不同海拔梯度嵩草种子的萌发机制

褚希彤，付娟娟，孙永芳，益西措姆，苗彦军，许岳飞，呼天明

(1.西北农林科技大学动物科技学院，陕西 杨凌 712100； 2.西藏农牧学院植物科学学院，西藏 林芝 860000)

嵩草属(Kobresia)植物为莎草科中的苔草亚科，属寒冷中生、湿中生和旱中生多年生密丛短根茎地下芽草本植物，主要分布于北半球的温带至寒带，为北温带分布的属[1]，常见于海拔2 000～5 000 m[2]，适宜生长于高山草甸。长期的自然选择过程使嵩草适应高寒环境，能在高寒草甸形成优势群体[3]。

嵩草属的牧草是青藏高原主要的优良牧草和生态草种，其良好生长对维持青藏高原地区的生态平衡具有十分重要的意义。长期以来，不合理的人类活动，如过度放牧和滥采滥挖等，使得草地退化严重，对畜牧业生产造成了很大的影响，加之嵩草种子种皮较坚硬[4]，野外发芽率较低，嵩草草甸退化日趋严重。本研究以青藏高原高寒草甸不同海拔梯度的四川嵩草(K.setchwanensis)、喜马拉雅嵩草(K.royleana)、藏北嵩草(K.littledalei)、线叶嵩草(K.capillifolia)和高山嵩草(K.pygmaea)为对象，分析不同浸种处理对5种嵩草种子萌发机制的影响，旨在为青藏高原地区嵩草种子发芽提供新的方法，以降低栽培草地建植成本，保护西藏优质野生牧草资源，为西藏地区生态系统的恢复和畜牧业发展提供理论支持和技术指导。

1 材料与方法

1.1试验材料 供试材料为来源于海拔2 900～5 200 m的西藏那曲地区的四川嵩草(2 918 m)、喜马拉雅嵩草(5 200 m)、藏北嵩草(4 744 m)、线叶嵩草(4 125 m)和高山嵩草(4 645 m)。于2011年9月采集后室内贮藏，2012年4月用于发芽试验。

1.2试验方法 将每种嵩草分别取一定量分装于3个烧杯中，然后用质量分数为1.0%的NaClO溶液处理1 min后取出，用蒸馏水清洗干净备用，再分别采用化学和物理方法处理。

1.2.1化学方法处理 KNO3溶液浸种：每种嵩草种子取一定量分装于3个烧杯中，分别加入浓度为0.1%、0.2%和0.3%的KNO3溶液，浸泡12 h后取出[5]，用蒸馏水冲洗干净并用滤纸吸净表面水分用于发芽试验。

H2SO4浸泡：每种嵩草种子取一定量分装于3个烧杯中，加入浓度为70%的H2SO4分别浸泡1、2和5 min后取出[6]，用蒸馏水冲洗干净并用滤纸吸净表面水分用于发芽试验。

NaOH溶液浸泡：每种嵩草种子取一定量分装于3个烧杯中，分别加入浓度为20%、40%和60%的NaOH溶液，浸泡2 h后取出[7]，用蒸馏水冲洗干净并用滤纸吸净表面水分用于发芽试验。

1.2.2物理方法处理

温水浸种处理：将每种嵩草种子取一定量分装于3个烧杯中，加蒸馏水至没过种子，分别在50、60和70 ℃恒温水浴箱中浸泡1 h，并在加热过程中不断搅拌，保证种子均匀受热后，取出使其自然冷却到室温，用蒸馏水冲洗干净并用滤纸吸净表面水分用于发芽试验。

1.2.3发芽指标测定方法

将处理后的嵩草种子，每种随机数取150粒，3个重复，采用纸上发芽法(TP)，将培养皿放入培养箱进行发芽试验(10 h光期+14 h暗期，光强100 μmol·m-2·s-1，相对湿度60%，温度25 ℃)。从第5 天开始，每24 h统计一次正常发芽数，至第10天结束。依次计算种子发芽势和发芽率。

