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轻木 (
Ochroma lagopus) 是木棉科轻木属常绿乔木；原产南美洲及西印度群岛，厄瓜多尔、哥伦比亚、巴西、哥斯达黎加、危地马拉等地均有分布；厄瓜多尔轻木的产量占世界首位[1]。我国于20世纪60年代开始在云南、海南等地引种轻木，但未能大面积推广种植[2]。作为特殊的工业原料，干燥的轻木每立方米只有0.1~0.2t[3]，且导热系数低、物理性能好是制造绝缘材料、隔音设备及部分飞机组件的良材[4]。轻木孔隙内容纳的大量空气使得木材导热性低、隔音性强，在航天、航海等领域发挥重要作用，在工业及民用领域也应用广泛[5]；轻木具有多种重要的用途，但主要用于加工风力发电设备。2009年在邹寿青等种植于版纳植物园的轻木，平均每天长7 cm，超过国际平均每天5 cm的水平[1]。2020年我国进口轻木的数量成倍增长，价格飙升4倍；轻木国产化已迫在眉睫。目前我国云南、海南、广东、福建等地开始试种。轻木原产地位于赤道附近，在我国种植会受到低温制约；此外温度也是影响种子萌发的关键因素之一[6]。 为了提高种子萌发率、探索轻木低温耐受性和最佳种植区域，本研究初步阐明温度和pH值对轻木产业的影响。研究表明棉花种子萌发的最适温度为28℃，10℃以下种子不萌发[7-9]。有研究报道轻木种子放入60~70℃热水中，自然降温到30℃后继续浸泡20~48 h，发芽率为40%~60%[1]。李翠新等将轻木种子置于 65℃ 热水中处理，直至水温自然降温至 25℃，继续浸泡24 h后灭菌萌发，发芽率仅为17.9%[10]。为充分利用宝贵的轻木种子，提高种子萌发率是最有效的策略。其次，温度作为一个重要的环境因子决定植物的生长发育；低温环境下植物会受到冷害，严重时甚至死亡[11]。程嘉琪等[12]在低温条件下，通过幼苗存活率、冷害指数、叶片数、株高及叶绿素含量五个指标对303份黄瓜进行低温耐受性评价，结果表明这五个指标基本符合正态分布，分析结果显示冷害指数与幼苗存活率、叶片数、株高及叶绿素含量四个指标呈极显著负相关。王红飞等[13]利用6℃低温处理黄瓜幼苗，以冷害指数和恢复指数为评价指标，得出适宜胁迫时间为 3~5 d。五种木本花卉低温的耐受性研究表明，在低温胁迫过程中，木本花卉的相对电导率均随温度的降低而持续上升，耐寒性依次为: 臀果木>石斑木>肖蒲桃>桃叶石楠>香蒲桃，其低温半致死温度在−8.54℃~−6.07℃之间[14]。轻木作为外来植物引种到西双版纳，其对低温的耐受性还有待细究。此外，目前国内外鲜有对轻木生长最适pH值和极端低温耐受性的研究。冷芬等[15]采用盆栽试验，探究不同土壤pH 值(4.5、5.5、6.5、7.5、8.5、9.5)对何首乌生长的影响；结果显示何首乌在土壤pH值为6.5~9.5时能正常生长，pH值为4.5和5.5时出现叶片枯萎脱落，少数不能存活；pH值 = 6.5和pH值 = 7.5时生长达到峰值，表明土壤pH值接近中性环境时何首乌长势最佳。肖蒙等[16]对云南省森林土壤酸碱度现状及影响因素分析发现云南省森林土壤质地多为砂质黏壤土，淋溶层与淀积层土壤pH值分别在3.74~6.77和4.30~6.59之间，表明云南省森林土壤主要为酸性土壤。因此找到适宜轻木生长的pH值范围，对生产和研究都具有重要的意义。
轻木被广泛应用于航天、航海、工业及民用领域，当前主要用于制造风力发电机叶片。在低碳经济和低碳生活背景下风力发电的规模逐渐增大，轻木需求量也随之增加。我国所需轻木主要来自厄瓜多尔，市场多被欧美等国垄断，因此轻木国产化已迫在眉睫。然而，国内缺少丰富的种质资源，且轻木种子自然条件下难萌发，因此本研究的首要目的是高效地利用有限的种子资源，降低推广初期的种质资源限制。其次，探索轻木低温耐受性和最适土壤pH值，指导选择适合推广种植的区域，也是实现轻木国产化的关键。本研究通过实验探究轻木种子的最佳萌发条件、苗木生长的最适pH值和轻木对低温的耐受性，有利于高效利用种子资源、选择最适宜的地区推广种植轻木，为轻木国产化奠定基础，同时完善轻木种植技术，增加国内的轻木产量，打破欧美垄断轻木市场的局面，对国民经济持续健康发展具有重要意义。
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本实验所用的轻木种子采自中国科学院西双版纳热带植物园（21° 54'N, 101° 46'E，海拔580 m）。
0.2%的升汞用于种子灭菌，种子萌发及培养所用的培养基为1/2 MS培养基，添加5 g·L−1琼脂粉，10 g·L−1蔗糖、300 mg·L−1 头孢霉素、200 mg·L−1 替卡西林钠，调节pH值至5.8。探索最适pH值所用栽培土为营养土和红土1:1混成。调节土壤pH值的试剂是用酸或碱调节至特定pH值的浇灌用水。采用SPSS、Excel和Sigma plot进行数据分析和作图。
