不同處理方法對海南紅豆種子萌發(fā)及幼苗生長的影響

曹小林， 郝清玉

(熱帶島嶼生態(tài)學(xué)教育部重點實驗室，海南省熱帶動植物生態(tài)學(xué)重點實驗室，海南師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院， 海口 571158)

Hainan island

種子萌發(fā)是指種子從初始狀態(tài)向生長發(fā)育階段轉(zhuǎn)變的一個時期，形態(tài)上表現(xiàn)為胚根、胚芽突破種皮并不斷向外伸長，發(fā)育成新個體的過程[1]。種子萌發(fā)和成功出苗是植物實現(xiàn)天然更新的關(guān)鍵因素，也是植物育苗和植被恢復(fù)的重要前提，因此，種子萌發(fā)具有重要的經(jīng)濟和生態(tài)意義[2]。種子萌發(fā)除受到機械損傷、病害、水分脅迫等因素的影響之外，還受外界環(huán)境，如水分、溫度、光照、土壤酸堿度、土壤鹽分、化學(xué)物質(zhì)、埋深和各種生物因子的綜合影響[3]。種子萌發(fā)也被認為是植物生活史中最重要的階段，同時也是最薄弱的一個階段[2]。

海南紅豆(Ormosiapinnata(Lour.)Merr.)屬蝶形花科常綠喬木，主要分布在中國海南、廣東、廣西，泰國和越南也有分布[4]。海南紅豆用途十分廣泛，是園林綠化的理想樹種[5]，也是華南丘陵荒坡及礦山植被恢復(fù)中常被選用的先鋒樹種之一[6-7]。海南紅豆在礦山植被恢復(fù)中，五年生平均高度達到6.13 m，基徑達11.35 cm，冠幅達3.93 cm，可謂速生樹種[6]。海南紅豆幼樹的根系發(fā)展也較快，且6個月時根部長出根瘤，且根瘤數(shù)隨著樹木生長而不斷增加[8]，因此海南紅豆屬于固氮植物，具有改良土壤的作用。海南紅豆為陽性樹種，但幼樹能耐一定的庇蔭，生長適應(yīng)性強，耐貧瘠的土壤[9]。綜上所述，海南紅豆幼樹具有生長快、耐陰，對土壤的適應(yīng)能力較強，具有較強的抗風(fēng)性能，根系固氮、耐土壤貧瘠[8]等優(yōu)良特性，因此具備海南島海防林混交樹種的潛力。野外調(diào)查發(fā)現(xiàn)，海南紅豆母樹種子產(chǎn)量很高，但周圍未見明顯的海南紅豆幼苗、幼樹天然更新跡象。另外，已有研究表明，其種子從樹上自然掉地后，不萌發(fā)易喪失活力[10]。為了探究海南紅豆在自然條件下天然更新困難的原因，有必要對種子的萌發(fā)特性進行深入研究。

目前有關(guān)海南紅豆的研究主要集中在幼苗光合特性[11]、氣孔導(dǎo)度的日變化[7]，氣體交換參數(shù)[12]、育苗培育[4]、生物學(xué)特性[8]等方面，對種子萌發(fā)影響因素的研究很少。因此，本文通過設(shè)計正交試驗，研究種皮、基質(zhì)、光照、水分等四個因素對海南紅豆種子萌發(fā)和幼苗生長的影響，以便進一步了解海南紅豆種子的萌發(fā)特性，提高海南紅豆種子萌發(fā)率，為未來海南島防護林樹種篩選提供一定的理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)及研究方法

1.1 研究區(qū)概況

種子萌發(fā)及幼苗生長試驗地位于海南省?？谑泻Ｄ蠋煼洞髮W(xué)生態(tài)園大棚(110°20′17″E，19°59′52″N)。該地區(qū)屬于熱帶季風(fēng)氣候，年平均氣溫24.3 ℃，極端最高溫度為34 ℃，極端最低溫度為16 ℃。1月份平均氣溫為18 ℃，7月份平均氣溫為28 ℃，年平均降雨量為2 067 mm,年均蒸發(fā)量為1 834 mm。

1.2 試驗材料

2019年11月30日在海南日月灣附近的天然海防林采摘種子，采集的種子帶回實驗室經(jīng)過人工去除枯枝處理，放置在實驗室陰干。播種時間為2019年12月4日，試驗選取飽滿程度一致的種子。試驗用土取自?？诤笪泊甯浇韭辄S海防林的沙土及木麻黃半分解凋落物。

