洮河上游紫果云杉群落土壤種子庫特征及其與地上植被的關系

李 波，趙 陽，劉 婷，陳學龍，高本強，曹秀文*

(1 甘肅省白龍江林業科學研究所，蘭州 730070；2 甘肅白龍江森林生態系統國家定位觀測研究站，甘肅舟曲 746300)

土壤種子庫(soil seed bank)是指存在于土壤上層凋落物和土壤中具有活力的全部種子的集合[1]，是植物種群生活史的潛在階段[2]。土壤種子庫為種群甚至群落的更新、演替及退化生態系統的恢復提供繁殖體[3]，是物種定居、生存、繁衍、發展及擴散的物質基礎[4, 5]，同時在維持種群和群落生態多樣性及遺傳多樣性方面具有重要意義，是研究種群生態學及恢復生態學的重要內容[6]。目前，中國已對巨柏(Cupressusgigantea)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、紅錐(Castanopsishystrix)、祁連圓柏(Sabinaprzewalskii)、高山松(Pinusdensata)、油松(Pinustabuliformis)等森林的土壤種子庫進行了大量研究[7-12]，而以上的研究大多集中于對群落內建群種的種子庫特征進行分析，而對群落內全部物種的種子庫研究的較少。事實上，土壤種子庫是群落內所有物種種子的儲存庫，當群落受外力破壞后，土壤種子庫中的活力種子在適宜條件下萌發生長，競爭演替為新的群落，土壤種子庫中所有種子均參與了新群落的演替過程。因此研究群落內全部物種的種子庫特征對植物群落的天然更新、退化生態系統的恢復、植物群落的演替等具有有重要的意義。

洮河是黃河上游最大的一級支流，區內森林生態系統對涵養黃河源頭水源、維持黃河上游生態平衡、遏制生態退化等方面具有重要的屏障作用[13]。洮河林區森林生態系統每年的總生態服務價值為217億元，為促進當地社會經濟發展以及環境保護發揮著重要作用[14]。因此，加強對該區森林生態系統的研究，對保護當地森林資源、維持黃河水量、維系黃河生態安全具有十分重大的意義。

紫果云杉(Piceapurpurea)是中國特有樹種，喜陰濕、耐寒。源于麗江云杉(P.likiangensis)和青扦(P.wilsonii)的自然同倍體雜交，占據了青藏高原東北部高海拔的極端生境[15]，是黃河上游地區主要的建群樹種，在涵養水源、防止水土流失、保育生物多樣性方面發揮著無可替代的作用[16]。早期大規模的林業生產活動造成原生紫果云杉林的大面積退化，甘肅省現殘存種群在大夏河流域、洮河流域等黃河上游區呈碎片分布，種群更新不暢、森林面積擴大有限，嚴重制約著其生態功能的發揮。為揭示紫果云杉群落植被自然更新能力及恢復潛力，探索紫果云杉群落衰退的原因，以洮河上游紫果云杉群落為研究對象，調查群落土壤種子庫特征及與地上植被的關系，以期揭示紫果云杉群落土壤種子庫的特征，分析與地上植被的關系，為探索紫果云杉群落自然恢復能力以及制定合理的恢復方式提供依據。

1 研究區概況與研究方法

1.1 研究區概況

研究區位于洮河上游，地處青藏高原、黃土高原和甘肅南部山區交匯區域，介于E102°09′～103°51′，N34°10′～35°09′之間。氣候屬于青藏高原濕潤區和高原大陸性季風過渡區，冬季漫長，夏季溫涼。區域內降水豐富，年降水量634～680 mm，日照強烈，年日照時長2 277～2 365 h，常年氣溫較低，年平均氣溫2.3～5.8 ℃。區內山勢陡峭，海拔1 000～4 300 m。土壤為暗黑色草甸土、沼澤土、泥炭土和棕、褐色森林土。森林植被以云杉(Piceaasperata)、冷杉(Abiesfabri)、油松、落葉松(Larixgmelinii)等暗針葉林為主，植被垂直地帶性明顯，陰陽坡差異大，具有較豐富的野生動植物資源[13]。

