广西不同种源任豆种子萌发和幼苗生长特性的对比研究

(广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所， 广西 桂林 541006)

任豆(ZeniainsignisChun)，又名翅荚木，是苏木科落叶大乔木，国家二级重点保护野生植物，也是中国特有的单种属植物，主要分布在我国南部和西南部的石灰岩地区[1]， 其中广西是最重要的分布区之一。任豆高20～30 m，胸径可达1 m，树冠伞形，幼果初为红色，生长在枝头顶端，具有很高的观赏价值，可以作为园林绿化观赏树种；任豆的材质细致，易加工，干后不易开裂，是一种理想的人造板生产原料，可广泛应用于建筑、室内装修等行业，叶还可作饲料，枝干可作为紫胶虫的寄主[1]。

我国西南喀斯特分布面积很大，石漠化非常严重，石漠化治理已成为国家和学术界广泛关注的问题[2]。任豆因其适应能力强，根粗壮发达，穿透力强，可在石缝中生长，已成为石漠化治理的主要造林树种[3]。国内学者对于用任豆进行石漠化造林的相关问题进行了较多研究，如任豆混交林营造技术[4]、综合开发利用[5]、引种栽培和扦插育苗[6-7]等。种子的萌发和幼苗的生长也是任豆石漠化造林的重要内容，相关学者对种子的处理和最优萌发条件开展了很多研究[8-11]，但这些研究对象多是基于单一种源地的种子，对于任豆种子的萌发前处理有很重要的参考价值，但无法用于指导种源的选择等问题。林玮等[12]对5省21个采样点任豆种子的性状变异进行了研究，发现任豆种子的性状长度、宽度和百粒种子质量存在明显的地理差异，这一研究表明不同种源地种子可能在萌发特性和幼苗生长特性方面存在差异；但该研究没有进行不同种源地种子萌发和幼苗生长特性差异的研究，因此也无法直接用于指导任豆的种源选择。邝雷等[13]对3省12个取样点的任豆苗期生长特性差异进行了对比研究，发现任豆的苗高生长和地径生长与经纬度存在相关关系，与部分气候因子也存在显著的相关关系。该研究为任豆种源的选择提供了较好的参考，但没有对不同种源的任豆种子的萌发特性进行对比，而且在研究幼苗生长性状差异的影响因素时仅考虑了经纬度和气象因子的作用，对母树的生长状态、取样种子的质量差异以及取样点的环境特征等的影响缺乏考虑，而且取样点只有12个，相对偏少。

本研究在前人的研究基础上，通过布设相对较多的取样点，对广西任豆主要分布的区域系统取样，比较不同种源地任豆种子萌发特性和苗期生长特性差异，依据多元统计分析方法，分析母树生长状态、种子质量特征、经纬度和气候因子、取样点地形土壤等环境因子对不同种源地种子萌发和幼苗生长的影响。通过研究主要期望回答的科学问题包括： 1) 广西不同种源地任豆种子的萌发特性是否存在明显差异； 2) 不同种源地任豆的苗期生长特性是否存在明显差异； 3) 如果有差异，造成广西不同种源地任豆种子萌发和幼苗生长的产生差异的主要影响因子是什么。

图1 广西任豆种源采样点示意图

1 研究地区概况

种子萌发和幼苗生长试验在广西植物研究所内进行。广西植物研究所位于桂林市南郊的雁山区，地处北纬25°01′，东经110°17′,海拔180～300 m，属中亚热带季风气候区，年平均气温19.2 ℃，年平均降雨量1 865.7 mm，主要集中在4—8月，年均相对湿度78%，土壤为酸性红壤，pH 值为4.0～6.0。

2 材料与研究方法

2.1 野外采样与母树生长环境数据获取

根据《广西植物名录》中任豆的集中分布区资料[14]，结合实际踏查的任豆分布情况，从广西任豆集中分布区及其周边区域选取了23个采样地点，于2015年9—10月在采样点进行任豆种子采集，每个采样点根据任豆母树的分布情况，采集3颗以上的任豆母树的种子,母树之间的间隔在100 m以上。

