冬季層積處理對(duì)5 種高寒草甸植物種子萌發(fā)特性的影響

魚小軍，徐長(zhǎng)林，景媛媛，段春華，肖 紅，趙振華，李仕杰

(1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院，草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中－美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心，甘肅省草業(yè)工程實(shí)驗(yàn)室，甘肅 蘭州730070;2.四川省宣漢縣飼草飼料工作站，四川 宣漢636150)

青藏高原地處世界“第三極”，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)極其脆弱［1］，生態(tài)系統(tǒng)抗干擾能力差［1-3］，草地退化嚴(yán)重正危及著高原的生態(tài)環(huán)境。目前，青藏高原高寒草甸植物群落演替、植被恢復(fù)已引起眾多科學(xué)工作者的廣泛關(guān)注［1-4］。植物的更新是群落演替、植被恢復(fù)等過程中非常關(guān)鍵的一步，種子則是其更新的關(guān)鍵因素，因此，種子的萌發(fā)直接關(guān)系著物種繁衍、種群維持和擴(kuò)展等生態(tài)過程，并直接影響植被的分布、群落動(dòng)態(tài)和生物多樣性［1-2，5-6］，因此，高寒草甸植物種子萌發(fā)對(duì)高寒草甸植被恢復(fù)以及生態(tài)系統(tǒng)維持具有重要的生態(tài)學(xué)意義及價(jià)值。

在放牧生態(tài)系統(tǒng)中，草食動(dòng)物通過對(duì)植物種子的采食、消化和排泄影響植物種子的發(fā)芽力［1］。結(jié)縷草(Zoysia japonica)種子經(jīng)黃牛(Bos taurus)和山羊(Capre hircus)采食、消化后，種子發(fā)芽力提高［7］;草食動(dòng)物采食可提高半日花科植物Helianthemum apenninum 種子的發(fā)芽率［8］。風(fēng)毛菊(Saussurea japonica)和紫苞風(fēng)毛菊(S. iodostegia)種子經(jīng)牦牛和藏羊采食后發(fā)芽率顯著降低［9］。種子經(jīng)過草食動(dòng)物的消化道過程中，種皮欠發(fā)達(dá)或無休眠的植物種子經(jīng)過牦牛消化道后發(fā)芽率下降，種皮堅(jiān)硬、硬實(shí)或處于物理休眠的種子發(fā)芽率上升，馬藺(Iris lactea)和青藏苔草(Carex moorcroftii)種子的發(fā)芽率無變化［10］。種皮欠發(fā)達(dá)的或沒有休眠的如禾本科植物種子對(duì)牦牛瘤胃內(nèi)容物浸泡處理相對(duì)敏感，發(fā)芽率下降較快;無脈苔草(C. enervis)種子(小堅(jiān)果)經(jīng)牦牛瘤胃內(nèi)容物浸泡24 h 的發(fā)芽率顯著提高，36 ～72 h 的顯著下降［11］。目前，有少量文獻(xiàn)［9-12］報(bào)道了動(dòng)物消化道傳播對(duì)青藏高原高寒草甸種子萌發(fā)的影響，草食動(dòng)物采食對(duì)種子影響包括動(dòng)物的咀嚼、消化液的浸泡、糞的浸泡以及排出體外后的層積作用，但關(guān)于高寒草甸植物種子層積于牦牛糞、藏羊糞后的萌發(fā)特性的研究卻未見報(bào)道。本試驗(yàn)研究牦牛糞、藏羊糞和草甸土在冬季通過層積作用對(duì)5 種高寒草甸植物種子萌發(fā)的影響，旨為種子的傳播、高寒草甸植被恢復(fù)及管理提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在甘肅省武威市天祝藏族自治縣抓喜秀龍鄉(xiāng)甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)天祝高山草原試驗(yàn)站(37°40' N，102°32' E，海拔2 960 m)進(jìn)行。該區(qū)草地屬寒溫潮濕類高寒草甸，年均氣溫－0.1 ℃，最熱月7 月均溫12.7 ℃，最冷月1 月均溫－18.3 ℃，≥0 ℃的年積溫為1 380 ℃·d。年均降水量416 mm，多集中于7、8、9 月;土壤為高山草甸土，土層厚度40 ～80 cm，土壤pH 為7.0 ～8.2［13］。于2012 年10 月初采集成熟的矮生嵩草(Kobresia humilis)、華扁穗草(Blysmus sinocompressus)、細(xì)葉鳶尾(Iris tenuifolia)、無脈苔草和線葉嵩草(K. capillifolia)。種子收獲后帶回實(shí)驗(yàn)室陰干(采收到干燥期間，其果皮和種皮未受到影響)，后置于牛皮紙信封中于室溫20 ℃條件下貯藏。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 種子層積處理 2012 年10 月中旬，在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)天祝高山草原試驗(yàn)站進(jìn)行種子層積處理。將去皮處理種子(利用刀片劃破細(xì)葉鳶尾種子種皮，利用砂紙打磨矮生嵩草、華扁穗草、無脈苔草和線葉嵩草小堅(jiān)果進(jìn)行破皮處理)和完整種子，按照層積基質(zhì)和種子20∶ 1 的比例［1］均勻置于健康牦牛和藏羊排出的新鮮糞和3 cm 深的土中，重復(fù)3 次。所用牦牛糞、藏羊糞和土壤的初始含水量分別為79%、41%和28%，pH 分別為6.8、6.9 和7.2。天然草地層積一個(gè)冷季后，于2013 年3 月23 日取回層積處理后的種子，以室內(nèi)貯藏的種子為對(duì)照，進(jìn)行發(fā)芽試驗(yàn)。

