新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究实践活动

一、活动背景

  2008年5月,学校组织我们去中科院新疆生地所标本馆参观学习,在参观中,学生发现展厅内展出了新疆各地区的土壤、植物、动物标本,却没有新疆干旱地区植物的果实和种子标本。因此学生们选择了“新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究”这个实践活动。本次科技活动的最大特点在于准备学生参与人数多,学生亲自动手制作。学生采集新疆干旱区植物果实和种子,并对其进行分析研究,在对干旱区植物果实和种子多样性的研究过程中学生能够加深对植物种类和生物多样性的认知度,增强了对新疆自然资源的关心和关注。在研究过程中学生应注重团队分工协作精神的培养;激发学生科考的兴趣,使学生在学习态度,动手能力,知识等方面得以全面发展。学习方式上学生注重把观察、询问、调查、制作等方法有机结合。培养学生的创新精神和实践能力。这些能力的获得,将为学生终身学习和今后进入学习化社会打下基础,增强学生对新疆植物可持续发展的使命感,鼓励学生为建设家乡贡献自己的一份力量。

  乌鲁木齐市第41中学是一所正在飞速发展的学校,近几年学校先后获得了全国人文校园、自治区级德育达标校、市级示范性高中、最佳风云校园等称号。学校一直把面向全体学生,促进学生德、智、体、美、劳全面发展作为办学目标。通过这次实践活动,为青少年提供一个丰富而具体、科学而有趣、宽松而和谐的学习环境;让青少年在真实的自然环境中,在轻松、愉快、研究、和发现的情景中寻求知识、探索真理、增加友谊、共同进步;为新疆乌鲁木齐市及其他学校起到以点带面的示范作用。

  乌鲁木齐市第41中学发起与实施的面对中学生开展的,以学生自主运用科学方式调查为主要目的的大型新颖的科技实践活动已开展多次。通过本次实践活动能培养学生观察体验、调查研究、实验制作、合作交流的能力,提高他们的科学素养,丰富他们课外生活,发展他们的个性。学生对本次考察有浓厚的兴趣,希望通过自己的努力能为家乡的环境保护建设尽自己微薄之力。

  我校对本次活动非常重视,成立了实践活动领导小组,组长由屈明才校长担任,副组长由常珍学副校长担任、栾凤英负责具体实施,组员:李海英、马兰新具体负责实施,康爱玲、武云霞、赵传芳老师负责组员的生活管理,参加成员有初一、初二、高一、高二近千名学生。考察前对全体带队教师和参与学生进行路途中、采集标本过程中、生活上、组员相互协作中可能出现的安全问题进行培训和强调,各级领导提出各方面不同的要求,带队教师分工明确,每组又进行分工,层层分工,做到所有事事有人管、有人负责,万无一失。领队与相关部门保持24小时通话畅通,万一有事能在最短的时间内组织和处理。

二、活动的目的与意义

  通过这次实践活动旨在为新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究提供可靠依据,并为新疆干旱区植物果实和种子发展提供参考资料,给中科院新疆生地所标本馆提供新疆干旱区植物果实和种子标本。

  通过本次实践活动,使学生了解新疆果实和种子的多样性,拓展了学生视野,丰富了学生的校园生活,发展其个性。提高生物学素养。在实践活动中,学生学会了采集和制作果实种子标本的方法,学会测定种子发芽率的科学方法,培养学生热爱大自然,热爱家乡的情操。实践活动围绕学生与自然、学生与他人和社会、学生与自我的关系开发与实施,以学生为核心,实现三种关系的整合。培养学生的实践能力和创新精神,满足其生长需要和社会发展需要;转变学生的学习方式,发展终身学习的愿望和综合实践能力;面向学生的生活世界,密切学生与生活、学生与社会的联系。最终旨在学生个性健全发展和实践能力的提高。

  其次,一个有意义的实践过程,除了具有学习客观知识的特点之外,还应该成为广大师生共同建构知识和人生的生活和创造过程。只有当广大师生的生活、经验、智慧、理解、问题、困惑、情感、态度、价值观等素材性课程资源能够真实地进入本次实践活动,教师和学生才会真实地感受到实践活动过程是他们的人生过程,是他们生命的有机组成部分,社会实践活动才有可能真正地促进学生的健康成长和健全发展,才有可能普遍地发挥它应有的生机和活力。

  由于新疆地域环境与办学条件的限制,因此综合实践课程的普及与充分发挥出它的优势都遇到了一些问题,所以因地制宜,根据不同的地区与学校的办学条件的不同采取不同的活动内容、探索方法和理念,这是我们研究过程中的一个重中之重。

