高寒草甸冷季牧場不同休牧期對土壤種子庫的影響

馬凱凱， 徐長林， 李 穎， 魏孔濤， 白梅梅， 劉媛媛， 魚小軍

(甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)學(xué)院， 草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室， 中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心， 甘肅 蘭州 730070)

高寒草甸約占青藏高原草地面積的49%[1]，是該地區(qū)典型的草地類型，在生物多樣性保護(hù)、維持區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和促進(jìn)畜牧業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮了重要作用。近年來，受全球氣候變暖和人類活動等影響，青藏高原高寒草甸發(fā)生嚴(yán)重退化，這不但影響了畜牧業(yè)生產(chǎn)和牧民生計，而且威脅著國家的生態(tài)安全[2-4]。有研究表明，過度放牧是引起高寒草甸退化的主要原因之一，且青藏高原海拔高、氣候寒冷導(dǎo)致枯草期長，過度放牧造成的草地退化主要發(fā)生在冷季牧場[5-6]。因此，高寒草甸冷季牧場的科學(xué)管理和合理利用顯得尤為重要。

休牧因操作簡單、成本低而成為治理退化草地的重要措施之一[7]。返青期是青藏高原高寒草甸的忌牧期之一，因為剛返青的幼苗被家畜采食和踐踏后光合面積減少，進(jìn)而嚴(yán)重制約牧草后期的生長發(fā)育，且返青期牧草青黃不接，加之放牧家畜體況差，會造成家畜的“春乏”現(xiàn)象，返青期休牧植物群落高度、蓋度及生物量等均明顯提高[5,8-9]。而已有研究表明，在高寒草甸冷季牧場早于牧草返青期的土壤解凍臨界期開始休牧有利于矮生嵩草(Kobresiahumilis)、線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)和垂穗披堿草(Elymusnutans)的繁殖及線葉嵩草和垂穗披堿草的根系生長發(fā)育[7,10]；可提高秦艽(Gentianamacrophylla)根系的營養(yǎng)物質(zhì)含量和各類酶活性[11]，說明關(guān)于青藏高原高寒草甸的適宜休牧期還需進(jìn)一步探究。

土壤種子庫是指存在于土壤表層和土壤中全部存活的種子總和[12]，其直接來源是地上植被的種子雨，能直接影響地上植物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性[13]。土壤種子庫作為潛在的植物種群[14]，是植被經(jīng)歷干擾后恢復(fù)的儲備資源，在植被更新、演替和恢復(fù)過程中發(fā)揮著重要作用[15]。關(guān)于土壤種子庫的研究，一直是植物種群生態(tài)學(xué)的研究熱點。目前，大多數(shù)學(xué)者主要對土壤種子庫的物種組成、密度、時空分布格局、動態(tài)、與地上植被的關(guān)系、影響因素以及作用功能進(jìn)行研究[16]。研究土壤種子庫是對物種多樣性研究的一個重要補充，有助于了解植被更新及演替動態(tài)，對退化植被的重建與恢復(fù)具有重要意義[17]。關(guān)于放牧管理模式對土壤種子庫的研究主要集中在不同放牧強(qiáng)度、放牧?xí)r間、放牧干擾方式以及封育等對土壤種子庫的影響。大多研究結(jié)果表明，放牧在一定程度上會降低土壤種子庫的密度并改變其物種組成[18-21]，但春季不同休牧期對土壤種子庫的影響尚不清楚。因此，本試驗以東祁連山天祝高寒草甸為研究對象，通過研究天祝高寒草甸冷季牧場不同休牧期對土壤種子庫的影響，明晰青藏高原高寒草甸冷季牧場的適宜休牧期，繼而制定科學(xué)的休牧管理體系，為退化高寒草甸的恢復(fù)和未退化高寒草甸的合理利用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地設(shè)在青藏高原東北緣的天祝高寒草甸，位于甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)高山草原試驗站附近的金強(qiáng)河河谷(37°40′N，102°32′E)，海拔2 960 m。該地年均溫-0.1℃，>0℃積溫1 380℃，年降水量416 mm，年蒸發(fā)量達(dá)到1 592 mm，無絕對無霜期，僅分冷熱兩季[7]。研究區(qū)優(yōu)勢種為線葉嵩草，建群種為珠芽蓼(Polygonumviviparum)；伴生種有矮生嵩草、藏異燕麥(Helictotrichontibeticum)、球花蒿(Artemisiasmithii)、陰山扁蓿豆(Medicagoruthenicavar.inschanica)等。主要放牧家畜為牦牛(Bosgrunniens)和藏羊(Ovisaries)。