1.2 樣地設置與調查

選擇洮河上游紫果云杉分布相對集中的甘肅洮河國家級自然保護區大峪溝林區(TH)、冶力關國家森林公園林區(YLG)、尕海-則岔國家級自然保護區則岔林區(GZ)為研究區。2020年 5月，對研究區全面勘踏后，采用典型抽樣法，按照海拔高度在每個區域設置3塊20 m × 30 m的標準地，記錄標準地的基本信息(表 1)。對標準地內的喬木進行每木檢尺，記錄樹種、胸徑、高度、郁閉度、冠幅等信息；在每個標準地的一條對角線的起點和終點處設置2個10 m ×10 m的灌木樣方，記錄灌木的植物名稱、高度、多度、蓋度信息；采取五點法設置5 個 1 m ×1 m草本樣方，記錄草本的植物名稱、高度、多度、蓋度信息；采用樣線法，沿標準地的長邊，每隔10 m設置一條樣線，每條樣線每隔5 m設置一個種子庫取樣點，為使樣點的種子庫能夠代表標準地的種子庫特征，與標準地重合的邊不取樣(圖1)。用直徑7 cm的土鉆分枯落物層、0～2 cm、2～5 cm、5～10 cm層對土壤種子庫進行取樣，每個樣點取樣3次，分層混合后標記裝入自封袋內，帶回實驗室陰干備用。共采集土壤種子庫樣品216份[3(林區)×3(海拔)×6(樣品)×4(層)]。

圖1 樣方及土壤種子庫布設示意圖Fig.1 Diagram of quadrat and soil seed bank layout

1.3 實驗室萌發

采用種子萌發法確定土壤種子庫的物種組成及密度。將野外采集的216份樣品分別通過5 mm的土壤篩，除去大的石塊、枯落物及根系，然后將每份土樣壓碎后置于底部鋪有2 cm無種子粗砂的花盆中(直徑30 cm，高15 cm)，將粗砂置于恒溫160 ℃烘箱內烘4 h后得到無種子粗砂。另外用10個無種子粗砂的花盆作為對照來檢測粗砂中是否有未消除的種子。發芽實驗開始于2020年6月初，將花盆置于甘肅白龍江森林生態系統國家定位觀測研究站的溫室內。每天噴水保持花盆內的土壤濕潤。定期觀測種子萌發情況，對已萌發可鑒定的幼苗計數后清除，暫時不能鑒定的幼苗標記后移栽至空花盆內，直至幼苗長到能鑒定為止。連續2周內無種子萌發時翻動土壤，繼續觀察，直至花盆內連續1月無種子萌發后結束萌發實驗。實驗結束后在對照花盆中無種子萌發，證明粗砂中不含種子。

1.4 數據計算

根據花盆中統計到的物種數來計算土壤種子庫中物種密度、多樣性指數、相似性系數[17]。

1.4.1 土壤種子庫密度：單位面積土壤中所萌發的種子數量(粒/m2)。

1.4.2 地上植被、土壤種子庫多樣性指數計算公式：

(1)

(2)

(3)

Pielou均勻度指數(E)：J=H/lnS

(4)

表1 標準地基本信息

式中，S和N分別為各林區地上、土壤種子庫中的所有物種豐富度和密度，Pi為種i的密度占全部種密度總和的百分比。

1.4.3 土壤種子庫與地上植被相似性根據Jaccard 相似性原理計算土壤種子庫與地上植被相似性

(5)

式中：SC為相似性系數；a和b分別代表土壤種子庫和地上植被的物種豐富度，c代表地上植被和土壤種子庫共有物種數。當0

1.5 數據處理與分析

本研究使用 SPSS 19.0進行單因素方差分析(one-way ANOVA)、多重比較(LSD)對數據進行統計分析，用Origin軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 土壤種子庫基本特征

2.1.1 物種組成及密度洮河上游不同林區紫果云杉群落土壤種子庫物種組成見表2。土壤種子庫樣品中共萌發幼苗534株，隸屬于27科45屬50種。其中，TH(洮河大峪溝林區)土壤種子庫萌發植物34種，屬于22科32屬；YLG(冶力關林區)土壤種子庫萌發植物33種，屬于20科30屬；GZ(尕海-則岔林區)土壤種子庫萌發植物35種，屬于22科35屬。3個林區土壤種子庫的共有種有11種，分別為：紫果云杉、紅脈忍冬(Loniceranervosa)、蛛毛蟹甲草(Parasenecioroborowskii)、大花金挖耳(Carpesiummacrocephalum)、大丁草(Gerberaanandria)、三脈紫菀(Asterageratoides)、林豬殃殃(Galiumparadoxum)、雙花堇菜(Violabiflora)、早熟禾(Poaannua)、鹿蹄草(Pyrolacalliantha)和凹頭莧(Amaranthusblitum)。菊科(Asteraceae)植物在3個林區(順序為TH、YLG、GZ，下同)土壤種子庫中萌發種類最多，均為7種，分別占到各林區萌發物種數的20.59%、21.21%、20.00%，其次為薔薇科(Rosaceae)植物，在3個林區各萌發3、4、3種，占到8.82%、12.12%、8.57%。

