喀斯特不同土壤厚度小生境下土壤種子庫特征

羅杰，陳金藝，郭旭曼，雷穎，劉錦春

西南大學 生命科學學院/三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室/重慶市三峽庫區(qū)植物生態(tài)與資源重點實驗室， 重慶 400715

各種植物種子所采取的散落策略各異， 但無論是重力傳播、 風播、 水傳播， 還是依賴于各種動物傳播， 成熟植物的種子最終都將回到土壤表面或進入土壤內(nèi)部， 為植物群落的演替、 群落遭受干擾和破壞后的恢復補充新個體[1-2]． 可見， 土壤是陸生植物種子最主要的貯藏庫． 而土壤種子庫是指存在于土壤表層凋落物和土壤中全部活性種子的總和， 是植物繁殖體的儲備庫， 在種群天然更新、 群落演替、 植被恢復和生物多樣性的保持等方面均發(fā)揮著關(guān)鍵作用[3-6]． 因此， 土壤種子庫的研究對揭示地表植被的演替規(guī)律[7]、 探索過去植被的痕跡[8]、 預測未來植被的發(fā)展和探討植被恢復的潛力[9]都具有十分重要的意義， 已成為現(xiàn)代生態(tài)學研究的熱點之一[10-11]．

我國西南喀斯特地區(qū)成土緩慢， 水土流失極快， 加上地形陡峭破碎、 剝蝕強烈、 洼地堆積等特點[12]， 形成具有空間分布差異的不同土壤厚度小生境． 研究表明， 喀斯特地區(qū)土壤厚度不僅決定了喀斯特土壤生產(chǎn)力水平及其可持續(xù)能力[13]， 更是喀斯特石漠化治理的重要影響因素[14]． 同時， 因植被的立地條件各異及生物間的競爭、 捕食關(guān)系等， 喀斯特不同土壤厚度小生境對種子的收集和儲存及種子后續(xù)的萌發(fā)都有著不同的影響[15]， 從而也將影響植被的更新和恢復進程． 目前， 大量研究關(guān)注了喀斯特生態(tài)系統(tǒng)中種子庫與群落演替關(guān)系[16]、 土壤種子庫與地上植被的關(guān)系[17]、 不同土地利用類型[18]和人為干擾方式下[19-20]土壤種子庫特征． 然而， 對于異質(zhì)性土壤生境下的種子庫研究鮮有關(guān)注． 另外， 喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化， 植被多以草本、 灌木為主， 生存生長均受到一定限制[21]． 因此， 本研究通過對喀斯特地區(qū)灌草植物占優(yōu)勢的群落進行土壤種子庫調(diào)查， 探究不同土層厚度小生境下土壤種子庫儲量、 分布特征和多樣性， 以期為喀斯特地區(qū)植被恢復重建和可持續(xù)發(fā)展提供理論參考．

1 研究方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)域位于重慶市沙坪壩區(qū)中梁山北段(29°39′-30°03′N， 106°18′-106°56′E)， 為典型的喀斯特山地． 該區(qū)域?qū)賮啛釒Ъ撅L氣候， 平均氣溫16.8～18 ℃， 氣溫較市區(qū)低4～5 ℃； 降雨充沛， 年降水量為1 000～1 300 mm； 海拔稍高于重慶的平均海拔， 為500～700 m． 本實驗樣地的主要植被是次生演替形成的灌木和草本植物， 土壤為黃色石灰土， 土層厚薄不均勻， 石縫眾多．

1.2 土壤小生境調(diào)查

2019年11月18-25日， 在研究區(qū)域內(nèi)隨機選擇3個植被類型一致的樣地， 每個樣地設置3個10 m×10 m的大樣方， 在每個大樣方的對角線(含四角)每隔1 m設置一個面積為50 cm×50 cm的小樣方， 用竹簽在4個角進行固定． 因此每個大樣方共設置15個小樣方(如果遇到石質(zhì)基質(zhì)不能取樣， 則根據(jù)實際情況可向左右偏移)， 共計135個小樣方． 用鋼釬在每個小樣方內(nèi)隨機插入10次， 求平均值作為該樣方的土層厚度， 通過對數(shù)據(jù)進行分析， 將調(diào)查的135個樣方根據(jù)具體土層厚度劃分為淺土層(0～10 cm)， 淺中土層(0～20 cm)、 中深土層(0～30 cm)和深土層(0～40 cm)4個厚度等級．

