胡勐鴻 王軍輝 李青粉

(國家林業(yè)局林木培育重點實驗室(中國林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所)，北京，100091)

粗枝云杉(Picea asperata)是我國特有的森林樹種，是四川西北部、甘肅東南部和陜西南部亞高山地區(qū)森林演替的頂級群落。由于材質(zhì)硬、質(zhì)量輕、顏色淺、紋理細(xì)密、質(zhì)地均勻、纖維長，是西南部亞高山地區(qū)主要建筑用材樹種和纖維造紙的良材[1－4]。粗枝云杉適應(yīng)性強，是鄉(xiāng)土云杉種中生長最快的種[1]，采種、育苗、造林相對容易，加之國家對發(fā)展云杉紙漿材的大力支持，人工林面積在不斷擴大[5]。良種尤為重要，但如何提高種子產(chǎn)量和品質(zhì)是亟待解決的問題。由于球果大小與種子數(shù)量和質(zhì)量密切相關(guān)[6－8]，種子蟲害度與種子品質(zhì)有關(guān)，從而影響種子的萌發(fā)、苗木質(zhì)量和子代后期生長[9－11]。國外對輻射松(Pinus radiate)球果發(fā)生發(fā)育的研究已深入分子水平[12－13]。國內(nèi)對油松(Pinus tabulaeformis)、馬尾松(Pinus massonian)雌球花早期形成和球果發(fā)育進行過研究[14－17]，馬建偉等[18]對云杉開花生物學(xué)做過研究。但是關(guān)于云杉球果發(fā)生發(fā)育規(guī)律的研究還未見報道。隨著云杉遺傳改良的發(fā)展和高世代種子園管理的要求，需要更精細(xì)地掌握球果和種實的發(fā)育進程，進行適時管理，對提高種子產(chǎn)量和品質(zhì)具有一定的積極意義。為此本研究在沙壩落葉松/云杉良種基地觀察了粗枝云杉球果發(fā)生發(fā)育過程中形態(tài)特征的變化，并研究了球果長、腹徑、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、含水率的年變化趨勢，為種子園精細(xì)化管理和云杉遺傳改良提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

甘肅小隴山沙壩國家落葉松、云杉林木良種基地位于 105°51'27″～105°54'51″E，34°07'28″～34°10'22″N，海拔 1560～2019 m，年均氣溫 7.2 ℃、極端最高氣溫32℃、極端最低氣溫－27℃、年均降水量1012.2 mm，降水集中分布在7—9月份，一般夏秋雨占年降水量的70%～80%，年蒸發(fā)量988～1658 mm，平均相對濕度78%，平均日照時間1553 h。≥10℃的有效積溫2480℃、無霜期154～185 d。

1.2 材料與方法

研究材料為處于沙壩國家落葉松、云杉林木良種基地選擇的進入正常開花結(jié)實期，且生長正常的粗枝云杉。粗枝云杉材料由“國家林木種質(zhì)資源平臺—云杉種質(zhì)資源保存庫”提供。

2008—2009年觀察了粗枝云杉球果發(fā)育過程中形態(tài)特征的變化。2008年選擇了1株開花結(jié)實的粗枝云杉，在樹冠中部外圍選擇30個雌球花，成熟后量取雌球花的長和腹徑，當(dāng)雌球花授粉結(jié)束幼果形成后，定期測量球果長和腹徑(最寬處)(以下同)。時間從雌球花授粉結(jié)束形成幼果到種子成熟期。球果形成后每15 d用鋼卷尺測球果長LC，用游標(biāo)卡尺測定腹徑WC，精度0.1 cm，從4月28日開始到8月30日結(jié)束。球果完成授粉后每隔7 d隨機采取3個球果進行斷面觀察，觀察種子形成過程。

2009年選擇了10株開花結(jié)實的粗枝云杉，當(dāng)球果形成后每10 d從每個單株的樹冠中部外圍隨機摘取5枚球果，立即裝入密封袋內(nèi)。在室內(nèi)用電子天平稱取每個球果的鮮質(zhì)量，精度0.01 g，采用電子游標(biāo)卡尺測量球果的長、腹徑(精度0.01 mm)。隨后將球果置于烘干箱內(nèi)，105℃烘48 h，再將溫度控制在75℃條件下，烘干72 h，取出立即用電子天平稱取干質(zhì)量;球果含水率MC=((鮮質(zhì)量－干質(zhì)量)/干質(zhì)量)×100%。從5月10日開始到9月22日結(jié)束，共取樣11次。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