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(1)采种：在中国科学院西双版纳热带植物园采集成熟的轻木果实，剥离出种子后置于4℃冰箱长期储存。（2）配置1/2 MS固体培养基。（3）浸种：将准备播种的种子放入15 ml离心管中，加水至12 ml处，盖紧盖子，上下剧烈摇晃，丢弃漂浮的不饱满种子，重复3次。将选种的水倒掉，重新加入无菌水浸泡种子15 h。（4）灭菌：在超净工作台上倒出无菌水，加入0.2 %升汞浸泡灭菌30 min，期间摇动3~5次，再用无菌水清洗种子3次，最后加入无菌水盖好盖子取出。（5）水浴加热：为提高种子利用率，设计实验探索萌发条件。先将种子浸泡过夜，然后设置室温、45℃、55℃、70℃、85℃、100℃共6个温度梯度，每个梯度分别水浴30 min、40 min、50 min后统计萌发率。（6）播种：取水浴加热后的种子，播种至1/2 MS固体培养基，将种子下胚轴一端1/3~1/2长度插入培养基中，每组包含3个重复，每个重复播种50颗种子，每组5瓶，每瓶10颗种子。（7）萌发与统计：置于16 h光照，8 h黑暗条件下萌发，培养室温度为24±1℃, 3 d后种子开始萌发，5-7 d集中萌发，播种后10 d后统计萌发数。重复3次，统计3次重复数据后进行结果分析。
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育苗分组：无菌苗至长出4-6片真叶后，选取长势均匀的幼苗分组备用。（2）冰箱预冷：低温培养箱温度降低至实验所需温度需要一个小时，需提前打开调节温度备用。（3）低温处理：将幼苗分批进行低温处理。（4）统计分析：低温处理3d后取出，放回培养室 （24 ± 1℃）继续培养至植株恢复生长后统计死亡率、叶片损伤率、恢复时间。采用SPSS、Excel和Sigma plot进行数据分析和作图。首先定义冷害等级和恢复等级(见图1)，计算冷害指数和恢复指数；再以冷害指数和恢复指数为评价指标。
Figure 1. Defining cold damage levels and recovery levels according to the intensity of frost damage and recovery
预处理显示，4℃和6℃均有部分叶片受轻微冻害，因此设置0℃、2℃、4℃、6℃四个温度进行低温耐受性鉴定评价；此外，预实验发现无菌苗和土培苗的低温耐受性存在差别，因此增设两者之间的对比试验。冷害指数和恢复指数计算公式如下：
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将营养土和红土按照1:1混合配置栽培土。待种子萌发长出根后再移栽到花盆中。将浇灌水装入桶中，用盐酸调节到指定 pH值后浇灌，持续浇灌四个月。最后每隔十天统计一次株高，二十天统计一次茎粗，三个月后统计叶片数并根据株高计算节间长度。文献报道显示云南区土壤淀积层土壤pH值在4.30~6.59之间[17]。因此本实验设置4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5、7.0七个pH值梯度进行实验处理，每个pH值6棵植株，每个pH梯度包含3个生物学重复。处理前轻木苗株高约15 cm。
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不同温度处理萌发结果显示室温和45度处理的萌发率较低，但是随着水浴时间的延长，萌发率逐渐提高；55℃时种子萌发率可超过90%，其中处理50 min的种子萌发率最高。70℃和85℃处理后种子萌发率均低于50%，且随着处理时间的增加萌发率降低。100℃处理过的种子几乎不能萌发（见表1）。初步结果显示处理温度对种子萌发率影响较大，但相同温度下不同处理时间的萌发率差异较小。
温度/℃
Temperature时/min
Time播种数
Seed number萌发数
Seedlings萌发率/%
Germination rate室温 30 63 21 33.4 40 49 17 34.7 50 62 22 35.5 45 30 59 19 32.2 40 56 27 48.3 50 54 29 53.7 55 30 46 42 91.3 40 43 41 95.4 50 54 52 96.3 70 30 51 22 43.2 40 52 21 40.4 50 49 19 38.8 85 30 47 19 40.5 40 43 15 34.9 50 51 14 27.5 100 30 49 1 2.1 40 51 0 0 50 46 0 0 Table 1. Seed germination rate after different temperature treatments
为进一步探索最佳萌发温度又每间隔5度设置温度梯度，从室温、45℃~80℃ 九个温度对种子进行热处理。结果显示：室温条件下轻木种子萌发率仅为34.25%，45℃处理萌发率为49.33%，50℃处理萌发率为63.33%，55℃处理萌发率为80.58%，60℃处理萌发率为78.67%，65℃处理萌发率为52.35%，70℃处理萌发率为41.33%，75℃处理萌发率为26.53%，80℃处理萌发率为16.47%；处理温度对轻木萌发率有显著性影响 (见图2)。萌发率最高的水浴温度为55℃，其次是60℃和50℃，萌发率最低的水浴温度是80℃。
