土壤種子庫在植被恢復中的應用研究

作者簡介：徐佳玉（1988—），女,江蘇江都人,主要從事用材林培育理論與技術方面的研究工作廣西大學林學院在讀碩士研究生。中圖分類號：Q948文獻標識碼：B文章編號：16749944(2014)05006603

1引言

我國在建國以來為了大幅度提高生產力,以破壞生態環境為代價換來了經濟的發展,造成大面積的生態自然林毀滅。北方沙塵肆虐,湖泊水位下降,沙漠化不斷嚴重等現象敲起了生態環境惡化警鐘。我國漸漸意識到了保護環境這個問題的重要性,搶救性的建立了部分自然保護區以保護天然林、湖泊、草原及其生態系統。對于已經破壞了的原始林、次生林等實施大力恢復,建立了三北防護林,實行了退耕環林、退牧還草、封山育林等政策,并提出了大力建設生態文明,構建和諧社會的目標。

因此,對于已退化、衰減的生態系統,進行植被恢復是極其迫切和必要的。植被恢復有3種主要途徑:一是自然恢復,利用土壤種子庫和自然演替;二是人工恢復如人工干預,造林等;三是依靠其他微生物及動物的作用。3種方法各有利弊,例如利用人工造林的方式雖可以快速的進行植被恢復,但是往往需要很長的時間才能郁閉,而且極易造成森林生物多樣性差,為病蟲害的爆發提供了條件,且在一些特殊地帶進行人工造林投入大反而見效慢［1］。因此,縱觀這3種方式,對于天然植被的恢復,以自然恢復效果最好,該方法恢復的生態系統穩定,投入少產出多［2］。土壤種子庫作為一種自然恢復的途徑,對植被恢復有著極其重要的作用［3］。

2土壤種子庫

土壤種子庫是指存在于土壤上層凋落物和土壤中的全部活種子［4］。土壤種子庫的種子來源于地上植物,地上植物的更新都依靠于種子,所以說土壤種子庫對地上植物的影響很大,既有直接影響,也有間接影響［5,6］。近20年來,土壤種子庫的研究已經有了初步的理論框架,也積累了大量數據。土壤種子庫在恢復生態工程中發展迅速,在重建、半重建的恢復工程中應用廣泛,濕地、路礦工程等越來越多強調土壤種子庫巨大作用［7］。

2.1土壤種子庫的特征

2.1.1分類

根據種子在土壤中留存時間,Thompson等將種子庫分為兩大類四小類。一是短暫土壤種子庫,分為類型Ⅰ和類型Ⅱ;二是持久性土壤種子庫,分為類型Ⅲ和類型Ⅳ［8］。還有Nakagoshi［9］、Hodgson［10］等人根據其理念提出了理念相似,具體分類不同的分類方法。除此之外,還可按照土壤中種子活性長短,還可將土壤種子庫劃分為暫時性種子庫、短期種子庫和長期種子庫三類［11］。不論哪種分類方法,研究結果都表明,持久種子庫或長期種子庫,都具有更強的更新和恢復植被的能力［12］。

2.1.2大小

土壤種子庫大小是指單位面積土壤中有活力的種子的數量,也稱種子密度［13］。種子庫的大小受多方面因素的影響,如種子的大小、不同植被類型、演替階段、地形等。以不同生態系統來比較,如在草原生態系統中,禾本科植物的種子小且數量多,其土壤種子庫密度相對較大［14］,而森林土壤種子庫密度則相對較小,小于耕地和草地,并受森林類型和年齡的影響變化很大［15］;以不同演替階段的生態系統來比較,演替早期的土壤種子庫相對較大［16］,而隨著時間的發展,土壤種子庫的種子密度差別會很大。

2.1.3結構

土壤種子庫結構隨著時間和空間的變化而規律的變化,特別是物種組成和數量具有季節動態,年際變化和地帶變化。種子庫的水平分布主要有3種類型:隨機分布、均勻分布、集群分布［17］。由于受到空間異質性的影響,種子庫內種子大部分以斑塊的形式分布［18］。土壤種子庫還具有明顯的垂直結構,且種子密度與種子多樣性均隨著深度的增加而減少［3］,即上層密度>中層密度>下層密度。例如大多數木本植物種子都集中在枯枝落葉層［17］。對于不同的植物,其種子在土壤中的深度也不同,一般10cm土層以下基本不存在種子,有的植物甚至在5cm土層下就無分布了［19］。

2.2影響土壤種子庫因素

2.2.1自然因素

土壤種子庫不是一成不變的,而是各種影響因素綜合作用使得土壤種子庫處于一個不斷的動態變化的過程中,這個動態變化即是指種子輸入與輸出相互作用的過程。其中種子的輸入主要來源于種子雨,輸出則是指種子的萌發、死亡或被捕食。土壤種子庫的組成和大小隨時間呈現有規律的變化,種子的輸入、輸出及留存等制約著土壤種子庫的動態規律［20］。

土壤種子庫的動態受諸多因素的影響,而這些影響都是緩慢的。一方面與植物所處生境等外因密切相關,如光照、溫度、水分、土壤等條件的不同,直接影響著種子庫能否順利萌發,萌發后成苗質量如何,甚至土壤中有機質對于植被演替起直接作用［21］。另一方面,種子自身的質量、大小、形狀、種子傳播距離、植物定居成功率和繁殖能力等內因都影響種子庫恢復植被功能的發揮［22］。