1.3 土壤種子庫取樣

完成土層厚度的調(diào)查定位后進行土壤種子庫取土， 采集時間選擇在11月底， 也即多數(shù)植物種子成熟后的季節(jié)， 以小樣方的實際土層厚度為標準， 在每個小樣方的中心以12 cm×12 cm×10 cm(長×寬×高)的標準進行取土． 由于土壤環(huán)刀取土量不足， 正方形器具不好取樣， 因此采用小土鏟切出12 cm×12 cm的面積進行深度10 cm分層取樣， 即淺土層(0～10 cm)的小樣方共取土一層， 淺中土層(0～20 cm)的小樣方共取土2層， 中深土層(0～30 cm)的小樣方共取土3層， 深土層(0～40 cm)的小樣方共取土4層． 每取一層土用尺子進行深度測量， 避免不同深度的土層混合． 將所取的小樣方的土樣分層裝袋、 編號并帶回實驗室做萌發(fā)實驗備用．

1.4 種子萌發(fā)實驗

萌發(fā)實驗在西南大學(29°49′N， 106°25′E)生態(tài)園實驗基地內(nèi)進行， 該基地海拔225 m， 屬于亞熱帶季風氣候． 將帶回的供試土樣自然風至微干， 去除殘留在土壤中的植物根系和其他雜質(zhì)等后， 將每份土樣混合均勻． 混勻后的土樣均攤于29 cm×29 cm×5 cm發(fā)芽盤中， 再將發(fā)芽盤置于溫室大棚內(nèi)(利于冬季保溫保水， 保證不受外界種子的干擾)自然萌發(fā)． 萌發(fā)過程中適當補水， 保持土壤濕潤． 種子開始萌發(fā)后， 每日觀察和記錄出苗的種類與數(shù)量， 標記已萌發(fā)的幼苗， 待其長大到能判別種屬時， 記數(shù)(視其為有生命的種子)并將其從發(fā)芽盤上去除． 土壤攪拌后連續(xù)兩周內(nèi)無種子萌發(fā)時， 停止萌發(fā)實驗． 對于只能等到成熟或開花時才能鑒定的植物， 將其移栽到其他容器中進行培養(yǎng)直至鑒定． 種子萌發(fā)實驗于2019年12月21日-2020年7月28日進行．

1.5 數(shù)據(jù)分析

1.5.1 數(shù)據(jù)處理

土壤種子庫密度： 土壤種子庫密度用單位面積土壤內(nèi)所含有的活力種子數(shù)量表示[22]．

種子庫中種子生活型： 參照《中國植被》(1980)中所采用的生活型系統(tǒng)， 將記錄到的植物分為喬木(含小喬木)、 灌木(含小灌木)、 藤本(含草質(zhì)和木質(zhì))、 多年生草本(含半灌木)植物和一年生草本植物5種類型， 分別計算每一類型植物占植物種總數(shù)的百分比[22]．

種子庫物種百分比： 計算種子庫中每一種植物種子數(shù)所占所有物種種子總數(shù)的百分比[23]．

1.5.2 衡量指標

種子庫特征采用Margalef豐富度指數(shù)、 生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)(Simpson優(yōu)勢度指數(shù))、 Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)[24]度量； 各生境不同土層之間種類組成上的相似性采用Sorensen相似性系數(shù)(Similarity Coefficient， SC)公式[25]計算． 各指數(shù)計算方法如下：

(1) Margalef豐富度指數(shù)(DMG)：

式中：DMG為Margalef豐富度指數(shù)；S為群落物種數(shù)；N為所有類群的總個體數(shù)．

(2) Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)：

式中：D為 Simpson優(yōu)勢度指數(shù)；S為群落物種數(shù)；Pi為種i的個體數(shù)占群落中總個體數(shù)的比例， 即Pi=ni/N．