发芽势=[发芽数(第5天)/供试种子数]×100%；

发芽率=[发芽数(第10天)/供试种子数]×100%。

第10天发芽结束后，从每个培养皿中随机选取5株(不足5株全部计算在内)发芽的种子，用最小刻度为1 mm的尺子测量其根长、苗长。

1.2.4数据处理 数据采用DPS 7.05软件进行差异显著性分析和多因素方差分析，试验结果均以平均值±SD表示。

2 结果与分析

2.1不同种嵩草发芽情况比较 四川嵩草初期发芽整齐，发芽势显著高于其他4 种嵩草(P<0.05)(表1)。5种嵩草种子发芽率依次为四川嵩草>喜马拉雅嵩草>藏北嵩草>线叶嵩草>高山嵩草。其中，仅有线叶嵩草和高山嵩草发芽率差异不显著。除高山嵩草没有发芽外，其余4种嵩草幼苗的苗长和根长以喜马拉雅嵩草为最高，分别达到13.34和8.48 mm。

表1 5种嵩草种子发芽情况比较Table 1 Comparison of germination of five Kobresia species

2.2不同处理对5种嵩草种子发芽势的影响 多因素方差分析表明，除各种间发芽势差异显著(P<0.05)之外，4种不同处理(KNO3、H2SO4、NaOH和温水)和对应浓度、温度及浸泡时间亦对5种嵩草种子发芽势有显著影响(P<0.05)(表2)。

NaOH处理5种嵩草种子均能得到较好的效果(图1)。NaOH溶液浸泡处理四川嵩草，发芽势比对照提高了40.67%。3种不同浓度NaOH溶液对藏北嵩草发芽势影响较大，较对照分别显著提高了28.00%、35.34%和40.67%(P<0.05)，且藏北嵩草发芽势随着NaOH浓度的升高而升高；线叶嵩草种子经20%、40%和60%的NaOH溶液处理后，发芽势由0分别提高到了14.00%、12.00%和14.00%，组间无显著差异(P>0.05)；20%的NaOH溶液浸泡高山嵩草种子使其发芽势由0提高到2.67%，显著高于对照(P<0.05)。低浓度KNO3对提高四川嵩草和喜马拉雅嵩草种子发芽势有显著作用(P<0.05)。

2.3不同处理对5种嵩草种子发芽率的影响 方差分析表明，种间差异是影响5种嵩草种子发芽率差异最重要的因素(表2)。4种不同试剂(KNO3、H2SO4、NaOH和温水)和处理的浓度、温度及浸泡时间对5种嵩草种子发芽率的影响显著(P<0.05)。

表2 不同处理对5种嵩草发芽及幼苗的影响Table 2 Effects of different treatments on seed germination and seeding of five Kobresia

图1 不同处理对5种嵩草种子发芽势的影响Fig.1 Influences of different treatments on germination potential of five species of Kobresia seeds

四川嵩草未经处理时发芽率很高，达到92.00%。浓度为20%的NaOH溶液和60、70 ℃温水处理四川嵩草后，发芽率分别降至82.67%、24.67%和0.67%，与对照差异显著(P<0.05)(图2)。

与四川嵩草发芽率相似，经40%的NaOH浸种后，藏北嵩草种子发芽率达到最高，显著高于对照(41.33%)(P<0.05)。用浓度为20%的NaOH处理线叶嵩草和高山嵩草均显著提高了其发芽率，分别提高了25.33%和8.67%(P<0.05)(图2)。

就不同处理而言，3个浓度的NaOH溶液均抑制了喜马拉雅嵩草种子的发芽，且浓度由高到低，抑制作用增强。当NaOH溶液浓度为20%时，喜马拉雅嵩草种子发芽率仅有0.7%，大部分种子发霉变质，较对照组发芽率极显著降低了52.6%(P<0.01)。不同的试剂及浓度、温度和处理时间的不同并不能提高喜马拉雅嵩草的发芽率。

图2 不同处理对5种嵩草种子发芽率的影响Fig.2 Influences of different treatments on germination rate of five species of Kobresia seeds

2.4不同处理对5种嵩草苗长的影响 种间差异和4种不同处理对苗长的影响达到显著水平(P<0.05)，试剂浓度、温度和浸泡时间对5种西藏嵩草幼苗苗长的影响未达到显著水平(表2)。

