黃河下游流域土壤種子庫生物多樣性研究

摘 要:利用種子萌發(fā)試驗對濟南、魚臺、壽光三地的土壤種子庫進行了研究。結(jié)果顯示，濟南、魚臺、壽光三地的土壤種子庫密度分別為1 317.8±728.5粒/m2、1 043.4±289.4粒/m2、483.4±129.5粒/m2;種子庫組成以矮小、生活史短的禾本科、菊科、十字花科和莧科的一年生雜草為主;共發(fā)現(xiàn)一年生草本植物31種，多年生草本植物9種，半灌木2種，分別占總種數(shù)的73.8%、21.4%和4.8%。三地的土壤種子庫相似性較低，濟南-魚臺、濟南-壽光、魚臺-壽光的相似性系數(shù)分別為0.174、0.100、0.150。濟南土壤種子庫Margalef豐富度指數(shù)、辛普森多樣性指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)和Pielou均勻性系數(shù)分別為2.695、0.553、1.22、0.42;魚臺為4.115、0.711、1.96、0.59;壽光為1.966、0.796、1.80、0.72。

關(guān)鍵詞:黃河下游流域;土壤種子庫;生物多樣性

中圖分類號:S154.4(252)文獻標識號:A文章編號:1001-4942(2010)02-0059-05

土壤種子庫是指土壤表層和土壤中全部有活力的種子的總和。植物的種子庫時期是其種群生活史的潛種群階段[1]。在國外，土壤種子庫的系統(tǒng)研究開展較早，80年代，Robert(1981)[2]和Leck(1989)[3]就已經(jīng)對種子庫的研究進行了系統(tǒng)的總結(jié)和概括。研究土壤種子庫的組成、數(shù)量及分布對群落演替和植被恢復(fù)有重大意義，是生物多樣性研究必不可少的一個方面，具有重要的學(xué)術(shù)和應(yīng)用價值，有助于對農(nóng)田、森林和自然保護區(qū)的管理，是植物生態(tài)學(xué)研究的一個熱點。近年來，土壤種子庫的研究成為國內(nèi)植物生態(tài)學(xué)研究中比較活躍的領(lǐng)域，許多學(xué)者做了系統(tǒng)的整理和討論，發(fā)表了大量的文獻[4~8]。

研究農(nóng)田種子庫的組成、多樣性和動態(tài)對于農(nóng)田管理、預(yù)測雜草問題具有非常重要的意義。目前，國外學(xué)者對雜草種子庫進行的研究較多，主要側(cè)重于研究雜草種子庫的大小和結(jié)構(gòu)特征，以及雜草種子庫在不同除草措施、耕作方式和輪作方式長期作用下的動態(tài)變化，國內(nèi)在這方面的研究則剛剛起步，主要對各類作物田雜草種子庫的大小和結(jié)構(gòu)組成進行調(diào)查[9，10]。

山東省黃河下游流域?qū)儆谂瘻貛Т箨懶约撅L(fēng)氣候區(qū)，四季分明，日照充分，是山東省重要的糧食蔬菜產(chǎn)區(qū)。在該地區(qū)加強種子庫研究，掌握種子庫的特點和動態(tài)變化規(guī)律，是一個迫切和重要的課題。本研究選取濟南、魚臺、壽光作為采樣地點，調(diào)查研究了該地區(qū)土壤種子庫生物多樣性現(xiàn)狀，以期為該地區(qū)農(nóng)田管理和植被恢復(fù)提供基礎(chǔ)性的信息。

1 材料與方法

1.1 取樣

2005年7~9月，在濟南、魚臺和壽光分別選取15、25、20 km的樣帶，每隔1 km布設(shè)一個樣點，在各樣點用5 cm×5 cm(高×直徑)的環(huán)刀取0~5 cm土層的土樣，重復(fù)15次，將同一樣地的土樣混合裝入塑料袋，帶回實驗室。

1.2 萌發(fā)試驗

將取得的土樣風(fēng)干、研磨、過篩，分離較大的種子并去除雜質(zhì)。將土樣均勻地平攤在底部墊有沙土的225 mm×310 mm(高×直徑)花盆內(nèi)。置于溫室中，定時澆水，保持盆土濕潤，待出苗后，進行記錄，一旦鑒定出其種屬，即拔除，直至不再出苗為止。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 土壤種子庫密度 利用Microsoft Excel和SPSS軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，比較濟南、魚臺和壽光三地的土壤種子庫密度。