三、引言

  新疆维吾尔自治区位于中国西北边陲,面积达160多万平方公里,占中国总面积的六分之一,是中国最大的省区。由于地处欧亚大陆腹地,受其自然地理环境影响,干旱少雨,蒸发量与降水量相比悬殊,孕育出多样的适应其严酷环境的珍稀植物资源,具有耐高寒、抗干旱、抗盐碱的植物基因,生成了新疆独特的多样性的干旱荒漠景观,使新疆植物种类的组成与国内其它省区比有明显的差异,研究植物种子对干旱环境的适应,有助于更好的理解植物与环境之间的相互关系,对干旱区的生态恢复及资源的可持续利用具有深远的意义。

  植物的生命史是从种子开始的。种子是植物的重要器官,是植物生活史中的一个核心特征。种子是植物进化到较高阶段的产物,对植物的繁衍和传播具有特殊的作用,不仅能保证植物群落在各种不同的生态环境下广泛地分布和长期的生存,而且还能不断产生新的植物类型和增强植物的适应力。种子就像是一个可以自给自足的小个体,只要环境适宜,生命便开始了。因而万物的生存繁衍无不是从“种”开始的。从远古农耕到传统农业,再到现代农业,没有不用种子的农业。农业的发展,人类的生存,社会的进步无不依赖于种子的繁衍与进化。

  种子在很多场合实际指果实,因为繁殖体同时是传播体,而有些植物又不便于将果实和种子分开。因此,在我们的论文中所指种子就具广义性,即除植物学上真正的种子外,还包括颖果、瘦果、坚果和果核等种子状果实(Seedlike fruit)。这也符合农业生产的农作物的任何器官或其一部分,只要在农业上作为用来再生产的播种材料.都一概称为种子。

  一粒种子能长成美丽的植物,一株植物能结出许许多多的种子。种子生在植物体的果实里,果实是种子最初的家,是孕育种子的摇篮。同样在新疆干旱地区种子也是精彩与丰富的,我们的种子标本主要采自吐鲁番沙漠植物园、乌鲁木齐植物园和乌鲁木齐南郊山区(南山)、阜康、库尔勒、托克逊、克拉玛依、哈密等地,共收集到种子标本320份,采集名录详见附表。

  1、研究区自然概况

  2、地理位置

  新疆维吾尔自治区位于我国西北部,西起阿克陶县西境,东至哈密市与伊吾县东部处的哈尔欣巴润乌蒙敖包,东西跨度22°50′,长达2,000公里;北起中蒙苏三国交界处的奎屯山,南到和田县南部空喀山口,跨纬度近14°30′,约1,600公里。全疆总面积为166万多平方公里,约占全国总面积的六分之一,占西北五省、区总面积的55%。

  新疆从东北至西面分别与蒙古、苏联接壤,西南和阿富汗、巴基斯坦、印度相邻,边界线长达5,300公里。东部和甘肃、青海两省毗邻,南部与西藏自治区相连。

  新疆居欧亚大陆腹地,如以乌鲁木齐为中心,东至太平洋约2,500公里,西距大西洋约6,900公里,南到印度洋约2,200公里,北至北冰洋约3,400公里。国境线多由近东西向平行的山地和众多山口组成。

  3、气候特征

  新疆气候属温带大陆性气候,冬季长,严寒,夏季短、炎热,春秋季变化剧烈。

  新疆有全国最为炎热的地方——吐鲁番盆地。有仅次于黑龙江省漠河县的全国第二寒极——富蕴县可可托海。因有天山横亘,同一时期内南北疆气温的差异很悬殊。年平均气温南疆为10℃,北疆准噶尔盆地为50~7.5℃,阿勒泰、塔城地区为2.5~5.0℃。1月平均气温南疆塔里木盆地要比北疆准噶尔盆地高出1-0~12℃;7月可高出2~3℃,至于山区与盆地差异更为显著。

  全疆各地一年内,最热月与最冷月平均气温之差多在35℃以上,准噶尔盆地可达40~45℃。而气温日较差平均可达12~15℃,最大可达20~30℃。

  新疆上空总的水温含量不多,全年流径的水汽只有长江流域的1/4~1/5,夏季相对温度低,冬季绝对湿度也不大,因而形成夏季干热,冬季干冷的特点。各地年降水量,多则近1000毫米,少则不足10毫米,全疆平均约150毫米。由于气温高、湿度小、风速大,故蒸发势极大,最大可能蒸发量全年达1000~1800毫米,为降水量的6~20倍。

四、活动指导思想

  为了充分体现我校的德育和科技教育相整合的教学特色,为了鼓励和引导学生积极参加各种形式的课外实践教育活动,培养学生的创新精神和实践能力,切实加强和改进我校德育工作,重视学生个性发展,拓展中学生了解社会、接触社会的渠道,全面推进素质教育,为国家培育合格公民,提高未来公民的生物科学素养,促进综合素质的全面提高。

