黃土高原亞高山草地退化對土壤種子庫的影響

牛瑞芳，吳鐵航，柴寶峰*

(1.山西大學黃土高原研究所，山西亞高山草地生態(tài)系統(tǒng)教育部野外科學觀測研究站，山西 太原 030006；2.南喬治亞大學生物系，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過程中，對維持植物物種多樣性具有重要作用[1]，它會影響生態(tài)系統(tǒng)的恢復力和抗逆性[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)恢復的程度發(fā)揮重要作用[4]。因此，土壤種子庫被認為是植物群落的一部分，其大小、動態(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，種子庫在植被恢復中潛力不大[9]。甚至有研究認為，土壤種子庫與地上植被在種類上并沒有必然的聯(lián)系。一項在加納的森林土壤種子庫的研究中發(fā)現(xiàn)，6個種子庫中的4個與地上植被僅有5%左右的種類相同，其他2個則完全不同[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]。植被恢復成為黃土高原生態(tài)保護的主要任務，作為京津冀生態(tài)屏障，人工植被建設發(fā)揮了重要的作用。近年來，植被的自然恢復備受重視，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過程中被廣為采用。但在很多地方的恢復效果并不理想，尤其是破壞嚴重的區(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。長期的放牧活動導致草地出現(xiàn)了不同程度的退化。

1.2 樣地設置

在研究區(qū)共設置20個樣地。根據(jù)試驗區(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，隨機選取5個距離至少50 m的樣方進行土壤種子庫和地上植被調(diào)查取樣，這5個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，因此每個樣方都是一個獨立的重復。

表1 亞高山草地不同程度退化指標及分類標準

1.3 土壤種子庫取樣和分析

土壤種子庫取樣時間為2019年4月上旬。在設置的每個樣方中隨機選取5個取樣單位，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。因此每個樣方為5個取樣單位，2個土層深度，共計10個土樣；每個退化梯度下為5×10=50個土樣；4個退化梯度共計50×4=200個土樣。

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。試驗之前將樣品中的雜質(zhì)(植物細根、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滅菌細河沙墊底的塑料花盆上，并放置裝有滅菌細沙的對照托盤，測定空中可能吹來的種子數(shù)目。保持土壤適當濕潤，待到幼苗可以被識別時，進行鑒定與記錄并移除。定期翻動土樣，促進種子庫中種子萌發(fā)[22]。試驗持續(xù)4個月，連續(xù)4周內(nèi)沒有新的種子萌發(fā)，結(jié)束試驗。樣地土壤種子庫的種子密度的計算方法：將萌發(fā)試驗的統(tǒng)計結(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個樣方。依據(jù)《中國植被》的植物生活型分類標準，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)計算相似矩陣。種子庫中的每一個物種的相對豐度是每個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樣方中某物種的個體數(shù)除以該樣方中所有物種的總個體數(shù)。利用PERMANOVA(permutational multivariate analysis of variance)分析來統(tǒng)計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個月的萌發(fā)試驗，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?！-2與2 868.64粒·m-2，而重度及極度退化樣地中最低，分別為1 192.89粒·m-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，與土壤緊實度、電導率無顯著相關(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)，解釋率達到84.24%?；谏鲜鼋Y(jié)果，運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個退化梯度顯著分開(圖5B)，同時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，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]。高強度放牧直接影響地上植被，進而對土壤種子庫產(chǎn)生影響。家畜采食導致植物葉面積減少，結(jié)實率下降，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，對土壤種子庫貢獻減少[26]。在草地退化嚴重的地段，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，補充土壤種子庫，有利于草地的恢復和更新[27]。但也有研究發(fā)現(xiàn)由于強烈的干擾作用，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]等人也認為放牧會使種子深埋，使其難以萌發(fā)，一定程度上擴大了種子庫。這些不同現(xiàn)象可能是因為各研究群落物種組成、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直接影響有機體生長必需的礦物質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)的有效性，進而影響地上植物的生長和產(chǎn)種量[33]。有研究表明，當pH在6.1～6.5之間時植物養(yǎng)分處于最優(yōu)狀態(tài)，此時地上植物群落豐富度最高，而酸度和堿度增加時群落豐度開始降低，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中，將土壤pH值的增加對種子庫密度的負面影響歸結(jié)為真菌病原體增加[35]。pH較高時細菌豐度也會增加，對種子萌發(fā)產(chǎn)生負面影響[36]，中酸性土壤有利于種子的儲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)的一項研究表明，水分對土壤種子庫的效應比溫度、光照、坡度等環(huán)境因子更大[38]。適當增加土壤水分對植被生長起促進作用，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。土壤水分過高會導致土壤中氧氣含量降低，種子的萌發(fā)同時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)出一定的動態(tài)關(guān)系[44]。本研究中，人類活動對亞高山草地生態(tài)系統(tǒng)造成嚴重影響，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。干擾強度較大時，土壤種子庫受到嚴重破壞，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；干擾強度較弱時，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，不利于種子萌發(fā)，導致草地自然更新極為困難。