1.3 試驗設(shè)計

試驗在海南師范大學(xué)生態(tài)園大棚進行，采用4因素、2水平的正交設(shè)計，其中4因素分別為：光照、水分、基質(zhì)和種皮處理，每個因素設(shè)2個水平，水平設(shè)置詳見表1。有、無種皮處理各設(shè)計一個3因素、2水平、3個重復(fù)的正交設(shè)計，選用L8(27)正交表，每個正交設(shè)計共8個試驗組合，每個處理組合10粒種子，2組正交設(shè)計共計播種48盆。試驗用的塑料花盆高為8.5 cm,上口直徑為14.5 cm。播種后澆透水，然后按照表1的設(shè)計進行定期澆水。本試驗主要通過生態(tài)園育苗大棚的受控試驗?zāi)M種子在木麻黃林下的萌發(fā)及生長情況。光照處理分為全光照和半遮光，其中全光照與林窗光照類似，而半遮光則與林冠下光照類似，其目的主要是為了模擬種子在林窗和林冠下不同的光照條件；水分設(shè)置不同澆水頻度，主要探究種子在萌發(fā)和生長階段的抗旱性；基質(zhì)選擇木麻黃林地的沙土和林地沙土與木麻黃半分解凋落物混合土(以下簡稱半凋)，主要分析種子對木麻黃沙土和木麻黃凋落物土壤的適應(yīng)性能；種皮處理主要分析種皮其對種子萌發(fā)產(chǎn)生的抑制程度。

表1 海南紅豆種子萌發(fā)正交試驗因素及水平

1.4 測定的指標

種子萌發(fā)期間每天記錄種子發(fā)芽數(shù)。種子萌發(fā)以種子突破種皮并破土視為種子萌發(fā)。種子萌發(fā)結(jié)束之后，于2020年7月23日測量并記錄幼苗的株高及基徑。

發(fā)芽率(%)=(N1/N)×100%，其中：N1為供試種子發(fā)芽粒數(shù)，N為供試種子總粒數(shù)。

平均發(fā)芽速度(d)=∑(D×n)/∑n，其中：平均發(fā)芽速度，即種子發(fā)芽所需要的平均時間，D為從種子種植算起的天數(shù)，n為相應(yīng)各日正常發(fā)芽粒數(shù)。

發(fā)芽勢(%)=(Nm/N)×100%，其中：Nm為種子發(fā)芽達到最高峰時種子發(fā)芽粒數(shù)。

相對發(fā)芽率(%)=(Nt/N1)×100%，其中：Nt為t時刻種子發(fā)芽粒數(shù)。

發(fā)芽指數(shù)=∑(Gt/Dt)，其中：Gt為第t天的發(fā)芽數(shù)；Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

數(shù)據(jù)整理與制圖采用2010 Excel軟件，方差分析采用SPSS 16.0統(tǒng)計分析軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理方式對種子萌發(fā)的影響

從表2可知，海南紅豆種子平均發(fā)芽率為91.67%，其中有種皮比無種皮種子的發(fā)芽率降低了8.69%。種子平均發(fā)芽速度為58.55 d，但有種皮比無種皮種子的平均發(fā)芽速度延長了45.41%。有種皮比無種皮種子的發(fā)芽勢降低了31.88%，發(fā)芽指數(shù)則降低了38.10%。方差分析結(jié)果表明，水分、光照和基質(zhì)對種子萌發(fā)的各項指數(shù)均無顯著影響(p>0.05)，但種皮處理對種子萌發(fā)的各項指數(shù)均呈極顯著或顯著差異。

表2 不同處理方式對海南紅豆種子萌發(fā)特性的影響

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2.2 不同處理組合對有種皮種子累計發(fā)芽率的影響

由圖1可知，在不同處理組合下，海南紅豆有種皮種子第50天才開始萌發(fā)，第110天種子累計發(fā)芽率達到最高值，即種子萌發(fā)結(jié)束，期間種子萌發(fā)持續(xù)時間為60 d。不同試驗組合平均發(fā)芽率的時間動態(tài)分為， 12.92%/50 d，38.33%/65 d， 66.25%/80 d，84.17%/95 d和87.50%/110 d，表明95 d時種子萌發(fā)已接近結(jié)束。試驗處理組合中，A2B1C1的種子累計發(fā)芽率曲線在95 d之前種子發(fā)芽率一直最高，該曲線位于所有組合曲線的最上面，但在110 d種子萌發(fā)結(jié)束時，萌發(fā)率最高的位置被A1B2C1組合所取代，萌發(fā)率為100%，為最佳萌發(fā)率組合，而組合A2B1C1和A2B2C2位列第二，發(fā)芽率為93.33%。累計發(fā)芽率一直較低的組合為A2B1C2，最終的發(fā)芽率僅為70%。其他不同組合的曲線位于A2B1C1和A2B1C2之間，雖然最佳組合的發(fā)芽率與最低組合的發(fā)芽率存在較大的差異，但不同試驗組合有種皮種子的發(fā)芽率無顯著差異(p>0.05)。

