植被覆盖低，水土流失严重，生态脆弱是长期制约黄土高原农牧业发展的关键因素^[1]。退耕还草和增加植被覆盖度成为该地区生态环境建设和持续发展的主要战略措施^[2]。已有研究表明，耕地弃耕后植被盖度会增加迅速，并从演替初期向顶级群落逐渐演变，相应土壤结构、有机质、氮和pH值等土壤质量指标都随着植被的演替而改善，但土壤内水分含量随弃耕年限的增加而逐渐降低，深层土壤干燥化，如弃耕2年生草地0—2 m土壤水分含量为8.9%、7a为7.3%、11a为6.9%、20a为6.8%，43a为6.1%，天然草地为5.7%^[3]，认为随演替的进行，植物受到的干旱胁迫逐渐加剧，物种干旱适应能力增强。根系是植物吸收水分的主要器官，与干旱适应能力密切相关，其形态和分布直接反映了植物对立地的适应和水分利用状况^[4]，因此推测不同演替阶段的物种其根系特征存在差异。

甘肃榆中北山是典型半干旱黄土高原区，已有研究结果表明弃耕地次生演替中演替前期的优势物种为一、二年生草本黄花蒿(Artemsia annua)，中期的优势物种为阿尔泰狗娃花(简称狗娃花，Heteropappus altaicus)、冷蒿(Artemisia frigida)、赖草(Leymus secalinus)，后期的优势物种为短花针茅(Stipa Breviflora)^{[3, 5]}。本文以上述5种植物种子为材料，利用Bengough 等^[6]设计的凝胶根系观测装置，在人工可控的环境下，对种子根生长进行跟踪测定，比较不同演替阶段的植物种子根形态建成特征和分布，以揭示植物对土壤水分的适应特征。

对榆中北山兰州大学黄土高原生态实验站不同年限弃耕地演替的研究表明，弃耕后一年生和一、二年生草本如黄花蒿、狗尾草等迅速建植；经7a演替后，这些植物被具有竞争优势的赖草、狗娃花等取代；20a后，冷蒿发展成为弃耕地中的优势种之一，大量新的物种相继出现，物种丰富度显著增加，多达26种；43a后，弃耕地形成以短花针茅为优势种的草地^{[3, 5]}。本文以演替前期的菊科植物黄花蒿，演替中期的菊科植物狗娃花、冷蒿、禾本科植物赖草，演替后期的禾本科植物短花针茅为材料。2011年秋季在不同年限的弃耕地中采收成熟的种子，之后风干低温保存。

研究表明，植物种子根在Bengough等设计的凝胶根系观察装置中的生长特征与在土壤中的生长特征非常相似^[6]，因此，本实验采用该装置对植物种子根生长进行观测。将凝胶溶于超纯水中，每升20 g，116℃高压灭菌30 min，冷却到50—70℃左右时分装到该凝胶根系观察装置的前板和后板上，凝胶厚度2 mm左右。待凝胶冷却后，前板和后板竖立对接，前后凝胶间的间隙1—2 mm，以便空气流通，供给植物根系生长所需的氧气。

每种植物选取籽粒饱满的种子100粒称重，计算千粒重(g)，6次重复。之后每种植物选取30粒种子，自来水冲洗数遍，75%乙醇处理30 s，蒸馏水洗2遍，放入超净工作台,用0.1%升汞处理30 min，无菌水清洗5遍,用灭菌过的滤纸吸去种子表面水分，预接到培养皿中的凝胶上;每种植物一个培养皿，在18℃/8℃昼夜变温，400 lx光照强度下保湿培养。待种子萌动，挑选同一植物发芽一致的种子7 粒，分接到凝胶根系观察装置上，保持种子胚根朝下。种子距根系观测装置顶部4 cm，距底部26 cm，每个根系观测装置1粒种子，7个重复，5个种，总计35观测样本。分接根系观测装置的种子在18℃/8℃变温下培养(该温度近似于植物春季自然条件下的萌发和生长温度)。

种子预接到培养皿中的凝胶上后每天观察，记录植物种子萌发所需天数;萌发的种子接到凝胶根系观察装置后，每天18:00于弱光下在凝胶根系观察装置透明一侧用不同颜色记号笔对根系生长进行间隔跟踪绘制，对日期进行标记，持续2周。

实验结束时用扫描仪将记号笔跟踪的植物种子根生长分布图进行扫描，AutoCAD软件分析，获得主根长度、各级侧根长度、侧根和主根夹角等数据；统计侧根数，各级侧根生长天数,计算主根、侧根生长速率。