分別以2008—2009年球果長、球果腹徑，2009年球果含水率、球果鮮質(zhì)量、干質(zhì)量以及種實發(fā)育隨年生長期進展的動態(tài)變化趨勢值，采用Excel繪制球果性狀隨生長期變化的曲線圖。以2009年球果長、腹徑、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、含水率觀察值的平均值為因變量Yi(i為球果性狀)，生長期為自變量t，采用SPSS 16.0做了10種擬合曲線(表1)。根據(jù)相關(guān)系數(shù)R和T檢驗結(jié)果選擇出具有生物學(xué)意義的擬合方程。

2 結(jié)果與分析

2.1 球果形態(tài)特征的變化

粗枝云杉球果由授粉雌球花發(fā)育而成。觀測株授粉時雌球花平均長 2.5～3.3 cm、腹徑 0.9～1.2 cm，最長可達4.6 cm、腹徑最大可達1.3 cm。由球花前向上部逐漸上翻伸展，授粉后果鱗緊包球果，至晚期球花呈蜂窩狀，紫紅色直立于新梢莖端。通常4月下旬發(fā)育達授粉期，持續(xù)2～3 d，授粉結(jié)束。雌球花鱗片由基部向上迅速關(guān)閉(2～3 d)，形成球果雛形。4月末到5月初球果形成后迅速生長，呈紫紅色、直立。5月上旬至5月中旬開始下垂。轉(zhuǎn)而5月下旬到6月初球果開始逐漸變綠并有樹脂分泌。6月初球果較軟，從球果橫斷面和縱斷面觀察，種子雛形形成，有了完整的種翅、種皮，種子內(nèi)含物呈白色糊狀，種胚開始發(fā)育，以后逐漸充實直至9月初成熟(圖1)，6月中旬球果開始變堅硬并隨種子發(fā)育有種實害蟲發(fā)生，6月下旬到7月中旬第1次生理落果，7月下旬第2次落果。7月中旬球果種鱗先端逐漸變紅。8月中旬球果顏色轉(zhuǎn)為褐色或栗褐色。8月中旬隨著種子逐漸飽滿有蟲害發(fā)生。9月初種子成熟，9月下旬隨著球果的干縮鱗片開始開裂，種子散落。

表1 粗枝云杉球果性狀的10個擬合方程

圖1 粗枝云杉球果橫斷面及縱斷面(6月初)(原圖大小3264×2448，攝影相機DSC－T70)

2.2 球果長的年生長規(guī)律

從2008、2009年球果長生長期的變化曲線(圖2)可以看出:粗枝云杉球果長度生長從4月下旬花期一直持續(xù)到6月下旬，球果長的生長期約60 d。速生期從球果形成初(4月下旬或5月初)到6月初，生長期45 d左右，速生期平均生長2.4 mm·d－1，占總生長量的99.2%以上。從6月初到6月底球果長生長趨緩，平均生長不足0.2 mm·d－1。到6月底球果長達最大值(113.6 mm)，此后球果長生長停止。

圖2 粗枝云杉球果年生長曲線

粗枝云杉球果長度年生長符合S型曲線，生長模型為Y=exp(b0+b1/t)。經(jīng)檢驗系數(shù)b0(t=254.847，Sig＜0.01)、b1(t= －13.271，Sig＜0.01)對方程均具有顯著意義。生長模型參數(shù)見表2。

表2 粗枝云杉球果性狀擬合方程

2.3 球果腹徑年生長規(guī)律

從粗枝云杉球果腹徑生長曲線(圖2)可以看出:粗枝云杉球果腹徑生長期從4月末的授粉到球果穩(wěn)定大小的6月底止，生長期約60 d。生長高峰期從4月末的授粉到6月下旬間，約45 d，平均日生長量 0.51 mm·d－1，占年生長量的 97.84%。從 6 月下旬到7月下旬，球果腹徑生長進入緩慢生長期，平均日生長約0.02 mm，到7月底球果腹徑年生長達到最大值(25.37 mm)。球果腹徑生長期比球果長生長期長30 d左右。這與種子形成有關(guān)。球果腹徑年生長規(guī)律符合S型生長曲線。經(jīng)檢驗，系數(shù)b0(t=598.560，Sig=＜0.01)、b1(t= －28.183，Sig＜0.01)均具有顯著意義。生長模型參數(shù)見表2。