2.3 不同處理組合對無種皮種子累計發(fā)芽率的影響

由圖2可知，在不同處理組合下，海南紅豆無種皮種子第35天開始萌發(fā)，種子萌發(fā)結(jié)束時間也是第110天，不同試驗組合平均發(fā)芽率的時間動態(tài)分別為6.25%/35 d，70.00%/50 d，84.17%/65 d， 90.42%/80 d，94.17%/95 d和95.42%/110 d，表明80 d時種子萌發(fā)已接近結(jié)束。試驗處理組合中，A2B1C1、A2B1C2和A2B2C1的發(fā)芽率增長迅速，50 d的發(fā)芽率已基本接近結(jié)束，為86.67%～93.33%，并且80 d時萌發(fā)結(jié)束，累計萌發(fā)率達到最高值。A2B2C2組合50 d之前萌發(fā)較為迅速，但之后增長緩慢，其萌發(fā)率最低，僅為80%，而A1B1C1組合的發(fā)芽率是先慢后快，與A2B2C2組合變化趨勢正好相反。方差分析結(jié)果表明，不同試驗組合的種子最終發(fā)芽率呈極顯著差異(p<0.01)，其中A2B2C2組合的發(fā)芽率顯著低于其他組合，其他組合之間無顯著差異，其中A1B1C2、A1B2C2、A2B1C2和A2B2C1的發(fā)芽率均為100%。

2.4 種子萌發(fā)的最佳處理組合

由圖3可知，不同處理海南紅豆種子的發(fā)芽率呈顯著性差異，其中A2B1C2D1、A1B1C2D1和A2B2C2D2試驗組合的發(fā)芽率較低，為70%～80%，顯著低于發(fā)芽率較高的5個試驗組合，分別為A1B1C2D2、A1B2C1D1、A1B2C2D2、A2B1C2D2和A2B2C1D2，其發(fā)芽率均為100%。發(fā)芽率較低的3個組合中，A2、B1和D1均占66.67%，C2則占100%，而5個發(fā)芽率較高的試驗組合中，A1、B2和C2均占60%，D2則占80%。

從圖4可以看出，不同處理組合之間海南紅豆種子發(fā)芽速度呈顯著差異。其中組合A2B2C1D2的種子發(fā)芽速度最低，為42.2 d，即發(fā)芽時間最短，組合A1B2C2D1種子發(fā)芽速度最高，為79.52 d，即發(fā)芽持續(xù)時間最長。此外，所有發(fā)芽速度較高，即發(fā)芽時間較長的組合均為含有D1的組合，即有種皮的組合。

發(fā)芽指數(shù)是反映種子活力的一個指標。由圖5可以看出，不同組合之間海南紅豆種子發(fā)芽指數(shù)呈顯著差異。A2B1C2D1組合的種子發(fā)芽指數(shù)最低，為0.10， A2B2C1D2組合的種子發(fā)芽指數(shù)最高，為0.24。其他組合的發(fā)芽指數(shù)位于這兩個試驗組合之間，其中發(fā)芽指數(shù)較高的組合全部為含有D2的組合，即無種皮的試驗組合。另外，與發(fā)芽指數(shù)最高的A2B2C1D2組合無顯著差異的還有5個試驗組合，分別為A1B2C1D2、A1B1C1D2、A1B2C2D2、A2B1C1D2和A2B1C2D2。

2.5 不同處理因素對幼苗生長的影響

從圖6可以看出，A和D處理對株高無顯著影響，而B處理對株高則具有極顯著影響，C處理對株高有顯著差異。其中，半光照處理有利于株高的生長，株高為11.17 cm，而全光下株高僅為9.51 cm；沙土+半凋基質(zhì)有利于株高的生長，株高為10.85 cm，沙土基質(zhì)的株高僅為9.83 cm。