野外记录采样母树的地理坐标、海拔、坡度、坡向、坡位、土壤类型等生长环境指标，同时测量母树的胸径(DBH)、高度和冠幅等生长情况指标。依据母树的地理坐标，在地球大数据科学工程数据共享服务系统中(http://data.casearth.cn/)获取母树所处网格的年均降水量和年均气温等气候数据。

2.2 研究方法

2.2.1不同种源果荚种子结实情况

从每个种源随机选取100个果荚，去除果皮和损坏的种子，记录正常种子的数量，并称量正常种子的总重量(精度0.01 g)。将每个种源的所有种荚均去皮获取所有正常种子，在正常种子中随机选择100粒种子称重，3次重复，计算各种源地的种子千粒重。

2.2.2不同种源种子萌发结束时间、发芽势、发芽率

参照唐文秀等[11]和覃勇荣等[10]的方法，用80 ℃热水进行浸种。任豆的种子发芽率相对较高，此法是任豆种子处理的首选方式。用80 ℃热水浸泡各种源种子3～4 min，调温至40 ℃继续浸泡至自然冷却，共浸泡5 h，室温25 ℃。然后直接播于栽培容器中，播种深度1.5 cm，栽培容器为规格23 cm×18 cm的营养杯，栽培基质采用酸性新土，雾状喷灌管理,保持土壤湿润。从每个种源地各选择90粒种子进行种子萌发实验，3个重复，每个重复30粒。从种子萌发之日起每天记录种子萌发情况，直至无种子萌发为止。种源地种子完全萌发的时间统计方法为：一个种源地第一颗种子萌发开始至该种源地最后一颗萌发种子的时间间隔长度。发芽势、发芽率的测定参照国际种子检验规程进行[15]。

发芽势(%)=(第7天发芽种子数/供试种子总数)×100%；

发芽率(%)=(第14天发芽种子数/供试种子总数)×100%。

2.2.3不同种源幼苗生长量对比试验

种子萌发完后，每个栽培器皿中留下长势相近的1株幼苗，每个种源共30株，3个重复。实验在培育大棚中进行，大棚上遮盖90%的遮阳网，雾状喷灌管理, 保证所有幼苗的培育条件具有一致性。6月播种，所有幼苗栽培6个月后，12月份对全部栽培植株的高度生长量和地径生长量进行测量记录。

2.3 数据处理分析

采用Excel 2016软件进行数据的预处理。对于广西不同种源地任豆种子的千粒重、发芽率、发芽势、幼苗的生长量的总体差异采用One-way ANOVA方法进行检验，不同种源地之间的两两比较采用TukeyHSD多重比较进行检验，采用R语言3.5.2版本完成以上方差分析和多重比较检验[16]。

为了找出不同种源地任豆种子萌发和幼苗生长的主要影响因子，选取母树生长特征、种子质量特性和取样点环境因子等三大类共15个影响因子，采用典范对应分析(Canonical correspondence analusis, CCA)对不同种源地种子发芽势、发芽率、幼苗基径生长量和高度生长量与15个影响因子的关系进行模型拟合分析，详细的分析方法见参考文献[17]。15个影响因子主要包括母树生长状态的指标3个(母树胸径、母树高度、母树冠幅)、种子质量特征指标2个(种子千粒重、每果荚种子数量)和取样地环境因子指标10个(取样点经度、纬度、年均降雨量、年均气温、海拔、坡向、坡度、坡位、土壤类型、地形类型)。采用蒙特卡罗置换检验置换999次进行不同影响因子对任豆种子萌发和幼苗生长作用的显著性检验。以上分析在R语言3.5.2版本中采用Vegan分析包完成[16]。