1.2 試驗設(shè)計

休牧試驗于2018年開始，根據(jù)當(dāng)?shù)赝寥澜鈨錾疃群湍敛莘登嗲闆r設(shè)置5個休牧期:(1)土壤解凍臨界期(土壤表層開始解凍)—牧草枯黃期(RP1)；(2)土壤解凍后期(土層解凍深度>10 cm)—牧草枯黃期(RP2)；(3)牧草返青初期(牧草返青達(dá)到30%)—牧草枯黃期(RP3)；(4)牧草返青后期(牧草返青達(dá)到70%～80%)—牧草枯黃期(RP4)；(5)以當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)休牧(優(yōu)勢牧草高5 cm—牧草枯黃期)(RP5)為對照，共設(shè)5塊樣地。其中，土壤解凍深度于3月1日至牧草開始返青每日下午14:00用自制的細(xì)鋼條測定[22]，牧草返青數(shù)采用針刺法測定。

觀測數(shù)據(jù)顯示3月18日土壤表層開始解凍，4月1日土壤解凍深度達(dá)到10 cm，4月15日牧草開始返青，5月1日牧草返青達(dá)70%，5月20日優(yōu)勢牧草高度達(dá)5 cm，各樣地依次對應(yīng)的休牧起始日分別為3月19日、4月2日、4月16日、5月2日和5月21日。冷季牧場一般從10月開始放牧，但在試驗過程中，考慮到10—翌年2月牧草枯黃、土壤凍結(jié)，放牧對草地的影響較小，因此各樣地統(tǒng)一從翌年3月1日開始放牧。每個樣地在放牧期間選擇健康、毛色一致、體重為(180±20) kg的牦牛和(45±5) kg的藏羊進(jìn)行混合放牧，按照當(dāng)?shù)啬撩竦牧?xí)慣時間出牧和歸牧，出牧前和歸牧后自由飲水。每個樣地的面積根據(jù)合理載畜量的草地面積計算方法計算，計算公式如下：

式中：A為樣地面積(m2)；I為放牧家畜的日食量(牦牛：5.8 kg干草，藏羊：1.7 kg干草[23])；B為放牧家畜的日補飼量(根據(jù)實地調(diào)查：牦牛和藏羊的日補飼量分別約為1.23 kg和0.22 kg燕麥干草)；D為放牧天數(shù)；T為放牧家畜頭數(shù)(表1)；Y為樣地牧草產(chǎn)量(樣方刈割約為2 895 kg·ha-1)；U為草地牧草利用率(80%)[10]。

表1 休牧?xí)r間、放牧?xí)r間及樣地面積Table 1 Stages of rest grazing,Stages of grazing and sample area

1.3 測定指標(biāo)與方法

1.3.1土壤種子庫的取樣與萌發(fā)試驗 于2021年5月21日，在5個休牧樣地中使用自制土壤種子庫取樣器“S”型取樣，取樣面積為10 cm×20 cm，深度5 cm，每個樣地重復(fù)15次，將土壤種子庫樣品分別裝袋編號帶回實驗室進(jìn)行萌發(fā)試驗。

在萌發(fā)試驗前先去除土樣中較大的石礫和植物根系，將土樣均勻地置入裝有5 cm細(xì)沙墊底的萌發(fā)盒(24 cm×19 cm)中，土樣厚度2～3 cm，墊底細(xì)沙預(yù)先在120℃的干燥恒溫箱中烘24 h以消滅細(xì)沙中潛在的種子并防止污染。然后將萌發(fā)盒置于光照良好的實驗室進(jìn)行萌發(fā)試驗，每日灑水保持土壤濕潤。待幼苗長至形態(tài)特征較為明顯時，及時識別鑒定并記錄出現(xiàn)的物種及其數(shù)量，鑒定后將幼苗連根拔除，不能識別的繼續(xù)培養(yǎng)至可以鑒定。8月中旬，將萌發(fā)盒中的土樣翻動，使下層的土樣置于上層進(jìn)行二次萌發(fā)，直至連續(xù)2周內(nèi)無種子萌發(fā)即結(jié)束試驗。該土壤種子庫萌發(fā)試驗時間為2021年5—10月。