SPSS15.0软件进行ANOVA统计分析，千粒重和种子根特征数据回归分析，Sigmaplot 10.0作图。

弃耕地不同演替阶段的植物种子起始萌发天数差异显著。演替前期的黄花蒿所需时间为6 d，演替中期的狗娃花、冷蒿、赖草所需天数为6—9 d，而演替后期的短花针茅萌发所需天数是黄花蒿的2倍之多，约14 d(图 1)。

图1 不同演替阶段的植物种子起始萌发天数(平均值+标准误) Fig.1 Germination time for five successional species (Mean+SE,n = 7) 图中种间相同字母表示在0.05水平上差异不显著(P > 0.05)

图选项

各植物的种子根主根长均随生长天数的增加而增加。实验结束时，主根最长的为短花针茅，约3.9 cm，黄花蒿、狗娃花、冷蒿和赖草主根长分别为3.0、3.2、3.3、3.3 cm，演替前期的物种与演替中期的物种主根长差异不显著，但均显著低于演替后期的物种短花针茅(P < 0.05)(图 2)。就主根生长速率而言，演替后期的物种短花针茅略高，但所有物种间差异均不显著(图 2)。

图2 不同演替阶段的植物种子根主根累积长与主根生长速率(平均值+标准误) Fig.2 Accumulated main root length and main root elongation rate of five successional species (Mean+SE,n = 7) 图中字母NS表示在0.05水平上差异不显著(P > 0.05)

图选项

实验期间五个种均有侧根萌发生长，但种间差异很大。演替前期的物种黄花蒿侧根数多，平均每株2.3个，演替中期的狗娃花、冷蒿、赖草侧根数相对较少，平均每株介于0.9—1.8之间，演替后期的短花针茅7株中仅有2株具有1个侧根，平均每株0.28个(图 3)。根据侧根萌发的时间将侧根分为第一、第二、第三、第四侧根。黄花蒿4个侧根均有，平均侧根长从第一侧根0.9 cm向第四侧根0.17 cm逐渐递减； 狗娃花具有3个侧根，每个侧根长度相似，均长约为0.15 cm；冷蒿具有两个侧根，第一长侧根均长为0.94 cm，第二长侧根均长为0.52 cm；赖草具有三个侧根，均长从第一侧根0.97 cm 向第三侧根0.31 cm逐渐递减；演替后期的物种短花针茅只具一个侧根，均长为0.14 cm。第一侧根长5个物种间差异极显著，但由于每个物种中均有不具第二、第三和第四侧根的植株，导致物种间第二、第三和第四侧根长差异不显著(图 3)。侧根生长速率和侧根长度变化趋势相似，狗娃花和短花针茅的第一侧根生长速率低于黄花蒿、冷蒿和赖草，第二、第三和第四侧根生长速率物种间差异不显著(图 3)。

图3 不同演替阶段的植物种子根侧根个数、侧根平均生长长度与侧根平均生长速率(平均值+标准误) Fig.3 Lateral root number,lateral root length and lateral root elongation rate of five successional species (Mean+SE,n = 7) 图中种间相同字母、NS表示在0.05水平上差异不显著(P > 0.05)

图选项

侧根总长与主根长之比在物种间差异极显著。黄花蒿侧根总长约为主根长的80%，狗娃花为12%，冷蒿和赖草约为主根长的一半，而演替后期的短花针茅侧根总长仅为主根长的3%(图 4)。

图4 不同演替阶段的植物种子根侧根总长与主根长之比(平均值+标准误) Fig.4 The ratio between lateral root length to main root length of five successional species (Mean+SE,n = 7) 图中相同字母表示种间在0.05水平上差异不显著(P > 0.05)

图选项

不同演替阶段的植物主侧根间的平均夹角介于30°— 90°之间，其中演替前期的黄花蒿最大，为88°，演替中期的狗娃花、冷蒿和赖草分别为34°、47°和34°，演替后期的短花针茅为33°(图 5)。

图5 不同演替阶段的植物种子根侧根与主根的平均夹角(平均值+标准误) Fig.5 Angular between main and lateral roots of five successional species (Mean+SE,n = 7) 图中相同字母表示种间在0.05水平上差异不显著(P > 0.05)

图选项

黄花蒿、狗娃花、冷蒿、赖草、短花针茅的千粒重分别为0.44、0. 41、0.33、4.2、1.2 g。将植物种子的千粒重与种子根主根长度、侧根长度、侧根数、主侧根夹角分别回归，结果表明千粒重与各指标之间不存在相关关系。