表1 广西不同种源地任豆结实种子情况

采集编号采集地点经度(°E)纬度(°N)果荚数量/个种子数量/颗平均种子数/果荚千粒重/gS01凌云洪村106.61324.3041002492.4945.40±1.58S02凌云加尤106.66324.507100550.5538.42±0.58S03乐业县城106.53824.7561003113.1145.00±4.25S04田阳洞靖106.59523.681100770.7748.44±2.27S05德保隆桑106.84323.4711001751.7546.13±0.18S06德保定夜106.82023.4591002152.1543.49±1.70S07靖西庞凌106.32723.1941002022.0248.66±1.08S08那坡坡荷105.90723.3431001401.4055.70±0.36S09大新西宁107.30822.919100870.8739.15±2.75S10平果新安107.50323.3161002172.1741.12±3.12S11大化岩滩107.54623.9861001631.6343.15±0.77S12马山白山108.14323.7121001241.2448.10±1.92S13上林西燕108.59023.583100920.9237.10±5.77S14都安高岭108.04724.0531002462.4645.22±1.12S15南丹同贡107.35324.899100750.7551.24±0.80S16宜州怀远108.50524.5511002162.1652.39±1.40S17忻城红渡108.62023.9121002952.9552.46±1.46S18桂林雁山110.29725.0741001841.8442.57±0.55S19阳朔金宝110.32124.7981001021.0240.19±1.93S20荔浦马岭110.39824.6121004654.6546.23±1.60S21平乐湖洋110.81724.6551002172.1738.25±2.01S22恭城和平110.85224.8611003273.2743.14±0.99S23资源河口110.30425.9641002842.8446.77±0.67

3 结果与分析

3.1 不同种源地种子结实情况之间的差异

依据任豆100个果荚中种子的结实饱满度的比较结果，不同种源种子数量有相当大的差异(表1)。最少的是采自凌云加尤市场后山(采样编号S 02)，只有55粒，与采自荔浦马岭镇的465粒相比，相差了410粒。100个果荚中，种子少于100粒的有5个采集地点，100～200粒之间的有6个，200～300粒之间的有9个，300～400粒之间2个，400粒以上的1个。从结实饱满度而言，荔浦(465粒)>恭城(327粒)>乐业(311粒)>忻城(295粒)>资源(284粒)>凌云S 01(249粒)>都安(246粒)>平乐(217粒)。

从种子的千粒重来看，各种源任豆种子的千粒重在37.10～55.70 g之间，最大和最小相差18.6 g，不同种源地的种子千粒重总体存在显著差异(图2)。40 g以下的有4个地点，40～50 g之间的有15个，50 g以上有4个，千粒重最重的分别来自那坡S 08(55.70±0.36)g>忻城S 17>宜州S 16>南丹S 15>靖西S 07>田阳S 04(48.44±2.27)g。

图2 广西不同种源任豆的千粒重变化(采集编号同表1)

3.2 不同种源种子完全萌发时间、发芽势、发芽率对比

从种子萌发完全结束所需要的时间进行比较，所需时间较长的有德保S 06、都安S 14、阳朔S 19，完全萌发时间均超过20 d(图3)；萌发时间最短的为荔浦S 20 (11 d)，其次是德保S 05(12 d)、那坡S 08(12 d)，靖西S 07、宜州S 16、恭城S 22、资源S 23、大新S 09、忻城S 17等地的完全萌发时间也相对较短，均少于14 d。总体来看，14 d完全萌发的有9个种源地，占39.13%；15 d的4个，16 d 2个，17 d 3个，18 d 2个，20 d以上的有3个种源地(图3)。

图3 广西不同种源任豆种子完全萌发时间变化(采集编号同表1)

种子7 d的发芽势统计分析结果表明，23个种源地的任豆种子发芽势总体存在显著差异(表2)，其中发芽势最低的为德保S 06采样点，大化S 11和马山S 12的种子发芽势也比较低；发芽势较高的有资源S 23、德保S 05、荔浦S 20、宜州S 16、恭城S 22和那坡S 08等种源地的种子，发芽势均超过70%以上(表2)；整体来看，发芽势70%以上的有6个，占26.09%，60%以上1个，50%以上2个，50%以下18个，占78.26%。