2.4 球果鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的年變化規(guī)律

由圖3可見，粗枝云杉球果鮮質(zhì)量和干質(zhì)量隨球果長和腹徑的生長而不斷增加。球果鮮質(zhì)量從雌花形成初期到6月中旬隨球果長和腹徑的生長而迅速增加，鮮質(zhì)量平均增加1.38 g·d－1，從6月中旬到7月中旬增長趨緩，到8月中旬達到最大值(44.45 g)。此后球果鮮質(zhì)量開始下降，從8月中旬到9月中旬球果鮮質(zhì)量迅速下降，9月中旬后球果鮮質(zhì)量略有回升(0.87 g)。球果干質(zhì)量的增加是不可逆的，反映了球果干物質(zhì)的積累，干質(zhì)量從雌花形成到7月中旬一直在增加，平均干質(zhì)量增加0.258 g·d－1，7 月中旬達到最大值(19.38 g)，球果形態(tài)已經(jīng)成熟，將進入種子生理成熟階段。到9月隨著種子成熟，球果干質(zhì)量略有增加(0.20 g)。球果鮮質(zhì)量、干質(zhì)量隨生長期的變化模型符合S型曲線。生長模型參數(shù)見表2。

圖3 粗枝云杉球果含水率及質(zhì)量隨生長期的變化

2.5 球果含水率的年變化規(guī)律

球果含水率隨球果的生長發(fā)育而呈下降趨勢(圖3)。粗枝云杉雌花形成初期含水率最高，可達564.5%，隨著球果的生長發(fā)育含水率不斷下降。從球果形成到7月中旬含水率迅速下降，到7月中旬時含水率降至 116.35%，平均下降 5.98%·d－1。在7月中旬到8月中旬間，球果含水率又有所升高，除與種子生理成熟有關(guān)外，還與氣象因子有重要關(guān)系，研究區(qū)全年降水量集中分布在7—9月份。從8月中旬到9月中旬球果含水率又呈迅速下降趨勢，到9月中旬隨著球果干縮含水率降至21.91%，平均下降3.88%·d－1。9月中旬后隨著種子成熟含水率保持穩(wěn)定。因此含水率可作為衡量種子成熟的指標(biāo)之一;當(dāng)球果含水率維持在21%左右時，表明種子已經(jīng)成熟。這時采收的種子品質(zhì)最適宜儲藏。球果含水率的年變化規(guī)律符合Logstic曲線，模型為Y=1/(1/u+b0(b1t))。經(jīng)檢驗，系數(shù) b0(t=3.714，Sig=0.006)、b1(t=342.478，Sig＜0.01)對 Logistic 擬合方程均具有顯著意義。含水率變化模型參數(shù)見表2，其中u為含水率極限值。

3 結(jié)論與討論

粗枝云杉球果從雌球花出現(xiàn)到種子成熟約145 d(4月下旬到9月下旬)。球果長、腹徑、鮮質(zhì)量和干質(zhì)量的年變化規(guī)律符合S型曲線。球果長、腹徑的生長期約60 d，腹徑的生長期比球果長的生長期略長。鮮質(zhì)量、干質(zhì)量隨球果長、腹徑的生長而增加。球果長、腹徑從球花出現(xiàn)到6月中旬為速生期，速生期時段的生長量分別占年生長量的99.2%和97.84%。速生期是肥水管理的關(guān)鍵期。

粗枝云杉球果含水率隨球果的生長發(fā)育而呈下降趨勢，從雌球花形成初期的最高到種子成熟時下降到最低和基本穩(wěn)定，在7月中旬到8月中旬間，球果含水率有所升高，可能是種子形成過程的表現(xiàn)。這與氣象因子有關(guān)，因為當(dāng)?shù)啬杲邓蟹植荚?—9月份。當(dāng)種子成熟時球果含水率保持在21.9%左右，含水率可作為確定種子采收時間的指標(biāo)之一。含水率的年變化符合Logistic方程。

依據(jù)球果形成后形態(tài)特征和球果性狀(長、腹徑、鮮質(zhì)量、干質(zhì)量、含水率)的年變化趨勢，可將球果發(fā)育劃分為長度和腹徑的生長盛期、種胚發(fā)生和生長期、失水成熟期3個階段。雌球花先完成球果大小的生長后開始種胚生長，即球果營養(yǎng)體生長在前，種子發(fā)育在后。隨著云杉人工林面積的不斷增加，需要不斷進行遺傳改良，提高種子產(chǎn)量和品質(zhì)。適時管理對樹木開花結(jié)實、種子產(chǎn)量和品質(zhì)有很大的影響[21－22]，掌握球果和種實發(fā)育進程，對云杉種子園適時管理、進行遺傳改良，提高種子園產(chǎn)量和品質(zhì)具有積極意義。

[1]馬常耕.世界云杉無性系林業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀[J].世界林業(yè)研究，1993(6):24－31.