Figure 2. Seed germination rate after different temperature treatments
水浴温度由室温增加到55℃时，随着水浴温度的增加，萌发率逐渐提高；水浴温度由55℃增加到80℃时，萌发率持续降低。水浴温度达到85℃时，萌发出的幼苗子叶有损伤且萌发率显著降低。
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温度不仅影响种子萌发，而且在植物的生长发育过程中还发挥着重要的作用。植物在低温条件下会遭到不同程度的伤害，严重时甚至会导致植株死亡。冷处理的无菌苗在培养室恢复7d后统计不同温度处理苗的恢复等级。冷害等级达到3级的幼苗共计60棵恢复等级均为0级，说明冷害达到3级时，已严重损坏植株正常生理机能，植株不能继续存活；8℃处理恢复指数均为3级，说明2月龄的无菌苗都能耐受8℃低温（见表2）。以0℃、2℃、4℃的低温处理2月的无菌苗，记录损伤情况（见图3），处理3天后统计冷害等级（见表2）。0℃和2℃处理受害较严重，分别有91.67%和66.6%的苗达到2级及以上的冷害；4℃、6℃、8℃处理几乎无3级冷害，达到1级以上冷害的比例分别为12.07%、8.33%和0（见表2）。
温度
Temperature处理株数
Number冷害等级
Cold damage levels恢复等级
Recovery levels0级
level-01级
level-12级
level-23级
level-30级
level-01级
level-12级
level-23级
level-30℃ 60 0 5 13 42 48 9 3 0 2℃ 63 8 13 25 17 23 22 11 7 4℃ 58 49 5 3 1 2 6 7 43 6℃ 60 55 4 1 0 0 1 1 58 8℃ 61 61 0 0 0 0 0 0 61 Table 2. Evaluation of cold damage and recovery levels after low temperature treatment
Figure 3. Comparison of cold damage and recovery levels of sterile-culture seedlings under different low temperature conditions
据表2和表3统计低温处理后的幼苗死亡率、冷害指数、恢复指数 (见图3I-K)。3天后不同温度处理的幼苗存活率、冷害指数及恢复指数差异显著 (见图3)，冷害指数变化范围在 0~87.22% 之间，恢复指数变化范围为 11.9%~100%，这表明3d是低温胁迫后鉴定轻木低温耐受性的适宜天数。冷害指数在0℃为87.22%，2℃为60.32%，4℃为7.76%，6℃为5.00%，8℃为0 (见图3I)；恢复指数在0℃为11.90%，2℃为34.39%，4℃为84.48%，6℃为98.33%，8℃为100% (见图3J)。
0℃低温胁迫后死亡率高达79.24%，剩余未死亡植株损伤严重，不能正常生长；2℃低温胁迫后，死亡率为35.83%，未死亡植株损伤也较为严重；4℃低温胁迫后，死亡率降至6.28%，未死亡植株中仍有30.23%不能恢复至3级；6℃和8℃低温胁迫后，未发现死亡植株，6℃低温处理下有极少部分叶片轻微损伤，8℃低温处理下未发现叶片损伤（见图3K）。
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为结合野外实际栽培情况，选择8℃、6℃、5℃、4℃温度梯度处理株高20~30 cm的土培苗，相同温度下对土培幼苗的损伤强于对无菌苗的损伤（见图4）。6℃低温会损伤轻木叶片但不致死，叶片损伤一定程度影响植株的生长，8℃低温对轻木几乎无影响。5℃处理死亡率33.33%；4℃处理死亡率58.33%，比相同温度下无菌苗的死亡率高52.05%，表明土培苗的低温耐受性更差。
Figure 4. Comparisons of cold damage and recovery levels of soil-culture seedlings under different low temperature conditions
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0 ℃、2 ℃低温处理2~3月的无菌苗的死亡率分别为79.24%，35.83%（见图3K），根据温度与致死率之间的函数关系式y = −37.1x +114.8计算，0~2 ℃下轻木无菌苗的低温半致死温度为1.75 ℃。4 ℃、5 ℃低温处理15~30 cm土培苗，死亡率分别为33.33%，58.33%（见图4E），根据温度与致死率函数关系式y = −25x + 158计算，4~5 ℃下轻木幼苗的土培苗低温半致死温度为4.32 ℃。
