高寒草地凋落物覆蓋對(duì)狼毒生長(zhǎng)微環(huán)境及種苗定居的影響

夏建強(qiáng)， 張 勃， 李佳欣， 孫淑范， 汪 睿

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院/草地生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 甘肅 蘭州 730070)

植物的繁殖成功是其種群得以再生補(bǔ)充和保持穩(wěn)定的前提，是草地群落健康和生物多樣性維持的關(guān)鍵[1]。種苗定居是植物通過種子繁殖體的有性再生過程，因此不僅影響植物種群的更新和擴(kuò)散，而且影響種群的遺傳多樣性和進(jìn)化潛力[2]。種苗定居過程包括種子萌發(fā)和種苗存活2個(gè)階段，是植物生活史中對(duì)環(huán)境最為敏感的時(shí)期[3-4]。因此，研究植物種苗定居的生境選擇對(duì)于了解植物種群動(dòng)態(tài)及其適應(yīng)性具有重要意義。

在高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中，影響種苗定居成功的因素錯(cuò)綜復(fù)雜，其中凋落物和種子埋深是2個(gè)最直接的因素[5-7]。凋落物是由草地生態(tài)系統(tǒng)中生物組分產(chǎn)生并歸還到地面的有機(jī)物質(zhì)總稱，包括灌木的枯枝落葉、落皮和枯死的草本植物等[8]。凋落物作為植物種子掉落后首先接觸到的物理環(huán)境，可通過物理屏障[8]、淋溶物化感作用[9]、阻隔光照[10-11]、改變土層溫度以及增加土壤含水率[12-13]等環(huán)境效應(yīng)，對(duì)植物種子萌發(fā)和種苗存活產(chǎn)生顯著影響。另外，土壤埋深也是影響植物種子出苗和幼苗成功定居的主要因素[14-15]。不同植物的種子其萌發(fā)和出苗對(duì)土壤埋深的要求存在顯著差異，適當(dāng)?shù)穆裆羁梢蕴峁┓N子萌發(fā)所需要的溫度、濕度、光照以及厭氧微生物數(shù)量等生境條件[16]，并能增強(qiáng)種苗根系的固著能力，而高于或低于一定閾值的土壤埋深均會(huì)對(duì)種子出苗產(chǎn)生不利影響[17-18]。

狼毒(Stellerachamaejasme)是廣泛分布于亞洲溫帶草原的一種烈毒性草本植物，是草地發(fā)生退化的重要指示物種[19]。在天然草地中，狼毒完全依靠種子進(jìn)行繁殖[20]，因此研究狼毒種子萌發(fā)以及種苗定居的生境選擇對(duì)于揭示該植物種群的入侵和擴(kuò)散機(jī)制具有重要意義。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)狼毒種子的萌發(fā)特性[21-22]、休眠機(jī)理[22]、種群分布格局和散布機(jī)制[23]等進(jìn)行了大量研究。王琳等[21]認(rèn)為狼毒種子在自然狀態(tài)下多數(shù)需經(jīng)過休眠才能萌發(fā)，種皮對(duì)其萌發(fā)有一定的抑制作用，種子硬實(shí)性[20]是導(dǎo)致狼毒種子萌發(fā)率較低的主要原因；邢福等[22]認(rèn)為狼毒整體萌發(fā)率較低，且種子萌發(fā)具有“偏高溫型”的溫度需求等。目前，有關(guān)狼毒種子萌發(fā)的研究多在實(shí)驗(yàn)室控制條件下完成，而在原生境中探究該物種種子萌發(fā)和種苗定居生境選擇的研究尚未見報(bào)道。本試驗(yàn)以采自天祝高寒草地的狼毒種子為試驗(yàn)材料，在野外原生境開展其種苗定居試驗(yàn)，研究凋落物覆蓋對(duì)狼毒生長(zhǎng)土壤溫度和含水量的影響、凋落物對(duì)狼毒種子的出苗和定居的影響以及狼毒種子在不同土壤埋深的出苗和定居的情況。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)地設(shè)在青藏高原東緣天?？h甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)高山草原試驗(yàn)站。該試驗(yàn)區(qū)海拔2 940 m左右，年均溫在0.2℃～3.6℃之間，1月氣溫最低為-18.3℃；7月氣溫最高為12.7℃，>0℃積溫為1 380℃；年降水量265～632 mm，年均蒸發(fā)量1 590.5～1 703.2 mm，降水分布不均，多集中在7，8，9三個(gè)月，無(wú)霜期3～4個(gè)月[24]；屬寒溫帶大陸性高原氣候，夏季溫涼干旱，冬季寒冷干燥，草地類型為高寒草甸。