[2]羅建勛，顧萬春.云杉天然群體種實性狀變異研究[J].西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，32(8):60－66.

[3]羅建勛，李曉清，孫鵬，等.云杉天然群體的表型變異[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003，31(1):9－11.

[4]羅建勛，顧萬春.云杉天然群體表型多樣性研究[J].林業(yè)科學(xué)，2005，41(2):66－73.

[5]四川粗枝云杉紙漿材協(xié)作組.粗枝云杉天然林優(yōu)樹的性狀變異特征與選擇標(biāo)準(zhǔn)劃分[J].四川林業(yè)科技，2002，23(1):15－20.

[6]Lopez J，Devesa J A，Ortega-Olivencia A，et al.Production and morphology of fruit and seeds in Genisteae(Fabaceae)of southwest Spain[J].Botanical Journal of the Linnean Society，2000，132(2):97－120.

[7]王軍輝，顧萬春，萬軍，等.榿木不同種源球果及種子性狀的遺傳變異[J].東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006，34(2):1－4，17.

[8]Ruiz R G，Price K R，Rose M E，et al.Effect of seed size and testa colour on saponin content of Spanish lentil seed[J].Food Chemistry，1997，58(3):223－226.

[9]Khan M L，Bhuyan P，Shankar U，et al.Seed germination and seedling fitness in Mesua ferrea L.in relation to fruit size and seed number per fruit[J].Acta Oecologica，1999，20(6):599－606.

[10]Eriksson O.Seed size variation and its effect on germination and seedling performance in the clonal herb Convallaria majalis[J].Acta Oecologica，1999，20(1):61－66.

[11]Khurana E，Singh J S.Influence of seed size on seedling growth of Albizia procera under different soil water levels[J].Annals of Botany，2000，86(6):1185－1192.

[12]Mouradov A，Glassick T，Hamdorf B，et al.Molecular control of early cone development in Pinus radiata[J].Protoplasma，1999，208(1/4):3－12.

[13]Mouradov A，Glassick T V，Hamdorf B A，et al.Family of MADS-box genes expressed early in male and female reproductive structures of Monterey pine[J].Plant Physiol，1998，117(1):55－61.

[14]吳鴻，催大方，胡正海.油松雌球花的形成和發(fā)育[J].植物學(xué)報，2000，42(4):353－357.

[15]王玉榮，李愛民，吳鴻.馬尾松雌球果的發(fā)生和早期發(fā)育研究[J].西北植物學(xué)報，2003，23(7):1182－1187.

[16]張云躍，李佩瑜，簡夢完.馬尾松球果發(fā)育和元素含量的季節(jié)動態(tài)[J].林業(yè)科學(xué)，1995，31(1):72－76.

[17]王培蒂，秦國峰.馬尾松球果和種子的生長發(fā)育及養(yǎng)分動態(tài)[J].林業(yè)科學(xué)研究，1995，8(1):14－19.

[18]馬建偉，胡勐鴻，靳景春，等.云杉開花生物學(xué)和雜交技術(shù)[J].種子，2010，29(11):1－5.

[19]陳友力.馬尾松無性系種子園球花量變化研究[J].福建林業(yè)科技，2001，28(2):50－53.

[20]江玲，周燮，王章榮，等.馬尾松雌雄球花的形成與赤霉素和脫落酸及細(xì)胞分裂素的關(guān)系[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，1998，22(3):64－68.

[21]王以珊，羅敏，曾令海，等.氣候條件對馬尾松種子園產(chǎn)量的影響[J].廣東林業(yè)科技，2002，18(3):10－15.

[22]Pukkala T.Effect of seed production on the annual growth of Picea abies and Pinus sylvestris[J].Silva Fennica，1987，21(2):145－158.