已有研究认为处于不同演替阶段的植物具有r-K策略来适应环境。处于演替前期的植物通常认为是r对策者，处于演替后期的植物通常认为是K对策者；处于演替前期的植物的气孔导度、木质部水分传导能力、蒸腾速率和光合速率较处于演替中期和后期的植物高，但水分利用率低^[7]。黄土高原弃耕地演替过程中，土壤水分含量会持续下降，认为处于不同演替阶段的物种对干旱的适应能力存在差异,在此基础上推测其根系分布特征亦存在差异。Bengough 等^[6]的研究表明凝胶可替代土壤并能准确反映植物种子根的生长特征，这为根系的研究提供了良好途径。本实验用该凝胶根系观测装置对黄土高原弃耕地不同演替阶段的5种植物种子根特征进行了比较，结果表明演替前期的物种具有较快的萌发速率，主根较短，但侧根数较多，侧根较长，侧根生长速率较高，侧根总长与主根长比率较大，主侧根夹角较大，而后期的物种萌发所需时间较长，主根长，但侧根数少，侧根短，侧根生长速率小，侧根总长与主根长比率低，主侧根夹角小，演替中期的物种其值处于中间水平。说明随演替的进行和土壤的旱化，演替中后期的植物种子根向减少侧根投入，增加主根生长，适应旱化的方向进行衍化。

生长于半干旱环境的植物都有其独特的种子萌发机制来适应此生境^[8]。本研究中的5个物种萌发起始时间与植物所处的演替阶段相密切相关。黄花蒿处于弃耕地植彼恢复过程的第一阶段，土壤含水量高，种子有足量的有效水分供给，种子吸水快，萌发快^[9]，迅速建植成为优势种。演替中期的赖草、冷蒿和狗娃花虽然都有适当的休眠现象，但已有的实验结果表明这些物种起始萌发时间短，种子吸水率快，萌发率高，更容易利用生长季节的不确定性降水，快速占领有利地位，这可能是其成为演替中期主要建群种和优势种的重要机制之一^[10]。对于演替后期的短花针茅而言，其50%以上的种子处于休眠状态，植物通过种子库的形式来适应干旱环境^[11]，同时起始萌发时间迟，只有遇到较好、稳定的外界水热条件时才萌发，这有利于适应逆境和种质延续^{[9, 12]}。

种子根结构一般认为与种子生物量有很大的相关性，如大麦品种种子根的个数、根的夹角和种子根的最大长度与种子生物量均具有显著相关关系^[6]，但本实验中植物种子的千粒重与种子根主根长度、侧根长度、侧根数、主侧根夹角间无任何相关关系，如黄花蒿的种子很小，仅为赖草千粒重的十分之一，但种子根特征值相似，或黄花蒿高出。说明处于不同演替阶段的物种，种子生物量不是决定植物种子根结构的主要因素，可能与植物种的特性密切相关。

根是植物吸收水分和养分的重要器官，主根的长度，侧根的多少、长度及在空间的分布状况在一定程度上决定着植物适应环境的能力^[13]。黄花蒿是弃耕地最初定居的植物，生境中土壤水分含量高，植被盖度低，物种简单，植物间对养分和水分的竞争弱;植物将能量倾向于向浅层根分配，较多的侧根萌发，且基本以水平方向生长为主，从而对表层土水分和养分高效吸收利用，地上生物量建成迅速，在短期内完成生活史周期。随演替的进行，植物盖度增加，物种种类增多，土层中根系密度增加，如黄土高原不同演替阶段草地0—80 cm土层中细根生物量、根长密度和细根表面积随演替年限的增加逐渐增加，细根直径随演替年限的增加逐渐减小^[14]，植物对养分和水分的竞争日趋激烈，导致土壤水分含量下降，旱化甚至形成干层。在此生境性下，植物体为了获得足够的水分和养分，会将更多的生物量向根系分配，根系具有深根性，通常也具有较强的干旱适应能力，相应演替中期和后期的物种侧根数和侧根长下降，以主根生长为主。短花针茅是弃耕地上植被恢复后期的优势种，更倾向于主根的生长，侧根数目仅为0.28个/株，侧根与主根的平均夹角也仅为33°，这是植物长期适应旱生生境的结果。

弃耕地群落的演替是一持续、动态过程。本研究选择的演替前期优势物种黄花蒿，中期优势物种泰狗娃花、冷蒿、赖草和后期优势物种短花针茅是各演替阶段的典型物种，实验结果能够对该地区弃耕地演替过程中植物种子根的演变趋势进行反映。同时，本研究结果对揭示随演替进行，土壤含水量持续下降的相似生境中植物种子根的变化规律具有借鉴价值。