鄧斌,任國(guó)華,劉志云,尚占環(huán),2*,裴世芳
(1.蘭州大學(xué)青藏高原生態(tài)系統(tǒng)管理國(guó)際中心 草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院,甘肅 蘭州730020;2.中國(guó)科學(xué)院青藏高原研究所,北京100101)
青藏高原是我國(guó)重要的生態(tài)區(qū)域,對(duì)我國(guó)甚至世界的生態(tài)環(huán)境維持起到重要的作用。高寒草甸作為青藏高原草地的主體植被類(lèi)型,占整個(gè)高原面積的33%[1]。近年來(lái)由于過(guò)度放牧、人為破壞與環(huán)境變化等諸多原因,高寒草地退化已成為非常嚴(yán)峻的事實(shí)[2-5]。草地退化使青藏高原生態(tài)環(huán)境不斷惡化,對(duì)牧民生活和家畜生產(chǎn)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。高寒草地的保護(hù)、恢復(fù)和重建成為大家研究的焦點(diǎn)[6,7]。
土壤種子庫(kù)作為植被種群生活史的一個(gè)階段,是指存在于土壤上層凋落物內(nèi)和土壤中全部有生命活性的種子[8,9]。許多學(xué)者認(rèn)為,土壤種子庫(kù)是植被經(jīng)歷干擾后恢復(fù)的主要資源,對(duì)植被有潛在的更新能力[10,11],在退化草地的恢復(fù)與重建中發(fā)揮重要作用,能夠反映種群對(duì)于環(huán)境變化的響應(yīng)[12]。植被演替過(guò)程不僅指地上植被的組成與結(jié)構(gòu)的變化,同時(shí)也包括土壤種子庫(kù)的數(shù)量與格局的變化[13]。土壤種子庫(kù)對(duì)退化草地的恢復(fù)起決定性的作用,對(duì)渾善達(dá)克地區(qū)退化沙地研究表明退化草地的土壤種子庫(kù)完全可以滿足地上植被的恢復(fù),可以不需要外界種子的補(bǔ)充[14]。
在青藏高原大面積保護(hù)和恢復(fù)過(guò)程中,圍欄封育被認(rèn)為是非常有效、也是應(yīng)用范圍很廣的恢復(fù)措施。通過(guò)圍欄進(jìn)行輪牧,減少草食家畜對(duì)于草地的過(guò)度采食與踐踏,由于其投資少,見(jiàn)效快,是草地管理最普遍的手段,已成為退化草地恢復(fù)與重建的重要措施之一。目前草地圍欄對(duì)于地上植被的影響研究較多,主要集中在圍欄對(duì)于植被的恢復(fù)和生產(chǎn)效益方面[15],對(duì)土壤種子庫(kù)的影響研究也多為種子庫(kù)的萌發(fā)特征和物種數(shù)量方面[16,17],而圍欄封育對(duì)于不同的高寒草地群落土壤種子庫(kù)格局與變化規(guī)律報(bào)道較少。
本試驗(yàn)主要選擇青藏高原黃河源區(qū)進(jìn)行草地圍欄之后的3種不同的高寒草甸群落為試驗(yàn)對(duì)象,對(duì)其土壤種子庫(kù)的大小、格局、物種組成及與地上植被的關(guān)系等進(jìn)行研究,旨在揭示圍欄封育對(duì)于土壤種子庫(kù)各特征的影響,進(jìn)而研究圍欄在草地保護(hù)與恢復(fù)中的具體作用與價(jià)值,為高寒草地的管理與可持續(xù)利用提供理論依據(jù)。
試驗(yàn)區(qū)位于青海省南部果洛州瑪沁縣境內(nèi)的大武河流域,地理位置為34°17′~34°25′N(xiāo)、100°26′~100°43′E,平均海拔3 760m左右。該地區(qū)氣候具有典型的高原大陸性氣候特點(diǎn),無(wú)四季之分,僅有冷暖季之別,冷季漫長(zhǎng)、干燥而寒冷,暖季短暫、濕潤(rùn)而涼爽。溫度年差較小而日差較懸殊,太陽(yáng)輻射強(qiáng)烈,年均溫-3.9℃,≥5℃年積溫為850.3℃,最冷月1月平均氣溫為-12.6℃,最熱月7月的平均氣溫為9.7℃,牧草生長(zhǎng)季為156d,無(wú)絕對(duì)無(wú)霜期。年均降水量513.12mm,年蒸發(fā)量1 459mm。土壤為高山草甸土,主要植被類(lèi)型為高寒草甸和高寒草原。
