底质类型对热带海草海菖蒲种子萌发和幼苗生长的影响

2021-03-02刘松林江志坚吴云超黄小平

应用海洋学学报 2021年1期

刘松林，江志坚，吴云超，张霞，黄小平*

(1.中国科学院南海海洋研究所、中国科学院热带海洋生物资源与生态重点实验室，广东广州 510301；2.南方海洋科学与工程广东省实验室(广州)，广东广州 511458；3.中国科学院南海生态环境工程创新研究院，广东广州 510301；4.三亚中科海洋研究院，海南省热带海洋生物技术重点实验室，海南三亚 572100)

海草是一类适应于海洋环境中生长的水生被子植物，一般分布于低潮带和潮下带6 m以上的浅水生境[1]，其在适宜条件下可以形成大面积的海草床[2]。海草床生态系统是近岸海域生产力极高的生态系统，全球海草的平均初级生产力为1 012 g/(m2·a)(干重)，并高于生物圈多数其他类型生态系统[3]。海草床生态系统具有重要的生态服务功能，如育幼[4-5]、降低人类及水生动物患病风险[6]、污染物质净化[1]和蓝碳[7]等。然而，20世纪以来，由于人类活动和气候变化的影响，自1940年以来，全球海草床以每年接近7%的速度衰退消失[8]。海草床的退化和消失会导致其生态功能的减弱或丧失，加剧近岸生态系统的不稳定性和脆弱性。因此，为保护海草床，促使海草床健康发展，海草床的生态恢复在近几十年来备受关注[9-11]。

生境恢复法、成体植株移植法和种子或其幼苗移植法是海草床修复的主要方法[10-12]。近年来，海草种子或其幼苗移植法在海草床的修复中越来越受到重视，这与其对供体海草床破坏和影响较小，并能保证海草的遗传多样性密切相关[13-14]。关于海草种子或其幼苗野外移植，目前大多关注温带海草如鳗草(Zosteramarina)[15]、牟氏鳗草(Z.muelleri)[16]、大洋波喜荡草(Posidoniaoceanica)[11]和根枝草属(Amphibolis)[17]等。可见，前人研究多关注温带海草的种子或幼苗移植，鲜有报道关于热带海草种子或其幼苗移植的研究[18-19]。

弄清其种子萌发和幼苗生长对环境因子的响应，是成功实现热带海草种子或其幼苗成功移植的关键和基础[16,20-21]。其中，底质类型是影响海草种子萌发与幼苗生长的重要因素[22-23]，例如，鳗草种子在泥质沉积物的萌发率和幼苗建成率都显著高于砂质沉积物[22]。不同的底质类型具有不同的有机质含量和不同的氧化还原电位，这可能是影响海草种子萌发率和幼苗生长率的主要原因[22,24]。但热带海草种子萌发及其幼苗生长对不同底质的响应如何，仍未见报道。

海菖蒲(Enhalusacoroides)是我国热带典型海草，在我国主要分布于海南陵水、琼海和文昌沿岸海域[25]，这些分布区域的底质类型差异显著，在陵水海草床的沉积物类型为细砂质沉积物，而在琼海和文昌海域的海草床底质多为珊瑚碎屑的砂砾质沉积物[26]。近年来，由于显著的人类活动影响如污染物输入、港口建设、网箱养殖、挖螺耙螺和挖沙虫等，导致海菖蒲呈现退化趋势，其海草床也逐渐呈现斑块化[27]，因此，亟待在我国开展热带海草海菖蒲的生态恢复。本研究通过室内模拟实验，探究不同底质类型对海菖蒲种子萌发与幼苗生长的影响，为后续开展大规模的海菖蒲种子或幼苗室内培育及野外移植区域的选择提供重要的科技基础。

1 材料与方法

1.1 种子与沉积物采集

2018年8月，在海南陵水黎安(18°24′46′N, 110°03′18′E)采集海菖蒲成熟的果实，将其装入大小为25 cm×40 cm，孔径为0.5 mm的尼龙网袋中，并浸泡于原位海水中，带回实验室。根据本实验室之前的研究，陵水黎安和琼海潭门海草床底质类型差异显著[26]，我们采集了陵水黎安和琼海潭门海草床沉积物。同时，我们还采集了陵水黎安的原位海水一并带回实验室，为开展室内模拟海草种子萌发与幼苗生长实验做准备。根据本实验室之前的研究，陵水黎安和琼海潭门的海菖蒲遗传结构和水环境主要指标差异不显著[25,28]，因此，本研究仅采集陵水黎安的种子和海水，研究结果不会受到显著的影响。