1.3.2地上植被調(diào)查 2021年7月下旬(植物生長旺盛期)，每個樣地選取5個50 cm×50 cm的樣方，詳細(xì)記錄樣方內(nèi)的物種組成、物種數(shù)和蓋度等。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Margalef豐富度指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)、辛普森多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)[24]來描述5個休牧期土壤種子庫的多樣性特征。計算公式如下：

式中：S為物種總數(shù)；N為全部物種的個體總數(shù)；Pi為種i的個體在全部個體中的比例。

式中：Sc為Sorensen相似性系數(shù)；W為土壤種子庫與地上植被共有物種數(shù)；a和b分別為土壤種子庫與地上植被各自的物種數(shù)。

用Excel 2016整理計算數(shù)據(jù)及圖表繪制，通過SPSS 19.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析(One-Way ANOVA)和顯著性分析(P=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同休牧期土壤種子庫物種組成和密度

由表2可知，5個休牧期土壤種子庫中共萌發(fā)27種植物，分屬12科23屬，其中禾本科植物出現(xiàn)比例最高，菊科植物次之，分別占22.22%和14.81%，垂穗披堿草、草地早熟禾(Poapratensis)、紫羊茅(Festucarubra)、狼毒(Stellerachamaejasme)、線葉嵩草和珠芽蓼在5個休牧期土壤種子庫中均有出現(xiàn)。物種密度較大的植物為珠芽蓼和線葉嵩草，在RP1，RP2，RP3，RP4和RP5休牧土壤種子庫中所占比例分別為51.17%，52.27%，49.89%，51.91%，49.81%和31.20%，37.98%，35.09%，34.43%，31.27%。

表2 不同休牧期土壤種子庫物種組成和密度Table 2 Species composition and density of soil seed bank in different rest grazing periods 單位：seeds·m-2

不同處理間，RP1，RP2和RP5休牧土壤種子庫中出現(xiàn)植物種類最多，達(dá)15種，分別隸屬于9科14屬、9科15屬和8科13屬，種子密度分別達(dá)2 136.67，1 983.33和863.33?！-2；RP3休牧土壤種子庫中出現(xiàn)植物種類次之，達(dá)14種，隸屬于10科14屬，種子密度達(dá)1 576.67粒·m-2；而RP4休牧土壤中出現(xiàn)植物種類最少，為12種，隸屬8科11屬，種子密度達(dá)1 220粒·m-2。RP1休牧土壤種子庫密度顯著高于RP3，RP4和RP5(P<0.05)。

2.2 不同休牧期土壤種子庫物種生活型特征

5個休牧期土壤種子庫主要由地下芽植物構(gòu)成，地面芽植物相對較少，一年生植物很少(表3)。地面芽植物和地下芽植物在5個休牧期土壤種子庫中均有出現(xiàn)，其中RP1休牧的土壤種子庫中地下芽植物種子密度顯著高于RP4和RP5(P<0.05)，一年生植物只在RP1和RP2休牧的土壤種子庫中存在，但差異不顯著。

表3 不同休牧期土壤種子庫生活型組成Table 3 Life form composition of soil seed bank in different rest grazing periods 單位：seeds·m-2

2.3 不同休牧期土壤種子庫各功能群特征

由表4可以看出，5個休牧期土壤種子庫中各功能群種子密度最高的均是雜類草，其次是莎草科植物、禾本科植物、有毒植物和豆科植物。禾本科植物、莎草科植物、雜類草和有毒植物種子在5個休牧期中均有出現(xiàn)，其中RP1休牧禾本科植物種子密度顯著高于其他休牧期，RP2休牧莎草科植物種子密度顯著高于RP4和RP5(P< 0.05)，雜類草和有毒植物種子密度均在RP5休牧中最低，豆科植物只在RP1，RP2和RP5休牧中存在，但差異不顯著。

表4 不同休牧期土壤種子庫各功能群種子密度Table 4 Functional groups seed density of soil seed bank in different rest grazing periods 單位：seeds·m-2