方差分析结果表明，广西不同种源地任豆种子14 d萌发的发芽率总体存在显著差异(表2)。各种源地的种子经促萌发处理后，种子的萌发率大部分都很高，发芽率在90%以上的有14个种源地，占51.85%； 80%以上的7个种源地，占25.93%，70%以上的3个，占11.11%，50%及以下仅有3个，占11.11%。发芽率低的种源地如桂林S 18、大新S 09、德保S 06与发芽率高的种源地如都安S 14、马山S 12、忻城S 17、宜州S 16、荔浦S 20等之间存在着显著的差异。

3.3 不同种源幼苗生长量的对比

广西不同种源任豆的幼苗高度生长分析结果表明，不同种源地苗高生长量总体存在显著差异(表3)。不同种源地任豆幼苗株高在43.04～69.76 cm之间，相差26.72 cm。其中，采自恭城S 22、平乐S 21、乐业S 03、阳朔S 19、荔浦S 20这5个种源地的幼苗株高生长量相对较大，均超过60 cm以上，且这5个种源地间的苗高生长量差异不显著；幼苗高度生长量相对较低的为大化S 11、平果S 10、马山S 12、德保S 06、南丹S 15等种源地，苗高生长量均小于50 cm，且与苗高生长量排前10位的种源地之间存在显著差异。

表2 广西不同种源任豆种子发芽势和发芽率对比

采集编号采集地点发芽势/% 发芽率/% S01凌云洪村23.33±6.67ghi84.44±4.00abcS02凌云加尤15.56±2.22ij87.78±4.84abcS03乐业县城35.56±4.84efgh78.89±8.01bcS04田阳洞靖26.67±3.33fghi80.00±1.92abcS05德保隆桑77.78±2.22ab93.33±1.92abS06德保定夜0.00±0.00j44.44±9.69dS07靖西庞凌57.78±2.94bcd85.56±2.94abcS08那坡坡荷71.11±8.01ab92.22±2.94abS09大新西宁57.78±2.94bcd71.11±2.94cS10平果新安44.44±6.76cdef91.11±4.00abS11大化岩滩7.78±2.22ij80.00±6.94abcS12马山白山10.00±1.94ij95.56±2.94abS13上林西燕36.67±5.09efg85.56±4.00abcS14都安高岭47.78±2.22cde97.78±1.11aS15南丹同贡16.67±3.33hij93.33±1.92abS16宜州怀远74.44±2.22ab94.44±2.22abS17忻城红渡24.44±2.94ghi95.56±1.11abS18桂林雁山27.78±4.84fghi77.78±2.94bcS19阳朔金宝62.22±8.01bc91.11±1.11abS20荔浦马岭76.67±8.38ab94.44±2.94abS21平乐湖洋42.22±7.29defg91.11±4.00abS22恭城和平74.44±2.93ab92.22±4.44abS23资源河口87.78±1.11a92.22±1.11ab

注：数据为平均值±标准误差；表中同列数据后的相同字母是在0.01水平上差异不显著。下同。

表3 广西不同种源任豆幼苗生长量对比

采集编号采集地点幼苗高度/cm 幼苗地径/mm S01凌云洪村53.08±1.48cde4.48±0.06abcS02凌云加尤53.73±0.61cd4.12±0.02abcS03乐业县城63.29±1.20ab4.72±0.18abS04田阳洞靖52.48±1.80cdef4.37±0.05abcS05德保隆桑56.10±1.38bc4.45±0.10abcS06德保定夜43.51±1.88g4.09±0.11abcS07靖西庞凌47.68±0.50defg4.06±0.18abcS08那坡坡荷53.16±1.18cde4.22±0.15abcS09大新西宁50.73±1.39cdefg4.15±0.13abcS10平果新安45.08±1.27efg4.05±0.06abcS11大化岩滩45.46±0.61efg4.18±0.02abcS12马山白山44.86±1.63fg4.02±0.14abcS13上林西燕47.33±1.09defg4.09±0.09abcS14都安高岭52.50±1.37cdef4.11±0.17abcS15南丹同贡43.04±1.83g3.52±0.09cS16宜州怀远54.15±0.56cd4.01±0.10abcS17忻城红渡51.72±4.69cdef3.95±0.76abcS18桂林雁山58.82±2.33bc4.31±0.25abcS19阳朔金宝62.68±1.06ab3.96±0.07abcS20荔浦马岭62.03±0.28ab4.53±0.52abcS21平乐湖洋66.66±2.29a4.78±0.15aS22恭城和平69.76±4.20a4.45±0.27abcS23资源河口58.48±1.40bc3.66±0.29bc