1.2.2 發(fā)芽方法和測(cè)定項(xiàng)目 所有發(fā)芽試驗(yàn)均采用培養(yǎng)皿內(nèi)紙上法(TP)，每皿50 粒種子，3 次重復(fù)。所有培養(yǎng)皿隨機(jī)置于25/15 ℃的變溫培養(yǎng)箱內(nèi)(8 h高溫、16 h 低溫)，每天統(tǒng)計(jì)發(fā)芽種子數(shù)并補(bǔ)充水分。以露白為種子發(fā)芽的標(biāo)準(zhǔn)。

發(fā)芽率=正常發(fā)芽種子數(shù)/供試種子數(shù)×100%

發(fā)芽指數(shù)(GI)= ∑Gt/Dt，Gt為在t 日的發(fā)芽數(shù)，Dt為相應(yīng)的發(fā)芽天數(shù)。

1.3 數(shù)據(jù)分析

用SPSS 16.0 進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，用Microsoft Excel 軟件作圖，數(shù)值均以“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同層積處理對(duì)5 種高寒草甸植物種子發(fā)芽率的影響

不同層積處理對(duì)5 種高寒草甸植物種子發(fā)芽率的影響因種皮完整性、層積基質(zhì)和草種不同而異(表1)。

表1 不同層積處理對(duì)5 種草種發(fā)芽率的影響Table 1 Effects of stratification in winter on seed germination of five plant species %

草甸土中層積的矮生嵩草破皮種子、牦牛糞中層積的完整及破皮種子發(fā)芽率顯著高于草甸土中層積的完整種子和對(duì)照發(fā)芽率(P ＜0.05);藏羊糞中層積的破皮種子、完整種子和牦牛糞中層積的完整種子的發(fā)芽率之間無顯著差異(P ＞0.05);草甸土中層積的破皮種子發(fā)芽率顯著高于完整種子。

草甸土中、藏羊糞中和牦牛糞中層積華扁穗草破皮的種子發(fā)芽率顯著高于對(duì)照、牦牛糞中和草甸土中層積的完整種子(P ＜0.05)，其中以藏羊糞中層積的最高;藏羊糞中層積的完整種子發(fā)芽率顯著高于草甸土中和牦牛糞中層積的完整種子。

草甸土中，藏羊糞中和牦牛糞中層積細(xì)葉鳶尾的破皮和完整種子發(fā)芽率顯著高于對(duì)照(P ＜0.05)，且破皮種子發(fā)芽率顯著高于完整種子;同一類型種子不同層積基質(zhì)間無顯著差異(P ＞0.05)。

藏羊糞中和牦牛糞中層積無脈苔草的破皮種子發(fā)芽率顯著高于完整種子和對(duì)照(P ＜0.05);草甸土中、藏羊糞中和牦牛糞中層積的完整種子發(fā)芽率和對(duì)照間無顯著差異(P ＞0.05);同一類型種子不同層積基質(zhì)間無顯著差異。

