燃燒高溫下松樹球果鱗片對(duì)種子的保護(hù)*

龍左卿，蔣澤艷，周紹齊，沙月，何滔，曹建新，蘇文華，張光飛

(1.云南大學(xué) 生態(tài)學(xué)與地植物學(xué)研究所，云南 昆明 650091；2.云南省林業(yè)和草原科學(xué)院，云南 昆明 650201)

火是陸生生態(tài)系統(tǒng)的重要生態(tài)因子，它在植物進(jìn)化、維持森林生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定和多樣性方面有著非同尋常的意義[1-3]。種子的萌發(fā)是植物開始其生命的重要開始階段，更是植物整個(gè)生活史中至關(guān)重要的一環(huán)[4]。種子萌發(fā)除受自身?xiàng)l件的影響外，在生長(zhǎng)過程中生存環(huán)境的多種因素也持續(xù)影響著這一過程[4-6]。在易火地區(qū)，火生態(tài)因子往往直接影響種子的存活與否進(jìn)而決定植物的生存和繁衍。

大多數(shù)的松屬(Pinus)物種生活在易發(fā)生火的環(huán)境中，火對(duì)于松屬植物的進(jìn)化和發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響[7-10]。云南松(Pinusyunnanensisvar.yunnanensis)作為中國(guó)西南地區(qū)的特有物種，分布在氣候干濕分明、雨熱同季的易火地區(qū)[11-12]。云南松林是在火干擾下形成的穩(wěn)定群落，其穩(wěn)定狀態(tài)與火息息相關(guān)，火后種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)是物種能繁衍并長(zhǎng)期存在的關(guān)鍵。植冠種子庫(kù)是植物繁殖對(duì)策的一種,具有延緩繁殖體傳播、使繁殖體免受捕食、調(diào)節(jié)萌發(fā)時(shí)間、將種子降落在適宜位置等生態(tài)功能[13]。目前國(guó)內(nèi)被確認(rèn)是延遲開放的松屬植物只有云南松[14]，其具有植冠種子庫(kù)。

關(guān)于松樹種子萌發(fā)受高溫影響的研究多集中于直接對(duì)種子進(jìn)行高溫?zé)峒ぴ囼?yàn)檢測(cè)其萌發(fā)能力。國(guó)內(nèi)有學(xué)者對(duì)大興安嶺分布的3種松科樹種開展了熱激對(duì)其種子萌發(fā)的影響研究，熱激處理是直接作用于松樹種子[15-16]。國(guó)外研究多集中于熱激對(duì)土壤種子庫(kù)中種子的影響，并且土壤種子庫(kù)留存的也是裸露的種子。研究證明了種子暴露狀態(tài)下當(dāng)溫度升高到125 ℃時(shí)種子即被燒死[17]。松樹群落林下常常因可燃物的大量積累，林火產(chǎn)生的火焰可以達(dá)到植被的上層，而野外林冠火的溫度范圍在93～705 ℃之間，如此高溫對(duì)種子的存活極具威脅[18]。而Shaw[19]的研究表明，當(dāng)球果表面溫度高達(dá)421～508 ℃時(shí)，其球果內(nèi)種子的溫度在100 ℃左右，表明松樹球果在高溫下內(nèi)外溫度有巨大差異，說明球果對(duì)內(nèi)部種子有極強(qiáng)的降溫保護(hù)作用。松樹采取了一種將繁殖能量作用于植冠的球果和大量的種子產(chǎn)量上的火適應(yīng)策略[20]。松樹的球果能保護(hù)樹木的種子庫(kù)免受火災(zāi)破壞，為在經(jīng)常發(fā)生火的地區(qū)生長(zhǎng)的松樹提供了明顯的繁殖益處。

目前，關(guān)于自然野火能達(dá)到的溫度和種子萌發(fā)對(duì)高溫的反應(yīng)等的結(jié)果基本都是單一研究報(bào)道，很少有兩者綜合研究的結(jié)果。因此本研究人工設(shè)置了6個(gè)高溫燃燒處理，將球果直接燃燒，取出種子開展萌發(fā)試驗(yàn)，以此探討在自然野火燃燒狀態(tài)下的松樹球果對(duì)種子的保護(hù)作用，來討論松樹球果對(duì)頻發(fā)火災(zāi)的適應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

