燃烧高温下松树球果鳞片对种子的保护*

龙左卿，蒋泽艳，周绍齐，沙月，何滔，曹建新，苏文华，张光飞

(1.云南大学 生态学与地植物学研究所，云南 昆明 650091；2.云南省林业和草原科学院，云南 昆明 650201)

火是陆生生态系统的重要生态因子，它在植物进化、维持森林生态系统的稳定和多样性方面有着非同寻常的意义[1-3]。种子的萌发是植物开始其生命的重要开始阶段，更是植物整个生活史中至关重要的一环[4]。种子萌发除受自身条件的影响外，在生长过程中生存环境的多种因素也持续影响着这一过程[4-6]。在易火地区，火生态因子往往直接影响种子的存活与否进而决定植物的生存和繁衍。

大多数的松属(Pinus)物种生活在易发生火的环境中，火对于松属植物的进化和发展有着深远的影响[7-10]。云南松(Pinusyunnanensisvar.yunnanensis)作为中国西南地区的特有物种，分布在气候干湿分明、雨热同季的易火地区[11-12]。云南松林是在火干扰下形成的稳定群落，其稳定状态与火息息相关，火后种子萌发和幼苗生长是物种能繁衍并长期存在的关键。植冠种子库是植物繁殖对策的一种,具有延缓繁殖体传播、使繁殖体免受捕食、调节萌发时间、将种子降落在适宜位置等生态功能[13]。目前国内被确认是延迟开放的松属植物只有云南松[14]，其具有植冠种子库。

关于松树种子萌发受高温影响的研究多集中于直接对种子进行高温热激试验检测其萌发能力。国内有学者对大兴安岭分布的3种松科树种开展了热激对其种子萌发的影响研究，热激处理是直接作用于松树种子[15-16]。国外研究多集中于热激对土壤种子库中种子的影响，并且土壤种子库留存的也是裸露的种子。研究证明了种子暴露状态下当温度升高到125 ℃时种子即被烧死[17]。松树群落林下常常因可燃物的大量积累，林火产生的火焰可以达到植被的上层，而野外林冠火的温度范围在93～705 ℃之间，如此高温对种子的存活极具威胁[18]。而Shaw[19]的研究表明，当球果表面温度高达421～508 ℃时，其球果内种子的温度在100 ℃左右，表明松树球果在高温下内外温度有巨大差异，说明球果对内部种子有极强的降温保护作用。松树采取了一种将繁殖能量作用于植冠的球果和大量的种子产量上的火适应策略[20]。松树的球果能保护树木的种子库免受火灾破坏，为在经常发生火的地区生长的松树提供了明显的繁殖益处。

目前，关于自然野火能达到的温度和种子萌发对高温的反应等的结果基本都是单一研究报道，很少有两者综合研究的结果。因此本研究人工设置了6个高温燃烧处理，将球果直接燃烧，取出种子开展萌发试验，以此探讨在自然野火燃烧状态下的松树球果对种子的保护作用，来讨论松树球果对频发火灾的适应。

1 材料与方法

1.1 试验材料

云南松球果在每年10月成熟[11]，其球果有宿存和延迟开放现象[14]，发生野火的时间常常是在每年旱季的3—5月，因此，采样时间选择在2020年5月；云南松球果采自云南楚雄姚安，每棵树采样4个完好无病虫害的去年成熟未开放的球果，分装在4个自封袋中，分大球果(长70～90 mm，宽40～50 mm，用“PB”表示)和小球果(长45～60 mm，宽30～40 mm，用“PS”表示)，各采样15株，一共取30株。地盘松(Pinusyunnanensisvar.pygmaea)球果(长45～55 mm，宽30～35 mm，用“PP”表示)采自四川西昌解放乡，采样方法同云南松。

1.2 试验方法

1.2.1 球果燃烧试验

通过模拟野火的不同燃烧程度，设置了不同燃烧处理水平：400 ℃+3 min、500 ℃+3 min、500 ℃+5 min、500 ℃+7 min、600 ℃+3 min、600 ℃+5 min、常温对照等。对照组球果用纯水浸泡24 h后，放进40 ℃的烘箱中烘烤使球果鳞片炸开方便取出种子。其余组控制试验燃烧时间,每组5个球果，一共15个球果。把400、500、600 ℃组球果单独编号依次放在对应试验温度的燃烧锅里加热燃烧后取出，需要记录球果被点燃时间。3种材料球果处理方法相同。