地径生长量的统计分析结果与苗高生长量分析结果相似，不同种源地之间的任豆幼苗地径生长量总体存在显著差异(表3)。任豆幼苗地径最大是来自平乐(4.78±0.15)mm，最小的是来自南丹(3.52±0.09)mm，相差1.26 mm，平乐与资源、南丹有极显著性差异(p<0.01)，而与其他来源则无差异。总体来看，大部分种源地之间的幼苗地径生长量的差异不显著，只有少部分种源地之间的地径生长量存在显著差异 。幼苗的地径从大至小为：平乐(4.78±0.15)mm>乐业>荔浦>凌云-1>恭城>德保-1(4.45±0.10)mm。

3.4 不同种源任豆种子萌发和幼苗生长影响因子的典范对应分析

广西不同种源地任豆种子萌发与幼苗生长与影响因子间的CCA分析结果如图4所示。从CCA的分析结果可见，高度生长量与地径生长量的间隔较远，表明两者相关性不强，即高度生长量大的种源地，其幼苗的地径生长量不一定大；发芽势和发芽率之间的距离较近，表明两者间的相关性较强，一般发芽势高的种源地其发芽率也相对较高。代表萌发特性的指标与代表幼苗生长特性的指标之间距离也相对较远，表明任豆种子萌发与幼苗生长特性之间的关联程度不高。

注：箭头连线代表影响因子，连线长度代表影响大小，连线与排序轴的夹角代表影响因子与排序轴的相关性，夹角越小相关性越高。图4 广西不同种源任豆种子萌发与幼苗生长与影响因子的典范对应分析

由图4可见，每果荚种子数、样点年均降雨量、经度、纬度、坡向、千粒重、样点年均温度等因子的箭头连线较长，表明这些因子对广西不同种源地任豆种子萌发和幼苗生长的影响较大，其它因子如母树胸径、株高、样点地形、土壤、坡度等的连线很短，说明这些因子对任豆种子萌发和幼苗生长的作用不明显。从箭头连线方向和夹角来看，每果荚种子数、降雨、纬度等因子与高度生长量夹角较小且方向一致，表明这些因子对高度生长量存在很强的正影响，而温度和坡向等因子与高度生长量方向相反，表明这些影响因子对高度生长量存在负的影响作用；样点年均降雨量、纬度、经度等对种子发芽率和发芽势等存在较强的正影响，样点年均温度和坡向等因子对种子萌发特性有较强的负影响。地径生长量与大部分影响因子的距离均较远，夹角也较大，说明大部分因子对任豆幼苗的地径生长作用均不明显。表4的CCA模型显著性检验结果表明，对不同种源地任豆种子萌发和幼苗生长有显著作用的因子有每果荚种子数、样点的经度、样点的年均降雨量和样点的坡向等4个因子，其它因子的影响均不显著。

表4 广西不同种源任豆种子萌发和幼苗生长影响因子的典范对应分析显著性检验结果

影响因子 与排序轴1相关性与排序轴2相关性决定系数R2p值母树胸径0.127-0.9920.0020.98母树株高-0.9410.3390.0180.82母树冠幅-0.735-0.6780.1210.27每果荚种子数0.9970.0750.2680.05种子千粒重-0.341-0.9400.1700.16样点经度0.917-0.3990.2900.03样点纬度0.857-0.5150.1930.11样点年均降雨0.988-0.1520.3360.02样点年均气温-0.9570.2900.1740.16样点海拔0.3480.9380.0260.75样点坡向-0.284-0.9590.2480.05样点坡度0.408-0.9130.0220.79样点坡位0.4270.9040.0680.49样点土壤类型0.738-0.6740.0350.71样点地形0.9870.1620.0350.70

