牛瑞芳，吳鐵航，柴寶峰*

(1.山西大學(xué)黃土高原研究所，山西亞高山草地生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學(xué)觀測研究站，山西 太原 030006；2.南喬治亞大學(xué)生物系，斯泰茲波羅 佐治亞 30460-8042，美國)

土壤種子庫在種群更新和植被恢復(fù)過程中，對維持植物物種多樣性具有重要作用[1]，它會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)力和抗逆性[2]，對于受到劇烈干擾后的森林植被的重建[3]及其未來植物群落的物種組成和生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的程度發(fā)揮重要作用[4]。因此，土壤種子庫被認(rèn)為是植物群落的一部分，其大小、動(dòng)態(tài)、分布格局受到植被、氣候、土壤、干擾等多重因素的影響[5-6]。

地上植被對土壤種子庫具有重要的影響，是土壤種子庫的主要來源[7]。有研究發(fā)現(xiàn)在群落演替過程中，地上植被與種子庫在物種組成上具有很高的相似性[8]。而在對黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地的研究中發(fā)現(xiàn)，地上植被與種子庫相似性較小，種子庫在植被恢復(fù)中潛力不大[9]。甚至有研究認(rèn)為，土壤種子庫與地上植被在種類上并沒有必然的聯(lián)系。一項(xiàng)在加納的森林土壤種子庫的研究中發(fā)現(xiàn)，6個(gè)種子庫中的4個(gè)與地上植被僅有5%左右的種類相同，其他2個(gè)則完全不同[10]，草地和沼澤種子庫也有類似的結(jié)果[11-12]。

長期的不合理開發(fā)利用，黃土高原植被受損嚴(yán)重，水土流失加劇，是我國甚至全世界范圍內(nèi)生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域之一[18]。植被恢復(fù)成為黃土高原生態(tài)保護(hù)的主要任務(wù)，作為京津冀生態(tài)屏障，人工植被建設(shè)發(fā)揮了重要的作用。近年來，植被的自然恢復(fù)備受重視，尤其是草地生態(tài)系統(tǒng)的封育，在遭受破壞的亞高山草地恢復(fù)過程中被廣為采用。但在很多地方的恢復(fù)效果并不理想，尤其是破壞嚴(yán)重的區(qū)域，植被和土壤理化性質(zhì)都發(fā)生較大的變化，對土壤種子庫產(chǎn)生了較大的影響。盡管對黃土高原典型草地土壤種子庫的空間分布有一些初步的研究[19]，但對于亞高山退化草地土壤種子庫的特征及影響因素有待開展系統(tǒng)的研究。因此，本試驗(yàn)對黃土高原亞高山草地不同退化程度下土壤種子庫的物種組成、種子密度、分布特征以及影響因素進(jìn)行了研究，以期為制定有效的草地退化治理和生物多樣性保護(hù)措施提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省忻州市寧武縣云中山(38°31′～38°69′ N，112°27′～112°45′ E)，年平均氣溫為6～7℃，年均降水為400～450 mm，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，海拔2 200 m左右，土壤為山地草甸土，成土母質(zhì)以各類母巖的風(fēng)化殘積坡積物為主；土壤pH為5.45～6.33，退化草地含水量為8.11%～41.71%，土壤有機(jī)碳含量為27.85～42.61 g·kg-1；地帶性植被主要為亞高山草甸，如米口袋(Gueldenstaedtiaverna)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、委陵菜(Potentillasupina)、薹草(Carexbohemica)、平車前(Plantagodepressa)等。長期的放牧活動(dòng)導(dǎo)致草地出現(xiàn)了不同程度的退化。