2.4 不同休牧期土壤種子庫多樣性特征

由圖1可知，5個休牧期土壤種子庫的Margalef豐富度指數(shù)在0.94～1.18之間，香農(nóng)-威納指數(shù)在0.88～1.08之間，辛普森多樣性指數(shù)在0.48～0.56之間，Pielou均勻度指數(shù)在0.62～0.77之間，其中豐富度指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)和多樣性指數(shù)差異均不顯著，但均在RP4休牧土壤種子庫中最低，香農(nóng)-威納指數(shù)和多樣性指數(shù)均在RP1休牧土壤種子庫中最高，豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)均在RP5休牧土壤種子庫中最高，RP5休牧土壤種子庫的均勻度指數(shù)顯著高于RP2休牧(P< 0.05)，5個休牧期土壤種子庫的香農(nóng)-威納指數(shù)和多樣性指數(shù)均表現(xiàn)為RP1>RP5>RP3>RP2>RP4。

圖1 土壤種子庫物種多樣性特征Fig.1 Species diversity characteristics of soil seed bank

2.5 不同休牧期土壤種子庫與地上植被相似性

由表5可知，5個休牧期土壤種子庫與地上植被的相似性系數(shù)為0.38～0.49。RP2，RP3和RP5休牧土壤種子庫與地上植被相似性較低，相似性系數(shù)均為0.38，其中RP3休牧種子庫與地上植被共有物種僅有9種，為處理間最低。RP4休牧土壤種子庫與地上植被的相似性較高，相似性系數(shù)為0.41。RP1休牧土壤種子庫與地上植被的相似性最高，相似性系數(shù)為0.49。

表5 土壤種子庫與地上植被相似性Table 5 Similarity between soil seed bank and aboveground vegetation

3 討論

3.1 不同休牧期土壤種子庫物種組成和密度

物種組成決定著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、生產(chǎn)力及營養(yǎng)動態(tài)等功能[25]。本研究所涉及的5個休牧期土壤種子庫中共萌發(fā)27種植物，分屬12科。各處理中豆科植物種子數(shù)量很少，原因是草地豆科可食牧草組成較為單一。此外，陰山扁蓿豆等家畜可食豆科牧草自身的生長特性使其在研究區(qū)幾乎沒有競爭優(yōu)勢，從而導(dǎo)致其未能完成種子繁殖或種子繁殖很少。莎草科植物是高寒草甸的優(yōu)勢物種，但其種子萌發(fā)率低，多為持久土壤種子庫[26]，休眠特性使其長期存在于土壤中，有利于保存種子遺傳資源。隨著休牧期的推遲，禾本科和莎草科植物種子密度降低，原因是家畜采食、踐踏刺激了禾本科、莎草科等優(yōu)良牧草的分蘗，使其更多的傾向于營養(yǎng)繁殖[7]。而狼毒、高山唐松草和棘豆等含有毒物質(zhì)，牛羊不采食，加之狼毒的生活史較短，種子成熟早，因此，5個休牧期土壤種子庫中均有有毒植物種子。

生活型是植物的一種生態(tài)學(xué)分類單位，是植物對生境條件長期適應(yīng)后的一種生長類型[27]。有關(guān)高寒區(qū)土壤種子庫研究表明，種子庫中物種的生活型比較單一，一年生和二年生植物較缺乏，其密度占比不超過10%[28]。本研究表明，5個休牧期土壤種子庫由地面芽植物、地下芽植物和一年生植物3種生活型組成，其中地面芽植物和地下芽植物較多，一年生植物較少，主要是因為天然草地物種組成多為多年生植物，這是植物為適應(yīng)當(dāng)?shù)睾涓珊档膼毫迎h(huán)境而長期選擇、進(jìn)化以及放牧利用的結(jié)果[29]；另外，一年生植物比多年生植物休眠時間短，存在于土壤種子庫中的一年生植物大多萌發(fā)，所以一年生植物相對較少。隨著休牧期的提前，土壤種子庫中地下芽植物種子密度增多，一年生植物出現(xiàn)，說明RP1提前休牧，可以有效減少放牧對土壤種子庫帶來的影響，增加種子密度，并且可為一年生植物的生長創(chuàng)造條件[30]。