1.2 狼毒種子和凋落物的收集與處理

1.2.1種子收集 2019年4月中旬，在狼毒自然居群，收集狼毒母株周圍(半徑30 cm以內(nèi))的淺層土壤(土表3～4 cm)，剔除較大雜物后帶回試驗(yàn)站；最后，將收集的土樣通過網(wǎng)篩(孔徑< 1 mm)篩掉細(xì)土后，挑選生長(zhǎng)飽滿、均勻一致的種子，裝入尼龍網(wǎng)袋(40目)，淺埋于(原生境)試驗(yàn)地備用。

1.2.2凋落物的收集 在試驗(yàn)區(qū)周圍草地群落中，收集草地枯落物，適當(dāng)剪碎后裝入尼龍網(wǎng)袋，放置于試驗(yàn)地備用。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與播種方法

本試驗(yàn)采用雙因素裂區(qū)設(shè)計(jì)。主區(qū)為覆蓋方式，設(shè)2個(gè)水平：凋落物覆蓋和裸露(對(duì)照組)；裂區(qū)為不同埋深，設(shè)0.5 cm，2 cm和4 cm三個(gè)水平，共6個(gè)處理組合。狼毒種子種植于提前埋置的種植罐(直徑10 cm、高20 cm的PVC管)，每個(gè)種植罐播種5粒種子，每個(gè)處理24個(gè)種植罐(即24個(gè)重復(fù))，共120粒種子。播種前，首先將種植罐豎直埋入預(yù)先翻耕平整的試驗(yàn)區(qū)，罐口略高于土表；其次，將原生境土壤混合均勻后填入種植罐中。2019年5月3日播種，用直徑3～4 mm的筷子頭在種植罐中扎孔(5孔)至特定深度，每孔放入1粒種子，然后在種植孔填入細(xì)土。完成播種后，將凋落物均勻覆蓋于相應(yīng)處理的種植罐中。

1.4 土壤溫度和含水率的測(cè)定

土壤溫度用HH147AU型手持式熱電偶溫度計(jì)(OMEGA，美國(guó))測(cè)量，土壤水分(%)用土壤墑情測(cè)定儀(杭州美農(nóng)儀器有限公司，型號(hào)MN-TYS)測(cè)量。為測(cè)量不同土層的土壤溫度以及含水率，預(yù)先在種植罐側(cè)壁距地表0.5 cm，2 cm和4 cm處分別打孔，然后填埋。在種子播種后1周(5月初)，選擇適宜的天氣，分別于9∶00—10∶00，14∶00—15∶00和19∶00—20∶00，完成對(duì)各處理土壤溫度和含水量的測(cè)量。測(cè)量前，首先將種植罐打孔一側(cè)刨開，然后迅速將溫度和含水量測(cè)定儀的探頭水平插入罐體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量時(shí)用多個(gè)探頭對(duì)不同處理同步測(cè)量，測(cè)量完成后將種植罐填埋復(fù)原。

凋落物覆蓋的溫度效應(yīng)(℃)=覆蓋處理的土壤溫度值-對(duì)照(裸露)土壤的溫度值；

凋落物覆蓋的濕度效應(yīng)(%)=覆蓋處理的土壤水分含量-對(duì)照(裸露)土壤水分含量。

1.5 狼毒種子出苗、成苗和越冬率的統(tǒng)計(jì)

出苗率：在播種后30～45 d，統(tǒng)計(jì)各處理種植罐中的狼毒種苗，并計(jì)算種子出苗率(G)；

式中，n表示種子出苗數(shù)，N表示播種的種子總數(shù)。

成苗率：在入冬前(9月中旬)統(tǒng)計(jì)各處理種植罐中存活的狼毒種苗，干枯或缺苗代表幼苗死亡，最后計(jì)算其成苗率；

成苗率(%)=成苗數(shù)/出苗數(shù)×100%

越冬率：于翌年(2020年)7月初，待狼毒種苗完全返青后統(tǒng)計(jì)各處理種植罐中存活的種苗(注意：僅統(tǒng)計(jì)二年生幼苗，排除播種當(dāng)年未發(fā)芽而次年出土的幼苗)。