1.2.1 樣地選擇 本試驗(yàn)選擇3種高寒草地群落:灌叢草地,小嵩草(Kobresiapygmaea)退化草地和黑土灘草地群落,分圍欄內(nèi)外取樣,各樣地的圍欄均從2005年建成至今。各樣地基本特征如下(表1)。
表1 樣地的基本特征Table 1 Main features of sampling plots
1.2.2 取樣與處理 于2009年4月對(duì)封育3年多的灌叢草地、小嵩草退化草地和黑土灘3種不同的草地群落圍欄內(nèi)外進(jìn)行取樣。每個(gè)樣地用36mm的土鉆,分0~5cm,5~10cm兩層隨機(jī)取10鉆土。每個(gè)樣地共16個(gè)重復(fù),每個(gè)重復(fù)取土面積約為0.01m2。然后自然風(fēng)干,過(guò)篩。本試驗(yàn)采用土壤淘洗后的鏡檢法[18],先過(guò)5mm篩,去除石塊與植物殘?bào)w,再過(guò)0.2mm篩,去除不含種子的部分土壤,再用0.1mm的尼龍網(wǎng)袋水洗,風(fēng)干。每個(gè)步驟都盡量保證不損壞種子。于解剖鏡下,挑選出所有種子,最后進(jìn)行種子的分種鑒定,利用青藏高原植物種子標(biāo)本,參照中國(guó)數(shù)字植物標(biāo)本館,根據(jù)種子的形狀、特征、結(jié)構(gòu)等確定種子的科屬種。
土壤種子庫(kù)密度:統(tǒng)計(jì)每一個(gè)土樣中的種子數(shù),再換算成每m2種子數(shù)。用單位面積土壤中有生命力的種子數(shù)量 (即有效種子數(shù)量)表示各草地群落的土壤種子庫(kù)密度。
種子庫(kù)物種各相關(guān)指數(shù):根據(jù)樣地中土壤種子庫(kù)的種類(lèi)和種子數(shù)量,采用Shannon-Wiener和Simpson多樣性指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)公式計(jì)算。
式中,S為種子庫(kù)物種總數(shù),N為種子庫(kù)種子總數(shù),Pi為第i種植物種子數(shù)占種子庫(kù)中總種子數(shù)的比例。
土壤種子庫(kù)與地上植被的相似性,采用Sorensen指數(shù)計(jì)算:SC=2C/(S1+S2)。式中,SC為Sorensen指數(shù)的值,C是地上植被和種子庫(kù)共有的植物物種數(shù);S1和S2分別為地上植被和種子庫(kù)中各自出現(xiàn)的物種數(shù)目。
土壤種子庫(kù)空間分布的變異系數(shù),變異系數(shù)(Coefficient of variation,CV)的計(jì)算公式為:CV=σ/μ。式中,σ為標(biāo)準(zhǔn)差,μ為平均值,用SPSS 17.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。
圖1為所選的3個(gè)草地群落土壤種子庫(kù)規(guī)模,以小嵩草退化草地群落的土壤種子庫(kù)種子最多。圍欄內(nèi)外分別為(9 938±1 780)粒/m2和(15 330±1 827)粒/m2。黑土灘群落圍欄內(nèi)外最少,分別為(4 074±459)粒/m2與(3 640±486)粒/m2。灌叢草地群落圍欄內(nèi)外居中,分別為(9 879±1 453)粒/m2與(12 899±1 695)粒/m2。通過(guò)顯著性分析發(fā)現(xiàn),只有小嵩草退化草地圍欄內(nèi)外表現(xiàn)出差異顯著(P<0.05),其他2樣地差異均不顯著(P>0.05)。說(shuō)明圍欄對(duì)于小嵩草退化高寒草地群落土壤種子庫(kù)密度有顯著的影響,而對(duì)于植被狀況較好、群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的灌叢草地群落與極度退化的黑土灘群落則影響不大。