五、活动具体实施过程

  第一阶段:准备阶段

  学校成立活动领导小组,组长由屈明才校长担任,副组长由常珍学副校长担任,栾凤梅负责组织实施本项目。组员:李海英、马兰新,康爱玲、武云霞,赵传芳老师负责组员的生活管理。首先领导在全校大会上总动员,时间2008年7月1日,动员后鼓励学生积极报名参加活动,报名时间2008年7月1日至5日 。

  第二阶段:全员培训

  培养小骨干,补充植物分类知识,标本的采集和制作,收集相关资料和查阅信息,请专家做报告,看有关植物生理和植物分类等的录像。培训时间7月8日至18日。活动人数:1000人 。(初一、初二年级和高一、高二年级学生)

  (附3:新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究程序示意图)

  第三阶段:考察

  考察前对全体带队教师和参与学生进行路途中、采集标本过程中、生活上、组员相互协作中可能出现的安全问题进行培训和强调,各级领导提出各方面不同的要求,带队教师分工明确,每组又进行分工,层层分工,做到所有事事有人管、有人负责,万无一失。领队与相关部门保持24小时通话畅通,万一有事能在最短的时间内组织处理。本活动主要组织初一至高二年级学生进行考察,时间2008年8月至2010年10月。(附表4新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究项目组织活动调查分工表;附表5活动考察路线图)

  在活动中需要各方面的支持,学校领导高度重视,积极协调调配车辆、人员,实验室提供采集种子和植物标本的材料用具。电教室提供专门的摄像、摄影器材及人员。

  调查活动时间及地点:具体地点有乌鲁木齐市、南山、阜康、托克逊、吐鲁番、哈密、库尔勒、克拉玛依,时间是2008年5月——2010年10月,在此期间我们分6批分18小组外出考察。具体时间如下:

  第一批 2008年8月1日—2008年8月7日 地点:吐鲁番

  第二批 2008年8月11日—2008年10月30日 地点:乌鲁木齐

  第三批 2009年5月1日—2009年5月7日 地点:托克逊、库尔勒

  第四批 2009年5月1日—2009年10月30日 地点:乌鲁木齐

  第五批 2010年5月1日—2010年5月5日 地点:阜康

  第六批 2010年7月15日—2010年7月25日 地点:吐鲁番、哈密

  第七批 2010年7月28日—2010年8月5日 地点:乌鲁木齐南山

  第八批 2010年8月15日—2010年8月21日 地点:克拉玛依

  第九批 2010年5月1日—2010年10月7日 地点:乌鲁木齐

  由于初高中学生在知识层面上有一定得差距,因此,初中学生在该项目中主要针对植物的生理特征、生态特征、生长环境进行考察、收集植物种子和果实、记录、绘画、拍照、录像、日记等工作;高一年级、高二年级部分学生需要完成与初中学生同样地工作外,还需培养种子进行试验。

  第四阶段:收集资料

  制作标本,收集种子、制图,收集照片,整理资料,表格汇总,撰写小论文,请专家指导论文并鉴定标本。收集照片,整理资料,表格汇总,撰写小论文,请专家指导论文并鉴定标本 。

  第五阶段:汇总材料

  完成结题报告及摄影、论文评比、汇报材料,以板报、橱窗、展板等形式把师生收集的各种图文资料在学校社会进行成果展示。时间2010年10 月至2010年12月30日。

(1) 各小组制作展板对考察内容进行宣传汇报。
(2) 组织保护环境,保护植物多样性报告会。
(3) 鼓励学生在活动中进行拍照记录,并举办科技活动摄影评比,展示学生自己拍摄的科技活动照片。
(4) 播放学生考察录像及环境保护录像并进行评比。
(5) 学生撰写小论文比赛并挑出优秀的论文学生进行论文答辩。
(6) 对已收集的植物种子和果实进行展示。
(7) 编写乌鲁木齐市观赏植物名录调查表,并翻译成维吾尔族植物名录调查表。
(8) 乌鲁木齐市园林绿地观赏树种选择与配置活动科技创新报告一份。
(9) 编写一本综合实践活动校本课程。
(10)将本活动取得的成果在其他中小学和社区进行展示。激发青少年热爱新疆,将新疆建设成西部的一颗明珠。

  第六阶段:学生综合测评

  评估 结合学生科技活动表现情况,对学生综合素质测评(以A、B、C、D进行评估)(见附表6)

六、研究方法及内容

  1. 活动内容

(1)观察植物的形态特征及分布。
(2)研究植物果实和种子的多样性。
(3)培养植物种子的发芽率。
(4)植物种子和果实的分类及装瓶。
(5)调查、收集新疆干旱区植物种子和果实。

  2. 技术路线

  分组进行收集植物种子和果实的考察研究。

  3.研究方法:(1) 资料查询法;(2) 实际考察法;(3) 实验对比法;5结果与分析

七、种子多样的类型

  (一)种子外部形态的多样性

  英国生态学家 MURLEY M R.(1951)将种子形态学归结为形状、附属物、毛或齿、表面结构四类,种子形态学与物种传播、萌发、土壤种子库有关。其中前三类是针对传播体的,后一类是针对种子的萌发对策。虽然对种子大小的研究很早就得以开展,但对种子形状的研究多在近些年。

