槭树靠什么传播种子的(多样性与风传播特征分析)

每一种生命都会以它们自己的方式来繁衍后代，牛马有脚，鸟有翅，而作为不会动的植物大自然也赋予了它们特殊的传播种子的方式，那么植物传播种子有哪些方法?

槭树属常见树种翅果性状多样性与风传播特征分析,在控制植物分布和丰度的因素中，繁殖体自然条件下的扩散过程及其随后的定殖较难检验。国内外学者分析了不同传播模式的频率、分布和丰度模式之间的联系，并对繁殖体形态特征和传播进行研究。风传播果实（种子）作为植物长距离扩散的主要途径，却是一个相对薄弱的研究环节。相对于其他无固定形态的果实（种子），风传播种子除 传播无定向外，有可能出现二次传播而增强分散性，因此繁殖体的扩散不仅取决于其自身的形态结构，还受自身所处环境条件影响。风传播是槭树属 （Acer）植物的一种常见传播方式，许多槭树属植物 果实为双悬翅果，适于风力传播，因此槭树属果实形态（暴露在风中的表面积增加）和质量共同决定了最终沉降速度和水平传播距离。Tackenberg等研究335种植物的风传播特征，发现相同形态类型的种子其风传播潜力存在较大的差异，因此种子形态并不一定能区分出种子传播能力的高低。本期论文推荐的作者选择自然传播的 15种槭树属树种，研究其果实（种子）性状与传播特性间的关系，分析 15种槭树属植物果实形态特征及其风传播能力的差异，探讨果实性状对其传播能力的影响，以期为果实风力传播机制和植物进化的生态适应性研究提供科学依据。

关键词：槭树属；翅果性状；沉降速度；水平传播距离；主成分分析；聚类分析

1目的

研究15种槭树属树种翅果性状,探究果实性状和风传播特征之间的相关性,为深入研究槭树属植物果实的风传播机制和种群扩张提供理论参考。

2方法

以15种槭树属树种翅果为材料,在分析种子长度、种子宽度、果翅长度、果翅宽度、种子长宽比和种子长/果翅长特征等参数的基础上,模拟果实的传播特征(沉降速度和水平传播距离)，比较15种果实性状和风传播特性间的相关性。

2.1 试验材料

15种槭树属树种翅果于 2017年 11月采自泰州市苏中园艺有限公司苗木基地，采集时用高枝剪随机剪取 15个树种的 20个单株翅果，在室内按四分法，分别随机挑选饱满且果翅完好的果实各 500 粒，分别装入玻璃瓶中进行标记编号（图 1）。

 

▲图 1 槭树属 15个树种的果实形态

 

▲槭树

 

▲槭树示范林

2.2 研究方法

2.2.1 果实和种子形态特征测定

用佳能40D数码相机对编号后的果实进行拍照,用精度0.001 g的电子分析天平测量去果皮种子千粒质量,以果实和种子纵轴为长度,以横向最大处为宽度,采用Image J1.43软件对种子长度和宽度,翅果平均长度、宽度以及两翅开张角度进行测量,参照戴志聪等的方法测量并计算果翅面积。每个树种取50粒种子,各3次重复,共计测150粒种子。

2.2.2 果实风传播特征测定

1)翅载力。风力传播的常用结构参数,翅载力用单位种翅面积的种子总质量来表示。

2)果实沉降速度。果实沉降速度测定参照Sheldon等的方法并加以改进:自制透明有机玻璃沉降管,每节高0.5 m,内径15 cm,共3节,在沉降管内壁喷涂防静电液,用镊子夹住果实使其从1.0m处落下并记录所用时间,每粒果实重复测定3次取均值,并求沉降速度v。v=h/t(v为果实沉降速度,h为果实释放高度,t为果实沉降时间)。