1.2 实验设计

培养前，利用Mastersizer 2000型激光衍射粒度分析仪(测量范围0.02～2 000 μm，相对误差<2%)对陵水黎安和琼海潭门海草床的沉积物进行粒度分析，结果如表1所示，陵水黎安的底质类型为细砂质，而琼海潭门的底质类型为砂砾质。在不同的玻璃培养缸(30 cm×30 cm×35 cm)中分别在底层铺上陵水黎安和琼海潭门的沉积物，底层沉积物厚度约为6 cm，分别称为细砂组和砂砾组，每个处理设置2个重复。然后向每个培养缸中加入陵水黎安的原位海水，并用充氧泵对每个培养缸进行充氧。根据本实验室之前的研究，埋藏后的海菖蒲种子萌发率低于10%[18]，因此，本研究将采集的海菖蒲果实剥开，获得海菖蒲种子后，在每个培养缸沉积物表面均匀撒播20粒种子，总计80粒种子。

1.3 实验过程

总培养的时间为154 d，培养期间利用加热棒维持各培养缸的温度为29.5±0.5 ℃。每隔2～3 d，添加适量超纯水维持培养缸的水位，并对水体的pH、盐度和溶解氧进行监测。同时，每天观察海菖蒲种子的萌发数量(以第一片子叶从种子中生长出来作为萌发时间)以及萌发后幼苗的存活数量。另外，在第0、8、11、16、24、35、46、58、88、154 天测量萌发后幼苗的叶片长度，并利用便携式电位计测定沉积物的氧化还原电位。培养结束后，将幼苗拔出，测量不同处理组海菖蒲的根长度。

1.4 数据处理

种子的萌发率和平均萌发历期(单位为d)分别按照以下公式计算:

萌发率(%)=萌发种子数量/种子总数量×100

(1)

平均萌发历期 =∑(ni·Ti)/N

(2)

式(1)、(2)中：ni为第i天萌发的种子数量(粒)，Ti代表萌发统计的第i天，N为萌发种子的总数量(粒)。

幼苗的存活率按照下式进行计算：

幼苗存活率(%)=幼苗存活数量/

萌发种子数量×100

(3)

海草幼苗在整个培养期内(154 d)叶片长度和根长度的生长速率，分别称之为叶片生长速率(mm/d)和根生长速率(mm/d)，计算公式如下：

叶片生长速率=(培养后叶片长度×10)/培养时间

(4)

根生长速率=(培养后根长度×10)/培养时间

(5)

式(4)、(5)中：培养后叶片长度、培养后根长度单位均为cm，培养时间单位为d。

对获得的所有数据通过Microsoft Excel 2010 和SPSS 19.0 软件进行处理，首先对数据进行方差同质性检验，若方差不齐，则将原始数据进行对数转换以满足方差齐性。利用Student’s-t检验，分析不同底质处理的pH、盐度、溶解氧、种子萌发率、平均萌发历期、幼苗存活率、幼苗叶片长度、幼苗根长度、幼苗叶片生长速率和幼苗根生长速率的差异。同时，利用单因素协方差分析(以底质类型为固定因子，以培养时间为协方差因子)沉积物氧化还原电位和幼苗叶片长度在细砂组和砂砾组间的差异。

2 结果与讨论

2.1 培养过程主要环境因子变化

培养缸水体的pH、盐度和溶解氧含量在培养期间的变化范围分别为7.98～8.16、31.3～33.4和5.59～6.52 mg/L，均为海草生长的适宜条件。细砂组和砂砾组的pH、盐度和溶解氧含量的平均值分别为8.05和8.04、32.3和32.2以及6.11 mg/L和6.22 mg/L，差异不显著(t= 0.613,p=1.772)。这表明，底质类型的改变并未改变水体中的上述环境指标。在培养期间，两个处理组的沉积物氧化还原电位均呈现迅速上升后迅速下降，而后趋于平稳的趋势(图1)。尽管砂砾组的氧化还原电位在培养期间大多高于细砂组，平均值分别为73.80 mV和100.71 mV，但这两个处理组的氧化还原电位的差异不显著(F=3.927,p=0.052)。因此，实验室培养过程中，不同底质类型的处理，其沉积物的氧化还原电位差异不大。

图1 海菖蒲培养期间细砂组和砂砾组沉积物氧化还原电位的变化Fig. 1 Changes of sediment oxidation reduction potential in the fine sand and coarse-gravel sand groups during E. acoroides incubation图中值为平均值±标准误。