4 讨论与结论

在我国西南喀斯特地区，任豆是一种特有的喀斯特珍稀濒危树种，在广西、云南、贵州、湖南、广东均有分布。由于喀斯特地貌生存环境特殊，地形比较破碎，容易造成分布于不同地理位置的任豆居群形成地理上的隔离，而不同地理种源的任豆居群在局域环境中长期生长繁殖，可能会促使其不同种源地的居群产生遗传分化[12]，最终会导致不同种源地任豆居群在种子萌发和幼苗生长特性等方面产生差异。本研究在任豆主要分布区之一的广西区较为系统地收集了23个种源地的任豆种源，对不同种源地种子萌发特性和幼苗生长特性的研究表明，种子完全萌发时间最短的和最长的相差13 d，而发芽势之间的差异更为明显，最低的德保S 06为0，最高的资源S 23为87%左右；不同种源地之间的发芽率差异也非常明显，最低的只有44%左右，而最高达到97%。以上研究结果说明，广西不同种源地的任豆种子在萌发特性上存在显著的种源间差异。广西不同种源地任豆的幼苗生长特性同样存在显著的差异，表现出明显的种源效应。不同种源地任豆幼苗株高生长量总体表现出显著差异，最低的种源地和最高的种源地相差约26 cm。地径生长量总体也表现出显著差异，但差异较苗高生长量的要小，大部分种源地之间的幼苗地径生长量的差异不显著，只有少部分种源地之间的地径生长量存在显著差异 。而从CCA分析的结果来看，不同种源地种子萌发特性与幼苗生长特性间的相关性不强。以上结果表明，在应用任豆进行石漠化治理时，任豆种源的选择是非常重要且必要的，而且由于种子萌发特性与幼苗生长特性之间的关联不强，因此种源选择时，需要综合考虑不同种源地种子萌发特性和幼苗生长特性的差异。

任豆种子萌发与幼苗生长等特征与地理环境条件方面的研究目前很少见到报道[18]，而这一问题涉及任豆种源地的选择，同时也是任豆种质资源保护和遗传改良的基础问题。林玮等研究表明，任豆种子大小等性状存在明显的地理变异，任豆种子大小与温度呈极显著负相关，与降水量呈正相关[12]。邝雷等研究表明，幼苗高度生长与纬度呈正相关，但与经度呈负相关，地径生长与纬度呈负相关，种源苗高生长与地径生长与气候因子均呈负相关关系[13]。本研究结果发现，降雨、纬度因子对高度生长量存在很强的正影响，而温度和坡向等因子对高度生长量存在负的影响作用；大部分因子对任豆幼苗地径生长的影响不明显。这一研究结果部分与邝雷等[13]的研究结果一致，部分研究结果相反，其原因可能与研究的范围不完全一致、种源地的多少及统计分析方法不同等存在一定关系。

通过广西不同种源地任豆种子萌发与幼苗生长等特性与15个影响因子之间的多元统计分析结果发现，种子萌发与幼苗生长等特性不仅受到大的地理与气候条件影响，同时也受到局域环境条件如母树所处的坡向的显著影响，此外也与母树所产种子的质量特性如每果荚种子数密切相关。因此，在任豆种源选择时需要综合考虑经纬度、年均降雨量、种源地的坡向及母树所产果荚的种子数量等特征。从本研究结果看，经度越大(即越偏向东部)、年均降雨量越大、坡向为东向或东南向的种源地，其种子的萌发和幼苗的生长表现越好。具体到本研究的种源地来看，广西荔浦、恭城等种源地的种子萌发和幼苗生长等特性综合表现较好，在种源选择时可以优先考虑。