  种子个体之间差异明显,就植物种子的大小而言,大种子的长一般为l0~15cm,最长可达40cm以上,而小的植物种子则几乎用肉眼很难分清其形态。例如:西双版纳引种的双椰子被认为是世界上最大的种子(坚果),长46cm,重 7.5~14.5kg。而寄生草本植物列当的种子只有0.2~0.5mm长肉眼几乎看不见。通常用种子的千粒重来衡量的大小,为种子检验及农业生产服务;而对它的外部形态的研究,对物种的鉴定具有十分重要的意义。

  千粒重测定方法:

  主要实验仪器设备有解剖境、放大境、解剖针、镊子、游标卡尺、种子测微尺、刀片等。选取种子形状、颜色、附属物和千粒重等指标。繁殖体形状用Thompson法衡量;禾本科植物带外稃量测,但去芒(如果有芒),有冠毛的种子测量时不带冠毛;果实有毛、带钩或刺量测。被测试样品中随机数取成熟饱满的种子千粒并称重(千粒重保留小数点后2位),重复2次,取平均值。大粒种子视情况按比例大小测定:对长度小于2mm的种子在生物显微镜下用测微尺测得;长度在2~ 10 mm的种子用指标座标方格纸测得;长度在10 mm以上的种子用卡尺测得。每种的量测对象列于表1。

学名 种子形状 大小 颜色 附属物 千粒重
芨芨草 纺锤形 O.17cm 黄色 长芒 1.04 g
冰草 舟形 0.6×0.2cm 淡黄色 短芒 2.25 g
小糠草 纺锤形 0.18×O.2 cm 浅棕色 无芒 0.12 g
胡杨 长椭圆形 0.1×0.15 cm 黄色 光滑 0.073 g
中亚粉苞苣 圆柱形 0.38×0.07 cm 灰白色 冠毛 0.974 g
白三叶 肾形 1.0×0.8 cm 黄褐色 0.59 g
白花野豌豆 圆形 2.5 cm 绿色 14 g
刺果甘草 宽椭圆形 1.5×2.6 cm 暗绿色 13.18 g
密花柴胡 卵形 0.3×0.4 cm 灰褐色 窄翅 1.3 g
新疆沙冬青 矩圆形 0.55×0.48 cm 墨绿色 疏毛 27 g
大黄 长圆形 0.98×0.4 cm 棕褐色 宽膜质翅 13.9 g
梭梭 螺旋状 0.15 cm 黑色 膜质翅 3.61 g
表 1 种子千粒重大小比较

  从表中列出的植物种子的千粒重可以看出,植物种子间大小的差异相当显著。广义而言:种子的大小与植物原产地有一定关系,一般个体比较大的种子大多生长在热带地区,在充足的阳光、降水及长年无霜冻条件下,植株生长期长,生长速度快,果实和种子也较大。而生长于北温带的植物,特别是寒冷地区的植物,其生长期短,加之植物越冬还需消耗大量的养分,致使果实相对较小。Werner&Platt研究发现种子大小和植物所处生境及其演替状态有关,演替晚期阶段种子的重量要比演替早期重,干旱荒漠区属于演替初早期阶段的生境,不存在光照竞争,所以小种子更容易占据生境。

  种子外部形状也多种多样,有圆形、椭圆形、肾形、菱形,和薄片状等等。种子形状与植被分布区也有关一定联系,种子的外形一般以近圆形的卵形、满圆形居多。从几何形状来讲,圆形结构员稳定,体积最小,植物完成种子发育所需的养分最少,这种结构有利于植物抵抗不良环境条件的影响。研究表明(刘志民,2003.)山地草甸带种子个体较圆、果实扁平或细长,流沙上的先锋植物或沙生系列演替前期植物小蓬、猪毛菜、蒿类半灌木、狗尾草等的繁殖体多数偏离圆球形程度较大。

  1、种子的颜色亦是五光十色丰富多彩,有白色、红色、黑色、黄色,但大部分种子以褐色、棕色等杂色为主。一般纯净的单色调或很艳丽的颜色很少,这也可能是在长期的进化过程中同环境条件多变,加上遗传变异,使单色调的种子很难形成,同时鲜艳的颜色也不利于种群的繁衍,容易引起动物或昆虫的蛀食。

  2、植物分类中种子术语多样性

  种子形态特征是植物生活史中最稳定的形状之一,因此,种子的特征能作为植物科、属和种的分类学依据。依据种子的特点鉴定不知名种子隶属的植物类群,不仅为植物分类学家承认,又是植物系统与演化研究的重要领域之一。也在解决社会各方面种子的引种、粮食检验、外贸、医药、考古等方面,都提供了许多鉴定问题。

