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樟子松Pinus sylvestris var. mongolica以其抗逆性强(耐旱性、耐寒性)、速生、成材早的生物学特性, 已成为中国北方干旱半干旱地区山地、草原和沙地植被恢复的主要造林树种之一, 发挥着重要的水土保持与防风固沙等生态效益[1-2]。然而, 不同引种区的樟子松林在非衰老期开始出现生长衰退、病虫害, 甚至死亡等现象[3-5]。同时, 中国北方最早引种的樟子松已进入更新阶段, 天然更新是森林经营可持续发展的重要方式。樟子松在天然分布区具有很强的天然更新能力, 但在大部分引种区却存在天然更新困难的问题[1, 6-8]。可是, 大面积的樟子松造林仍在进行[9], 其可持续发展问题亟需解决, 天然更新引起相关学者的广泛关注。植物更新的关键敏感期在于种子萌发与幼苗生长[10]。以往研究发现, 极端温度、蒸发量和多年平均积雪日数等气候因子[11]与林分郁闭度、枯枝落叶层、植被盖度和立地条件等环境因子[7]是引种区樟子松天然更新的主要障碍, 朱教君等[12]研究指出:干旱胁迫可能通过影响引种区沙地樟子松种子萌发而限制其天然更新。然而, 不同生长发育阶段林木结实特性、种子质量各异[13], 引种区不同生命周期阶段的樟子松固沙林种子萌发与幼苗生长特性是否存在差异, 对干旱胁迫的响应及抗旱性是否存在规律性, 是否在种子萌发期具备天然更新的优势, 这些问题亟需明确。本研究以沙地引种区不同林龄樟子松种子为材料, 研究樟子松种子萌发与幼苗生长对干旱胁迫的响应, 采用隶属函数法综合评价其抗旱性, 明确不同生命周期樟子松固沙林在种子萌发期的天然更新优势, 为其经营管理与可持续发展提供指导, 进而保障其发挥生态防护功能。
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供试樟子松种子于2017年9月采集于辽宁省章古台地区, 选取4个不同林龄的典型结实林分, 分别随机选择10株结实株, 从树冠上部、中部、下部采集种子。具体情况见表 1。
林龄/a 百粒重/mg 林分密度/(株·hm-2) 树高/m 胸径/cm 林下植被群落类型 16 835.9±9.4 690 5.42±0.16 13.12±0.37 狗尾草+画眉草+冰草群落 28 694.8±7.4 530 8.09±0.22 17.71±0.43 马唐+披碱草+轴藜群落 35 856.6±13.4 550 8.61±0.34 18.82±0.44 马唐+茵陈蒿+轴藜群落 54 747.0±7.1 310 10.93±1.10 23.44±0.60 马唐+画眉草+寸草群落 说明:狗尾草Setaria viridis、画眉草Eragrostis pilosa、冰草Agropyron cristatum、马唐Digitaria sanguinalis、披碱草Elyms dahuricus、轴藜Axyris amaranthoides、茵陈蒿Artemisia capillaris、寸草Carex duriuscula Table 1. Overview of the seed and its collection sites
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采用聚乙二醇(PEG 6000)溶液模拟不同干旱胁迫处理, 设置质量分数0(ck)、5%(T1)、10%(T2)、15%(T3)、20%(T4)等5个胁迫梯度, 模拟水势梯度分别为0、-0.054、-0.177、-0.393和-0.735 MPa[14], 每个处理3次重复。以铺有2层滤纸的培养皿(直径9 cm)为培养床, 选取大小均一、成熟饱满的种子置床, 采用100 ℃热水消毒杀菌, 每个重复放置50粒种子, 置于人工气候培养箱。依据研究区的多年平均气象观测资料, 培养条件设置为白天(光照时段)13 h, 温度25 ℃, 夜晚(黑暗时段)11 h, 温度为16 ℃, 光合光子照度为110 μmol·m-2·s-1, 相对湿度为60%。
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从种子置床起, 隔24 h记录1次种子萌发数, 种子萌发以胚突破种皮且长为种子长度的一半时为标准(参考《国际种子发芽规程》), 记数, 直到连续5 d不出现有萌发时为止。萌发特性用以下指标来表征: ①萌发率=种子萌发总数/供试种子数×100%。②萌发时滞:从种子置床到种子开始萌发持续的时间(d)。③萌发历时:从第1粒种子开始萌发至种子萌发结束所持续的时间(d)。④t50和t90:从种子萌发开始, 种子萌发数分别达到萌发总数的50%和90%所持续的时间(d)。其中, 萌发率表征种子萌发能力的大小, 萌发时滞和萌发历时表征种子萌发格局, t50和t90表征种子萌发速率。
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随机从各处理选取20粒新萌发种子, 置于新的培养皿继续进行相应处理的培养。待培养15 d后, 随机选择10株幼苗, 在滤纸上吸干幼苗表面的水分后, 测定其幼苗鲜质量、胚芽长、胚根长以及胚轴直径。为减少种子百粒重差异导致幼苗鲜质量的不准确性, 本研究采用幼苗生长相对值来表征, 即幼苗鲜质量与种子质量的比值。