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种植于不同pH值环境的苗每隔10 d统计一次株高，每隔20 d统计一次茎粗，计算平均值作折线图分析生长趋势。结果显示随着时间的推移，各组间差异越来越明显，2021年6月13日开始统计至10月11日共120 d。pH值 6.0时长势最佳，株高平均增长量188.67 cm，而pH 值4.0时，株高平均增长量仅102.00 cm，pH值 6.0比pH 4.0多增长84.97%。从图5中能看出8月22日至9月21日株高增长量明显高于其他时段。
Figure 5. Variation trends of plant height under different soil pH
生长120 d后，不同pH值环境下的轻木植株高度有显著差异，pH值 6.0时平均株高达到最大值204.00 cm，pH值 6.0和 pH 6.5值差异不显著，pH值 4.0时平均株高为117.33 cm，整体株高排序pH值6.0 > pH值6.5 > pH值5.5 > pH值5.0 > pH值7.0 > pH值4.5 > pH值4.0 (图6F)。茎粗方面，pH值4.0和pH值4.5时显著低于其余实验组，其余实验组无显著差异。叶片数差异不显著，pH值 6.0、pH值 6.5和pH值 7.0三组略高于其他组。节间长度变化趋势与株高一致 (图6H)。
Figure 6. Comparisons of plant height, stem diameter, and internode length under different pH soils
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55℃恒温水浴处理轻木种子50 min后，种子萌发较快且萌发率达到最高，平均萌发率超过80%，该处理种子利用率极高；其次是60℃和50℃，50℃、55℃、60℃下的萌发率差异不显著；而常温浸种后种子萌发率仅有34%。因此育苗过程中可采用50℃~60℃水浴处理50 min进行催芽。热处理是通过加速种子破壳因而提高种子萌发率；但是处理温度过高（>60℃）时会导致胚的活力降低，因此温度太高种子萌发率会降低。
冷处理实验0℃、2℃、4℃低温处理2月龄无菌苗的死亡率分别为79.24%、35.83%和6.28%，低温半致死温度为1.75℃。8℃低温对土培苗几乎无影响，6℃时叶片有局部损伤（见图4）。西双版纳生态站的气象资料显示，2008—2018年西双版纳地区年均温在17℃~29℃，日均温在10℃以上的持续期在350~365 d[17]，低于6℃极罕见， 版纳地区较高的积温和罕见极端低温因此适合推广种植轻木。轻木虽然是原产于赤道附近的热带植物，但对低温具有一定的耐受性，未来可以逐渐往高纬度和高海拔地区种植驯化，增加推广种植面积。本研究发现无菌苗比土培苗更耐低温，原因可能是无菌苗有培养瓶保护，冷处理的时候温度变化较缓慢，且不易脱水；土培苗裸露在空气中，温度变化较快；受冷风影响叶片明显失水。
不同pH值处理结果表明轻木最适生长pH值是6.0-7.0之间，有研究显示西双版纳地区土壤pH值普遍低于5.0 [18]，因此在轻木推广种植过程应尽可能选择pH值较高的区域并通过适当施加熟石灰等提高土壤pH值。轻木上涨周期为四年，超过四年木材密度又会超标；而收购需要轻木直径达到35cm以上密度小于0.2g·cm-3，因此在整个生长过程中必须保证持续快速生长，研究结果表明pH值对轻木生长速率影响较大（见图6），选择pH值适宜的土地种植轻木是实现轻木国产化种植的关键。
Exploration on Seed Germination Conditions, Low Temperature Tolerance and optimum pH value for Ochroma lagopus Growth
doi: 10.12172/202210230003
- Received Date: 2022-10-23
- Available Online: 2023-03-21
- Publish Date: 2023-08-30
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Key words:
- Ochroma lagopus /
- Germination rate /
- Optimal pH value /
- Low temperature tolerance