1.2 樣地設(shè)置

在研究區(qū)共設(shè)置20個(gè)樣地。根據(jù)試驗(yàn)區(qū)地上植物群落生物量、蓋度、可食植物比例和可食植物高度確定草地的退化程度[20]，分為輕度退化(LD)、中度退化(MD)、重度退化(HD)和極度退化(ED)(表1)。在不同退化程度下，隨機(jī)選取5個(gè)距離至少50 m的樣方進(jìn)行土壤種子庫和地上植被調(diào)查取樣，這5個(gè)樣方的選擇是為了最大限度地體現(xiàn)這4種退化梯度的指標(biāo)，因此每個(gè)樣方都是一個(gè)獨(dú)立的重復(fù)。

表1 亞高山草地不同程度退化指標(biāo)及分類標(biāo)準(zhǔn)

1.3 土壤種子庫取樣和分析

土壤種子庫取樣時(shí)間為2019年4月上旬。在設(shè)置的每個(gè)樣方中隨機(jī)選取5個(gè)取樣單位，取樣面積為1 m×1 m。分別用3.6 cm的土鉆取20個(gè)圓柱狀土芯，每20鉆混合為一份。取樣深度為10 cm，分為0～5 cm與5～10 cm兩層，自下而上分別裝入自封袋中。因此每個(gè)樣方為5個(gè)取樣單位，2個(gè)土層深度，共計(jì)10個(gè)土樣；每個(gè)退化梯度下為5×10=50個(gè)土樣；4個(gè)退化梯度共計(jì)50×4=200個(gè)土樣。

用出苗法來評估土壤樣品中易于發(fā)芽的物種[21]，分析物種組成。試驗(yàn)之前將樣品中的雜質(zhì)(植物細(xì)根、凋落物、石頭等)通過直徑4 mm的篩去除。將土樣平鋪在裝有5 cm滅菌細(xì)河沙墊底的塑料花盆上，并放置裝有滅菌細(xì)沙的對照托盤，測定空中可能吹來的種子數(shù)目。保持土壤適當(dāng)濕潤，待到幼苗可以被識(shí)別時(shí)，進(jìn)行鑒定與記錄并移除。定期翻動(dòng)土樣，促進(jìn)種子庫中種子萌發(fā)[22]。試驗(yàn)持續(xù)4個(gè)月，連續(xù)4周內(nèi)沒有新的種子萌發(fā)，結(jié)束試驗(yàn)。樣地土壤種子庫的種子密度的計(jì)算方法：將萌發(fā)試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，按參試篩選土樣占原篩選土樣的比例及取樣面積大小，換算成1 m2種子數(shù)量。

1.4 地上植被測定

在夏季生長高峰期(2019年7月)，分別在4個(gè)退化梯度下調(diào)查并記錄了植被組成、蓋度以及株數(shù)。樣方面積為1 m×1 m，共20個(gè)樣方。依據(jù)《中國植被》的植物生活型分類標(biāo)準(zhǔn)，將土壤種子庫植物分為一年生、二年生、多年生草本以及木本植物。地上植被生物量測定首先在烘箱105℃下殺青30 min，然后在75℃下繼續(xù)烘48 h至恒重，使用電子天平進(jìn)行稱重。

1.5 土壤理化性質(zhì)測定

1.6 數(shù)據(jù)分析

采用單因素方差分析(ANOVA)以及Tukey檢驗(yàn)比較不同梯度、不同深度土壤種子庫密度以及多樣性差異；同時(shí)比較不同梯度下地上植被物種豐度、多度差異性。用線性回歸法分析環(huán)境因子與種子庫特征(物種豐度、種子密度)的相關(guān)性。用多元線性回歸分析土壤環(huán)境因子對種子庫特征值的綜合影響，其中包含的獨(dú)立變量(環(huán)境因素)是在單變量分析中與種子庫特征顯著相關(guān)的變量。模型的選擇采用AIC信息準(zhǔn)則(Aikake’s information criterion)。方差分析與線性回歸分析利用SPSS 16.0完成。