1.2.2 种子萌发试验

取出处理过球果的种子，每个球果种子单独编号不混合，再选取所有完整饱满的种子单独萌发。把每个球果种子分开放置在不同培养皿中，培养皿底部放置上滤纸，向滤纸内加入纯水至滤纸完全湿润，再把培养皿放入培养箱培养。培养箱条件设置为:每天光照12 h、21 ℃、光强1 250 Lx，黑暗12 h、18 ℃。萌发培养的种子每天适量加水，并记录种子的萌发数量。

1.2.3 萌发种子根长和株高测量

把每一处理组已萌发的种子取出15粒，分别放在新的培养皿里单独培养，培养条件一样。培养时间为10 d，10 d后用游标卡尺测量种子的根长和株高。

1.3 指标测定与方法

每天记录萌发试验的种子的萌发数量(种子萌发以胚根突破种皮2 mm为标椎)，持续记录到3 d无种子萌发时停止试验。萌发试验结束后计算种子的萌发率、萌发势、萌发指数、萌发时滞和萌发历时等指标。

萌发率(%)=萌发种子数/供试种子数×100

萌发势(%)=日平均萌发数到达最大的种子数/试验种子数×100

式中：Gt为第几日的萌发数，Dt为试验的第几日。

萌发时滞指从种子着床到种子开始萌发的时间(d)。

萌发历时指从第一粒种子开始萌发到种子萌发结束所持续的时间(d)。

1.4 数据分析

用Excel 2019软件对数据进行处理和作图，用IBM SPSS Statistics 软件在95%水平上进行单因素方差(ANOVA)分析,采用Duncan进行差异显著性分析，图表数据为平均值±标准差。

2 结果与分析

2.1 参试3种球果的植物学特征

如表1所示，PB球果的长度、宽度和球果鳞片的厚度、面积都是3种球果中最大的，且显著大于其余两种球果(P<0.05)。PS和PP球果的长度、宽度并无明显差异，但是PS球果鳞片的厚度、面积都显著大于PP球果鳞片的厚度、面积(P<0.05)。

表1 球果的植物学特征

2.2 不同燃烧处理下3种球果种子萌发率比较

不同燃烧处理对3种球果萌发率的影响见表2。

表2 不同燃烧处理对3种球果萌发率的影响Tab.2 Effects of different combustion treatments on seedgermination rate of three cones %

由表2可知，与对照组相比，PB在500 ℃+3 min下种子萌发率显著下降(P<0.05)；PB在600 ℃+3 min下的种子萌发率已经下降到9.52%。由表2知，与对照组相比，PS在400 ℃+3 min下种子萌发率显著下降(P<0.05)；PS在500 ℃+3 min下种子萌发率已经极其的低(1.05%)。由表2知，与对照组相比，PP在400℃+3 min下种子萌发率显著下降(P<0.05)。

3种球果在500 ℃+5 min、500 ℃+7 min与600 ℃+5 min，且PS在600 ℃+3 min和PP在500 ℃+3 min、600 ℃+3 min下种子都停止萌发，其萌发率已经为0。

2.3 不同燃烧温度处理下3种球果种子萌发势比较

不同燃烧温度处理对3种球果种子萌发势的影响见表3。由表3可知，与对照组相比，PB在400 ℃+3 min下种子萌发势有下降趋势，但是未达到显著水平；PB在500 ℃+3 min下种子萌发势显著下降(P<0.05)；PB在600 ℃+3 min下种子已无萌发势。与对照组相比，PS在400 ℃+3 min、500 ℃+3 min下的种子萌发势已经急剧下降到几乎无萌发势(P<0.05)。与对照组相比，PP在400 ℃+3 min萌发势急剧下降(P<0.05)，500 ℃+3 min、600 ℃+3 min下种子已无萌发势。

表3 不同燃烧温度处理对3种球果种子萌发势的影响Tab.3 Effects of different combustion temperatures on seedgermination potential of three cones %