  植物开花受精以后,胚珠发育成种子,相应地子房迅速生长,发育成果实。

  按照果实的结构可以分为单果、聚合果和聚花果三大类:

  ①单果是一朵花中只有一个雌蕊形成一个果实,又可分为肉质果和干果两类:
肉质果:果实成熟后肉质多汁。因果实的性质和来源不同,又可以分为浆果(如葡萄、番茄等),核果(桃、李、杏、核桃等),柑果(柑橘、柚等),梨果(梨、苹果等)和瓠果(南瓜、西瓜、葫芦等)。
干果;果实成熟后果皮干燥,又依开裂与否分为裂果和闭果两类:裂果因心皮数目及开裂方式不同,又分为荚果、角果等。闭果成熟后不裂开,又分为瘦果、坚果等类型。

  ②聚合果 是由一朵花里若干个离生心皮雌蕊聚生在花托上发育而成的果实,每一离生雌蕊形成一个单果。根据聚合果中单果的种类,可以分为聚合瘦果(草莓)、聚合核果(悬钩子)、聚合坚果(莲)。

  ③聚花果是由整个花序形成的果实,也叫做复果,如桑椹、风梨、无花果等。
植物经过开花、传粉和受精作用后,子房发育成果实,胚珠发育成新一代种子。通常把从上一代种子开始到新一代种子形成所经历的周期,称为种子植物的生活史或生活周期。

  尽管种子果实多样化,但它们的表征在新疆植物中还是有一定的规律可循:

果实 花数 果皮 质地 果实名称 心皮 形态构造 含种子数 表征科名
单果 闭 果 瘦果 一个心皮 果、种皮易分离 一个 菊  科
翅果 一个或数个心皮 翅状的果皮不分离 一个 藜科、榆科、蓼科
坚果 合生心皮 不开裂 一个、硬 壳斗科
颖果 单心皮 果皮、种皮不可分离 一个种子 禾 本 科
双悬果 两个合生心皮 干燥不开裂 每室一个种子 伞 形 科
胞果 薄而疏松 囊状 单个种子 藜  科
裂 果 蓇葖果 单、离生心皮 沿一缝线   毛 茛 科
荚果 一个心皮 背、腹裂 两个以上 豆  科
角果 两个合生心皮 单边开裂 多数 十字花科
蒴果 两个以上合生心皮 室间开裂、盖裂、孔裂 多数 罂粟科、百合科
肉质果 浆果 一个或数个心皮 外果皮薄,中、内果皮肉质 数个 茄科
核果 一个心皮 内果皮则十分坚硬成核 一个 蔷 薇 科
柑果 八至十四合生心皮 果皮厚,具油腺点;内分多汁囊室 每室有数颗 芸香科
梨果 五朵心皮 外与中果皮无明显界限,内果皮肉汁质 多数 蔷薇科
蔷薇果 单生心皮 内果皮坚韧致密 一个 蔷薇科
瓠果 合生心皮 坚韧果皮和不开裂肉质果实 一室多种子 葫芦科
复果 外观似一个果实 聚花果 整个花序 内部聚花果为肉质多浆 桑科
聚合果 多数离生心皮 内部小核果的集合 无、多数 蔷 薇 科
裸果   球果 种子是由裸露在鳞片上的胚珠形成 数个 裸子植物

  种子的外部形态复杂多样,根据它们形状、大小、颜色上的不同,将种子名称进行定义后,是种子植物鉴别的重要佐证。

  3、种子结构多样性

  成熟的种子是由胚(embryo)、胚乳(endosperm)和种皮(seed coat)三部分组成。胚是种子最重要的部分,它是新植物的原始体,来自受精卵(合子)。发育完全的胚是由胚芽(plumule),胚根(radicle)、胚轴(hypocotyl)和子叶(cotyledon)四部分组成。但是,被子植物的种子,在合子发育成种子的过程中,某些结构发生了变化,产生了四种不同类型的种子。即根据胚中子叶数目可分为单子叶种子(胚中仅有1枚子叶)和双子叶种子(胚中有2枚形态,大小相似的子叶)。在这两种类型中,又根据成熟种子内胚乳的有无,将种子分为有胚乳种子(albuminous seed)和无胚乳种子(exalbuminous seed)。

  通常科学家又利用种子发育中的异常现象,如多胚现象、无胚现象、无性种子、种子败育等来进行生产实践的育种工作。

  同时,种子在果实中的排列方式也是千奇百怪的,例如,剥开花生或其他豆荚,你会发现豆子靠一边着生,一粒一室。横切开一个辣椒,所有嫩白的种子着生在中央,而对黄瓜则不然,种子都靠外侧着生,分为三组,横切的苹果或梨可见五角星图案,猕猴桃的果实不论横切后,可见其种子排成了由中间放射排成了漂亮的图案。成熟的石榴笑不拢嘴,露出了满嘴多层的红牙。坚硬的核桃里面保护的是和人的大脑皮层一样的器官-核桃种子。