圖1 3個(gè)草地群落土壤種子庫(kù)種子數(shù)量Fig.1 Size of seed density in soil seed banks of three grassland communities
各樣地群落圍欄內(nèi)外土壤種子庫(kù)的物種組成顯示(表2),本次試驗(yàn)3個(gè)草地群落中共發(fā)現(xiàn)25個(gè)種,分屬11個(gè)科,灌叢草地土壤種子庫(kù)物種主要以高寒草地原生植被物種(莎草科、禾本科與蓼科)為主。小嵩草退化草地土壤種子庫(kù)物種原生植被種子(莎草科與禾本科等)與其他毒雜草種子(棘豆、細(xì)葉亞菊與昆侖蒿等)均有大量存在,而黑土灘物種主要以毒雜草(棘豆、昆侖蒿與鐵棒錘等)為主。
在各草地群落土壤種子庫(kù)中,均含有大量的小嵩草種子,說(shuō)明在草地未退化之前,各草地群落都是以小嵩草為優(yōu)勢(shì)植被與建群種。由于小嵩草種子的萌發(fā)率低,壽命長(zhǎng),易形成持久土壤種子庫(kù),所以在草地退化后,各草地群落的土壤種子庫(kù)中仍保留著大量的小嵩草種子。這為高寒草地的恢復(fù)準(zhǔn)備了大量的種子來(lái)源,說(shuō)明土壤種子庫(kù)在草地的退化過(guò)程中起到一個(gè)很好的緩沖作用。高寒草地的植被更新不存在種子制約,土壤種子庫(kù)可以作為高寒草地的恢復(fù)潛在資源。
不同群落土壤種子庫(kù)圍欄內(nèi)外禾草與莎草種子所占的比例及物種數(shù)目顯示(表3),小嵩草退化草地的物種數(shù)目要顯著大于灌叢草地和黑土灘(P<0.01),說(shuō)明草地的輕中度退化能顯著提高草地土壤種子庫(kù)的物種數(shù)目。莎草科和禾本科種子占的比例大小順序?yàn)椋汗鄥膊莸兀拘♂圆萃嘶莸兀竞谕翞?。在草地退化的過(guò)程中,土壤種子庫(kù)中原生植被物種數(shù)呈下降趨勢(shì)。
圍欄對(duì)于各草地群落土壤種子庫(kù)的物種數(shù)目影響差異不顯著(P>0.05),只對(duì)各物種的分布密度產(chǎn)生影響(表2,3)。3種高寒草地群落中,對(duì)于禾本科種子,除灌叢草地差異不顯著外,其他2個(gè)樣地均是圍欄內(nèi)高于圍欄外(P<0.01)。莎草科種子3個(gè)草地群落有著相同的趨勢(shì):圍欄內(nèi)>圍欄外,且表現(xiàn)差異極顯著(P<0.01),豆科植物(主要是棘豆)的土壤種子密度除黑土灘群落影響不大之外,其他2個(gè)草地群落均是圍欄內(nèi)顯著低于圍欄外(P<0.05),其他物種土壤種子庫(kù)的分布密度也均為圍欄內(nèi)<圍欄外(P<0.01)。圍欄封育控制草食動(dòng)物的采食,減少放牧和環(huán)境干擾,保護(hù)原生植被(禾本科與莎草科)的生長(zhǎng),提高禾草和莎草種子在土壤種子庫(kù)中所占的比例。圍欄封育促進(jìn)原生植被的恢復(fù)與更新,同時(shí)還能抑制棘豆等其他毒雜草的繁殖,對(duì)高寒草地的保持起到重要的作用,有利于退化高寒草地的恢復(fù)。
表2 不同高寒草地群落圍欄內(nèi)外土壤種子庫(kù)密度Table 2 Different communities of alpine meadow soil seed banks density within and outside the fence