(3) Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)：

式中：H′為 Shannon-Wiener指數(shù)；S為群落物種數(shù)；Pi為物種i個體數(shù)所占物種總個體數(shù)比例．

(4) Pielou均勻度指數(shù)(E)：

E=H′/lnS

式中：E為Pielou均勻度值；H′為 Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)；S為群落物種數(shù)．

(5) Sorensen相似性系數(shù)(Similarity Coefficient， SC)：

SC=2w/(a+b)

式中：w為土壤種子庫和地上植被共有的植物種數(shù)；a和b分別為土壤種子庫和地上植被的植物種數(shù)．

1.5.3 統(tǒng)計分析

采用SPSS軟件中單因素方差分析(One-way ANOVA)比較不同土層厚度下土壤種子庫植物萌發(fā)總密度， 用最小顯著差異法(LSD)進行多重比較檢驗， 數(shù)據(jù)分析在SPSS 13.0和Excel中完成， 并用Origin 2018作圖．

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤厚度小生境下土壤種子庫的儲量與空間分布

從淺土到深土生境， 即隨著小生境土壤厚度的增加， 土壤種子庫總密度處于逐漸遞增的趨勢并在深土生境中達到最大值． 同一土壤生境下， 隨著土壤層級的增加， 土壤種子密度呈顯著遞減趨勢(圖1)．

對不同小生境的相同土層進行水平對比發(fā)現(xiàn)， 0～10 cm土層下淺土生境土壤種子密度最高， 淺中土生境的土壤種子密度最低， 二者差異有統(tǒng)計學意義， 其他小生境在這層密度差異不明顯； 10～20 cm土層下深土生境中土壤種子密度達到最高， 中深土生境密度最低； 20～30 cm土層下同樣為深土生境中的土壤種子密度大于中深土生境(圖1)．

2.2 不同土壤厚度小生境下土壤種子庫物種及生活型組成

在本研究4種喀斯特小生境土壤種子庫中， 共統(tǒng)計到69種植物種子， 隸屬于3綱22目30科62屬， 其中以菊科植物(17種)最多， 其次為禾本科植物(7種)， 再次為薔薇科植物(4種)， 唇形科、 大戟科、 蓼科、 桑科、 石竹科均為3種， 其余科為1～2種． 其中， 在淺土生境土壤種子庫中共統(tǒng)計到44種植物種子， 隸屬于3綱19目24科41屬， 優(yōu)勢種以風輪菜(Clinopodiumchinense)、 酢漿草(Oxaliscorniculata)、 八寶(Hylotelephiumerythrostictum)、 繁縷(Stellariamedia)、 鼠曲草(Pseudognaphaliumaffine)為主； 淺中土生境土壤種子庫中統(tǒng)計到49種植物種子， 隸屬于3綱18目25科45屬， 優(yōu)勢種以酢漿草、 風輪菜、 黃鵪菜(Youngiajaponica)、 鼠曲草、 馬唐(Digitariasanguinalis)為主； 中深土生境土壤種子庫中統(tǒng)計到54種植物種子， 隸屬于3綱18目22科52屬， 優(yōu)勢種以酢漿草、 風輪菜、 鼠曲草、 黃鵪菜、 馬唐為主； 深土生境土壤種子庫中統(tǒng)計到48種植物種子， 隸屬于2綱18目21科45屬， 優(yōu)勢種以風輪菜、 鼠曲草、 酢漿草、 馬唐、 黃鵪菜為主．

進一步對不同土壤厚度小生境的同一土層厚度進行種子庫種類探究， 發(fā)現(xiàn)在各土壤厚度下種子庫均以菊科植物和禾本科植物占優(yōu)勢． 在0～10 cm土壤厚度下， 中深土生境中土壤種子庫物種種類為50種， 在4種小生境下最高， 而深土生境中土壤種子庫僅有44種植物種類， 為最低； 10～20 cm土壤厚度下的趨勢與0～10 cm土層一樣， 在中深土生境土壤種子庫中植物種類數(shù)最高而在深土生境土壤種子庫中最低； 在20～30 cm土壤厚度下， 中深土生境土壤種子庫中植物種類為32種， 而深土生境土壤種子庫中植物種類有31種． 從總的土層來看， 各小生境土壤種子庫物種數(shù)隨著土層的加深而減少(圖2)．