2.6 不同處理組合對幼苗株高生長的影響

由圖7可知，不同處理組合對株高影響差異顯著，其中A1B1C1D1組合株高最低，僅為8.21 cm， A2B2C2D1組合株高則最高,為12.55 cm，二者之間呈顯著差異。與A1B1C1D1組合無顯著差異，株高較矮的組合還有其他5個組合，分別為A2B1C1D1、A1B1C2D1、A1B1C1D2、A2B1C1D2和A1B1C2D2，這5個組合中，A1和C1均占66.67%，D1和D2各占50%，B1則占100%。與A2B2C2D1組合無顯著差異，株高較高的組合還有5個組合，分別為A1B2C2D2、A2B2C1D1、A1B2C2D1、A1B2C1D1和A2B1C2D2，這5個組合中，A1和A2各占50%，B2占83.33%，C2和D1均占66.67%。

3 討論與結(jié)論

種子萌發(fā)率是影響植物天然更新的重要因素之一。研究表明，海南紅豆種子平均發(fā)芽率較高，為91.67%，較同科植物海南尖峰嶺的鳳凰木(80.50%)和猴耳環(huán)的發(fā)芽率(<70%)高[13-14]。光照、澆水頻次、基質(zhì)和種皮處理4個因素中，僅種皮處理對種子的發(fā)芽率有顯著影響，這與劉文明、宋學(xué)之[10]的研究結(jié)果相一致，但未對種皮影響的程度進行深入研究。本研究結(jié)果表明，無種皮種子的發(fā)芽率(95.83%)雖然顯著高于有種皮的發(fā)芽率(87.50%)，但有種皮種子的發(fā)芽率僅比無種皮種子的發(fā)芽率低8.69%。另外，種皮還影響種子的發(fā)芽速度及發(fā)芽持續(xù)時間，其中有種皮種子的發(fā)芽起始時間(50 d)較無種皮種子的發(fā)芽起始時間滯后了15 d，且有種皮種子萌發(fā)持續(xù)的時間也較長，為60 d，種子發(fā)芽結(jié)束的時間為110 d，而無種皮種子的發(fā)芽過程更為迅速，在80 d時發(fā)芽已基本結(jié)束。本研究表明，種皮對海南紅豆種子萌發(fā)具有明顯的限制作用，去除種皮后，萌發(fā)率顯著提高，發(fā)芽勢、發(fā)芽指數(shù)顯著增大，且加快了種子萌發(fā)的進程。這與閆興富等[15-16]、任永權(quán)等[17]、李建濤等[18]、余婷等[19]對其他植物種皮的研究結(jié)果一致，種皮具有化感或機械阻礙作用。據(jù)此推測海南紅豆天然更新較差的原因可能是：種子散播期為11月—12月，正值海南島旱季；種子具有“頑拗性”生理特征，種子含水率低于45%以下便完全喪失發(fā)芽力[10]；即使萌發(fā)條件適宜，由于種皮在一定程度上抑制了種子迅速完成萌發(fā)的過程，種子萌發(fā)所需的時間也較長。由于這些因素的相互疊加，阻礙了海南紅豆種子在長達數(shù)月的適宜生態(tài)條件下，自然萌發(fā)的幾率影響其天然更新。

在16個試驗組合中，發(fā)芽率、發(fā)芽持續(xù)時間和發(fā)芽指數(shù)全部最佳的組合為A2B2C1D2，表明自然生境中的種子，在半光照條件下(即林冠下)，4 d一次降水有利于種子的成功萌發(fā)。光照、澆水頻度和基質(zhì)雖然對種子萌發(fā)無顯著影響，但光照條件對幼苗的株高有顯著影響，其中半遮光顯著好于全光，沙土與木麻黃半分解凋落物的混合土顯著好于純沙土，表明木麻黃凋落物對海南紅豆種子萌發(fā)和幼苗生長均不具化感作用。海南紅豆苗木株高生長的最佳組合為A2B2C2D1，表明雖然種皮對種子萌發(fā)有一定的抑制作用，但對苗木株高后期生長并未產(chǎn)生持續(xù)的影響。

綜上所述，種皮是影響種子萌發(fā)的影響因素之一，但有種皮的種子萌發(fā)率也較高，因此種子質(zhì)量和種皮并非是影響海南紅豆天然更新的直接限制因子，而苛刻的自然萌發(fā)生態(tài)條件才是制約海南紅豆種子天然更新的原因之一。