調(diào)查的群落土壤種子庫(kù)的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)有著相同的規(guī)律(表4):黑土灘>灌叢草地>小嵩草退化草地,Margalef豐富度規(guī)律為:小嵩草退化草地>黑土灘>灌叢草地,并且差異極顯著(P<0.01)。Shannon-Wiener多樣性指數(shù)與Simpson多樣性指數(shù)的變化除了決定于植被與種子庫(kù)的物種數(shù)和規(guī)模等有關(guān)外,也與局部小環(huán)境及各草地群落的利用程度和方式有關(guān)[19]。高寒草地原生植被種子萌發(fā)率低,多為持久土壤種子庫(kù),黑土灘由于既含有原生植被種子,又有許多毒雜草種子,且土壤種子庫(kù)密度低,受環(huán)境的擾動(dòng)大,所以Shannon-Wiener多樣性,Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均要大于灌叢草地和小嵩草退化草地。小嵩草退化草地由于其草地的基本特征是屬于輕中度的退化階段,植被物種數(shù)量增加,所以Margalef豐富度指數(shù)也高于其他2個(gè)樣地。
灌叢草地和小嵩草退化草地的Shannon-Wiener多樣性、Simpson多樣性、Margalef豐富度均是圍欄外>圍欄內(nèi)(P<0.01),但黑土灘則相反。灌叢草地群落Pielou均勻度指數(shù)為圍欄內(nèi)<圍欄外,其他2個(gè)樣地為圍欄內(nèi)>圍欄外。說(shuō)明對(duì)于植被較好和退化程度較輕的小嵩草退化草地,放牧和適度的環(huán)境干擾能提高草地的多樣性、優(yōu)勢(shì)度與豐富度指數(shù)。黑土灘則是處于極度退化的狀態(tài),利用圍欄封育,減少環(huán)境的擾動(dòng)可以使這三者得到提高。對(duì)于均勻度指數(shù),灌叢草地植被狀況好,群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,采用放牧、利用草食動(dòng)物的干擾可以使其均勻度提高。相對(duì)處于退化階段的小嵩草退化草地與極度退化的黑土灘來(lái)說(shuō),利用圍欄封育后,地上植被得到一定程度的恢復(fù),環(huán)境擾動(dòng)降低,均勻度則相應(yīng)提高。
表3 不同高寒草地群落圍欄內(nèi)外土壤種子庫(kù)組成Table 3 The composition of soil seed banks in different communities of alpine meadow within and outside the fence
表4 土壤種子庫(kù)物種多樣性、豐富度和均勻度指數(shù)Table 4 Indexes of diversity,richness and pielou about the soil seed banks
不同高寒草地群落土壤種子庫(kù)與地上植被的Sorensen相似性指數(shù)大小范圍為0.32~0.64,順序?yàn)椋汉谕翞拘♂圆萃嘶莸兀竟鄥膊莸兀▓D2),圍欄內(nèi)外的Sorensen相似性指數(shù)3個(gè)草地群落規(guī)律相同,均為圍欄內(nèi)<圍欄外。草地退化越嚴(yán)重,其一年生植物和依靠種子繁殖的物種比例越高,導(dǎo)致土壤種子庫(kù)與地上植被的Sorensen相似性指數(shù)增大。草地采用圍欄封育后,放牧壓力、環(huán)境和人為的干擾減少,多年生植物和依靠根莖繁殖的物種得到恢復(fù)與生長(zhǎng),相應(yīng)的抵制了一年生與依靠種子繁殖的物種的生長(zhǎng),其Sorensen相似性指數(shù)相應(yīng)降低。
