生境片段化对千岛湖马尾松林内土壤种子库的影响

南 歌,金 毅,吴初平,3,徐高福,曹南丰,李铭红,于明坚

1 浙江师范大学生态研究所,金华 321004 2 浙江大学生命科学学院,杭州 310058 3 浙江省林业科学研究院,杭州 310023 4 淳安县新安江开发公司,淳安 311700

森林土壤种子库是指土壤表面枯枝落叶层和土壤中有活力种子总和,为森林更新的重要来源[1],对于森林演替和恢复等具有重要意义。土壤种子库中的种子多处于休眠状态[2],当遇到合适环境条件时,能够打破休眠,补充森林更新。因此,土壤种子库被称为植物的“潜种群阶段”[3]。森林土壤种子库组成具有时空动态,且能够反映群落过去、现在以及将来[4]。

生境片段化是指连续生境被不同于原有生境的基质分隔成大小不一的不连续斑块[5]。随着人类活动加剧,大规模修建水库和道路等,造成自然生态系统的生境片段化问题愈来愈严重[6]。生境片段化所产生生境斑块的 (片段、岛屿)面积、形状、隔离度和边缘梯度等特点,会影响斑块内部的非生物 (例如,光照、土壤环境)和生物 (例如,种间竞争,种子扩散)环境,改变森林动态 (例如,种子雨、种子存活和萌发),进而影响土壤种子库[7-9]。土壤种子库的改变会影响森林更新和演替,进而影响森林生物多样性和生态系统功能。

我国亚热带地区广阔,地带性植被是常绿阔叶林,具有很高的生物多样性[10]。但是该地区由于长期受到人类干扰,原生常绿阔叶林几乎丧失殆尽,多被次生林所取代。其中分布最为广泛的次生林类型为马尾松 (Pinusmassoniana)林[11-12]。位于我国中亚热带地区的浙江千岛湖是1959年建成的水库。其蓄水过程所致的路桥岛屿群,是研究片段化问题的理想地,且其主要植被为次生马尾松林[13]。目前,有关生境片段化对于次生马尾松林内土壤种子库影响的研究还未见报道。本研究通过对千岛湖马尾松林进行土壤取样和萌发试验,希望了解：千岛湖马尾松林内土壤种子库组成及其时空分布特点;生境片段化特点如何影响马尾松林内土壤种子库组成。

1 研究方法

1.1 研究地点

新安江水库 (29°22′—29°50′ N, 118°34′—119°15′ E；图1)位于浙江省淳安县境内,是1959年修建新安江水电站时形成的人工湖泊。最高水位108 m时,湖内有1078个面积 >0.25 hm2的陆桥岛屿,故而得名“千岛湖”。其东西长约60 km,南北宽约59 km,水域面积约583 km2,平均水深34 m,容积178.4 亿m3。地区性气候为典型亚热带季风性气候,温暖湿润,四季分明。年均气温17 ℃,年均降水量1430 mm。土壤主要为红壤和岩性土,土层薄,保水保肥能力差。水库建设前,原有森林基本均被砍伐[14]。目前,库区内岛屿森林覆盖率 >88.5%,主要为次生马尾松林[15]。

根据美国热带森林研究中心的森林动态样地的建设标准,本研究在千岛湖29个岛屿上建立了森林动态样地,并对胸径大于等于1 cm的乔灌木种类进行了调查[16]。选岛原则为：(1)覆盖一定的面积和隔离度梯度；(2)人为干扰少；(3)植被主要为马尾松林且群落结构相似；(4)方便野外工作[16]。根据2009—2010年的首次群落调查结果显示：29个岛屿上的森林动态样地内,共记录到乔灌木76种,分属61属、34科。主要优势种有3个,分别是马尾松、檵木 (Loropetalanchinense)和短尾越桔 (Vacciniumcarlesii)。2012年在库区周边大陆的次生马尾松林内建立了一块1 hm2森林动态样地。大陆及所有岛屿样地的林龄约60 a[17]。另外,从2011年起,在29个岛屿样地上建立了幼苗监测样方,后面也在大陆样地建立了幼苗样方,每年春、秋两季对木本植物幼苗和草本植物进行监测[18]。

图1 本研究岛屿的分布Fig.1 Study islands of Thousand Island Lake

1.2 方法

1.2.1 土壤种子库取样

前期研究已在大陆和岛屿样地内按照距岛屿边缘距离梯度设置了梯度样方。参考该研究方案设置了79个大小为20 m×20 m的马尾松林样方。其中,在1 hm2大陆样地内设置了4个样方；在岛屿样地内一共设置了75个样方。根据样方中心到岛屿边缘的距离,将所选样方分成3个等级：边缘样方,样方中心距离边缘<15 m；中部样方,样方中心距边缘40—50 m；内部样方,样方中心距边缘>80 m。边缘、中部和内部样方的边缘梯度等级分别为1、2和3,表示到边缘的距离逐级增大,理论上受到边缘效应的影响将逐级减小。边缘、中部和内部样方数量分别为54、19和6 (表1)。