2.4 不同燃烧温度处理下3种球果种子萌发指数比较

不同燃烧温度处理对3种球果种子萌发指数的影响见表4。由表4可知，萌发指数与对照组相比，除了PB在400 ℃ 3 min下无显著变化，3种球果的其他处理组的萌发指数都显著下降(P<0.05)，且萌发指数都随着试验温度的升高而下降。

表4 不同燃烧温度处理对3种球果种子萌发指数的影响

2.5 不同燃烧温度处理下3种球果种子萌发时滞比较

不同燃烧温度处理对3种球果种子的萌发时滞的影响见表5。

表5 不同燃烧温度处理对3种球果种子萌发时滞的影响Tab.5 Effects of different combustion temperatures onthe germination delay of three cones d

由表5可知，与对照组相比，PB和PP处理组的萌发时滞随着试验温度升高而增加。由表5知，与对照组相比，PS在400 ℃ +3 min下的萌发时滞显著增加(P<0.05)；PS在500 ℃+3 min下的萌发时滞与对照组无显著差异。

2.6 不同燃烧温度处理下3种球果种子萌发历时比较

不同燃烧温度处理对3种球果种子的萌发历时的影响见表6。由表6可知，与对照组相比，3种球果种子的萌发历时都随着试验温度升高而缩短；且PS在500 ℃+3 min 下的萌发历时已缩短到极低水平(1 d)。

表6 不同燃烧处理对3种球果种子萌发历时的影响Tab.6 Effects of different combustion temperatures ongermination duration of three cones d

2.7 不同燃烧温度处理下3种球果种子幼苗生长比较

不同燃烧温度处理下3种球果种子的幼苗生长比较结果见图1～图2。

图1 不同燃烧温度处理下3种球果幼苗株高比较注：燃烧时间均为3 min,下图同。Fig.1 Comparison of plant height of three cone seedlings under different burning temperature

图2 不同燃烧温度处理下3种球果幼苗根长比较

由图1和图2可知，与对照组相比，PB的株高和根长在400 ℃+3 min、500 ℃+3 min下有所提高，而在600 ℃+3 min下则稍微降低。与对照组相比，PS的株高和根长在400 ℃+3 min下有提高，而PS的株高和根长在500 ℃+3 min下则显著降低(P<0.05)；与对照组相比，PP的株高和根长无明显变化。无论是株高还是根长，在相同试验条件下的生长量：PB>PS>PP。同时，无论是株高还是根长都随着试验温度的升高先增加后降低。

3 讨论与结论

种子对高温的响应会随着试验温度和时间的变化而变化，过高的温度或者时间都会导致种子的死亡[21-22]。2种形式其实都是高温的一种强化，对种子萌发的影响相似[23]。随着燃烧温度的升高，3种球果的种子各项萌发指标(除了萌发时滞)都在降低。萌发时滞的升高表明随着温度升高种子启动萌发的时间增加，这与其他萌发指标的结果指向一致。本试验结果与Shaw和Linhart的试验结果相吻合，Shaw的研究表明，当球果内温度达到100 ℃(种子的安全温度)时，球果外部温度已在421～508 ℃之间[19]；而Linhart的研究就证明了种子在暴露状态下当温度升高到125 ℃时种子被烧死[17]。所以设置的试验温度已经达到或者大大超过了种子的安全温度，种子存活数和种子活力都会大幅降低。在相同燃烧温度下，燃烧时间的增加，种子被烧死的概率陡然增加，当燃烧时间增加到5 min时，所有试验温度下均已完全没有种子萌发。燃烧的持续时间会严重影响种子的存活。

3种不同大小球果获得的种子，其幼苗根生长和植株株高都随着试验燃烧温度先升高后降低。高温处理后的种子所萌发幼苗后续生长能力因为高温的作用有所提高，但是高温的作用是有阈值的，一旦超过种子的承受能力势必会破坏其生长能力。

本试验结果显示球果越大，球果鳞片厚度越厚，种子距离球果表面越远，被火侵害的机会越小，降温保护效果越明显。这与土壤种子库中的种子随在土壤中的埋藏深度增加，在火中被侵害的几率降低的结果相类似[24]。从着火到最终种子的萌发和幼苗的形成是非常复杂的过程，本试验结果表明在野火发生时球果对其内种子的降温保护作用显著，球果延迟开放是云南松种群对易发生林火生境的一种繁殖更新适应。