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采用模糊数学隶属函数法对不同林龄樟子松种子更新关键期抗旱性进行综合评价。计算公式如下:
式(1)中:X(u)为隶属函数值; X为参试值某一抗旱指标的测定值; Xmax和Xmin分别为指标的最大值和最小值。如果某一指标与抗逆性成负相关, 则用反隶属函数计算。公式为:
先运用式(1)或式(2)求出不同林龄樟子松种子在不同胁迫下的隶属函数值, 将各林龄樟子松抗旱指标的隶属函数值加权平均。通过比较加权平均值的大小, 确定不同林龄樟子松更新关键期抗旱性的强弱[14]。
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数据统计与分析采用SPSS 18.0软件, 采用最小显著差法(LSD)比较同一林龄下不同干旱胁迫对樟子松种子萌发率与幼苗生长特征影响的差异性, 采用双因素方差分析法分析不同林龄与不同干旱胁迫对樟子松种子萌发特征与幼苗生长特征的影响及二者之间的互作作用。采用主成分分析法计算各指标的权重。结果图绘制采用SigmaPlot 13.0软件。
1.1. 供试材料
1.2. 干旱胁迫实验
1.3. 种子萌发指标测定
1.4. 幼苗生长指标测定
1.5. 抗旱性综合评价方法
1.6. 数据处理与分析
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由表 2可见:樟子松种子萌发率对干旱胁迫表现出极显著的响应(P<0.001), 总体表现出在干旱胁迫下呈下降趋势, 变化在0~78.0%(对照为88.3%~99.3%), 仅林龄为28年生的樟子松种子在T1处理下种子萌发率(94.0%)高于ck(图 1)。樟子松种子萌发率对林龄、林龄与干旱胁迫交互作用均表现出显著的响应。在干旱胁迫下, 28年生樟子松种子萌发率整体表现为较高, 在T4处理时仍可达24.7%, 且随着干旱胁迫的增加逐渐下降; 而其他林龄种子萌发率对干旱胁迫的响应具有差异性, 16年生樟子松种子萌发率在T4处理下显著降低(P<0.05), 而35和54年生樟子松种子萌发率分别在T2和T3处理下已显著下降(P<0.05)。可见, 樟子松种子萌发率对干旱胁迫的响应存在阈值, 且不同林龄的响应阈值各异, 林龄相对较小的樟子松种子萌发率响应干旱胁迫的阈值较大。
处理 自由度 萌发率 萌发时滞 萌发历时 t50 t90 F P F P F P F P F P 干旱胁迫 4 44.787 <0.001 2.961 0.031 12.372 <0.001 4.338 0.005 10.736 <0.001 林龄 3 5.416 0.003 1.913 0.143 4.064 0.013 0.981 0.411 2.059 0.121 林龄×干旱胁迫 12 2.868 0.006 1.286 0.265 1.013 0.455 1.667 0.112 2.334 0.022 Table 2. Two-way ANOVA analysis for the effects of forest age and drought stress on seed germination for P. sylwestris var. mongolica
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樟子松种子萌发时滞对干旱胁迫表现出显著的响应, 而对林龄、林龄与干旱胁迫交互作用的响应不显著; 萌发历时对干旱胁迫与林龄表现出显著的响应, 而对林龄与干旱胁迫交互作用的响应不显著(表 2)。不同林龄樟子松种子萌发时滞在ck处理下均为5 d, 在各干旱胁迫处理下总体变长(图 2), 除35年生外, 樟子松种子萌发时滞在T4处理下仅为2.7 d; 在T3和T4处理下不同林龄间种子萌发时滞变化较长, 特别是16年生的樟子松种子萌发时滞在T4处理下达9.0 d。与ck相比, 樟子松种子萌发历时在T4处理下显著缩短, 但对其他干旱胁迫处理的响应存在林龄间差异, 16和28年生樟子松种子萌发历时均有所延长, 分别为8.0~10.33和7.7~11.0 d, 而35和54年生樟子松种子萌发历时均缩短, 分别为5.7~9.0和4.3~7.0 d。可见, 种子萌发对干旱胁迫响应为启动推迟, 林龄较小的种子萌发持续时间延长, 而林龄较大的则反之, 而且随着干旱胁迫的增强萌发格局具有不稳定性。
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樟子松t50和t90对干旱胁迫均表现出显著的响应, 而对林龄的响应不显著, t50对林龄与干旱胁迫交互作用的响应不显著, t90则显著(表 2)。由图 3可知:樟子松种子t50和t90总体表现为随着干旱胁迫的增强先增大再减小, 在T3时达到最大值, 但在T4处理时有所下降, 主要由于强干旱胁迫导致林龄大的少量种子短时间内完成萌发, 相对而言萌发速率变快。可见, 樟子松种子对干旱胁迫响应为萌发变慢, 且干旱胁迫越强萌发越慢。
