冬季层积处理对5 种高寒草甸植物种子萌发特性的影响

鱼小军，徐长林，景媛媛，段春华，肖 红，赵振华，李仕杰

(1.甘肃农业大学草业学院，草业生态系统教育部重点实验室，中－美草地畜牧业可持续发展研究中心，甘肃省草业工程实验室，甘肃 兰州730070;2.四川省宣汉县饲草饲料工作站，四川 宣汉636150)

青藏高原地处世界“第三极”，高寒草甸生态系统极其脆弱［1］，生态系统抗干扰能力差［1-3］，草地退化严重正危及着高原的生态环境。目前，青藏高原高寒草甸植物群落演替、植被恢复已引起众多科学工作者的广泛关注［1-4］。植物的更新是群落演替、植被恢复等过程中非常关键的一步，种子则是其更新的关键因素，因此，种子的萌发直接关系着物种繁衍、种群维持和扩展等生态过程，并直接影响植被的分布、群落动态和生物多样性［1-2，5-6］，因此，高寒草甸植物种子萌发对高寒草甸植被恢复以及生态系统维持具有重要的生态学意义及价值。

在放牧生态系统中，草食动物通过对植物种子的采食、消化和排泄影响植物种子的发芽力［1］。结缕草(Zoysia japonica)种子经黄牛(Bos taurus)和山羊(Capre hircus)采食、消化后，种子发芽力提高［7］;草食动物采食可提高半日花科植物Helianthemum apenninum 种子的发芽率［8］。风毛菊(Saussurea japonica)和紫苞风毛菊(S. iodostegia)种子经牦牛和藏羊采食后发芽率显著降低［9］。种子经过草食动物的消化道过程中，种皮欠发达或无休眠的植物种子经过牦牛消化道后发芽率下降，种皮坚硬、硬实或处于物理休眠的种子发芽率上升，马蔺(Iris lactea)和青藏苔草(Carex moorcroftii)种子的发芽率无变化［10］。种皮欠发达的或没有休眠的如禾本科植物种子对牦牛瘤胃内容物浸泡处理相对敏感，发芽率下降较快;无脉苔草(C. enervis)种子(小坚果)经牦牛瘤胃内容物浸泡24 h 的发芽率显著提高，36 ～72 h 的显著下降［11］。目前，有少量文献［9-12］报道了动物消化道传播对青藏高原高寒草甸种子萌发的影响，草食动物采食对种子影响包括动物的咀嚼、消化液的浸泡、粪的浸泡以及排出体外后的层积作用，但关于高寒草甸植物种子层积于牦牛粪、藏羊粪后的萌发特性的研究却未见报道。本试验研究牦牛粪、藏羊粪和草甸土在冬季通过层积作用对5 种高寒草甸植物种子萌发的影响，旨为种子的传播、高寒草甸植被恢复及管理提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在甘肃省武威市天祝藏族自治县抓喜秀龙乡甘肃农业大学天祝高山草原试验站(37°40' N，102°32' E，海拔2 960 m)进行。该区草地属寒温潮湿类高寒草甸，年均气温－0.1 ℃，最热月7 月均温12.7 ℃，最冷月1 月均温－18.3 ℃，≥0 ℃的年积温为1 380 ℃·d。年均降水量416 mm，多集中于7、8、9 月;土壤为高山草甸土，土层厚度40 ～80 cm，土壤pH 为7.0 ～8.2［13］。于2012 年10 月初采集成熟的矮生嵩草(Kobresia humilis)、华扁穗草(Blysmus sinocompressus)、细叶鸢尾(Iris tenuifolia)、无脉苔草和线叶嵩草(K. capillifolia)。种子收获后带回实验室阴干(采收到干燥期间，其果皮和种皮未受到影响)，后置于牛皮纸信封中于室温20 ℃条件下贮藏。

1.2 试验方法

1.2.1 种子层积处理 2012 年10 月中旬，在甘肃农业大学天祝高山草原试验站进行种子层积处理。将去皮处理种子(利用刀片划破细叶鸢尾种子种皮，利用砂纸打磨矮生嵩草、华扁穗草、无脉苔草和线叶嵩草小坚果进行破皮处理)和完整种子，按照层积基质和种子20∶ 1 的比例［1］均匀置于健康牦牛和藏羊排出的新鲜粪和3 cm 深的土中，重复3 次。所用牦牛粪、藏羊粪和土壤的初始含水量分别为79%、41%和28%，pH 分别为6.8、6.9 和7.2。天然草地层积一个冷季后，于2013 年3 月23 日取回层积处理后的种子，以室内贮藏的种子为对照，进行发芽试验。

1.2.2 发芽方法和测定项目 所有发芽试验均采用培养皿内纸上法(TP)，每皿50 粒种子，3 次重复。所有培养皿随机置于25/15 ℃的变温培养箱内(8 h高温、16 h 低温)，每天统计发芽种子数并补充水分。以露白为种子发芽的标准。