  4、种子传播方式多样性 

  被子植物是自然界植物中种类最多、最高等的类群,其繁茂的原因之一是果实和种子的传播。传布的方式可概括为四种:即风力传布、水力传布、动物传布和自动传布。一粒种子长成一棵植株在新疆干旱区是极为不易,而种子的传播是与环境相适应的,为了适应恶劣的生态环境,干旱区植物的种子往往是数以万计的,每颗小种子加上良好的附属扩散结构如种翅、种毛、果翅和果毛,像杨柳科、菊科、柽柳科植物的种子都具有绢毛或冠毛;而藜科、蓼科、石竹科和鸢尾科植物的种子有翅,这些结构能缓冲种子下落的速度,也就增大了种子散布的距离,当种子成熟时随风飞扬,落到合适的生境,他们就顽强的生根发芽,所以种子对干旱的适应在植物界是一个十分普遍的事实。

  种子形状的生态学意义还表现在其它方面,如禾本科植物具芒,具有固结自身的作用,芒柱不停地向同土中转动,直到将颖果钻进泥土中,这为物种繁殖创造了有利条件。而苍耳、角果藜、蒺藜、牛蒡、鬼针草带钩或刺,易于粘在毛皮上,被动物传播出去。鲜美的果子、种子被动物吃到嘴里,其种子洒落到地上或动物的消化道最后回到土里并萌发,这也是种子的一种旅行方式。

  生于河漫滩的植物如胡杨、柽柳的种子,水生植物如香蒲的果实,芦苇的种子在河水中漂游,由于有发达的棒状胚轴平衡,决不会倒栽葱扎在淤泥里,它们能随河水漂泊到很远的地方安家落户。

  大多数豆科的种子传播方式是靠植物的自身弹射。成熟的大豆,果皮也能急剧卷曲,把豆粒被弹出老远;喷瓜成熟时果柄脱落的瞬间,种子就会自果柄处喷射而出。

  想象一下吧,千姿百态的果实和种子都是孕含着绿色生命的精灵啊,它们就像是一台自动播种机在自然界繁衍后代。

  5、种子寿命的多样性

  植物种子的寿命长短相差悬殊。种子生理学家Afaitol将种子寿命长短定义为三类:长命种子(15年以上) 属于长命种子的大多为种皮坚硬的种子,常见的有:绿豆、苜蓿、烟草、芝麻、南瓜、西瓜、茄子、白菜、小麦、玉米等植物的种子;中命种子(3~15年)有:高粱、粟、向日葵、番茄、菠菜、葱、大蒜等;短命种子(3年以下)属于短命的种子有黄瓜、辣椒、银白柳、白杨、枫杨和榆树等类。

  Pianka认为,处于变动的不确定气候下的物种倾向于短寿命,大量小种子的r-对策(结实力强,发育快),反之则倾向于长寿命,低繁殖率效力的k-对策(竞争力强,结实力低,发育慢)。迄今为止,我国发现的寿命最长的种子是辽宁普蓝店挖掘出的1000多年前的古莲籽,而干旱区的植物种子多属于寿命比较短的,如胡杨、白榆和白蜡等种子,当它们离开母树后,在恶劣的环境条件下,只能独立生存几十小时,但它仍然不屈服地捕捉分分秒秒,只要落脚在潮湿有水的地方.几小时内就会发芽生根,成为新的生命个体,这无疑是植物对干旱环境趋同适应的结果。

  种子的物理性状如种子大小、胚大小、吸湿性、硬度及种皮结构等均影响种子寿命。小粒种子、瘦粒种子及大胚种子的表面积大,胚部占整粒种子的比率高,呼吸强度高于大粒、饱满和小胚种子,寿命较短。吸湿性强的种子,含水分及微生物较多,容易劣变。种皮坚韧、结构致密、具有蜡质层和角质层(尤其是硬实)的种子寿命较长。种皮薄、结构疏松、外无保护结构的种子寿命较短。豆科作物种皮颜色的深浅影响种皮的致密程度和保护性能,深色种皮品种比浅色种皮品种寿命长。含油量高的脂肪类种子比淀粉和蛋白质类种子难贮藏,寿命短。

  其次,种子贮藏的环境因子如湿度、温度、光、气体等均影响种子寿命。种子水分随贮藏环境湿度而变化。种子水分越高寿命越短。在水分得以控制的条件下,温度越低,正常型种子的寿命越长。强光中的紫外光对种胚有杀伤作用,曝晒过度的种子寿命缩短。氧气使种子呼吸作用加强、物质氧化分解加快、种子劣变加速;氮气、氦气和氩气等则延缓低水分种子的劣变进程,但对高水分种子则加速其劣变和死亡。仓虫及微生物分泌的毒素侵染种子或自身生命活动的产物(热能及水分)都促使种子呼吸作用加强,物质代谢加快,影响种子寿命。