不同層積處理對(duì)線葉嵩草的破皮種子和完整種子的發(fā)芽率均無顯著影響。

2.2 不同層積處理對(duì)5 種高寒草甸植物種子初始發(fā)芽時(shí)間的影響

層積對(duì)供試5 種高寒草甸植物種子初始發(fā)芽天數(shù)的影響因種皮的完整性、層積基質(zhì)和草種不同而異(表2)。經(jīng)草甸土、藏羊糞、牦牛糞層積后，破皮的矮生嵩草種子初始發(fā)芽天數(shù)顯著低于對(duì)照(P ＜0.05);牛糞中層積的矮生嵩草種子破皮與完整種子發(fā)芽初始天數(shù)間差異不顯著(P ＞0.05)。完整、破皮華扁穗草種子經(jīng)過層積處理后，初始發(fā)芽天數(shù)為9 ～10 d，均顯著小于對(duì)照(16.7 d)(P ＜0.05)。完整、破皮細(xì)葉鳶尾種子經(jīng)過層積處理后，初始發(fā)芽天數(shù)均顯著小于對(duì)照(＞34 d)(P ＜0.05);層積處理中，破皮種子初始發(fā)芽天數(shù)顯著小于相應(yīng)的未破皮處理(P ＜0.05)。破皮、完整無脈苔草種子經(jīng)過藏羊糞和牦牛糞中層積后，初始發(fā)芽天數(shù)無顯著差異(P ＞0.05)，但皆顯著低于對(duì)照(P ＜0.05);完整無脈苔草種子草甸土中層積后初始發(fā)芽天數(shù)和對(duì)照間無顯著差異(P ＞0.05)。各處理的線葉嵩草初始發(fā)芽天數(shù)不具備統(tǒng)計(jì)意義。

2.3 不同層積處理對(duì)5 種高寒草甸植物種子發(fā)芽指數(shù)的影響

層積對(duì)供試5 種高寒草甸植物種子發(fā)芽指數(shù)的影響因種皮的完整性、層積基質(zhì)和草種不同而異(表3)?？傮w來看，除線葉嵩草外的其余供試種破皮種子的發(fā)芽指數(shù)高于完整種子。藏羊糞中的破皮矮生嵩草種子、牦牛糞中層積的完整和破皮矮生嵩草種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于對(duì)照(P ＜0.05)，草甸土中層積的完整和破皮種子、羊糞中層積的完整種子發(fā)芽指數(shù)和對(duì)照無顯著差異(P ＞0.05)。草甸土中、藏羊糞中、牦牛糞中層積后的破皮華扁穗草種子發(fā)芽指數(shù)均顯著高于對(duì)照;除了牦牛糞中層積處理外，相同層積基質(zhì)即草甸土和藏羊糞中層積的破皮種子發(fā)芽指數(shù)皆顯著大于完整種子。草甸土中、藏羊糞中、牦牛糞中層積后的完整、破皮的細(xì)葉鳶尾種子發(fā)芽指數(shù)均顯著高于對(duì)照(P ＜0.05);相同層積基質(zhì)中，破皮種子發(fā)芽指數(shù)皆顯著大于完整種子。藏羊糞和牦牛糞中層積后的無脈苔草破皮種子發(fā)芽指數(shù)顯著高于對(duì)照，完整種子經(jīng)層積后發(fā)芽指數(shù)并未顯著提高，各層積基質(zhì)間亦無顯著差異。不管是破皮還是完整的線葉嵩草種子，土中、牦牛糞和藏羊糞中層積并未能提高或降低種子的發(fā)芽指數(shù)。

3 討論

土壤種子庫是潛在的植物群落，研究不同植物種子在土壤中的留存動(dòng)態(tài)，對(duì)于了解這一植物種群或群落的演替與繁殖更新具有重要意義［14］。種子在土壤中的持久性不僅受其自身因素的影響，也受外界條件諸如埋深、水分、干擾等外界條件的影響［15-16］。本研究首次報(bào)道了牦牛糞和藏羊糞中層積對(duì)高寒草甸植物種子萌發(fā)特性的影響，結(jié)果表明，層積對(duì)供試高寒草甸植物矮生嵩草、華扁穗草、細(xì)葉鳶尾、無脈苔草和線葉嵩草種子萌發(fā)特性的影響因種皮的完整性、層積基質(zhì)和草種不同而異。破皮處理的矮生嵩草(除發(fā)芽指數(shù))、華扁穗草、細(xì)葉鳶尾和無脈苔草種子經(jīng)牦牛糞、綿羊糞和草甸土層積后，其發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)顯著高于對(duì)照(P ＜0.05)，初始發(fā)芽天數(shù)顯著小于對(duì)照(P ＞0.05);完整矮生嵩草、華扁穗草、細(xì)葉鳶尾和無脈苔草種子經(jīng)過上述層積后，其發(fā)芽率、初始發(fā)芽天數(shù)和發(fā)芽指數(shù)小于或大于對(duì)照，說明破皮種子對(duì)層積更敏感，這與牦牛和藏羊瘤胃液浸泡對(duì)高寒草甸植物種子的研究結(jié)果一致［11，17］。目前，動(dòng)物消化對(duì)種子萌發(fā)影響的研究多采用瘤胃液或瘤胃內(nèi)容物處理或直接過腹試驗(yàn)［9-11，17-19］，本研究采用牦牛和藏羊的糞便進(jìn)行層積種子處理，模擬了植物種子被牦牛采食排泄后堆積于草地的自然狀態(tài)，較客觀地反映了完整和破皮草類植物種子萌發(fā)對(duì)牦牛和藏羊糞中層積的響應(yīng)。