发芽率=正常发芽种子数/供试种子数×100%

发芽指数(GI)= ∑Gt/Dt，Gt为在t 日的发芽数，Dt为相应的发芽天数。

1.3 数据分析

用SPSS 16.0 进行显著性检验，用Microsoft Excel 软件作图，数值均以“平均值±标准误”表示。

2 结果与分析

2.1 不同层积处理对5 种高寒草甸植物种子发芽率的影响

不同层积处理对5 种高寒草甸植物种子发芽率的影响因种皮完整性、层积基质和草种不同而异(表1)。

表1 不同层积处理对5 种草种发芽率的影响Table 1 Effects of stratification in winter on seed germination of five plant species %

草甸土中层积的矮生嵩草破皮种子、牦牛粪中层积的完整及破皮种子发芽率显著高于草甸土中层积的完整种子和对照发芽率(P ＜0.05);藏羊粪中层积的破皮种子、完整种子和牦牛粪中层积的完整种子的发芽率之间无显著差异(P ＞0.05);草甸土中层积的破皮种子发芽率显著高于完整种子。

草甸土中、藏羊粪中和牦牛粪中层积华扁穗草破皮的种子发芽率显著高于对照、牦牛粪中和草甸土中层积的完整种子(P ＜0.05)，其中以藏羊粪中层积的最高;藏羊粪中层积的完整种子发芽率显著高于草甸土中和牦牛粪中层积的完整种子。

草甸土中，藏羊粪中和牦牛粪中层积细叶鸢尾的破皮和完整种子发芽率显著高于对照(P ＜0.05)，且破皮种子发芽率显著高于完整种子;同一类型种子不同层积基质间无显著差异(P ＞0.05)。

藏羊粪中和牦牛粪中层积无脉苔草的破皮种子发芽率显著高于完整种子和对照(P ＜0.05);草甸土中、藏羊粪中和牦牛粪中层积的完整种子发芽率和对照间无显著差异(P ＞0.05);同一类型种子不同层积基质间无显著差异。

不同层积处理对线叶嵩草的破皮种子和完整种子的发芽率均无显著影响。

2.2 不同层积处理对5 种高寒草甸植物种子初始发芽时间的影响

层积对供试5 种高寒草甸植物种子初始发芽天数的影响因种皮的完整性、层积基质和草种不同而异(表2)。经草甸土、藏羊粪、牦牛粪层积后，破皮的矮生嵩草种子初始发芽天数显著低于对照(P ＜0.05);牛粪中层积的矮生嵩草种子破皮与完整种子发芽初始天数间差异不显著(P ＞0.05)。完整、破皮华扁穗草种子经过层积处理后，初始发芽天数为9 ～10 d，均显著小于对照(16.7 d)(P ＜0.05)。完整、破皮细叶鸢尾种子经过层积处理后，初始发芽天数均显著小于对照(＞34 d)(P ＜0.05);层积处理中，破皮种子初始发芽天数显著小于相应的未破皮处理(P ＜0.05)。破皮、完整无脉苔草种子经过藏羊粪和牦牛粪中层积后，初始发芽天数无显著差异(P ＞0.05)，但皆显著低于对照(P ＜0.05);完整无脉苔草种子草甸土中层积后初始发芽天数和对照间无显著差异(P ＞0.05)。各处理的线叶嵩草初始发芽天数不具备统计意义。

2.3 不同层积处理对5 种高寒草甸植物种子发芽指数的影响

层积对供试5 种高寒草甸植物种子发芽指数的影响因种皮的完整性、层积基质和草种不同而异(表3)。总体来看，除线叶嵩草外的其余供试种破皮种子的发芽指数高于完整种子。藏羊粪中的破皮矮生嵩草种子、牦牛粪中层积的完整和破皮矮生嵩草种子发芽指数显著高于对照(P ＜0.05)，草甸土中层积的完整和破皮种子、羊粪中层积的完整种子发芽指数和对照无显著差异(P ＞0.05)。草甸土中、藏羊粪中、牦牛粪中层积后的破皮华扁穗草种子发芽指数均显著高于对照;除了牦牛粪中层积处理外，相同层积基质即草甸土和藏羊粪中层积的破皮种子发芽指数皆显著大于完整种子。草甸土中、藏羊粪中、牦牛粪中层积后的完整、破皮的细叶鸢尾种子发芽指数均显著高于对照(P ＜0.05);相同层积基质中，破皮种子发芽指数皆显著大于完整种子。藏羊粪和牦牛粪中层积后的无脉苔草破皮种子发芽指数显著高于对照，完整种子经层积后发芽指数并未显著提高，各层积基质间亦无显著差异。不管是破皮还是完整的线叶嵩草种子，土中、牦牛粪和藏羊粪中层积并未能提高或降低种子的发芽指数。