  这么看来要使种子寿命延长并提高其发芽力和萌芽能量,除有坚实和发达的种皮外,还决定于胚的生理活性强弱。在特定环境下,植物种子的寿命能够更长。种子“延年益寿”的秘诀,就是拥有“降水、干燥、冷凉、洁净”的优良贮藏环境。

  同时也证明新疆的气候对植物种质资源保存具有很大的优越性,进一步证明了新疆干旱少雨、夏季酷热、冬季严寒的自然条件,对保存植物种质资源,延长种子寿命和种子更新种植周期,具有独特的优越条件。

  (二)种子发芽试验

  在新疆干旱地区,水是限制植物生存的重要因素之一,因此也就造就了新疆植物具有顽强的生命力,有不少植物种类是古老、稀有和特有成分。但是近年来,由于人类活动加剧及对自然生态环境的破坏,导致许多植物种群数量的减少,甚至濒于灭绝。如胡杨、灰杨,由于水源及其它自然条件的改变,而使土壤水位下降,盐碱含量增高,种子难以落人适宜的河滩湿地萌发;而且有些种子,如矮沙冬青)在原产地虫蛀率高达90%,骆驼刺虫蛀率可达70~ 80%。加之土层瘠薄,最终落入土中并可以萌发的好种子仅占3%左右。特别是梭梭、麻黄、肉苁蓉以及甘草等的植物,由于过渡樵采、放牧、开垦,致使母株日减,种子缺乏,加之环境劣变,天然更新困难,甚至导致一些植物种处于濒危状态。因此,干旱区种质资源的繁育也愈来愈受到科学家的重视,因此在本论文中,我们也对荒漠种子的发芽率做了一些试验,试图对新疆植物的种子有一个全面的和规律性的认识。

  1、试验方法:采用培养皿、滤纸做发芽床,同时做2个处理(水培、沙培 ),每试验处理重复3次,同时配合机械打磨、酸蚀等技术处理,试验前先将材料用用0.1%高锰酸钾溶液对种子消毒12小时,以减少种子发霉和腐烂现象;再用蒸馏水反复冲洗,在恒温箱 25℃或置室温下培养。
 种子萌发经历吸胀、萌动、发芽、幼苗形态建成四个阶段。

  2、 试验结果:

学名

水培 发芽起始天数

水培发芽率

沙培 发芽起始天数

沙培发芽率

柠条

3 d

52.8%

5 d

61.3%

小叶白蜡

2 d

63.3%

5 d

54%

甘草

5 d

61%

5 d

65%

小叶锦鸡儿

3 d

69%

4 d

65%

中麻黄

10 d(黑暗)

72%

12 d(黑暗)

50%

梭梭

1 d

81.5%

1 d

86%

胡杨

2 d

86%

2d

84.5%

艾比湖沙拐枣

4 d

82%

2 d

86%

裸果木

9 d

31%

12 d

35%

锁阳

17 d

8%

16 d

16.7%

表2 水培、沙培发芽势比较

   3、 试验分析:

  从表2、图2结果可以看出:

 

  种子萌发期和幼苗生长期对干旱环境的适应影响了植物的生存和分布,而发育的早期阶段也是死亡率较高的阶段,因此,了解种子幼苗期对环境的要求,这是提高成苗率的关键。

  实验结果:(1)同样的种子在进行发芽培养过程中,一般情况下:水培所需的发芽时间短于沙培所需的发芽时间,说明植物发育水分是第一要素。

  (2)沙培的发芽率大于水培的发芽率,这说明种子生长的适应环境环是在沙土中,这与荒漠植物的生物学特性相一致。

  (3)中麻黄在黑暗条件下种子发芽率为72% ,而有光条件下的发芽率为0%,因此,光照也是影响种子发芽率的重要因素之一。锁阳是寄生植物,在它还没有找到合适的寄主之前,无论在水培或沙培条件下发芽率都是非常低。

  当前,以种子进行繁殖仍然是大量栽培繁殖荒漠植物的主要途径,也是植物多样性保护,特别是遗传多样性保护工作所必需的方法。因此,筛选出最佳的催芽方法是进行引种栽培的首要工作和有效途径,还需要进行大量的基础研究工作。

八、建议

  1、建立自治区级植物多样性种子基因库;

  2、扩大吐鲁番沙漠植物园种子收集规模;

  3、中科院新疆生地所标本馆增加植物种子多样性的展览;

  4、中科院新疆生地所给乌鲁木齐广大青少年提供科学实验场所,提高中小学生的科学素养;