S10表示淺土生境， S20表示淺中土生境， S30表示中深土生境， S40表示深土生境； D0～10表示0～10 cm土層， D10～20表示10～20 cm土層， D20～30表示20～30 cm土層， D30～40表示30～40 cm土層， 下同． 不同字母代表不同土壤厚度小生境下同一土層間差異有統(tǒng)計學意義， p<0.05．圖1 不同土壤厚度小生境下不同土層中土壤種子庫密度(平均值±標準誤)

圖2 不同土壤厚度小生境下土壤種子庫的植物種類

4種小生境土壤種子庫中均以草本植物為主， 喬木、 灌木和藤本植物3類生活型所占的比例較小， 在每一生境中多年生草本分別占比47.7%(淺土生境)， 46.9%(淺中土生境)， 44.4%(中深土生境)， 41.7%(深土生境)， 一年生草本分別占比40.9%(淺土生境)， 30.6%(淺中土生境)， 38.9%(中深土生境)， 39.6%(深土生境)， 深土生境土壤種子庫較其他小生境的種子庫更豐富， 除了多年生草本、 一年生草本、 一年生或多年生草本、 灌木、 藤本植物外， 還發(fā)現(xiàn)了喬木植物的種子(圖3)．

圖3 不同生活型植物種子物種數(shù)在四種土壤厚度小生境中的分布

對各小生境土壤種子庫中植物生活型在不同土層下的種類數(shù)進行探究， 我們發(fā)現(xiàn)除喬木外， 在4種小生境下各生活型的種類均隨著生境土壤厚度的加深而遞減． 各小生境均在0～10 cm土層下具有最大的一年生草本、 多年生草本、 一年或多年生草本、 灌木、 藤本物種數(shù)量． 在0～10 cm土層下， 4種小生境中土壤種子庫均以草本植物為主， 并在中深土生境時各植物生活型種類數(shù)量取得最大值； 在10～20 cm土層下， 淺中土、 中深土、 深土生境中土壤種子庫均以多年生草本和一年生草本植物為主， 但在中深土生境下占比最高， 達88.9%(淺中土生境為82.9%， 深土生境為85.3%)； 在20～30 cm土層下， 深土生境(87.1%)下草本植物中的占比較中深土生境(90.6%)更低(圖4)．

圖4 土壤中不同生活型植物種子在不同土壤厚度小生境中分層分布

2.3 不同土壤厚度小生境下土壤種子庫多樣性分析

各小生境下土壤種子庫在中深土生境的Margalef物種豐富度指數(shù)最高， 其次為淺中土、 深土、 淺土生境； 而Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為淺中土生境最高， 淺土生境最低； 物種均勻度指數(shù)在淺中土生境中最高， 在淺土生境與中深土生境相同， 但總體上4個小生境均勻度指數(shù)相差不大(均勻度指數(shù)越高， 植物的數(shù)量在此區(qū)域內(nèi)的一致程度較其他層次越高)； 生態(tài)優(yōu)勢度則呈現(xiàn)出相反的趨勢， 在淺土生境中達到最高， 物種數(shù)量分布呈現(xiàn)不均勻的現(xiàn)象更明顯(表1)．