1.3.2 種子庫中種子生活型 參照《中國植被》(1980)[11] 所采用的生活型系統(tǒng)，將記錄到的植物種分為半灌木、多年生草本植物和一年生草本植物3種類型，分別計算每一類型植物占植物種總數(shù)的百分比。

1.3.3 生物多樣性指數(shù) 利用BIO-DAP軟件計算各種生物多樣性指數(shù)。公式如下:

Margalef豐富度指數(shù) R=(S-1)/lnN;

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤種子庫組成及生活型

本次調(diào)查中，土壤種子庫中共發(fā)現(xiàn)19科36屬42種植物，其中禾本科植物7種，菊科植物7種，十字花科植物6種，莧科4種，共占總數(shù)的57.1%。三地土壤種子庫植物分科特征如表1所示，濟南共發(fā)現(xiàn)18種，以菊科植物最多，占總數(shù)的27.8%;魚臺共發(fā)現(xiàn)28種，其中十字花科6種、禾本科5種，分別占總數(shù)的21.4%和17.9%;壽光共發(fā)現(xiàn)12種，其中禾本科5種，占總數(shù)的41.7%。

本次土壤種子庫調(diào)查中，共發(fā)現(xiàn)一年生草本植物31種，多年生草本植物9種，半灌木2種，分別占總種數(shù)的73.8%、21.4%和4.8%。其中，濟南地區(qū)共發(fā)現(xiàn)一年生草本植物12種，多年生草本植物4種，半灌木2種，分別占總數(shù)的66.7%、22.2%、11.1%;魚臺和壽光土壤種子庫中都未發(fā)現(xiàn)有半灌木;魚臺共發(fā)現(xiàn)一年生草本植物23種，

2.3 土壤種子庫物種多樣性

2.4 種子庫物種的相似性指數(shù)

由生活型來看，濟南、魚臺和壽光的一年生草本植物的比例依次升高，三地的土壤種子庫相似性較低(表4)。僅有牛筋草(Eleusine indica)和狗尾草(Setaria viridis)在三地均有發(fā)現(xiàn)(表2)。

3 結(jié)論與討論

濟南、魚臺和壽光是黃河下游重要的糧食蔬菜產(chǎn)地。魚臺作為優(yōu)質(zhì)稻生產(chǎn)基地，目前稻田面積占全縣種植面積的80%，而壽光以大棚蔬菜生產(chǎn)為主，因而其種子庫組成中含有大量常見農(nóng)田雜草，具有農(nóng)田雜草土壤種子庫的特征，種子顆粒細小，以禾本科、菊科、十字花科和莧科的一年生雜草為主。此次調(diào)查結(jié)果顯示，濟南地區(qū)土壤種子庫中共發(fā)現(xiàn)18種植物，其中菊科5種，禾本科3種，莧科2種，占總數(shù)的55.6%;其余科各1種。魚臺地區(qū)土壤種子庫中共計28種植物，其中十字花科6種，禾本科5種，菊科3種，共占總數(shù)的50%;莧科和唇形科各2種，其余科各1種。壽光地區(qū)土壤種子庫中共計12種植物，其中禾本科5種，十字花科2種，占總數(shù)的58.3%;其余科各1種。

香農(nóng)-威納指數(shù)反映了種的個體出現(xiàn)的紊亂和不確定性。魚臺地處山東省西南部，座落于微山湖西岸，水資源條件優(yōu)越，土壤類型富于變化，砂土、粘質(zhì)砂土、砂質(zhì)粘土、粘土隨距離微山湖的遠近呈梯度分布，其土壤種子庫種類也最為豐富，說明土壤種子庫與土壤類型之間關(guān)系的探討具有一定的價值和意義。

Silvertown J W根據(jù)不同研究者所得到的材料，歸納出各種土壤類型的土壤種子庫的大小，大部分森林土壤中的種子含量在102~103粒/m2，草地土壤為103~106粒/m2，而耕作土為103~105粒/m2[15]。以本次研究來看，三個地區(qū)的種子庫密度整體偏低，可能與采樣季節(jié)在7~9月，并非生長季結(jié)束有一定關(guān)系。

