期幼苗通過(guò)積累可溶性糖和脯氨酸等滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)來(lái)增強(qiáng)干旱脅迫下的吸水能力。還有研究報(bào)道干旱脅迫下植物體內(nèi)可溶性糖和脯氨酸的積累有助于活化抗氧化保護(hù)酶系統(tǒng)[15]，干旱脅迫下，地楓皮幼苗可溶性糖和脯氨酸含量的增大促進(jìn)了抗氧化酶活性的提高。植物的MDA含量是衡量膜脂質(zhì)過(guò)氧化程度的重要指標(biāo)[16]。隨著土壤水分脅迫程度的加深, 地楓皮早期幼苗的MDA含量顯著上升，表明干旱脅迫強(qiáng)度增大其膜系統(tǒng)受到的過(guò)氧化傷害也增大，干旱脅迫下滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)的增多對(duì)地楓皮早期幼苗具有一定的保護(hù)作用，但仍受到了較大的過(guò)氧化傷害，進(jìn)而影響到生長(zhǎng)與生物量積累。雖然地楓皮種子萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng)對(duì)土壤水分脅迫具很強(qiáng)的適應(yīng)能力，隨著全球氣候變暖趨勢(shì)的加重，喀斯特地區(qū)干旱現(xiàn)象將進(jìn)一步增加，地楓皮的自然更新將會(huì)遭到較大的威脅，急需進(jìn)行人工繁育栽培來(lái)保護(hù)該喀斯特特有珍稀瀕危植物資源。