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经过15 d的培养, T4处理下的樟子松幼苗均未生长, 幼苗鲜质量对林龄与干旱胁迫响应显著, 但对两者的交互作用响应不显著(表 3)。如图 4所示:与ck比较(变化在5.1~5.5), 樟子松幼苗生长相对值在干旱胁迫条件下均有所下降(变化在2.4~4.8);除35年生的樟子松幼苗生长相对值随着干旱胁迫的增加而降低外, 其他林龄的均随干旱胁迫的增强呈现先增大后降低的趋势。
处理 自由度 幼苗鲜质量 胚芽长 胚根长 胚轴直径 F P F P F P F P 林龄 3 5.583 0.002 5.708 0.001 1.587 0.200 2.388 0.076 干旱胁迫 4 24.260 <0.001 48.129 <0.001 8.437 <0.001 16.565 <0.001 林龄×干旱胁迫 8 1.125 0.357 2.880 0.008 2.342 0.027 3.450 0.002 Table 3. Two-way ANOVA analysis for the effects of forest age and drought stress on seedling growth for P. sylvestris var. mongolica
由表 3可知:除胚根长与胚轴直径对林龄的响应不显著、幼苗鲜质量对林龄与干旱胁迫的互作响应不显著外, 幼苗胚芽长、胚根长和胚轴直径对不同处理均显著响应。由表 4可知:与ck比较, 樟子松幼苗胚芽长在干旱胁迫处理下均有所下降; 35年生樟子松幼苗胚芽长随着干旱胁迫的增强逐渐减小, 其他林龄的则在T2处理下大于在其他干旱处理; 54年生樟子松幼苗胚芽生长显著小于其他林龄。樟子松幼苗胚根生长在干旱胁迫处理下整体表现为有所增加, 且随着干旱胁迫强度的加强先增大后降低, 尤其在T2处理下达到最长; 且林龄越小的樟子松胚根长在干旱胁迫处理下变化幅度相对较大。樟子松幼苗胚轴直径生长在干旱胁迫下均有所下降, 且整体表现为随着干旱胁迫的加强而减小的趋势。可见, 樟子松幼苗对干旱胁迫响应为胚芽与胚轴直径生长受限制, 而胚根生长有所促进, 且林龄小的响应更敏感。
处理 胚芽长/cm 胚根长/cm 胚轴直径/mm 16 28 35 54 16 28 35 54 16 28 35 54 a ck 2.30± 2.16± 2.25± 1.98± 3.88± 4.38± 3.78± 4.05± 0.78± 0.70± 0.83± 0.80± 0.08 a 0.14 a 0.14 a 0.12 a 0.37 b 0.32 ab 0.24 c 0.53 a 0.04 a 0.02 a 0.04 a 0.03 a T1 1.63± 1.43± 2.18± 1.70± 4.11± 3.88± 5.80± 4.43± 0.75± 0.73± 0.81± 0.68± 0.04 b 0.06 b 0.05 a 0.08 a 0.33 ab 0.13 b 0.44 a 0.37 a 0.03 ab 0.02 a 0.03 a 0.03 b T2 1.71± 1.53± 1.58± 1.73± 6.08± 5.11± 5.06± 4.70± 0.73± 0.66± 0.66± 0.73± 0.12 b 0.07 b 0.14 b 0.16 a 0.24 a 0.58 a 0.55 ab 0.41 a 0.02 ab 0.02 a 0.03 b 0.02 ab T3 1.21± 0.76± 1.20± 5.13± 3.20± 4.07± 0.68± 0.66± 0.62± 0.06c 0.08 c 0.13 b 0.25 a 0.14 b 0.26 be 0.03 b 0.02 a 0.03 b 说明:不同小写字母表示干旱胁迫处理下幼苗生长指标差异显著(P<0.05) Table 4. Seedling growth characteristics of different treatments
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采用隶属函数法对樟子松种子萌发率、萌发时滞、幼苗鲜质量、胚芽长、胚根长、胚轴直径进行综合评价, 结合主成分分析法得到了不同林龄樟子松的隶属函数的加权平均值, 如表 5所示:抗旱性从大到小依次为16、28、35、54年生, 即随着林龄的增加逐渐降低。
林龄/a 萌发率 萌发时滞 幼苗鲜质量 胚芽长 胚根长 胚轴直径 加权平均值 排序 16 0.56 0.39 0.76 0.71 0.53 0.64 0.638 1 28 0.60 0.33 0.65 0.69 0.50 0.54 0.592 2 35 0.48 0.38 0.54 0.60 0.58 0.60 0.518 3 54 0.53 0.23 0.69 0.56 0.53 0.53 0.513 4 权重系数 0.235 0.203 0.210 0.336 -0.171 0.187 Table 5. Subordinate function values and comprehensive evaluation of seed germination and seedling growth for P. sylvestris var. mongolica under different treatments