3)果实水平传播距离。果实水平传播距离参照杂草种子飞行模拟实验方法并加以改进:在密闭室内由可调速风机提供1、3和5 m/s的水平恒定风,利用DEM6型轻便三杯风向风速表测定风速,测定时用镊子轻轻夹住果实,在1.0 m高度处释放,观察并记录种子的水平飞行距离,每粒种子重复3次。

3结果

①15种槭树属树种翅果开张角度对沉降速度和水平传播距离的影响最大,种子宽度影响较弱;②15种槭树属树种翅果沉降速度介于69.14~224.06cm/s,扇叶槭最慢,樽叶槭最快;扇叶槭果实的水平传播距离最远,榕叶槭最近;③15种槭树属植物果实沉降速度与种子长度、果翅长度、果翅宽度、种子长宽比和种子长/果翅长正相关，与果实两翅开张角度和种子宽度负相关;水平传播距离与果实两翅开张角度、种子长、果翅长、果翅宽、种子长宽比和种子长/果翅长均呈负相关,而与种子宽度正相关,果实水平传播距离与其沉降速度呈负相关,果实沉降速度和水平传播距离受多种性状影响;④对15种槭树翅果的8个性状主成分分析表明,前3个主成分的累计贡献率达82.911%，基于8个性状进行聚类分析可知,当欧氏距离为10时,15种槭树可分为4类。

3.1 15种槭树属植物果实形态特征比较

3.1.1 果实和种子大小

果实和种子的外部形态特征是影响种子传播方式和传播距离的重要性状之一,对采集的15种槭树属植物的果实和种子形态特征进行方差分析表明,不同种槭树果实在种子长度和宽度均存在差异(表1):15种槭树种子千粒质量为13.52~65.51g,其中较大的是青榨槭(65.51g),其次是梣叶槭(58.24 g)和庙台槭(53.27 g)，千粒质量最小的是羽毛槭(13.52 g),且各树种间种子千粒质量差异极显著(P<0.01)。

▼表 1 15种槭树属植物果实形态特征统计

 

在种子长度指标中,15种槭树种子长度为2.13～10.71 mm,其中较大的是梣叶槭（10.71mm)茶条槭(8.31 mm)和青榨槭(7.54 mm ),3个种之间差异极显著(P<0.01),且高于其他种;种子长度最小的是罗浮槭(2.93 mm),显著小于其他树种种子长度(P<0.01)。在种子宽度指标中，15 种槭树种子宽度为2.16~5.55 mm,较宽的是青榨憾(5.55 mm)、庙台槭(5.39 mm)和茶条槭(4.85 mm),其中青榨槭和茶条槭差异显著(P<0.05),青榨槭和庙台槭树以及庙台槭和茶条槭差异不显著(P>0.05);种子宽度最小的是毛果槭(2.16 mm)。

3.1.2果翅特征比较

带果翅的果实是典型的风传播果实，其果翅特征是影响果实传播距离和传播速度的重要指标之一,15种槭树属植物的果翅长度和果翅宽度方差分析表明(表1),不同种槭树果实的果翅长度在2.34~19.35 mm 范围内波动,最大的楼叶槭果翅长为19.35 mm,其次为青榨槭(15.56 mm)和五裂槭(14.60 mm),均极显著高于其他树种，且三首之间差异极显著(P<0.01),罗浮槭和小鸡爪槭果翅长度差异极显著(P<0.01)低于其他树种,其值分别为2.34 mm和5.43 mm;15种槭树果实中果翅宽度最大的是五裂槭(9.67mm),极显著高于其他树种(P<0.01),其次为毛果槭(8.36 mm)和茶条槭(8.25 mm),两者之间无显著差异(P>0.05);果翅宽度较小的是细叶槭(3.66 mm)和羽毛橄(4.10mm),但它们之间没有显著差异(P>0.05)。