由表2可知，3個林區土壤種子庫萌發的物種密度各不相同。其中，TH土壤種子庫種子密度為958粒/m2，以禾本科(Poaceae)、菊科植物為主，分別占到種子密度的28.39%、24.22%，而建群種紫果云杉的種子密度僅為6粒/m2，占0.63%；YLG土壤種子庫種子密度為1 129粒/m2，以禾本科、菊科植物為主，分別占到種子密度的28.17%、23.65%，建群種紫果云杉的種子密度也為6粒/m2，僅占0.53%；GZ土壤種子庫種子密度為1 009粒/m2，以菊科、禾本科植物為主，分別占到種子密度的31.02%、22.30%，建群種紫果云杉在土壤種子庫中的種子密度僅為12粒/m2，占1.19%。由此可見，禾本科、菊科植物構成了土壤種子庫的主體。

表2 紫果云杉群落土壤種子庫物種組成及種子密度

續表2 Continued Table 2

2.1.2 物種生活型特征由圖2可知，TH種子庫萌發喬木1種、灌木5種、多年生草本22種、一年生草本6種，其中草本植物占82.35%，木本植物占17.65%；YLG種子庫萌發喬木2種，灌木5種，藤本1種，多年生草本23種，一年生草本2種，其中草本植物占78.79%，木本植物占21.21%；GZ 萌發喬木 2種，灌木3種，多年生草本23種，一年生草本6種，一年或二年生草本1種，其中草本植物占85.71%，木本植物占14.29%。由此可見，3個林區紫果云杉群落土壤種子庫中草本植物均占到78%以上，說明草本植物是構成土壤種子庫的主體。

A.一年生草本；A/B.一年或兩年生草本；P.多年生草本；V.藤本；S.灌木；T.喬木圖2 紫果云杉群落土壤種子庫物種生活型特征A. Annual plants；A/B. Annual or biennial plants；P. Perennials；V. Vines；S. Shrubs；T. TreesFig.2 Species life type characteristics in soil seed bank of P. purpurea communities

2.1.3 土壤種子庫垂直分布特征由圖3可知，不同林區相同土層物種數不同，同一林區不同土層物種數也不同。3個林區土壤種子庫物種數在各土層上均表現為GZ>TH>YLG，且種子庫物種數均在枯落層中最多，5～10 cm處最少，3個林區土壤種子庫均有70%以上的物種集中分布在枯落層中，表現出物種數隨土壤深度的增加而減少的變化趨勢。從圖4可知，紫果云杉群落土壤種子庫的種子密度也具有明顯的垂直分布特征，隨土層深度的增加，種子密度均為：枯落層>0～2 cm(土壤表層，下同)>2～5 cm(土壤亞表層，下同)>5～10 cm(土壤深層，下同)，表現出種子密度隨著土層加深而降低的趨勢，這與物種數的垂直分布特征一致。

圖3 紫果云杉群落土壤種子庫物種數垂直分布特征Fig.3 Species number vertical distribution in soil seed bank of P. purpurea communities

雖然3個林區均表現出土壤種子庫密度隨土層深度變化的規律，但其遞減趨勢有所差異。TH林區：枯落物層和土壤表層種子密度差異不顯著(P>0.05)，與土壤亞表層和土壤深層種子密度差異均顯著(P<0.05)；土壤表層、土壤亞表層和土壤深層種子密度差異均不顯著(P>0.05)。YLG林區：枯落層和土壤表層種子密度差異不顯著(P>0.05)，與土壤亞表層和土壤深層種子密度差異均顯著(P<0.05)；土壤表層和土壤亞表層種子密度差異不顯著(P>0.05)，和土壤深層種子密度差異顯著(P<0.05)；土壤亞表層和土壤深層種子密度差異顯著(P<0.05)。GZ林區：枯落層和土壤表層、土壤亞表層之間種子密度差異均不顯著(P>0.05)，與土壤深層種子密度差異均顯著(P<0.05)；土壤表層和土壤深層種子密度差異顯著(P<0.05)；土壤亞表層和土壤深層種子密度差異不顯著(P>0.05)。總體而言，3個林區均表現為土層深度差異越大，種子庫密度差異越大的特征。