云南松球果在每年10月成熟[11]，其球果有宿存和延遲開放現(xiàn)象[14]，發(fā)生野火的時(shí)間常常是在每年旱季的3—5月，因此，采樣時(shí)間選擇在2020年5月；云南松球果采自云南楚雄姚安，每棵樹采樣4個(gè)完好無病蟲害的去年成熟未開放的球果，分裝在4個(gè)自封袋中，分大球果(長(zhǎng)70～90 mm，寬40～50 mm，用“PB”表示)和小球果(長(zhǎng)45～60 mm，寬30～40 mm，用“PS”表示)，各采樣15株，一共取30株。地盤松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)球果(長(zhǎng)45～55 mm，寬30～35 mm，用“PP”表示)采自四川西昌解放鄉(xiāng)，采樣方法同云南松。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 球果燃燒試驗(yàn)

通過模擬野火的不同燃燒程度，設(shè)置了不同燃燒處理水平：400 ℃+3 min、500 ℃+3 min、500 ℃+5 min、500 ℃+7 min、600 ℃+3 min、600 ℃+5 min、常溫對(duì)照等。對(duì)照組球果用純水浸泡24 h后，放進(jìn)40 ℃的烘箱中烘烤使球果鱗片炸開方便取出種子。其余組控制試驗(yàn)燃燒時(shí)間,每組5個(gè)球果，一共15個(gè)球果。把400、500、600 ℃組球果單獨(dú)編號(hào)依次放在對(duì)應(yīng)試驗(yàn)溫度的燃燒鍋里加熱燃燒后取出，需要記錄球果被點(diǎn)燃時(shí)間。3種材料球果處理方法相同。

1.2.2 種子萌發(fā)試驗(yàn)

取出處理過球果的種子，每個(gè)球果種子單獨(dú)編號(hào)不混合，再選取所有完整飽滿的種子單獨(dú)萌發(fā)。把每個(gè)球果種子分開放置在不同培養(yǎng)皿中，培養(yǎng)皿底部放置上濾紙，向?yàn)V紙內(nèi)加入純水至濾紙完全濕潤(rùn)，再把培養(yǎng)皿放入培養(yǎng)箱培養(yǎng)。培養(yǎng)箱條件設(shè)置為:每天光照12 h、21 ℃、光強(qiáng)1 250 Lx，黑暗12 h、18 ℃。萌發(fā)培養(yǎng)的種子每天適量加水，并記錄種子的萌發(fā)數(shù)量。

1.2.3 萌發(fā)種子根長(zhǎng)和株高測(cè)量

把每一處理組已萌發(fā)的種子取出15粒，分別放在新的培養(yǎng)皿里單獨(dú)培養(yǎng)，培養(yǎng)條件一樣。培養(yǎng)時(shí)間為10 d，10 d后用游標(biāo)卡尺測(cè)量種子的根長(zhǎng)和株高。

1.3 指標(biāo)測(cè)定與方法

每天記錄萌發(fā)試驗(yàn)的種子的萌發(fā)數(shù)量(種子萌發(fā)以胚根突破種皮2 mm為標(biāo)椎)，持續(xù)記錄到3 d無種子萌發(fā)時(shí)停止試驗(yàn)。萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束后計(jì)算種子的萌發(fā)率、萌發(fā)勢(shì)、萌發(fā)指數(shù)、萌發(fā)時(shí)滯和萌發(fā)歷時(shí)等指標(biāo)。

萌發(fā)率(%)=萌發(fā)種子數(shù)/供試種子數(shù)×100

萌發(fā)勢(shì)(%)=日平均萌發(fā)數(shù)到達(dá)最大的種子數(shù)/試驗(yàn)種子數(shù)×100

式中：Gt為第幾日的萌發(fā)數(shù)，Dt為試驗(yàn)的第幾日。

萌發(fā)時(shí)滯指從種子著床到種子開始萌發(fā)的時(shí)間(d)。

萌發(fā)歷時(shí)指從第一粒種子開始萌發(fā)到種子萌發(fā)結(jié)束所持續(xù)的時(shí)間(d)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2019軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和作圖，用IBM SPSS Statistics 軟件在95%水平上進(jìn)行單因素方差(ANOVA)分析,采用Duncan進(jìn)行差異顯著性分析，圖表數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 參試3種球果的植物學(xué)特征