3 讨论

土壤种子库是潜在的植物群落，研究不同植物种子在土壤中的留存动态，对于了解这一植物种群或群落的演替与繁殖更新具有重要意义［14］。种子在土壤中的持久性不仅受其自身因素的影响，也受外界条件诸如埋深、水分、干扰等外界条件的影响［15-16］。本研究首次报道了牦牛粪和藏羊粪中层积对高寒草甸植物种子萌发特性的影响，结果表明，层积对供试高寒草甸植物矮生嵩草、华扁穗草、细叶鸢尾、无脉苔草和线叶嵩草种子萌发特性的影响因种皮的完整性、层积基质和草种不同而异。破皮处理的矮生嵩草(除发芽指数)、华扁穗草、细叶鸢尾和无脉苔草种子经牦牛粪、绵羊粪和草甸土层积后，其发芽率和发芽指数显著高于对照(P ＜0.05)，初始发芽天数显著小于对照(P ＞0.05);完整矮生嵩草、华扁穗草、细叶鸢尾和无脉苔草种子经过上述层积后，其发芽率、初始发芽天数和发芽指数小于或大于对照，说明破皮种子对层积更敏感，这与牦牛和藏羊瘤胃液浸泡对高寒草甸植物种子的研究结果一致［11，17］。目前，动物消化对种子萌发影响的研究多采用瘤胃液或瘤胃内容物处理或直接过腹试验［9-11，17-19］，本研究采用牦牛和藏羊的粪便进行层积种子处理，模拟了植物种子被牦牛采食排泄后堆积于草地的自然状态，较客观地反映了完整和破皮草类植物种子萌发对牦牛和藏羊粪中层积的响应。

表2 不同层积处理对5 种草种初始发芽天数的影响Table 2 Effects of stratification in winter on the initial germination day of five plant species d

表3 不同层积处理对5 种草种发芽指数的影响Table 3 Effects of stratification in winter on seed germination index of five plant species

本研究结果显示，冬季层积提高了破皮的矮生嵩草、华扁穗草、细叶鸢尾和无脉苔草种子的发芽速率，降低了其初始发芽天数;除藏羊粪中层积的破皮华扁穗草种子发芽率显著高于牦牛粪和土中层积处理外(P ＜0.05)，破皮的细叶鸢尾、无脉苔草种子在各层积基质处理间无显著差异。因此，高寒草甸植物种子对草食动物采食排除体外后于粪中和土中层积的响应因植物种类不同而异。有研究表明，经过草食动物的消化道后，种皮欠发达或没有休眠的如垂穗披碱草(Elymus nutans)种子对牦牛瘤胃内容物浸泡处理相对敏感，发芽率下降较快，而休眠性较强的矮生嵩草和无脉苔草种子(小坚果)经牦牛瘤胃内容物处理后，发芽率下降缓慢或有所提高［11］。本研究结果显示，层积使破皮种子变得更容易萌发，这就相当于经动物消化道排出的未受伤破皮种子在粪中或土中自然层积后发芽率得以提高。因此，在种子的动物消化道传播过程中，消化道对种子的影响因阶段而异，较好的例子是鸭类的研磨作用加快了海三藨草(Scirpus mariqueter)种子的萌发，酸性和高温条件缓冲了种子的萌发速率［20］。

种子的初始萌发天数越低，说明其发芽越迅速。具有较少初始萌发天数的物种能在适宜的条件下迅速发芽，这直接关系着该物种繁衍、种群维持和扩展，并直接影响植被群落动态和生物多样性［1-2，5-6］。本研究表明，破皮的矮生嵩草、华扁穗草、细叶鸢尾和无脉苔草种子经层积处理后，萌发更迅速。在放牧生态系统中，家畜的践踏和采食相当于对草类植物种子不同程度的去皮或破皮处理，经消化道排出或经践踏的破皮种子层积在粪中或土壤中其发芽率和发芽指数有不同程度的提高，初始发芽天数减少，加速了该物种繁衍、种群扩展和种群动态平衡等［1，6］。本研究结果显示，冬季层积对完整种子萌发的影响小于破皮种子。因此，在草食动物采食对草类植物种子影响的过程中，破皮种子的休眠特性得以解除，破皮种子变得更容易萌发(特别是深休眠种子细叶鸢尾)，这可能也使得合理放牧的草地生态系统生物多样性更高［1］。

有研究表明 ，线叶嵩草种子萌发困难，各种物理和化学处理后的发芽率仍然较低。本研究结果显示，冬季层积对完整和破皮线叶嵩草种子的萌发影响无显著影响(P ＞0.05)，因此，线叶嵩草种子休眠和萌发特性以及自然条件下的线叶嵩草种群更新有待于进一步深入研究。

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