圖中不同字母表示同一林區土層間差異顯著(P<0.05)圖4 紫果云杉群落土壤種子庫種子密度垂直分布特征Different normal letters indicate significant differences among soil layers in the same forest regionsFig.4 Seed density vertical distribution in soil seed bank of P. purpurea communities

2.2 土壤種子庫與地上植被的關系

2.2.1 土壤種子庫與地上植被相似性分析3個林區紫果云杉群落地上植被與土壤種子庫之間的相似性(圖5)，發現3個林區地上植被豐富度均遠大于土壤種子庫豐富度，相似性系數大小為：YLG>TH>GZ，相似系數整體較低，均表現為極不相似。其中，TH土壤種子庫物種數34種，地上植物物種數85種，共有物種數17種，相似系數0.17；YLG土壤種子庫物種數33種，地上植物物種數81種，共有物種數21種，相似系數0.23；GZ土壤種子庫物種數35種，地上植物88種，共有物種數16種，相似系數0.15。

表3 紫果云杉群落地上植被與土壤種子庫多樣性特征

Sc.相似性系數圖5 紫果云杉群落土壤種子庫與地上植被物種相似性Sc. Similarity coefficientFig.5 Similarity between species in soil seed bank and aboveground vegetation of P. purpurea communities

2.2.2 土壤種子庫物種多樣性與地上植物多樣性方差分析顯示(表3)，土壤種子庫和地上植被的Margalef豐富度指數(R)、Shannon-Wiener多樣性指數(H)、Simpson多樣性指數(D)、Pielou均勻度指數(E)在3個林區內差異均不顯著(P>0.05)。3個林區地上植被多樣性與土壤種子庫多樣性相比發現，R和H值均表現為土壤種子庫低于地上植被，但TH林區差異顯著(P<0.05)，YLG和GZ差異性不顯著(P>0.05)；D值相差不大，差異性均不顯著(P>0.05)；E值均表現為土壤種子庫高于地上植被，但差異性不顯著(P>0.05)。總體而言，洮河上游3個林區的土壤種子庫之間及地上植被間的多樣性指數差別不大，但同一林區土壤種子庫的R和H值要低于地上植被，D值相差不大，E值高于地上植被，說明地上植被的物種數豐富度、多樣性高于土壤種子庫，而土壤種子庫比地上植被的均勻性要高。

3 討論和結論

3.1 土壤種子庫特征

土壤中種子種類組成及種子密度是植被自然恢復的物質基礎，也是判斷植被恢復能力大小的依據[19]。本研究得出，洮河上游紫果云杉群落土壤種子庫共萌發50種植物，菊科植物占比最大。蛛毛蟹甲草、大花金挖耳、大丁草、三脈紫菀、紅脈忍冬、林豬殃殃、紫果云杉、雙花堇菜、早熟禾、鹿蹄草、凹頭莧在3個林區土壤種子庫中均有出現，為紫果云杉群落的廣布種。紫果云杉土壤種子庫密度在 958～1 129粒/m2之間，基本符合Harper[20]、Stivertown[21]統計的森林土壤種子庫種子密度在100～1 000粒·m-2的研究結果。3個林區土壤種子庫中禾本科、薔薇科、菊科植物的種子密度均占優勢，可能因為其具有優勢的繁殖策略。此外建群種紫果云杉的種子儲量較低，平均僅為8粒/m2。究其原因，一是紫果云杉種子在土壤中形成瞬時土壤種子庫，種子壽命較短[22]；二是紫果云杉結實有年份豐欠變化，近五年紫果云杉的結果量較少，可能也是導致其儲量較低的原因；三是紫果云杉的種子富含豐富的淀粉、油脂，種子散播后易被動物取食，僅有少部分種子能進入土壤種子庫；四是紫果云杉生長于高海拔地區，且紫果云杉林郁閉度較高，打破種子休眠萌發需要長時間的低溫環境[23]。但具體是何種原因導致土壤種子庫中紫果云杉種子密度較少，還需進一步深入研究。

植物生活型是植物長期適應生境在外貌上表現的生長類型[24]，是土壤種子庫的特征之一[25]。眾多研究表明，多數森林土壤種子庫中草本植物的種類及數量較多[5]。本研究得出，洮河上游紫果云杉群落土壤種子庫無論是在數量還是在種類上均以草本植物為主，灌木和喬木的分布量較少，說明草本植物是構成洮河上游紫果云杉群落土壤種子庫的主體。分析原因，土壤種子庫物種組成依賴于種子庫的輸入以及種子生活力的持久性[26]。一方面紫果云杉群落中草本植物的豐富度、多度高于木本植物，從而生產大量的種子輸入到種子庫種；另一方面，草本植物利用的資源較少，一般比木本植物矮小，產生的種子相對偏小且近球形[27]，更易進入土壤[28]，且能在土壤中保持長時間的活力[29]。因此，種子輸入和持久性角度均能解釋土壤種子庫中草本植物種子占比例高的原因。另外，野生喬、灌木種子在自然條件下存在難萌發的現象[30]，也是導致土壤種子庫喬、灌幼苗數量少的原因。