九、活动结果和收获

  开展活动三年以来,随着植物种子的收集,调查与保护相关活动的展开,本校学生分6批18个小组多次深入乌鲁木齐市各大公园,同时考察了南山、阜康、克拉玛依、托克逊、库尔勒、吐鲁番、哈密等地区全程共用了3年的时间,行驶了一万多公里,留下了同学们探索的足迹和辛勤的汗水。 学校2010年5月和10月分别开展了美育节和科技节,在美育节和科技节上以及在社区、市人民广场分别展示了学生的作品和活动照片。还组织学生演讲团,在校内和社区进行保护乌鲁木齐市植物多样性的演讲。将各小组的优秀科技作品在学校“科技节”、“美育节”和社区集中展示,扩大影响,得到很好的社会效益。通过调查研究,我们对新疆自然条件、各类植物生长状况、土壤环境有了一个较全面地了解,记录收集整理了大量数据,种子的收集为中科院新疆生地所标本馆 提供了第一手资料和种子。我们在这次的活动中,也增长了许多植物学方面的知识,如植物分类学、植物生理学,了解种子外部形态的多样性研究, 植物分类中种子术语多样性研究,种子结构多样性研究,种子寿命的多样性研究,种子传播方式多样性研究,在动手实践方面,千粒重测定方法,种子发芽率的培养试验以及相关仪器的使用。在能力方面,学会收集整理资料,对数据能进行简单分析综合,做出评价。懂得怎样观察树木特性,不同绿地植物的选择和结构的配置等,这次活动激发了我们对科学探索的兴趣,培养了热爱科学的热情,同时在意志品质方面也得到了提高。

  该项目在中国科协与自治区科协倡导的青少年科技创新实践活动感召及有关部门的大力协助下,经过努力,在野外考察、调查访问、文献查询、实验室分析等基础上,我会专家及给予大力的支持与帮助,完成了该项目的研究,反映了同学们良好的创新意识与较为扎实的实践能力,在倡导人与自然和谐相处下,同学的创新精神值得我们大力提倡与发扬广大。

  学校通过这次实践活动,使学生各方面素质有了很大提高,增加了同学间的团结协作精神,同时我们还请教新疆大学著名少数民族专家米吉提•胡达拜尔地教授,在他的的帮助下,学生将120种种子标本采集名录翻译成维吾尔语,使我们的活动成果能够在民汉间共享,为保持新疆稳定做出了应有的贡献。

  通过实践活动,学校组织了的小论文比赛;摄影比赛;绘画比赛;标本比赛等,比赛有682人参与,并获得各种奖励。学校在全校大会上对获奖同学进行表彰。共有500名同学参与摄影比赛,最终评比获奖者24人,其中一等奖4人,二等奖8人,三等奖12人(附表7)。共有300名同学参与了绘画比赛,最终评比获奖者26人,其中一等奖6人,二等奖8人,三等奖12人(附表8)共有297名同学参与了采集种子和制作标本,最终评比获奖者26人,其中一等奖6人,二等奖8人,三等奖12人(附表9)。共有121名同学撰写小论文,最终评比获奖者14人,其中一等奖4人,二等奖5人,三等奖5人(附表10)。我们通过摄影照片,展板在学校、社区等进行了大力宣传,使广大同学很受教育和启发。

  这次活动激发了我们对科学探索的兴趣,培养了热爱科学的热情,同时在意志品质方面也得到了锻炼。在此次课题中特别感谢中国科学院新疆生地所标本馆馆长欧咏、张元明给予的大力支持和帮助。感谢中科院新疆生地所张立运、沈冠冕、伊林克、潘伯荣研究员,张海波高工、 安沙舟老师在野外采样、实践活动过程中给予的热情帮助与指导。新疆林科院汪智军副研究员等从繁忙的工作中抽出时间对我们提出的各种问题耐心解答,细心指导并亲自带领我们实地考察,测定各项数据,并要求我们对各项工作,本着实事求是的态度一丝不苟的精神。这种严谨工作的作风感染着我们,我们将永远铭记在心中,今后我们要为新疆的生态建设奉献出自己的智慧和力量。

十、附件

  附表:种子标本采集名录(点击查看)

  附件1:乌鲁木齐市41中实践活动组织领导机构(点击查看)

  附表2:新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究实践活动组织结构平台表(点击查看)

  附表3:新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究项目调查程序示意图(点击查看)

  附表4:新疆干旱区植物果实和种子多样性的研究项目组织活动调查分工表(点击查看)

  附表5:活动考察路线图(点击查看)

  附件6:评价表(点击查看)

  附件7:新疆干旱区植物果实和种子多样性的考察活动摄影作品获奖(点击查看)

  附件8:新疆干旱区植物果实和种子多样性的考察活动绘画作品获奖(点击查看)

  附件9:新疆干旱区植物果实和种子多样性的考察活动标本制作获奖(点击查看)

  附件10:新疆干旱区植物果实和种子多样性的考察活动优秀论文(点击查看)

文章主题词:植物,多样性,新疆

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