越冬率(%)=越冬存活株數(shù)/當(dāng)年成苗數(shù)×100%

1.6 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在同一土層某一時(shí)段，凋落物覆蓋與對(duì)照(裸露)土壤溫度和含水量的差異性用成對(duì)數(shù)據(jù)的T檢驗(yàn)(The paired)進(jìn)行分析；凋落物覆蓋對(duì)溫度和含水量的影響效應(yīng)在不同土層間的差異顯著性用R軟件的一般線性模型(LM)進(jìn)行分析。凋落物覆蓋和種子埋深對(duì)狼毒出苗(每個(gè)種植罐出苗數(shù)為0～5之間的計(jì)數(shù)數(shù)據(jù))的處理效應(yīng)用廣義線性模型GLM(Poisson分布)進(jìn)行分析。兩處理對(duì)狼毒成苗率和越冬率的影響效應(yīng)，將不同種植罐的數(shù)據(jù)合并后用卡方檢驗(yàn)進(jìn)行分析。所有的數(shù)據(jù)均使用R 3.6.1軟件進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 凋落物覆蓋對(duì)不同土層土壤溫度的影響效應(yīng)

凋落物覆蓋對(duì)土壤溫度的影響隨不同土層深度存在顯著差異，其影響效應(yīng)在各時(shí)段表現(xiàn)不同，結(jié)果如圖1所示。凋落物覆蓋處理下，0.5 cm土層土壤在9∶00—10∶00和14∶00—15∶00時(shí)段的溫度顯著低于對(duì)照；2 cm土層土壤溫度的影響僅在9∶00—10∶00時(shí)具有顯著性。在各時(shí)段，凋落物覆蓋對(duì)0.5 cm土層土壤溫度的影響均顯著高于對(duì)2 cm和 4 cm(圖1D，E和F)。其中，在9∶00—10∶00和14∶00—15∶00時(shí)段，凋落物覆蓋處理后0.5 cm土層土壤溫度的平均降幅分別為2.58℃和3.49℃，對(duì)4 cm土層溫度的影響最小，土壤溫度平均降幅為0.28℃和0.36℃。凋落物覆蓋對(duì)各土層在19∶00—20∶00時(shí)段溫度的影響總體較??；其中，對(duì)0.5 cm土層土壤有一定的增溫效應(yīng)，溫度增幅為0.29℃，相反，對(duì)深層土壤(2 cm和4 cm)表現(xiàn)出不同程度的降溫效應(yīng)，2土層溫度的平均降幅分別為0.2℃和0.46℃(圖1F)。

圖1 凋落物覆蓋對(duì)不同土層土壤溫度的影響

2.2 凋落物覆蓋對(duì)不同土層土壤含水量的影響效應(yīng)

凋落物覆蓋對(duì)土壤含水量的影響隨不同土層深度和不同時(shí)段存在顯著差異，結(jié)果如圖2所示。凋落物覆蓋后，0.5 cm和2 cm土層的土壤含水量在9∶00—10∶00和14∶00—15∶00兩個(gè)時(shí)段均顯著高于對(duì)照；在19∶00—20∶00時(shí)段，覆蓋處理下2 cm和4 cm土層的土壤含水量顯著高于對(duì)照(圖2A，2B和2C)。在9∶00—10∶00和14∶00—15∶00兩個(gè)時(shí)段，凋落物覆蓋處理下0.5 cm土層土壤含水量的平均增幅分別為8.46%和8.42%，4 cm土層土壤含水量的平均增幅最小，分別為4.84%和3.94%，均顯著低于0.5 cm土層土壤(P< 0.05)。在19∶00—20∶00時(shí)段，凋落物覆蓋處理對(duì)各土層含水量的影響差異不顯著(圖2F)。

圖2 凋落物覆蓋對(duì)不同土層土壤含水量的影響

2.3 凋落物對(duì)狼毒種子出苗和種苗存活(成苗和越冬)的影響

凋落物覆蓋對(duì)狼毒種子的出苗和種苗存活(即成苗率和越冬率)均有顯著的影響，結(jié)果如圖3所示。狼毒種子在裸露土壤(對(duì)照)的平均出苗率為23.61%，在凋落物覆蓋土壤(處理組)，狼毒種子的出苗率顯著低于對(duì)照(P<0.001，圖3A)，其平均出苗率為11.67%。出苗后，對(duì)照(裸露)組狼毒種苗的成苗率為94.12%，覆蓋處理組的成苗率為83.33%，二者存在顯著差異(P<0.05，圖3B)。凋落物覆蓋處理組與對(duì)照(裸露)組的越冬存活率差異不顯著(圖3C)。