本研究的空間層次為2層,分別為0~5和5~10cm,結(jié)果發(fā)現(xiàn)土壤種子庫(kù)主要集中在0~5cm中,灌叢草地、小嵩草退化草地和黑土灘圍欄內(nèi)外分別占95.01%,93.96%,95.95%,92.79%,78.20%和75.45%,平均占土壤種子庫(kù)的比例為88.56%。黑土灘圍欄內(nèi)外5~10cm種子數(shù)占土壤種子庫(kù)的比例分別為21.80%和24.55%,要顯著大于灌叢草地與小嵩草退化草地(P<0.01)。而各草地群落圍欄內(nèi)外均差異不顯著(P>0.05)。黑土灘由于是極度退化,環(huán)境干擾強(qiáng)烈,鼠類(lèi)活動(dòng)頻繁,且黑土灘雜草多為小種子,易向深層次滲透,導(dǎo)致其5~10cm土壤種子庫(kù)比例增大。說(shuō)明不同的草地群落,不同退化程度土壤種子庫(kù)在空間分布上存在差異,但草地圍欄對(duì)其土壤種子庫(kù)的空間分布則影響不大(圖3)。
3種不同高寒草地群落土壤種子庫(kù)的空間分布變異系數(shù)規(guī)律為:灌叢草地<小嵩草退化草地<黑土灘,圍欄內(nèi)部<圍欄外部(圖4),0~5cm土層的土壤種子分布密度的變異系數(shù)要顯著小于5~10cm土層;就不同土層而言,0~5cm土層的變化規(guī)律與總的種子庫(kù)密度變化相同,但5~10cm土層空間變異系數(shù)為:黑土灘<灌叢草地<小嵩草退化草地。說(shuō)明高寒草地0~5cm土壤中的種子密度不僅較5~10cm土層豐富,而且要均勻。高寒草地退化越嚴(yán)重,植被類(lèi)型與土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,加之環(huán)境干擾與鼠類(lèi)入侵,土壤種子庫(kù)的密度分布就越不均勻。草地圍欄則可以減少環(huán)境對(duì)群落的擾動(dòng),促進(jìn)植被的恢復(fù),提高土壤種子庫(kù)分布的均勻性。
不同草地類(lèi)型的土壤種子庫(kù)差異很大,用不同的研究方法也會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不同[20-24]。Silvertown[22]的研究結(jié)果表明,草地的土壤種子庫(kù)范圍為103~106粒/m2。本試驗(yàn)采用的是鏡檢法得出的土壤種子庫(kù)規(guī)模,其范圍為3 640~15 330粒/m2,在Silvertown的研究結(jié)果范圍。本實(shí)驗(yàn)與尚占環(huán)等[24]用萌發(fā)與鏡檢相結(jié)合的方法得出的土壤種子庫(kù)基本一致,但大于用萌發(fā)法得出的高寒草地土壤種子庫(kù)規(guī)模。原因在于高寒草地的莎草科植物種子萌發(fā)率低,多為持久土壤種子庫(kù)[23]。所以土壤種子庫(kù)中存在著許多具有活性、但不易萌發(fā)的原生植被(莎草科)物種種子,用萌發(fā)法并不能完全將其統(tǒng)計(jì)在內(nèi)。
圖2 不同高寒草地群落圍欄內(nèi)外土壤種子庫(kù)與地上植被的物種構(gòu)成相似性Fig.2 Sorensen similarity of species composition between soil seed bank and above ground vegetation of different communities within and outside the fence
圖3 土壤種子庫(kù)數(shù)量在不同土壤層次(0~5,5~10cm)的百分比Fig.3 The percentage of seed number of soil seed bank in two soil layers(0-5,5-10cm)of three communities
圖4 土壤種子庫(kù)的空間分布變異系數(shù)Fig.4 The coefficient of variation of the spatial distribution of soil seed banks in different communities
