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我国北方高寒沙区是土地沙漠化最严重的区域之一,该地区海拔高、气温低、气候干燥、降水量少、植被覆盖度低且类型单一,主要通过人工固沙、植树造林、涵养水源等措施来实现退化土地的植被恢复与重建[1-4]。作为高寒沙区重要的造林树种,国内研究主要集中于樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica Litv.)、青海云杉(Picea crassifolia Kom.)等松科固沙植物的生物量、碳储量、碳稳定同位素组成、生理性状对干旱盐碱胁迫的响应、树木年轮气候学、种子幼苗生理特性等[5-10]。辽宁省固沙造林研究所于2014年筛选审定的新品种沙地赤松(Pinus densiflora Sieb. et Zucc.)辽宁省生长状况良好,然而该植物种子在其他地区的萌发期适应性研究未见报道。本研究拟选用不同浓度的PEG-6000溶液模拟干旱胁迫环境,对3种松科造林树种沙地赤松、樟子松和青海云杉的种子萌发特性和对干旱胁迫的响应进行对比研究,以期为沙地赤松在青海的引种试种提供理论参考。
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图 1所示:沙地赤松初始萌发天数最长(15 d),青海云杉最短(12 d)。不同的PEG胁迫条件下,种子的逐日萌发率变化规律不一致。图 2中,沙地赤松种子的总萌发率最高(83.33%),青海云杉次之(70.67%),樟子松最低(55.33%)。随PEG干旱胁迫的加剧,沙地赤松总萌发率在5%和10%PEG胁迫下与对照组的差异不显著(P>0.05),樟子松种子总萌发率先上升后下降,而青海云杉呈持续下降趋势。当PEG胁迫浓度为25%和30%时,3种植物种子均不萌发,由此表明PEG25%是萌发极限阀值浓度;20%PEG浓度处理下,青海云杉、沙地赤松和樟子松种子萌发率分别比对照组下降了92%、69%和67%,后二者差异不显著(P>0.05);5%与10%PEG浓度处理时,沙地赤松和樟子松种子的萌发率均高于对照组,青海云杉略低于对照组。整体上看,随干旱胁迫的加剧,3种植物种子的萌发率逐渐降低。种子的萌发率受其自身特性的影响较大,种子的相对萌发率越大,植物抗旱性越强[17]。从图 2可知:樟子松种子的相对萌发率最高,沙地赤松次之,青海云杉最低。
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植物根系越发达,其抗旱能力越强。由图 3可知:随PEG干旱胁迫浓度的增加,种子胚根长度均呈先上升后下降的趋势。樟子松、青海云杉和沙地赤松的PEG临界浓度(胚根生长至最大值)为5%、5%和10%。PEG浓度为25%时,3种松科植物胚根长度均下降至零,即达到或超过该PEG浓度,植物将无法正常萌发。
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由图 4可知:随PEG浓度的增加,沙地赤松和樟子松幼苗鲜质量呈先上升后下降的趋势,在干旱胁迫条件下,沙地赤松在PEG浓度为10%时,鲜质量最大为0.032 g,樟子松在PEG浓度为5%时,鲜质量最大为0.023 g,而青海云杉幼苗鲜质量缓慢下降,在空白对照时幼苗鲜质量最大为0.019 g。此外,PEG干旱胁迫对樟子松相对幼苗鲜质量的影响最大。
萌发活力指数用以表征不同植物种子间抗旱性的强弱。方差分析结果表明:不同松科植物种子间的萌发活力指数差异显著(P < 0.05)。图 5所示:3种松科植物在25%、30%PEG浓度下活力指数均为零;沙地赤松在15%和20%PEG处理下,活力指数分别比对照下降了46%和86%;樟子松在5%PEG处理下,活力指数比对照升高了60%,在20%PEG处理下,活力指数为对照组的10%;青海云杉活力指数在5%、10%、15%、20%分别比对照下降了18%、45%、73%、95%。在20% PEG胁迫下,沙地赤松的活力指数较其他2种植物的高。
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通过方差分析,不同松科植物种子间的萌发胁迫指数和萌发抗旱指数差异显著(P < 0.05)。由图 6可知:沙地赤松和樟子松萌发胁迫指数均呈先上升后下降的趋势。在5%和10%浓度PEG溶液处理下,樟子松种子萌发胁迫指数有明显上升趋势;在5%PEG溶液处理下,沙地赤松种子萌发胁迫指数虽有上升趋势,但与对照组差异不显著(P>0.05);随PEG胁迫的加剧,青海云杉种子萌发胁迫指数平缓下降。沙地赤松、樟子松和青海云杉萌发胁迫指数最大值分别出现在10%、5%、0%(CK)PEG溶液处理条件下。在20%PEG溶液处理下,沙地赤松、樟子松和青海云杉种子萌发胁迫指数分别比对照组下降了75%、69%、94%。
由图 7可知:沙地赤松和樟子松种子萌发抗旱指数均先上升后下降,而青海云杉呈平缓下降趋势。沙地赤松、樟子松和青海云杉种子萌发抗旱指数最大值为1.83,1.67和1.00,且分别分别出现在5%、5%、0%(CK)PEG溶液处理条件下。在20%PEG浓度处理下,沙地赤松和樟子松种子萌发抗旱指数较对照组分别下降了82%和83%。
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表 1所示:沙地赤松、樟子松和青海云杉的耐水分胁迫能力综合评价值分别为2.95、2.74和1.71。
植物
Plants相对发芽率
RGR相对胚根长
RERL萌发胁迫指数
GSI萌发抗旱指数
GDRI萌发活力指数
VI综合评价值
CEV排序
Scequencing沙地赤松Pinus densiflora 0.57 0.10 0.60 0.91 0.77 2.95 1 樟子松Pinus sylvestris var. mongolica 0.57 0.07 0.51 0.72 0.88 2.74 2 青海云杉Picea crassifolia. 0.40 0.10 0.31 0.25 0.66 1.71 3 Table 1. Subordinate function and comprehensive evaluation value of three Pinus plants under PEG stress