表1 不同土壤厚度小生境總物種多樣性

對不同土壤小生境同一土層的土壤種子庫物種多樣性指數(shù)進行分析， 0～10 cm土層下中深土生境中Margalef物種豐富度指數(shù)最高， 其次為淺中土、 淺土， 深土生境最低； Shannon-Wiener多樣性指數(shù)為淺中土生境最高， 其次為深土、 中深土、 淺土生境； 均勻度指數(shù)在淺中土和深土生境下最高， 淺土生境中最低； 生態(tài)優(yōu)勢度在淺土生境最高； 在10～20 cm土層下， 物種豐富度指數(shù)從高到低依次為中深土、 淺中土、 深土生境； 多樣性指數(shù)為淺中土生境最高， 深土生境最低； 均勻度指數(shù)從高到低依次為淺中土、 中深土、 深土生境； 生態(tài)優(yōu)勢度則在深土生境中最高； 在20～30 cm土層下， 中深土生境物種豐富度和生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)均高于深土生境， 但多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)相比較低(表2)．

表2 不同土壤厚度小生境下不同層土壤種子庫的物種多樣性

2.4 土壤種子庫的相似性特征

從表3中可以看出， 各小生境不同土層之間種子庫組成成分相似性系數(shù)變化范圍為0.320～0.852， 大部分為中等相似性(相似性值位于0.50至0.75之間)， 體現(xiàn)出較大的差異性， 在同一土壤生境下各土層間與不同土壤生境下相同土層間土壤種子庫的相似性均較高， 但與不同土壤生境下的不同土層土壤種子庫之間大部分呈現(xiàn)出較低的相似性(表3)．

3 討論

3.1 不同土壤厚度小生境下土壤種子庫總密度、 物種組成與多樣性分析

從不同土壤厚度小生境來看， 土壤種子庫中植物總的物種組成和密度均在深土生境中最高， 與朱波等[26]的研究相同． 可能原因是淺土生境中植物本身比較少， 因此產(chǎn)生的種子數(shù)量也較少， 深土生境中植物種類增多， 產(chǎn)生的種子數(shù)量也較多． 另外也說明更深的土壤能儲存更多的種子， 因為深土小生境相較于淺土小生境有更大的種子儲存空間． 對于物種組成， 我們發(fā)現(xiàn)在不同小生境下土壤種子庫的物種組成較為一致， 按科來分， 物種數(shù)量從多到少依次為： 菊科、 禾本科、 薔薇科、 唇形科、 大戟科， 按生活型來分， 物種數(shù)量從多到少依次為： 多年生草本、 一年生草本、 灌喬木， 說明研究區(qū)域目前處于演替的早期階段， 物種主要為菊科和禾本科等先鋒草本植物．

土壤種子庫的物種豐富度、 多樣性和均勻度指數(shù)在中土生境中取得最大值． 可能原因是： 淺土生境中由于植物本身數(shù)量較少， 因此產(chǎn)生的種子數(shù)量也較少； 隨著土壤深度的增加， 土壤的種群承載力越來越強， 開始能夠承載較大個體的植物， 在中等深度的土壤中較大個體與小個體植物之間能夠共存， 使中等深度的土壤小生境上的植物種數(shù)更加豐富， 種子數(shù)量較淺土生境有所增加； 在深土生境中， 個體較大的植物在競爭中勝出， 在群落中占優(yōu)勢地位并排擠掉其他小型植物種， 相應地留在土壤中的草本、 灌木植物種類較中等土厚生境種類減少， 較大個體的種子種類少量增加(比如喬木種子出現(xiàn))， 表現(xiàn)出物種豐富度、 多樣性略低于中等土深生境． 除此之外， 生態(tài)優(yōu)勢度值在淺土生境中略高于其他小生境． 生態(tài)優(yōu)勢度值越高表明群落中優(yōu)勢種越單一或稀少， 一旦遭受破壞則恢復能力較差， 一般在演替早期， 水熱條件較差或干擾強度大的群落生態(tài)優(yōu)勢度值較高[27]． 說明本研究中的淺土生境多是先鋒種定居于此， 其種子庫表現(xiàn)出的恢復潛力不大． 但是， 生態(tài)優(yōu)勢度的變化趨勢從另一方面也反映出隨著土壤厚度的加深， 土壤種子庫中種類和生活型組分趨向多樣化， 生境更加優(yōu)越， 被破壞后恢復能力也更強．