如表1所示，PB球果的長(zhǎng)度、寬度和球果鱗片的厚度、面積都是3種球果中最大的，且顯著大于其余兩種球果(P<0.05)。PS和PP球果的長(zhǎng)度、寬度并無明顯差異，但是PS球果鱗片的厚度、面積都顯著大于PP球果鱗片的厚度、面積(P<0.05)。

表1 球果的植物學(xué)特征

2.2 不同燃燒處理下3種球果種子萌發(fā)率比較

不同燃燒處理對(duì)3種球果萌發(fā)率的影響見表2。

表2 不同燃燒處理對(duì)3種球果萌發(fā)率的影響Tab.2 Effects of different combustion treatments on seedgermination rate of three cones %

由表2可知，與對(duì)照組相比，PB在500 ℃+3 min下種子萌發(fā)率顯著下降(P<0.05)；PB在600 ℃+3 min下的種子萌發(fā)率已經(jīng)下降到9.52%。由表2知，與對(duì)照組相比，PS在400 ℃+3 min下種子萌發(fā)率顯著下降(P<0.05)；PS在500 ℃+3 min下種子萌發(fā)率已經(jīng)極其的低(1.05%)。由表2知，與對(duì)照組相比，PP在400℃+3 min下種子萌發(fā)率顯著下降(P<0.05)。

3種球果在500 ℃+5 min、500 ℃+7 min與600 ℃+5 min，且PS在600 ℃+3 min和PP在500 ℃+3 min、600 ℃+3 min下種子都停止萌發(fā)，其萌發(fā)率已經(jīng)為0。

2.3 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發(fā)勢(shì)比較

不同燃燒溫度處理對(duì)3種球果種子萌發(fā)勢(shì)的影響見表3。由表3可知，與對(duì)照組相比，PB在400 ℃+3 min下種子萌發(fā)勢(shì)有下降趨勢(shì)，但是未達(dá)到顯著水平；PB在500 ℃+3 min下種子萌發(fā)勢(shì)顯著下降(P<0.05)；PB在600 ℃+3 min下種子已無萌發(fā)勢(shì)。與對(duì)照組相比，PS在400 ℃+3 min、500 ℃+3 min下的種子萌發(fā)勢(shì)已經(jīng)急劇下降到幾乎無萌發(fā)勢(shì)(P<0.05)。與對(duì)照組相比，PP在400 ℃+3 min萌發(fā)勢(shì)急劇下降(P<0.05)，500 ℃+3 min、600 ℃+3 min下種子已無萌發(fā)勢(shì)。

表3 不同燃燒溫度處理對(duì)3種球果種子萌發(fā)勢(shì)的影響Tab.3 Effects of different combustion temperatures on seedgermination potential of three cones %

2.4 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發(fā)指數(shù)比較

不同燃燒溫度處理對(duì)3種球果種子萌發(fā)指數(shù)的影響見表4。由表4可知，萌發(fā)指數(shù)與對(duì)照組相比，除了PB在400 ℃ 3 min下無顯著變化，3種球果的其他處理組的萌發(fā)指數(shù)都顯著下降(P<0.05)，且萌發(fā)指數(shù)都隨著試驗(yàn)溫度的升高而下降。

表4 不同燃燒溫度處理對(duì)3種球果種子萌發(fā)指數(shù)的影響

2.5 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發(fā)時(shí)滯比較

不同燃燒溫度處理對(duì)3種球果種子的萌發(fā)時(shí)滯的影響見表5。

表5 不同燃燒溫度處理對(duì)3種球果種子萌發(fā)時(shí)滯的影響Tab.5 Effects of different combustion temperatures onthe germination delay of three cones d

由表5可知，與對(duì)照組相比，PB和PP處理組的萌發(fā)時(shí)滯隨著試驗(yàn)溫度升高而增加。由表5知，與對(duì)照組相比，PS在400 ℃ +3 min下的萌發(fā)時(shí)滯顯著增加(P<0.05)；PS在500 ℃+3 min下的萌發(fā)時(shí)滯與對(duì)照組無顯著差異。

2.6 不同燃燒溫度處理下3種球果種子萌發(fā)歷時(shí)比較

不同燃燒溫度處理對(duì)3種球果種子的萌發(fā)歷時(shí)的影響見表6。由表6可知，與對(duì)照組相比，3種球果種子的萌發(fā)歷時(shí)都隨著試驗(yàn)溫度升高而縮短；且PS在500 ℃+3 min 下的萌發(fā)歷時(shí)已縮短到極低水平(1 d)。