放牧?xí)绊懲寥婪N子庫的密度，這是由于放牧過程中家畜采食導(dǎo)致植物葉面積減少，光合產(chǎn)物降低，從而使結(jié)實率下降，加上家畜對植物的生殖枝和種子直接采食，導(dǎo)致種子產(chǎn)量下降，進(jìn)而引起土壤種子庫密度降低[31-32]。草地休牧可以提高土壤種子庫密度[33]，張建利等[34]研究表明退化山地草地休牧1年和2年后的土壤種子庫密度分別為1 850 ?！-2和2 950 ?！-2，比放牧草地分別增加了37.9%和119.9%。本研究中，土壤種子庫密度隨休牧期提前而增加，RP1休牧土壤種子庫密度顯著高于RP3，RP4和RP5，原因是RP1休牧有利于牧草返青，牧草生長迅速，植物密度和高度有所增加，累積的凋落物可以更好地持有種子[19]。此外，土壤理化性質(zhì)是影響土壤種子庫密度的因素之一[35]，解凍期的土壤呈現(xiàn)“表融里凍”或“凍融交替”，土壤表面潮濕，家畜踐踏會破碎表層土壤，改變土壤結(jié)構(gòu)或降水后造成沃土流失[7,36]，因此RP1休牧土壤種子庫密度相對較高。而隨著休牧期的推遲，牧草返青家畜因跑青畜蹄會帶走部分種子。另外，種子快萌發(fā)時家畜踐踏也會損傷種子，所以土壤種子庫密度降低。

3.2 不同休牧期土壤種子庫物種多樣性

物種多樣性是指一個群落中物種數(shù)目的多少及其分布狀況，而多樣性指數(shù)則是度量這兩層含義的綜合指標(biāo)[27]。本研究中，5個休牧期土壤種子庫Margalef豐富度指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)、辛普森多樣性指數(shù)差異不顯著，但RP1休牧土壤種子庫豐富度指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)、多樣性指數(shù)均高于RP3和RP4，說明RP1休牧土壤種子庫的豐富度和多樣性高于RP3和RP4，原因是RP1休牧避免家畜踐踏損傷植物地下器官，有利于牧草返青及生長，種子產(chǎn)量較高，因此土壤種子庫的豐富度和多樣性較高。另外，RP5休牧土壤種子庫豐富度指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)、多樣性指數(shù)均高于RP2，RP3和RP4，分析發(fā)現(xiàn)RP5休牧垂穗披堿草、線葉嵩草和珠芽蓼等物種的密度比其他休牧期少，但出現(xiàn)了多枝黃耆、甘肅棘豆及委陵菜屬植物，原因是RP5休牧可食牧草被家畜反復(fù)采食和踐踏，影響其生殖生長，種子產(chǎn)量降低，而家畜不食牧草得以繁殖，從而提高了土壤種子庫的物種豐富度和多樣性。均勻度指數(shù)則是RP3和RP4休牧高于RP1和RP2，原因是物種種類減少，其分布的均勻度會增加[37]。

3.3 不同休牧期土壤種子庫與地上植被相似性

群落相似性在一定程度上可以反映群落間的相互關(guān)系，土壤種子庫與地上植被組成完整的植物群落，相似性的研究對群落演替具有重要意義[21]。本研究結(jié)果表明，5個休牧期土壤種子庫與地上植被的相似性整體較低，這與李春鳴等[29]和馬妙君等[38]的研究結(jié)果一致。原因是在草地生態(tài)系統(tǒng)中，放牧家畜是植物群落組成和穩(wěn)定性的重要決定因子，它們的采食和踐踏行為會以各種各樣的形式作用于植物群落[39]，從而使土壤種子庫和地上植被之間存在一定的差異。土壤種子庫與地上植被相似性較低的另一個原因是高寒地區(qū)的植物種子小、質(zhì)量輕，從母株掉落到地表以后[40]，因冬季土壤凍結(jié)長時間不能進(jìn)入土壤，留存在草地表面，冬春季強(qiáng)烈的風(fēng)導(dǎo)致有些種子會被吹走。RP1休牧土壤種子庫與地上植被的相似性最高，原因是RP1休牧?xí)r間長，可以有效的增加種子的產(chǎn)量和質(zhì)量，所以土壤種子庫與地上植被的相似性增大。

4 結(jié)論

隨著休牧期的提前，青藏高原東北緣天祝高寒草甸冷季牧場地下芽植物種子密度增加，一年生植物出現(xiàn)，土壤種子庫密度增加，土壤解凍臨界期—牧草枯黃期休牧土壤種子庫密度(2 136.67?！-2)顯著高于其他休牧期，香農(nóng)-威納指數(shù)和辛普森多樣性指數(shù)最高，5個休牧期土壤種子庫與地上植被的相似性指數(shù)大小在0.38～0.49，其中土壤解凍臨界期—牧草枯黃期休牧種子庫與地上植被相似性最高。表明土壤解凍臨界期—牧草枯黃期休牧更有利于土壤儲備植物種子，增加草地的抗干擾能力。