3.2 不同土壤厚度小生境各土層中土壤種子庫密度、 物種組成與多樣性分析

土壤在不同的深度具有不同的理化性質(zhì)和營養(yǎng)條件， 表層土壤的結(jié)構(gòu)疏松， 通氣性強， 微生物活動強烈， 土壤養(yǎng)分含量較高， 而深層土壤更接近于母質(zhì)， 土壤的養(yǎng)分含量急劇降低[28]． 有研究發(fā)現(xiàn)， 喀斯特地區(qū)土壤種子庫中的種子多集中分布于土壤表層， 隨著土厚的加深， 土壤中植物種子的種類和數(shù)量逐漸減少[18，20，29]． 與上述研究結(jié)果相似， 本研究在4種不同土壤厚度小生境下， 植物的種子數(shù)量和種類隨著土層深度的增加均呈現(xiàn)出垂直遞減的趨勢． 雖然落到地表的種子通常通過雨水沖刷、 動物活動或土壤裂隙的存在等不同的途徑向下移動， 但是大多數(shù)植物的大部分種子難以主動埋入較深的土層中， 所以種子數(shù)量分布多集中在土壤表層(0～10 cm)， 土壤種子庫的物種多樣性和豐富度指數(shù)也隨著土層加深而降低．

種子庫除了在同一生境的不同土層變化， 我們也發(fā)現(xiàn)在不同生境的相同土層上， 其物種組成和生活史具有相似性， 即各小生境土壤種子庫的物種組成在相同土層下均以菊科植物和禾本科植物占優(yōu)勢； 除深土生境20～30 cm土層外， 各土壤小生境種子庫在相同土層下， 物種組成按生活型劃分， 物種數(shù)量從多到少依次為： 多年生草本、 一年生草本、 灌喬木， 這與本研究中的不同小生境的土壤種子庫的物種組成和生活型相同． 段啟輝等[30]在相同研究區(qū)對于種子大小分布的研究結(jié)果表明， 該地區(qū)大部分種子為小種子． 這些先鋒植物往往具有較強的生態(tài)適應能力， 例如風傳播是菊科常見的傳播方式[31]． 另外， 菊科和禾本科的種子多而小[32]， 易在雨水的沖刷和動物的活動下， 通過土壤裂隙和掩埋進入土中， 使同一生境下不同土層的土壤種子庫出現(xiàn)與該生境基本相同的物種組成和生活型組成．

不同土壤小生境不同土層之間種子庫體現(xiàn)出較大的差異性， 即在同一土壤生境下的各土層間與不同生境下的相同土層之間土壤種子庫的相似性均較高， 但與不同生境下的其他層次大部分呈現(xiàn)出較低的相似性． 一般來說， 同一生境下的植物類型在同一垂直剖面上的組成和結(jié)構(gòu)較為相似， 因此土壤種子庫間具有較高的相似性． 雖然不同土壤小生境相同土層的土壤深度基本一致， 但是小生境總體土壤深度不同， 承載的植物群落不同， 更深的土壤能保存更多的水分[33]， 能夠支撐植物群落進一步發(fā)育， 使不同小生境物種組成間的差異性增強， 群落的生態(tài)距離逐漸增大． 所以不同土壤小生境的相同土層的土壤種子庫的相似性低于同一土壤生境下不同土層土壤種子庫的相似性， 且各土壤小生境同一土層相似性系數(shù)各異．

本研究表明， 喀斯特不同土壤厚度小生境會影響土壤種子庫的密度及其分布， 深土小生境中土壤種子庫的總密度最大， 同一土壤生境不同土層的種子庫密度呈現(xiàn)出降低的趨勢． 土壤種子庫的物種組成和多樣性也會隨著土壤深度變化而呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性， 淺土和深土生境可能由于資源限制和種間競爭等原因限制， 使中深土小生境中土壤種子庫物種組成最豐富， 多樣性最高． 不過中深土小生境維持物種多樣性的原因還需要進一步探明． 另外， 本研究中所有土壤異質(zhì)性小生境中的土壤種子庫組成均具有較高的相似性， 并且大部分以草本為主， 表現(xiàn)出的恢復潛力較小， 植被的恢復還需要適度進行人為干預．