種子在土壤中的垂直分布有一定的規律性[31]，一般情況下，物種數及密度均自上而下呈遞減趨勢[12,32]，本研究結果也得出相同的結論。紫果云杉群落枯落層較厚(平均3.5 cm左右)，會保留較多的種子，隨后種子通過自身重力、干擾及雨水沖刷的影響，逐漸向下層土壤轉移，轉移過程中受土壤阻力、動物攝食、霉變、萌發等影響，進入土壤深層的種子逐漸減少，導致土壤種子庫物種數及密度自上而下逐漸降低。此外，統計發現紫果云杉均在土壤表層萌發，可能是由于枯落層中的紫果云杉種子易受鼠類、蟲蟻的危害，且其種子較大，靠自身重力下滲的深度有限，同時土壤表層具有較大的濕度，長期的濕潤環境會軟化種皮，并保證幼苗萌發后對水分和養分的需求，因此土壤表層的紫果云杉萌發數量最多。

3.2 土壤種子庫與地上植被的關系

研究土壤種子庫與地上植被的相似性可為揭示控制群落組成機制、群落對外界的響應、生物多樣性恢復以及群落演替提供依據[33]。土壤種子庫和地上植被是相輔相成的關系，土壤種子庫萌發后參與地上植物的演替和更新，而地上植物結實量直接影響土壤種子庫的大小，其共有物種既能反映兩者的演替更新能力，又能揭示當前兩者的相互貢獻力[34]。本研究中3個林區紫果云杉群落土壤種子庫與地上植被相似系數在0.15～0.23之間，相似程度較低，這與前人研究森林土壤種子庫與地上植被的相似性較低的結果一致[35-37]。地上植被與土壤種子庫物種組成間的差異，可能和不同物種的種子特性有關[38]，如種子產量、在土壤中的活力時間及萌發條件等，也可能和物種所處生境以及物種生物學特征有關。本研究對象紫果云杉樹體高大，森林郁閉度高，林內遮光嚴重，部分植物因光照不足，不能正常完成生活史，加之種子特性、干擾等外部環境因素的影響，使土壤種子庫的豐富度遠小于地上植被，導致土壤種子庫與地上植被的相似性較低。紫果云杉群落相似性系數較低，也說明地上植被和土壤種子庫之間相互的貢獻力較低。

研究土壤種子庫物種多樣性特征能更好地認識群落的發展和變化[39]，本研究3個林區紫果云杉群落土壤種子庫、地上植被的物種豐富度指數、多樣性指數以及均勻度指數差異不大，說明紫果云杉群落土壤種子庫及地上植被的物種數目分布較一致，群落相對穩定。對比分析土壤種子庫與地上植被多樣性得出，地上植被物種的豐富度大，從而提高了土壤種子庫物種的多樣性性指數，但灌草層中單一優勢種的出現降低了其均勻度指數，說明紫果云杉群落地上植被的多樣性高于土壤種子庫，這與秦巖松[40]的研究結果一致。

3.3 關于紫果云杉群落恢復的建議

本研究結果表明，3個林區紫果云杉群落土壤種子庫儲量較大，草本植物種子達到78%以上，喬木和灌木的儲量少，特別是建群種紫果云杉的平均儲量僅為8粒/m2，加之地上植被與土壤種子庫物種的相似性低，地上植被豐富度、多樣性高于土壤種子庫。顯然土壤種子庫僅能維系紫果云杉群落內部分植被的恢復與更新，僅為紫果云杉群落恢復的種源之一，如果僅僅依靠紫果云杉群落土壤種子庫對群落植被，特別是紫果云杉種群進行自然恢復，遠不能緩解因早期大規模的林業生產活動造成現有紫果云杉林群落大面積退化的問題。因此，需人為參與收集高質量的紫果云杉種子、人力補播種源、并開展人工育苗、造林等措施，促進紫果云杉的更新與發展。同時，應對現有紫果云杉群落進行封山育林保護措施，使其生存空間保持自然狀態，避免人為原因造成的不可逆的破壞。