對于不同退化程度下地上植被、土壤種子庫以及地上植被和種子庫之間物種組成差異，利用NMDS進(jìn)行可視化處理，使用相對豐度數(shù)據(jù)并利用Bray-Curtis系數(shù)計(jì)算相似矩陣。種子庫中的每一個(gè)物種的相對豐度是每個(gè)樣方中的該物種種子密度除以所有物種的總密度；地上植被物種的相對豐度是每個(gè)樣方中某物種的個(gè)體數(shù)除以該樣方中所有物種的總個(gè)體數(shù)。利用PERMANOVA(permutational multivariate analysis of variance)分析來統(tǒng)計(jì)4種退化梯度下地上植被、土壤種子庫，以及地上植被和種子庫之間物種組成差異。利用RDA(redundancy analysis)分析土壤環(huán)境因子與地上植被和種子庫物種組成之間的關(guān)系。以上運(yùn)算均利用R 3.5.1中的vegan包完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退化程度草地的地上植物群落特征

退化草地地上植物群落由31種植物組成，分屬于14個(gè)科、25屬(表2)。地上植被的生活型如圖1A所示，多年生物種的比例隨著退化程度的加重呈降低趨勢，而一年生草本呈增加趨勢。植物群落多樣性分析結(jié)果如圖1B和1C所示，地上植被物種多度與豐富度隨著退化程度的加重而顯著減小(P<0.001)。其中，在中度退化(MD)的樣地中物種多度最高，在輕度退化(LD)的樣地中物種豐富度最高。

圖1 不同退化程度的草地中地上植被生活型比例(A)、群落物種多度(B)和豐富度(C)

表2 不同退化程度下地上植物種類及相對豐度

2.2 不同退化草地土壤種子庫物種組成與密度

經(jīng)過為期4個(gè)月的萌發(fā)試驗(yàn)，土壤種子庫中共鑒定出32種植物，分屬于14科、31屬(表3)。其中，地上地下相同物種數(shù)分別為14，12.6，9.8，5.2種。土壤種子庫植物生活型如圖2A所示，一、二年生草本的比例在極度退化時(shí)最高，多年生草本呈減少趨勢，與地上植被生活型組成的變化趨勢基本一致。在4個(gè)退化程度的樣地中，0～10 cm土壤種子庫密度與物種豐富度差異顯著，種子庫密度在輕度和中度退化的樣地中最高，分別為3 455.62粒·m-2與2 868.64?！-2，而重度及極度退化樣地中最低，分別為1 192.89?！-2和492.31?！-2。不同土壤分層(0～5 cm和5～10 cm)的種子庫密度以及物種豐富度都隨退化程度的加重而減小(圖2B，2C)，83.45%種子都集中于表層(0～5 cm)土壤中。

表3 不同退化程度下種子庫物種及密度

圖2 不同退化程度草地中的土壤種子庫植物的生活型比例(A)、種子庫密度(B)和豐富度(C)

2.3 土壤環(huán)境因子對種子庫物種豐富度和種子密度的影響

土壤種子庫密度與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)，與銨態(tài)氮(P=0.002)、硝態(tài)氮(P=0.001)以及土壤水分(P<0.001)呈顯著正相關(guān)關(guān)系，與土壤緊實(shí)度、電導(dǎo)率無顯著相關(guān)關(guān)系(圖3)。種子庫物種的豐富度與pH值呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，與銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量以及土壤水分呈正相關(guān)關(guān)系(圖4)，解釋率達(dá)到84.24%?；谏鲜鼋Y(jié)果，運(yùn)用多元線性回歸分析土壤環(huán)境因子對種子庫豐富度和密度的綜合影響，結(jié)果表明，無論是密度還是豐富度，只考慮pH值和土壤水分的模型，其AICc值最低(表4)，說明土壤pH和土壤水分是影響土壤種子庫密度和豐富度的主要因子。

表4 多元回歸分析土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、土壤水分(Moi)、土壤pH對土壤種子庫密度和物種豐富度的影響