圖3 覆蓋處理對(duì)狼毒種子出苗和種苗存活的影響

2.4 種子埋藏深度對(duì)狼毒種子出苗和種苗存活(成苗和越冬)影響

土壤埋藏深度對(duì)狼毒種子的出苗和種苗存活(即成苗率和越冬率)有顯著影響，結(jié)果如圖4所示?？傮w上，狼毒種子的出苗率隨土層深度增加而顯著下降。種子埋植于0.5 cm土層時(shí)，出苗率最高，為37.08%；當(dāng)埋植于2 cm土層時(shí)，種子出苗率顯著降低至13.75%(P<0.001)；當(dāng)埋深至4 cm土層時(shí)，狼毒種子出苗率僅為2.08%，顯著低于0.5 cm土層和2 cm土層種子的出苗率(P<0.001)。種子在土壤的定植深度對(duì)狼毒種苗成苗率沒有顯著的影響(圖4B)。土壤埋深對(duì)狼毒種苗越冬存活率有顯著影響，定植于0.5 cm土層土壤的種苗，其越冬率為97.47%，顯著高于深層(2 cm和4 cm)定植狼毒種苗的越冬率(P<0.01,圖4C)。

圖4 不同埋深對(duì)狼毒種子出苗和種苗存活的影響

3 討論

3.1 凋落物對(duì)狼毒種子出苗和種苗存活的影響

種子萌發(fā)和幼苗定居是植物生活史中最為脆弱的兩個(gè)階段[3,9]。研究表明，在高寒草地群落中，凋落物的存在能顯著改變?nèi)郝涞奈⑸硹l件，是影響植物種子萌發(fā)和幼苗定居的重要因素[2]。凋落物覆蓋能通過阻隔太陽(yáng)輻射，減緩其下層土壤與外界空氣的熱交換，因此總體上能降低土壤溫度。但是，土壤平均溫度的降低并非是影響草地植物種子萌發(fā)的關(guān)鍵因素[25-26]。潘開文等[27]認(rèn)為，凋落物主要通過改變土壤溫度的日溫差對(duì)植物種子的萌發(fā)產(chǎn)生影響。本研究發(fā)現(xiàn)，凋落物覆蓋處理對(duì)表層土壤溫度的影響較為明顯，在白天能顯著降低土壤溫度，相反在晚間(19∶00以后)能起到一定的保溫作用，從而導(dǎo)致凋落物覆蓋土壤的溫度變幅顯著低于裸露土壤。相應(yīng)地，凋落物覆蓋處理下，狼毒種子的出苗率也顯著低于對(duì)照(裸露)土壤。據(jù)此推測(cè)，凋落物覆蓋后狼毒種子較低的萌發(fā)率可能與土壤溫度日振幅的降低有關(guān)，這與邢福等[22]發(fā)現(xiàn)較大的溫差更有利于打破狼毒種子休眠從而提高其萌發(fā)率的結(jié)果相類似。

另外，適宜的水分是植物種子萌發(fā)和幼苗生長(zhǎng)的基礎(chǔ)。大量的文獻(xiàn)表明，凋落物能通過吸持和攔截水量[28]、減少地表蒸發(fā)[29-30]和改善土壤結(jié)構(gòu)[27]等途徑增加土壤保水能力，提高土壤含水量。本研究中，凋落物覆蓋處理同樣能顯著提高土壤含水量，但是并沒有提高狼毒種子的出苗率，相反表現(xiàn)出明顯的抑制作用。有研究表明，種皮限制是抑制狼毒種子萌發(fā)的主要因素之一[22]。凋落物覆蓋雖然能夠增加土壤含水量，但同時(shí)也降低了土壤含水量的日變化，這樣會(huì)使狼毒種子保持在含水量相對(duì)穩(wěn)定的微環(huán)境中，不利于種皮的破裂，從而抑制了種子的萌芽。最后，凋落物除了能通過改變土壤溫度和含水量影響種子的出苗，還可通過直接的物理屏障作用[8]或通過影響幼苗的光合作用等影響狼毒種苗的存活和定居成功[27]。綜合分析表明，盡管凋落物覆蓋在高寒草地中可以營(yíng)造和維持相對(duì)穩(wěn)定的植物生長(zhǎng)微生境，但是從狼毒種子萌發(fā)所需條件的角度出發(fā)，該環(huán)境并非是狼毒種苗定居的有利生態(tài)條件。因此，在草地管理中，維持草地蓋度，并保持一定的凋落物覆蓋量可能遏制狼毒種苗的定居和種群擴(kuò)展。