表2 不同層積處理對(duì)5 種草種初始發(fā)芽天數(shù)的影響Table 2 Effects of stratification in winter on the initial germination day of five plant species d

表3 不同層積處理對(duì)5 種草種發(fā)芽指數(shù)的影響Table 3 Effects of stratification in winter on seed germination index of five plant species

本研究結(jié)果顯示，冬季層積提高了破皮的矮生嵩草、華扁穗草、細(xì)葉鳶尾和無脈苔草種子的發(fā)芽速率，降低了其初始發(fā)芽天數(shù);除藏羊糞中層積的破皮華扁穗草種子發(fā)芽率顯著高于牦牛糞和土中層積處理外(P ＜0.05)，破皮的細(xì)葉鳶尾、無脈苔草種子在各層積基質(zhì)處理間無顯著差異。因此，高寒草甸植物種子對(duì)草食動(dòng)物采食排除體外后于糞中和土中層積的響應(yīng)因植物種類不同而異。有研究表明，經(jīng)過草食動(dòng)物的消化道后，種皮欠發(fā)達(dá)或沒有休眠的如垂穗披堿草(Elymus nutans)種子對(duì)牦牛瘤胃內(nèi)容物浸泡處理相對(duì)敏感，發(fā)芽率下降較快，而休眠性較強(qiáng)的矮生嵩草和無脈苔草種子(小堅(jiān)果)經(jīng)牦牛瘤胃內(nèi)容物處理后，發(fā)芽率下降緩慢或有所提高［11］。本研究結(jié)果顯示，層積使破皮種子變得更容易萌發(fā)，這就相當(dāng)于經(jīng)動(dòng)物消化道排出的未受傷破皮種子在糞中或土中自然層積后發(fā)芽率得以提高。因此，在種子的動(dòng)物消化道傳播過程中，消化道對(duì)種子的影響因階段而異，較好的例子是鴨類的研磨作用加快了海三藨草(Scirpus mariqueter)種子的萌發(fā)，酸性和高溫條件緩沖了種子的萌發(fā)速率［20］。

種子的初始萌發(fā)天數(shù)越低，說明其發(fā)芽越迅速。具有較少初始萌發(fā)天數(shù)的物種能在適宜的條件下迅速發(fā)芽，這直接關(guān)系著該物種繁衍、種群維持和擴(kuò)展，并直接影響植被群落動(dòng)態(tài)和生物多樣性［1-2，5-6］。本研究表明，破皮的矮生嵩草、華扁穗草、細(xì)葉鳶尾和無脈苔草種子經(jīng)層積處理后，萌發(fā)更迅速。在放牧生態(tài)系統(tǒng)中，家畜的踐踏和采食相當(dāng)于對(duì)草類植物種子不同程度的去皮或破皮處理，經(jīng)消化道排出或經(jīng)踐踏的破皮種子層積在糞中或土壤中其發(fā)芽率和發(fā)芽指數(shù)有不同程度的提高，初始發(fā)芽天數(shù)減少，加速了該物種繁衍、種群擴(kuò)展和種群動(dòng)態(tài)平衡等［1，6］。本研究結(jié)果顯示，冬季層積對(duì)完整種子萌發(fā)的影響小于破皮種子。因此，在草食動(dòng)物采食對(duì)草類植物種子影響的過程中，破皮種子的休眠特性得以解除，破皮種子變得更容易萌發(fā)(特別是深休眠種子細(xì)葉鳶尾)，這可能也使得合理放牧的草地生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性更高［1］。

有研究表明 ，線葉嵩草種子萌發(fā)困難，各種物理和化學(xué)處理后的發(fā)芽率仍然較低。本研究結(jié)果顯示，冬季層積對(duì)完整和破皮線葉嵩草種子的萌發(fā)影響無顯著影響(P ＞0.05)，因此，線葉嵩草種子休眠和萌發(fā)特性以及自然條件下的線葉嵩草種群更新有待于進(jìn)一步深入研究。

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