2.2 底质类型对种子萌发率和萌发历期的影响

两个处理组的海菖蒲种子在播种后迅速萌发，在第7天以后的萌发率达到峰值并保持不变，平均萌发历期为3.5 d(图2)。这明显低于鳗草种子的平均萌发历期(37～54 d)[23]，这是因为鳗草种子为可休眠种子，而海菖蒲种子为非休眠种子，撒播后可直接萌发[29]。细砂组和砂砾组的萌发率分别为97.5%和95.0%，两组间差异不显著(t=1.000,p=0.423)；相似的，细砂组和砂砾组的平均萌发历期分别为3.7 d和3.4 d，其两组间差异也不显著(t=1.299,p= 0.323)。因此，不同的底质处理不会影响海菖蒲种子的萌发率和萌发时间。

图2 细砂组和砂砾组海菖蒲种子的萌发率和萌发历期Fig. 2 Germination rate and mean time-to-germinate of E. acoroides seeds in the fine sand and coarse-gravel sand groups图中值为平均值。

2.3 底质类型对幼苗生长的影响

培养期间，细砂组的海菖蒲幼苗仅有1株死亡，其平均存活率为97.37%，而砂砾组的幼苗存活率为81.58%，细砂组的幼苗存活率显著高于砂砾组(t=5.246,p=0.041)，如图3所示。细砂组和砂砾组的海菖蒲幼苗均在培养期内不断生长，154 d后其平均叶片长度高达24.72 cm，而砂砾组幼苗的平均叶片长度仅为10.30 cm(图4)。单因素协方差分析结果表明，砂砾组显著降低了海菖蒲幼苗的叶片长度(F=36.700,p<0.001)。培养结束后，细砂组海菖蒲幼苗的平均根长度为12.07 cm，显著高于砂砾组的7.38 cm(t=5.203,p<0.001)，如图5所示。与叶片和根长度的变化相对应，细砂组海菖蒲幼苗的叶片(t=7.713,p<0.001)和根(t=5.203,p<0.001)的生长速率均显著高于砂砾组(图6)。Zhang等(2015)以及Jarvis等(2015)的研究发现，沉积物粒径增加导致海草存活率下降，并会降低海草的生长速率，这与本研究的结果一致[30,23]。如前所述，两个实验组中水体的主要环境因子(温度、盐度、pH和溶解氧)和沉积物的氧化还原电位差异不显著，可见，这些环境因子不是导致砂砾组海菖蒲幼苗生长速率显著下降的原因。沉积物底质类型的差异会影响沉积物硫化物、有机碳和营养物质等环境因子[31-32]，这可能也会影响海草种子的萌发[33-34]。另外，Balestri等(2015)和Guerrero-Meseguer等(2017)的研究均表明，粒径较小的沉积物利于海草根的伸长，而粒径较大的沉积物会对海草根的伸长造成较大阻力而抑制其伸长[35，21]。细砂组海菖蒲较长的根利于海草植株吸收沉积物中营养物质，从而促进叶片的生长。因此，粒径会影响海菖蒲幼苗的生长速率。

图3 细砂组和砂砾组海菖蒲幼苗存活率差异Fig. 3 Difference of E. acoroides seedling survival rates between the fine sand and coarse-gravel sand groups图中“*”表示实验组之间差异显著( p < 0.05)，图中值为平均值±标准误。

2.4 海菖蒲种子或幼苗移植策略

上述研究结果表明，沉积物粒径的变化对海草种子的萌发率和萌发时间较小，但对其萌发后的生长速率的影响较显著。因此，未来开展海菖蒲种子或幼苗室内培养和野外移植时，应选取沉积物粒径较小细砂质区域进行培养与移植，可促进海菖蒲种子或幼苗移植的成活率。另外，海草种子萌发与幼苗生长，其关键的生理机制就是其体内营养物质和光合速率的变化[20]，然而，目前关于海菖蒲种子萌发与幼苗生长对环境因子变化的响应机制仍不清楚，亟待在未来开展研究，为促进海菖蒲种子或幼苗的野外移植提供科学依据。

图4 培养期间细砂组和砂砾组海菖蒲幼苗叶片长度的变化Fig. 4 Changes of E. acoroides seedling leaf lengths in the fine sand and coarse-gravel sand groups during culture图中值为平均值±标准误。

图5 细砂组和砂砾组海菖蒲幼苗根长度的差异Fig. 5 Difference of E. acoroides seedling root lengths between the fine sand and coarse-gravel sand groups图中“*”表示实验组之间差异显著(p<0.05)，图中值为平均值±标准误。

图6 细砂组和砂砾组海菖蒲幼苗叶片生长速率和根生长速率差异Fig. 6 Difference of E. acoroides seedling leaf growth rates and root growth rates between the fine sand and coarse-gravel sand groups图中“*”表示实验组之间差异显著(p<0.05)，图中值为平均值±标准误。