圖3 土壤環(huán)境因子與土壤種子庫密度相關(guān)性分析

圖4 土壤種子庫密度和豐富度與環(huán)境因子的RDA分析

2.4 不同退化程度的草地中地上植物群落與土壤種子庫的相似性

NMDS分析結(jié)果顯示，LD和MD兩個(gè)樣地間的地上植物群落的組成具有較高的相似性，并與HD和ED之間具有顯著差異(圖5A)，PERMANOVA成對比較進(jìn)一步分析表明，LD與MD差異不顯著，但分別與HD，ED差異顯著(表5)。

對土壤種子庫的分析顯示，NMDS前兩軸將ED與其他3個(gè)退化梯度顯著分開(圖5B)，同時(shí)PERMANOVA成對分析也表明ED與LD，MD，HD的種子庫具有顯著差異(P<0.01)(表5)，說明草地的退化對土壤種子庫的影響有一定的滯后效應(yīng)，極度退化對種子庫物種的組成產(chǎn)生了顯著的影響。

表5 PERMANOVA兩兩比較分析種子庫(SB)、地上植物群落(Veg)之間的物種組成差異，以及種子庫與地上植被之間的相似性(Sim)

亞高山草地的地上植物群落與土壤種子庫的物種組成差異顯著(圖5C)，總體來說相似度都較低，其中極度退化草地地上植被組成更接近種子庫組成。PERMANOVA分析結(jié)果也表明，LD，MD，HD地上植被物種組成與其土壤種子庫都具有顯著差異(P<0.01)。

圖5 基于物種相對豐度的NMDS分析地上植物群落(A)和土壤種子庫(B)組成以及地上植被和土壤種子庫組成相似性(C)在不同退化程度草地間的差異

3 討論

3.1 植被對土壤種子庫的影響

本研究中，隨著草地退化程度的加劇，土壤種子庫密度顯著下降，這可能主要是由于地上植被對土壤種子庫的影響[24]。高強(qiáng)度放牧直接影響地上植被，進(jìn)而對土壤種子庫產(chǎn)生影響。家畜采食導(dǎo)致植物葉面積減少，結(jié)實(shí)率下降，使得種子產(chǎn)量減少[25]。亞高山退化草地種子庫主要以多年生植物為主，因長期被家畜采食而無法正常結(jié)實(shí)，對土壤種子庫貢獻(xiàn)減少[26]。在草地退化嚴(yán)重的地段，一、二年生植物在土壤種子庫中的比例較高，主要是由于其生命周期較短，在雨季萌發(fā)并產(chǎn)生一定量的種子，補(bǔ)充土壤種子庫，有利于草地的恢復(fù)和更新[27]。但也有研究發(fā)現(xiàn)由于強(qiáng)烈的干擾作用，種子在土壤中選擇休眠，有利于提高退化草地土壤種子庫密度[28]。McDonald[29]等人也認(rèn)為放牧?xí)狗N子深埋，使其難以萌發(fā)，一定程度上擴(kuò)大了種子庫。這些不同現(xiàn)象可能是因?yàn)楦餮芯咳郝湮锓N組成、地理環(huán)境、干擾方式等不同引起的[26]。我們的結(jié)果也表明，隨著土層加深，種子種類和數(shù)量顯著降低[30]。即使土壤中種子儲(chǔ)量充足，處于5 cm以下的通常難以萌發(fā)[31]，對植被的更新難以發(fā)揮作用。

3.2 土壤環(huán)境因子對種子庫的影響

土壤環(huán)境因子對地上植物的生長和繁殖有較大的影響，從而影響到地下種子庫[32]。土壤pH直接影響有機(jī)體生長必需的礦物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的有效性，進(jìn)而影響地上植物的生長和產(chǎn)種量[33]。有研究表明，當(dāng)pH在6.1～6.5之間時(shí)植物養(yǎng)分處于最優(yōu)狀態(tài)，此時(shí)地上植物群落豐富度最高，而酸度和堿度增加時(shí)群落豐度開始降低，產(chǎn)籽量降低[34]。另一方面，Basto等人用殺菌劑提高種子的持久性的試驗(yàn)中，將土壤pH值的增加對種子庫密度的負(fù)面影響歸結(jié)為真菌病原體增加[35]。pH較高時(shí)細(xì)菌豐度也會(huì)增加，對種子萌發(fā)產(chǎn)生負(fù)面影響[36]，中酸性土壤有利于種子的儲(chǔ)存和種子庫的持久性。