3.2 15种槭树属植物果实风传播特征比较

3.2.1 果实沉降速度

衡量果实(种子)传播能力的一个重要指标是果实(种子)的沉降速度,15种槭树属植物果实沉降速度比较见表2,果实沉降速度排序为:楼叶槭>毛果槭>小鸡爪槭>庙台槭>建始槭>细叶槭>秀丽槭>五角槭>三角槭>羽毛槭>五裂槭>罗浮槭>青榨槭>茶条槭>扇叶槭,其中楼叶槭的沉降速度最快,达到224.06 cm/s。多重比较结果显示,楼叶槭沉降速度极显著(P<0.01)高于其他果实的沉降速度;毛果槭、小鸡爪槭﹑庙台槭和建始槭果实的沉降速度之间差异极显著(P<0.01),细叶槭和秀丽槭果实沉降速度差异不显著(P>0.05),五角槭、三角槭和羽毛槭果实沉降速度之间也无显著差异(P>0.05),扇叶槭沉降速度最慢,仅为69.14 cm/s,多重比较结果显示,其沉降速度与其他果实的沉降速度差异极显著(P<0.01）。

▼表 2 15种槭树属植物果实风传播能力比较

 

3.2.2 果实水平传播距离

衡量果实（种子）传播能力的直观参数是水平传播距离，15种槭树属植物果实的水平传播距离测定结果见表 2，果实水平传播距离的排序为：扇叶槭＞茶条槭＞青榨槭＞罗浮槭＞五裂槭＞羽毛槭＞ 三角槭＞五角槭＞秀丽槭＞细叶槭＞建始槭＞庙台槭 ＞小鸡爪槭＞毛果槭＞梣叶槭。在人工模拟的 3种风速条件下，扇叶槭水平传播距离最远：1m/s的风速下，扇叶槭果实水平传播距离达 36.90ｃｍ；3 m/s的风速下，扇叶槭果实水平传播距离达59.16cm;5 m/s的风速下,扇叶槭果实水平传播距离达83.15 cm,水平传播距离极显著(P<0.01)大于其他果实。而沉降速度测定中速度最快的楼叶橄水平传播距离则最短,1 m/s的风速下,梣叶槭果实水平传播距离为15.46 cm;3 m/s的风速下,楼叶槭果实水平传播距离仅为24.75 cm;5 m/s的风速下,楼叶槭果实水平传播距离为42.38 cm,它与其他树种之间存在显著差异(P<0.01)。以上结果表明,槭树属果实的水平传播距离随风速的增强而增大,种间的果实水平传播距离有差异。沉降速度最慢的扇叶槭和茶条槭的果实水平传播距离最远,与其他种之间存在极显著差异(P<0.01);其次水平传播距离较远的是青榨槭,在1 m/s风速条件下青榨槭与茶条槭水平传播距离差异显著(P<0.05),五角槭和三角槭水平传播距离居中,二者之间无差异,但其与其他果实之间存在显著差异。在3 m/s风速条件下毛果槭和小鸡爪槭间水平传播距离无差异（P＞0.05）。

3.3 果实形态结构和风传播特征的相关性

3.3.1 果实的沉降速度与形态特征的关系

15种槭树属植物果实形态特征与沉降速度的Pearson相关分析(表3)表明,沉降速度与种子千粒质量(R= 0.953,P = 0.000)、种子长度(R=0.264,P = 0.341)、果翅长度（R= 0.233,P=0.403)、果翅宽度(R=0.131,P= 0.640)种子长宽比(R=0.548,P=0.034)和种子长/果翅长(R=0.188,P= 0509)均呈正相关,与种子宽度(R=-0.130,P=0.644)负相关,且与果实两翅开张角度(R=-0.826,P=0.000)呈负相关。其中对果实沉降速度影响最大的因素是种子千粒质量,其次两翅张开角度和种子长/果翅长,且15种植物果实的沉降速度与种子千粒质量呈极显著正相关(P<0.01)。

▼表 3 15种槭树属植物果实形态特征与沉降速度及水平传播距离之间的相关性

 