壽光地區(qū)的種子庫密度低于濟南、魚臺，可能與許多樣點在大棚內(nèi)取樣有關(guān)。許多雜草都是r-對策者[10]，雖然受到農(nóng)作物的競爭抑制等因素制約，農(nóng)田雜草的結(jié)實量較正常狀態(tài)有明顯的降低，但雜草每年仍能夠產(chǎn)生足夠多的種子，這是農(nóng)田雜草種子庫輸入的主要來源。土壤種子庫的輸出包括種子的萌發(fā)、休眠、死亡、移出。農(nóng)田雜草主要為一年生雜草，萌發(fā)出苗是主要的輸出途徑。張紅梅等(2002)[16]認為，收獲后及時翻地，深翻和淺翻相結(jié)合，可把雜草控制在危害之前。一般來說，頻繁干擾地帶(包括耕地)中土壤種子庫與地上植被關(guān)系密切，因為耕作活動容易打破種子庫的種子休眠，并能促進種子萌發(fā)和幼苗生長[17]。國內(nèi)外關(guān)于農(nóng)田耕作強度與土壤種子庫關(guān)系的許多研究表明，隨著耕作強度的增加，雜草種子庫密度逐漸降低，輪作越密集，雜草種子庫密度越小[18]。在耕地中，一年生雜草與土壤種子庫的關(guān)系更為密切，這主要是因為一年生雜草群體主要來自土壤種子庫，耕作活動容易打破土壤種子庫的種子休眠，并能促進種子萌發(fā)和幼苗生長[19]。綜上所述，一方面大棚的存在降低了風(fēng)、動物等導(dǎo)致的種子庫輸入幾率，且耕作強度大，農(nóng)作物生長旺盛，抑制了雜草的生長，結(jié)實量相對小，因而種子庫輸入強度低;另一方面，輪作間隙小，適當翻耕，人工干擾強度大，大棚內(nèi)環(huán)境條件適宜，土壤種子庫萌發(fā)出苗較為充分，因而輸出強度大。種子庫輸入減少，輸出增加，造成壽光土壤種子庫密度的下降。至于大棚對于雜草種子庫的具體影響及在農(nóng)田雜草控制和管理方面的應(yīng)用，還需要通過進一步的試驗研究確定。

參 考 文 獻:

[1] Harper J L.Population Biology of Plant[M]. London: Academic Press，1977，256-263.

[2] Leck M A， Parker V T， Simpson R L.Ecology of Soil Seed Banks[M]. London: Academic Press，1989，118-122.

[3] Roberts H A.Seed banks in soils[A]. In: Coaker T H.(ed). Advances in Applied Biology[C]. London: Academic Press，1981，1-55.

[4] 于順利， 蔣高明.土壤種子庫的研究進展及若干研究熱點[J].植物生態(tài)學(xué)報， 2003，27(4):552-560.

[5] 張 玲， 李廣賀， 張 旭.土壤種子庫研究綜述[J].生態(tài)學(xué)雜志，2004，23(2):552-560.

[6] 閆巧玲， 劉志民， 李榮平.持久土壤種子庫研究綜述[J].生態(tài)學(xué)雜志，2005，24(8):948-952.

[7] 白文娟， 焦菊英. 土壤種子庫的研究方法綜述[J].干旱地區(qū)農(nóng)業(yè)研究， 2006，24(6):195-198， 203.

[8] 池芳春， 李生寶， 劉 華，等.干旱區(qū)草地土壤種子庫研究綜述[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2007，35(6):1578-1579， 1599.

[9] 馮遠嬌， 王建武.農(nóng)田雜草種子庫研究綜述[J].土壤與環(huán)境，2001，10(2):158 -160.

[10]魏守輝， 強 勝， 馬 波，等.土壤雜草種子庫與雜草綜合管理[J].土壤，2005，37(2):121-128.

[11]中國植被編輯委員會.中國植被[M].北京:科學(xué)出版社，1980.

[12]孫儒泳，李慶芬，牛翠娟，等.基礎(chǔ)生態(tài)學(xué)[M].北京:高等教育出版社，2002，143-144.

[13]張金屯.植被數(shù)量生態(tài)學(xué)方法[M].北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，1995，58-68.

[14]白文娟，焦菊英.黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地主要自然恢復(fù)植物群落的多樣性分析[J]. 水土保持研究， 2006，13(3):140-146.

[15]張志權(quán).土壤種子庫[J].生態(tài)學(xué)雜志，1996，15(6):36-42.

[16]張紅梅， 白容霖， 張慧麗，等.長春市郊區(qū)旱田土壤雜草種子庫的研究[J]. 吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2002，24(1):42-46.

[17]Fenner M.Seed Ecology[M]. NewYork: Chapmanand Hall，1985.

[18]甘國福，王德卿，徐生海.武威地區(qū)玉米田雜草種子庫調(diào)查簡報[J].植保技術(shù)與推廣，2000，6:28-29.

[19]虎 鋒，李召虎，武菊英.農(nóng)田雜草種子庫及其動態(tài)研究進展[J]. 雜草科學(xué)，2003，4:1-3.