2.2.2外部干擾對土壤種子庫的影響

干擾與植物種群的動態密切相關［23］。當環境產生劇烈變化時,如洪水、森林大火等自然變化,或是耕作、砍伐等人為干擾,生境的異質性增大,促使土壤中休眠狀態的種子萌發,產生新的植株,從而改變地面植被種群構成和組成結構［17］。植物在受到環境脅迫時,首先會從改變自身內環境,從而改變生活機制以適應新的環境,這些改變均會影響其土壤種子庫的組成、數量以及分布格局,進而可以影響植被的恢復［24］。因此,土壤中存在的大規模的土壤種子庫提供了經歷劇烈干擾的森林植被可以的快速恢復的可能性［25］。

外部干擾作為一種特殊的影響,對于擬定相關植被恢復的策略和采取的方式來說具有指導性作用。以土壤種子庫自然恢復為主,以人工適當干預和管理為輔,可以最大限度的發揮土壤種子庫的作用并能彌補其不足。研究表明,適度的干擾可以增加生物多樣性,有助于植被的恢復,而過度的干擾會阻礙植被的恢復［26］。Augusto等認為從人工針葉林地恢復到原始的森林植被時,只有部分能夠恢復至原來水平,大概會有至少15%的植被丟失［27］。同時,土壤種子庫的潛力雖然很大,但不能無視恢復地點、生境的具體情況和復雜程度,一概利用土壤種子庫進行植被的自然恢復［12］。對于因為各種影響因子如人為干擾嚴重、立地條件差等不適合種子萌發和幼苗生長的地區,結合人工工程,多手段的,多方面的綜合治理實施,才能逐步實現原有植被的恢復［28］,這些手段如人為提供繁殖體或是營造適宜微生境,可以在很大程度上提高退化植被的恢復速度［27］。

3結語

目前,有關利用土壤種子庫來進行植被恢復還存在很多問題值得我們仔細研究和思考。首先,土壤種子庫的研究方法尚無一個國際上統一的標準,如土壤種子庫采集土壤范圍,深度,種子萌發測定等,這樣使得研究出來的眾多結果無對比性,不能有效的整合為土壤種子庫研究體系的內容。除此之外,采樣時間不一、研究持續時間短,也很有可能得出片面的,甚至是不正確的結論。建議建立標準樣地、固定樣地,以增長觀測時間。其次,謹慎使用外來物種,謹防生物入侵。生態系統內部的復雜性是人工措施遠遠不能預料的。如我國引進的互花米草、水葫蘆等物種,看似能夠恢復當地植被,實際上該物種適應了當地環境后,迅速的侵占原有物種的生存空間,形成生物入侵,對當地的生態環境和經濟發展都產生了巨大的影響［29］。最后,利用土壤種子庫進行植被恢復不是萬能藥［30］,由于現有的研究和知識水平的限制,僅憑理論就想當然的進行實施,實際上在實施階段很有可能出現預料之外的結果。所以我們應該保護先行,將原始的自然生態系統保護起來,適度利用,使人與自然和諧相處,而非本末倒置,破壞后再集中研究如何恢復的問題。

參考文獻：

［1］ 史鴻飛,田昆,張勁峰,等.土壤種子庫及其在退化林地植被恢復中的應用［J］.林業調查規劃,2006,31(1).

［2］ 高鵬,楊加利.我國植被恢復中的幾個誤區及應用生態學原理的植被恢復方法探究［J］.內蒙古環境科學,2007.3,19(1).

［3］ 劉旭,程瑞梅,肖文發.土壤種子庫研究進展［J］.世界林業研究,2008,21(1).

［4］ Sinpson RL.Ecology of soil seed bank［M］.San Diego:Academic Press,1989:149~209.

［5］ Hyatt L A,casper B B.Seed bank formation during early secondary succession in a temperate deciduous forest［J］.Joumal of Ecology,2000,88:516~527.

［6］ Bekker R M,Verweij G L,Bakker J P,et al.Soil seed bank dmamics in hayfield succession［J］.Ecology,2000,88:594~607.

［7］ 尚占環,徐鵬彬,任國華,等.土壤種子庫研究綜述——植被系統中的作用及功能［J］.草業學報,2009,18(2).

［8］ Thompson K,Band SR,Hodgsan JG.Seed size and shape predict persistence in the soil［J］.Funk.Ecol,1993(7):236~241.

［9］ Nakagoshi N.Buried Viable seed in temperate forests［J］.The population structure of vegetation,1985(11):551~570.

［10］ Hodgson JG,Grime JP,Thompson K.The electronic comparative plant ecology［M］.London:Chaoman&Hall,1955.

［11］ Blanckenhagen B V,Poschlod P.Restoration of calcareous grassland:the role of the soil seed bank and seed dispersal for recolonisation processes［J］.Biotechnol Agron Soc Environ,2005,9(2):143~149.

［12］ 馮秀,仝川,丁勇,等.土壤種子庫在植被恢復與重建中的作用與潛力［J］.內蒙古大學學報:自然科學版,2007,38(1).

［13］ 張志權.土壤種子庫［J］.生態學雜志,1996,15(6):36~42.

［14］ 趙文智.科爾沁沙地圍封草地種子庫特征［J］.中國沙漠,2001,21(2).

［15］ 楊躍軍,孫向陽,王保平,等.森林土壤種子庫的天然更新［J］應用生態學報,2001,12(2):304~308.

［16］ Onaindia M,Amezaga I.Seasonal variation in the seed banks of native woodland and coniferous planations in Northern Spain［J］.Forest Ecology and Management,2000(123):163~172.

［17］ 李有志,張燦明,林鵬.土壤種子庫評述［J］.草業科學,2009,26(3).

［18］ Araki S,Shiozawa S,Washitani I.An experimental device for studying seed responses to naturally fluctating temperature of surface soil under a constant water table［J］.