Abstract: Ochroma lagopus is a perennial woody plant of the kapok family which also named balsa wood, and its wood is mainly used to make blades of wind driven generator. However, the balsa wood needed in China is completely imported from Indonesia and Ecuador, thus the localization of balsa wood is the guarantee to ensure the sustainable development of Chinese wind power industry. This research aimed to investigate the optimal seed germination conditions, the suitable pH for plants growth, and the cold tolerance of Ochroma lagopus under low temperature. This study improved the planting technology and lay the foundation for the localization of Ochroma lagopus industry. The seeds before germination were constantly treated 50 min at 45℃, 50℃, 55℃, 60℃, 65℃, 70℃, 75℃ and 80℃ in the water bath. Two-month-old seedlings were cultured at 0℃, 2℃, 4℃, 6℃ and 8℃for 3 days to discover the low temperature tolerance limits of balsa wood. The seedlings of Ochroma lagopus were planted in pots with pH values of 4.0, 4.5, 5.0, 5.5, 6.0, 6.5, and 7.0. The increment height of each plant was recorded weekly for 120 days. The germination rate of seeds was the highest after treatment at 55℃, which could reach 80%. However, the germination rate of control seeds was only 34%, and heat treatment obviously improved the germination rate of light wood seeds. The aseptic seedling exhibited low death rate under 4-8℃ conditions; while the seedlings exhibited 79.24%, 35.83% and 6.28% death rate under 0℃, 2℃ and 4℃ conditions, respectively. The seedlings grown in the soil were also treated with 8℃, 6℃, 5℃ and 4℃ for 3 days, the death rate of seedlings was 33.33% and 58.33% when treated with 5℃ and 4℃, respectively. The results showed that the growth was the best at pH 6.0, with an average plant height increase of 188.67 cm, while the height was only 102.26 cm at pH 4.0. During the 120 days, the height of plants grown at pH 6.0 were 84.97% taller than that of pH 4.0 condition. According to these results, the optimal balsa wood seed germination condition was that the seeds were soaked at 55℃ for 50 min, and the low temperature above 4℃ had no obvious damage to Ochroma lagopus; and the optimum pH value for planting Ochroma lagopus was 6.0.
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