草地圍欄是實(shí)施草地輪牧,減輕放牧壓力,恢復(fù)與重建退化草地的重要手段[25]。進(jìn)行草地圍欄,采用劃區(qū)輪牧后,圍欄草地的生物量,生產(chǎn)性能,土壤性質(zhì)都能得到提高,但對(duì)土壤種子庫(kù)的影響不大(表2)。小嵩草退化樣地土壤種子庫(kù)種子密度圍欄外(15 330±1 827粒/m2)要顯著高于圍欄內(nèi)樣地(9 938±1 780粒/m2),而其他2個(gè)樣地差異均不顯著(圖1;表2)。說(shuō)明對(duì)于植被狀況較好的灌叢草地與極度退化的黑土灘,單純的采用草地圍欄的方式對(duì)于土壤種子庫(kù)的種子密度影響不大,這與馬妙君等[26]的研究結(jié)果相似。但在土壤種子庫(kù)的空間分布上,圍欄可以使土壤種子庫(kù)總體分布更加均勻,減少環(huán)境的干擾,避免種子向深土層轉(zhuǎn)移,有利于種子的萌發(fā)。各草地群落圍欄內(nèi)禾本科和莎草科植物種子比例為圍欄內(nèi)大于圍欄外,說(shuō)明圍欄可以提高原生植被物種(禾本科和莎草科)種子的比例,促進(jìn)草地的恢復(fù)。
對(duì)于植被狀況較好的灌叢草地和處于較輕程度退化的小嵩草退化草地,土壤種子庫(kù)的物種多樣性指數(shù),豐富度指數(shù)均為圍欄外高于圍欄內(nèi)。這說(shuō)明對(duì)于群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定的草地,放牧利用會(huì)增加植被和土壤種子庫(kù)的物種多樣性與豐富度指數(shù)。但對(duì)于處于極度退化的黑土灘,物種多樣性指數(shù),豐富度指數(shù)則為圍欄內(nèi)高于圍欄外,這與Meissner和Faceelli[27]的結(jié)果一致。黑土灘圍欄外,環(huán)境干擾強(qiáng)烈,植被結(jié)構(gòu)、土壤性質(zhì)等極度退化,原生植被物種喪失,毒雜草繁殖,鼠類(lèi)活動(dòng)加?。?8],土壤種子庫(kù)與地上植被的相似性提高,群落與土壤種子庫(kù)的結(jié)構(gòu)趨向于單一化[29],種子向深土層轉(zhuǎn)移,草地退化持續(xù)加劇。對(duì)黑土灘進(jìn)行圍欄可以相對(duì)緩解這種狀況,土壤種子庫(kù)作為草地恢復(fù)的潛在資源,圍欄能提高土壤種子庫(kù)的物種多樣與豐富度指數(shù),為黑土灘草地的恢復(fù)奠定基礎(chǔ)。土壤種子庫(kù)與地上植被的相似性為黑土灘>小嵩草退化草地>灌叢草地(圖2)。對(duì)于群落較穩(wěn)定的灌叢草地,土壤種子庫(kù)與地上植被的相似性較低[30,31],圍欄的作用使其趨向更加穩(wěn)定,對(duì)于灌叢草地的保護(hù)有重要作用。小嵩草退化草地圍欄能顯著降低毒雜草種子數(shù)量,提高原生植被在土壤種子庫(kù)中的比例,有利于草地的恢復(fù)。過(guò)度放牧不僅造成地上植被的物種多樣性喪失,而且也導(dǎo)致了種子庫(kù)中的多樣性,豐富度等指標(biāo)下降。圍欄封育對(duì)于退化嚴(yán)重的草地,可以使地上植被和種子庫(kù)中的物種多樣性得到保持或者提高。
本試驗(yàn)的結(jié)果顯示,各草地群落圍欄內(nèi)外的土壤種子庫(kù)物種分布差異不大,而地上植被物種數(shù)則表現(xiàn)出顯著差異。這說(shuō)明土壤種子庫(kù)對(duì)環(huán)境干擾與放牧,表現(xiàn)出良好的緩沖作用。各草地群落的土壤種子庫(kù)中均含有大量的小嵩草種子,這為退化草地的植被恢復(fù)提供了大量的種子資源,如能采取一些措施,促進(jìn)這些種子的萌發(fā),則對(duì)于高寒退化草地的恢復(fù)起到重要的作用。
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