表6 不同燃燒處理對(duì)3種球果種子萌發(fā)歷時(shí)的影響Tab.6 Effects of different combustion temperatures ongermination duration of three cones d

2.7 不同燃燒溫度處理下3種球果種子幼苗生長(zhǎng)比較

不同燃燒溫度處理下3種球果種子的幼苗生長(zhǎng)比較結(jié)果見圖1～圖2。

圖1 不同燃燒溫度處理下3種球果幼苗株高比較注：燃燒時(shí)間均為3 min,下圖同。Fig.1 Comparison of plant height of three cone seedlings under different burning temperature

圖2 不同燃燒溫度處理下3種球果幼苗根長(zhǎng)比較

由圖1和圖2可知，與對(duì)照組相比，PB的株高和根長(zhǎng)在400 ℃+3 min、500 ℃+3 min下有所提高，而在600 ℃+3 min下則稍微降低。與對(duì)照組相比，PS的株高和根長(zhǎng)在400 ℃+3 min下有提高，而PS的株高和根長(zhǎng)在500 ℃+3 min下則顯著降低(P<0.05)；與對(duì)照組相比，PP的株高和根長(zhǎng)無明顯變化。無論是株高還是根長(zhǎng)，在相同試驗(yàn)條件下的生長(zhǎng)量：PB>PS>PP。同時(shí)，無論是株高還是根長(zhǎng)都隨著試驗(yàn)溫度的升高先增加后降低。

3 討論與結(jié)論

種子對(duì)高溫的響應(yīng)會(huì)隨著試驗(yàn)溫度和時(shí)間的變化而變化，過高的溫度或者時(shí)間都會(huì)導(dǎo)致種子的死亡[21-22]。2種形式其實(shí)都是高溫的一種強(qiáng)化，對(duì)種子萌發(fā)的影響相似[23]。隨著燃燒溫度的升高，3種球果的種子各項(xiàng)萌發(fā)指標(biāo)(除了萌發(fā)時(shí)滯)都在降低。萌發(fā)時(shí)滯的升高表明隨著溫度升高種子啟動(dòng)萌發(fā)的時(shí)間增加，這與其他萌發(fā)指標(biāo)的結(jié)果指向一致。本試驗(yàn)結(jié)果與Shaw和Linhart的試驗(yàn)結(jié)果相吻合，Shaw的研究表明，當(dāng)球果內(nèi)溫度達(dá)到100 ℃(種子的安全溫度)時(shí)，球果外部溫度已在421～508 ℃之間[19]；而Linhart的研究就證明了種子在暴露狀態(tài)下當(dāng)溫度升高到125 ℃時(shí)種子被燒死[17]。所以設(shè)置的試驗(yàn)溫度已經(jīng)達(dá)到或者大大超過了種子的安全溫度，種子存活數(shù)和種子活力都會(huì)大幅降低。在相同燃燒溫度下，燃燒時(shí)間的增加，種子被燒死的概率陡然增加，當(dāng)燃燒時(shí)間增加到5 min時(shí)，所有試驗(yàn)溫度下均已完全沒有種子萌發(fā)。燃燒的持續(xù)時(shí)間會(huì)嚴(yán)重影響種子的存活。

3種不同大小球果獲得的種子，其幼苗根生長(zhǎng)和植株株高都隨著試驗(yàn)燃燒溫度先升高后降低。高溫處理后的種子所萌發(fā)幼苗后續(xù)生長(zhǎng)能力因?yàn)楦邷氐淖饔糜兴岣?，但是高溫的作用是有閾值的，一旦超過種子的承受能力勢(shì)必會(huì)破壞其生長(zhǎng)能力。

本試驗(yàn)結(jié)果顯示球果越大，球果鱗片厚度越厚，種子距離球果表面越遠(yuǎn)，被火侵害的機(jī)會(huì)越小，降溫保護(hù)效果越明顯。這與土壤種子庫(kù)中的種子隨在土壤中的埋藏深度增加，在火中被侵害的幾率降低的結(jié)果相類似[24]。從著火到最終種子的萌發(fā)和幼苗的形成是非常復(fù)雜的過程，本試驗(yàn)結(jié)果表明在野火發(fā)生時(shí)球果對(duì)其內(nèi)種子的降溫保護(hù)作用顯著，球果延遲開放是云南松種群對(duì)易發(fā)生林火生境的一種繁殖更新適應(yīng)。