3.3.2 果实的水平传播距离与形态特征的关系

15种槭树属植物果实水平传播距离与形态特征的Pearson相关性分析结果(表3),果实的水平传播距离与种子千粒质量、种子长、果翅长,果翅宽、种子长宽比和种子长/果翅长均呈负相关,而与种子宽度正相关、且15种植物果实水平传播距离与果实两翅开张角度呈极显著负相关(P<0.01)，果实水平传播距离与其沉降速度呈负相关。

3.4 槭树属果实风传播特征的分析

3.4.1 主成分分析

为了避免测定的槭树属翅果形态特征各指标的量纲和数量级对评价结果的影响,对原始数据进行标准化处理,得到均值为0、标准差为1的无量纲数据。采用主成分分析法对15种橄树翅果的千粒质量、种子长度、种子宽度、果翅长度、果翅宽度、两翅张开角度、种子长宽比、种子长/果翅长等8个指标进行分析,得到各主成分的特征值、方差贡献率和累积方差贡献率(表4)。结果表明,前3个主成分的特征值均大于1。其中,第1主成分的方差贡献率为48.027%,第2主成分的方差贡献率为20.215%,第3主成分的方差贡献率为14.669%,累积方差贡献率为82.911%,说明这3个主成分反映了原始变量的绝大部分信息。因此，可以选择前3个主成分代替原来的8个性状指标评价橄树属翅果的风传播特征。前3个主成分的特征值见表5。

▼表 4 15 种槭树属翅果性状主成分的方差贡献率

 

由表5可知:第1主成分主要受X₁(千粒质量)、X₂ ₄ ₅ ₆ ₇ ₈ ₉(种子长度）、X₃(种子宽度)、X₅(果翅宽度)和X₆(两翅张开角度)的影响,且数值较大即产生正效应;第2主成分主要受X₄(果翅长度)、X₆(两翅张开角度)和X₇(种子长宽比)的影响,其中X₄(果翅长度)和X₆(两翅张开角度)为正值,对第2主成分产生正效应,X₇(种子长宽比)为负值,对第2主成分产生负效应;第3主成分主要受X₈(种子长/果翅长)的影响较大。

▼表 5 前 3个主成分的特征值

 

3.4.2 聚类分析

对采集的 15种槭树属植物采用欧氏距离类平均聚类法，绘制分类树系图（图 2），从而分析其亲缘关系，从聚类分析可知，当欧氏距离为 10时，15种槭树可分为 4类，即秀丽槭、五裂槭、扇叶槭、五角槭、羽毛槭、小鸡爪槭以及建始槭为第 1类，其中秀丽槭和五裂槭为一亚组，扇叶槭、五角槭、羽毛槭、小鸡爪槭以及建始槭为另一亚组；罗浮槭和三角槭为第 2类，青榨槭和茶条槭可归为第 3类；毛果槭、细叶槭、庙台槭和腀叶槭可归为第 4类。结合图 1可知：第 1类中的 4个树种（秀丽槭、 五裂槭、扇叶槭、五角槭）与徐廷志的槭树分类系统中的小果槭组相符，其中秀丽槭和五裂槭，扇叶槭和五角槭间距最短，亲缘关系最近；羽毛槭和小鸡爪槭树距离近同属鸡爪槭组，而建始槭距离较远，属蔹叶槭组；第 2类中罗浮槭和三角槭槭亲缘关系较近，属于全缘叶槭组；而第 3类中的青榨槭和茶条槭亲缘关系较远；第 5类中的毛果槭与细叶槭间距最短，即亲缘关系最近，与徐廷志的槭树分类系统中的桐状槭组相符，其次为庙台槭和梣叶槭。

 

▲图 2 15种槭树科植物聚类分析图

4结论

果实形态特征的相关性分析表明,15种槭树果实形态特征对沉降速度的影响依次为:两翅张开角度>种子长/果翅长>种子长度>果翅长度>种子长宽比>果翅宽度>种子宽度。果实的水平传播距离受多种因子的综合制约。千粒质量、两翅张开角度、种子长/果翅长可作为槭树分类的重要依据。