3.2 土壤埋藏深度對(duì)狼毒種子出苗和種苗存活的影響

在草地生態(tài)系統(tǒng)中，植物種子會(huì)通過多種途徑被埋于不同深度的土壤中，例如，嚙齒動(dòng)物儲(chǔ)存和草食動(dòng)物踩踏等[31]。埋藏在土壤中的種子通常有4種結(jié)果：一部分種子正常萌發(fā)，一部分因不適宜的土壤環(huán)境而死亡，一部分進(jìn)入休眠儲(chǔ)藏于土壤種子庫(kù)，還有一部分種子盡管會(huì)萌發(fā)，但是因幼苗不能夠伸長(zhǎng)到地面而死亡[32]。本研究結(jié)果顯示，當(dāng)狼毒種子埋植于土壤表面0.5 cm以內(nèi)時(shí)，出苗率最高；當(dāng)埋深超過2 cm時(shí)，其出苗率顯著降低；當(dāng)埋深達(dá)4 cm時(shí)，出苗率降低了94.38%。這些結(jié)果表明，在高寒草地原生境下，狼毒種子埋藏于土壤表層時(shí)更有利于其種苗的萌發(fā)和定居。依據(jù)前人的研究，植物種子埋藏于深層土壤，其出苗率降低的原因主要包括3個(gè)方面。首先，當(dāng)植物種子在土壤中超過適宜的埋藏深度時(shí)，因頂土壓力增大，種子貯藏的能量不能為種子萌發(fā)和出苗提供保障，因此影響其出苗率[33-34]。其次，隨著土壤深度的增加，土壤含氧量顯著降低，從而能使種子在低氧的環(huán)境下進(jìn)入強(qiáng)迫休眠狀態(tài)或吸漲后死亡[35]。最后，深層土壤的溫度振幅通常低于表層，其溫度變幅的降低將不利于需要晝夜變溫才能打破休眠的植物種子萌發(fā)。本研究結(jié)果在一定程度上支持了該假說。Grime等[36]研究表明，土壤表面的大多數(shù)種子需要≥10℃的溫度振幅就能很好地萌發(fā)，而埋藏于土壤深層的種子則需要≥15℃的振幅才能萌發(fā)。最后，本研究結(jié)果也顯示，隨土層深度的增加，不僅能抑制狼毒種子的出苗，同時(shí)能顯著降低種苗在翌年的存活率，即種苗的越冬率。一方面，種植太深致使種苗出土延遲，從而縮短了其生長(zhǎng)發(fā)育期，導(dǎo)致根系的營(yíng)養(yǎng)儲(chǔ)存不足，從而影響其越冬率；另一方面，種植太深可能不利于狼毒種苗地下芽的發(fā)育形成或返青出土，從而導(dǎo)致其越冬率的下降[37]，這些假說需要在今后的研究中進(jìn)一步證實(shí)。綜合分析表明，在高寒草地群落中，狼毒主要依靠表層土壤中的種子完成其種群更新，被埋藏于深層土壤中的狼毒種子可能會(huì)因土層阻隔、含氧量驟降而強(qiáng)迫休眠或因缺少適宜的變溫條件，導(dǎo)致其出苗和定居的失敗。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，凋落物覆蓋總體上能降低土壤溫度、增加土壤含水量，且能顯著降低表層土壤溫度和含水量的日變幅；與裸露土壤相比，凋落物覆蓋能顯著降低狼毒種子的出苗率和幼苗定居；狼毒種子在土壤的埋植深度顯著影響其出苗率和種苗定居，埋植于表層土壤(0.5 cm)的種子相對(duì)于埋植在深層土壤(2 cm和4 cm)的種子具有更高的出苗率和越冬存活率。綜合分析表明，高寒草地凋落物的存在或土壤種子深埋均不利于狼毒的種苗定居，草地退化后導(dǎo)致的草地裸露或促使土壤種子淺表化的擾動(dòng)均可促進(jìn)狼毒種苗定居和種群發(fā)展，是導(dǎo)致退化草地狼毒種群擴(kuò)散的主要生態(tài)因素。因此，在高寒草地管理中，合理控制擾動(dòng)強(qiáng)度(如放牧等)，維持草地充分的蓋度，并保持一定的凋落物覆蓋量，可有效遏制狼毒的入侵?jǐn)U散和草地退化。