NaOH溶液浸泡是提高嵩草种子幼苗苗长最好的方法，将5种嵩草苗长提高到13.00 mm以上。20%的NaOH浸泡将四川嵩草幼苗苗长由11.05 mm提高到13.91 mm；浓度为40%的NaOH溶液浸泡藏北嵩草和线叶嵩草分别将其幼苗苗长由10.15和3.70 mm分别提高到17.16和14.38 mm；60%的NaOH溶液浸泡将喜马拉雅嵩草和高山嵩草苗长由13.34、0 mm分别提高到18.17和14.00 mm。与60%的NaOH对高山嵩草苗长的作用一样，50 ℃温水处理亦将其幼苗长度提高了14.00 mm(图3)。

2.5不同处理对5种嵩草种子根长的影响 3种因素对嵩草幼苗根长的影响均达到了显著水平(P<0.05)(表2)。线叶嵩种子经NaOH溶液处理后，幼苗根长随着NaOH溶液浓度的增加而降低，但显著高于对照及其余3种试剂处理下的幼苗根长。40%的NaOH溶液处理藏北嵩草，根长平均值达到6.27 mm，显著高出对照2.68 mm(图4)。

70%的H2SO4浸泡1 min以及50 ℃温水处理后，高山嵩草幼苗长度分别达到16.00和13.30 mm，显著高于其余处理方式下的幼苗根长(P<0.05)(图4)。

3 讨论

本研究表明，种间的遗传差异是造成5种嵩草种子发芽势和发芽率差异最主要的因素，不同处理对5种嵩草种子发芽势和发芽率的影响亦达到了显著水平(P<0.05)。由李希来[8-9]对矮嵩草和高山嵩草种子解剖特征的研究可知，嵩草属种子体积小，但果皮最外层表皮的厚壁细胞腔较大，将胚深埋于胚乳之中，保护组织坚硬，机械性强。嵩草属种子以上特性体现了其耐寒性和耐旱性，是适应高寒生态环境的结果，但同时也限制了种子的发芽，使胚和胚乳不易获得足够的水分和氧气。另外，坚硬致密的保护组织虽有利于嵩草属种子抵御严寒和外力破坏，但同时也限制了胚根和胚芽穿破保护组织，这也是造成嵩草属种子在自然条件下发芽率极低的原因之一[10]。由张国云等[11]的研究可知，本试验中NaOH对嵩草种子发芽率的提高作用或许是因为其果皮结构被破坏。

图3 不同处理对5种西藏嵩草幼苗苗长的影响Fig.3 Influences of different treatments on shoot length of five species of Kobresia seedlings

图4 不同处理对5种嵩草幼苗根长的影响Fig.4 Influences of different treatments on root length of five species of Kobresia seedlings

本研究所用浓度为40%的NaOH溶液对提高四川嵩草以及藏北嵩草种子的发芽率效果最佳，而对线叶嵩草和高山嵩草而言，NaOH溶液最佳浓度为20%。以上结果与前人研究的NaOH对短轴嵩草(K.vidua)[12]和对四川嵩草[13]种子发芽的结果一致。

适当浓度的KNO3预处理可以控制嵩草种子缓慢吸水，让种子停留在吸胀阶段一段时间，使之处于欲发芽状态，提高种子活力，促进嵩草种子发芽。本研究表明，低浓度KNO3溶液对嵩草种子发芽势有一定的提高作用。孙杰等[14]在对野牛草(Buchloedactyloides)休眠因素分析中也得出了类似结论。

有研究指出[15]，部分嵩草种子萌发属于缓慢型，缓慢型萌发属于试探性发芽，这种萌发机制可以增加某些植物种的定居成功率，降低种子和幼苗的死亡率[16-17]。实验室条件下，用不同温度蒸馏水浸种，模拟自然条件下适宜发芽温度对嵩草种子试探性萌发的作用，以达到提高西藏嵩草种子发芽率的目的，但随着水温的升高，达到60和70 ℃时，几乎所有的嵩草种子都不能发芽。以上结果与吕玉兰等对热水温度对野生豆科草种种子的萌发有促进作用[18]的结论相悖，原因可能是由于莎草科与豆科种子本身的差异所致，但具体原因有待进一步研究。

4种不同处理对青藏高原不同海拔的5种嵩草种子苗长、根长的影响显著(P<0.05)。NaOH浸泡是提高嵩草种子苗长最好的方法，将5种嵩草幼苗苗长提高到13.00 mm以上。另外，70%的H2SO4和50 ℃温水处理后的高山嵩草，发芽率不仅得到提高，根长也与对照组差异达到显著水平(P<0.05)。

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