水分對土壤種子的萌發(fā)起重要作用[37]。對荒漠草原區(qū)的一項(xiàng)研究表明，水分對土壤種子庫的效應(yīng)比溫度、光照、坡度等環(huán)境因子更大[38]。適當(dāng)增加土壤水分對植被生長起促進(jìn)作用，物種多樣性和生產(chǎn)力增加，從而增加種子產(chǎn)量[39]。本研究中，亞高山草地土壤種子庫密度與土壤水分含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。這可能是由于隨著草地退化程度的加劇，草地植被蓋度降低，增大土壤裸露面積，從而導(dǎo)致地表蒸發(fā)量較大，淺層土壤水分含量降低[40]，土壤種子庫密度降低。土壤水分過高會(huì)導(dǎo)致土壤中氧氣含量降低，種子的萌發(fā)同時(shí)受到水分和含氧量限制，使得種子腐爛，影響種子庫大小[41]。

3.3 土壤種子庫與地上植被的相似性

土壤種子庫與地上植被的關(guān)系因植被類型、演替階段、環(huán)境條件、受干擾程度等的不同，存在較大的差異。有研究表明，森林[10]、草地[42]、黃土丘陵退耕地[9]土壤種子庫與現(xiàn)存植被的組成相似性都不大，而在草地沙化過程中和草地圍封恢復(fù)過程中，種子庫與地上植被具有較高的相似性[43]。不同演替階段的植物群落中，土壤種子庫與地上植被還表現(xiàn)出一定的動(dòng)態(tài)關(guān)系[44]。本研究中，人類活動(dòng)對亞高山草地生態(tài)系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，植被和土壤環(huán)境因子發(fā)生了顯著的變化，土壤種子庫與地上植被的關(guān)系較為復(fù)雜。除極度退化草地以外，其他3種退化程度草地的土壤種子庫與地上植被物種組成差異顯著。在較大頻率的干擾下，地上植被與土壤種子庫組成的相似性較高[45]。干擾較輕的草地中，多年生草本占優(yōu)勢[46]，其種子在土壤中持久性較小[47]，對土壤種子庫的形成貢獻(xiàn)較小。如Chambers等人[48]發(fā)現(xiàn)在多年生禾草占優(yōu)勢的草地上，優(yōu)勢草本物種對土壤種子庫豐富度的貢獻(xiàn)非常小，地上植被和土壤種子庫的物種差異較大。此外，本研究發(fā)現(xiàn)不同退化程度的草地，土壤種子庫之間的相似性要高于地上植被之間的相似性，表明干擾導(dǎo)致的土地退化對地上植被的影響要大于對種子庫的影響，種子庫對草地的退化可以起到一定的緩沖作用[28]。

4 結(jié)論

土壤種子庫對植被的恢復(fù)發(fā)揮重要的作用，草地退化對土壤種子庫產(chǎn)生影響。亞高山草地土壤種子庫主要分布于0～5 cm的表層土壤中。隨著退化程度的加重，亞高山草地多年生植物的比例呈降低趨勢，物種多度和豐富度顯著減少，影響種子庫的密度和多樣性。干擾強(qiáng)度較大時(shí)，土壤種子庫受到嚴(yán)重破壞，植物多樣性顯著降低，地上植被與地下種子庫的相似性較大；干擾強(qiáng)度較弱時(shí)，草地地上植物群落與土壤種子庫的物種組成差異顯著。土壤pH和土壤水分是亞高山草地土壤種子庫密度和多樣性的主要影響因素。亞高山草地受到破壞后，水土流失加劇了土壤種子庫減少趨勢，加之土壤營養(yǎng)缺乏，堿性增強(qiáng)，不利于種子萌發(fā)，導(dǎo)致草地自然更新極為困難。