土壤取样在上述79个样方内进行。取样方法为：一个20 m×20 m样方被划分成16个5 m×5 m小样方。在位于中心的4个5 m×5 m小样方内随机选取1个。在此5 m×5 m小样方及其周围的8个5 m×5 m小样方内,使用土钻 (内径5.5 cm)各进行一次取样。钻取深度为5 cm。对土芯样本进行分层,0—2.0 cm为上层,2.0—5.0 cm为下层。土壤表面枯枝落叶层归为上层[19]。9个土壤上层样本合并成一个土壤上层混合样,9个土壤下层样本合并成一个土壤下层混合样。立即带回实验室。

在2015年12月 (初冬)和2016年4月 (晚春)分别进行了土壤取样,每次获得土壤上层和下层样本各79个,共计316个。

1.2.2 萌发实验

在实验室内对混合土样进行过筛 (孔径5 mm)处理,将枯枝落叶、树根和石块等挑出来。将大于5 mm的种子放回筛出的浓缩土样中,然后将浓缩土样平铺在装有2 cm厚的无菌砂子作为基质的花盆中进行萌发实验。花盆长23 cm、宽17 cm,土样厚度约1.5 cm。同时设置4个装有无菌砂子的花盆作为萌发对照。将花盆置于温室内 (室温25 ℃；空气湿度60%；光照∶黑暗周期14 h∶10 h)[20-21],每日定时浇水1次。每日记录花盆内幼苗种类及数量,萌发幼苗能进行物种鉴定时即可拔掉。将不能鉴定的幼苗移栽到新花盆中生长到能够进行物种鉴定为止。整个观察过程中,连续2周花盆内无新幼苗出现时,将花盆内土样搅拌混匀后继续每日察看,持续4周均无新幼苗出现时结束实验。4个对照萌发盆中萌发幼苗数均为零。

表1 本研究所在岛屿及土壤取样样方概况Table General information of sampled islands and soil bank quadrats

“样方数”表示三类样方的个数;例如,“2/2/1”表示“边缘/中部/内部”的样方个数分别为2、2、1;#,大陆

每年秋冬季节是种子掉落高峰期,此时土壤种子库的输入量达到最大；而春季是种子萌发的季节,土壤种子库中会因种子萌发而大量输出,存留种子是一年中的最小量[22]。因此本研究分别在冬春两季进行取样,了解土壤种子库的季节动态。冬季取样后,经过2个月冷沉积。萌发实验于3月初开始,共持续16周。春季取样后,萌发实验于5月初开始,共持续13周。

1.2.3 统计方法

在分析土壤种子库组成的影响因素时,由于物种水平萌出幼苗数为零的情况出现在较多土壤样本中(如,316个土壤样本中,山莓 (Rubuscorchorifolius)和牡荆 (Vitexnegundo)幼苗萌出数为零的样本数量分别为152和260个),使用了零值膨胀泊松模型 (zero-inflated Poisson model)进行拟和[23]。该分析通过广义线性混合效应模型,采用“MCMCglmm”软件包中的“MCMCglmm”方程实现[24]。共进行了4个层次的分析,应变量均为某个土壤样本的某个物种萌出幼苗数量。完整模型的固定效应为： (1) 大陆和岛屿,模型固定效应包括木质化 (木本植物 vs. 草本植物)、片段化 (大陆 vs. 岛屿)、土壤层 (土壤上层 vs. 土壤下层)、季节 (冬季 vs. 春季),以及木质化与其他项之间的交互作用。 (2)仅岛屿,固定效应包括木质化、土壤层、季节、边缘梯度、隔离度 (岛屿距大陆的最小距离)、岛屿面积、以及木质化与其他项之间的交互作用。 (3)岛屿上的木本和草本植物,包括土壤层、季节、边缘梯度、隔离度和岛屿面积。 (4)岛屿上的不同耐阴性木本植物,固定效应包括耐阴性 (耐阴植物 vs. 不耐阴植物)、土壤层、季节、边缘梯度、隔离度和岛屿面积。上述4个层次的模型中,随机效应均为物种、取样区 (即岛屿,对于第一个模型,还包括大陆),以及嵌套在取样区内的取样点 (即20 m×20 m样方)。模型选择使用向后剔除 (backward elimination)。初始模型为完整模型,通过剔除某一个因素后,比较模型AICc值的变化,若该值减少2及以上,表明模型间有显著差异,此时剔除该因素,否则保留。所有运算在R 3.1.0软件中进行[25]。

2 结果

316个土壤样本共萌发出幼苗1422株,隶属于29科、40属、41种。其中,木本植物13种1024株,草本物种28种398株；耐阴植物12种,不耐阴植物29种。蔷薇科植物幼苗最多,共849株,占幼苗总个体数的59.7%,其中最多的为金樱子 (Rosalaevigata)和山莓 (表2)。29个岛屿和大陆样地有111个物种,其中草本24种,木本87种 (乔木34种,灌木52 种,木质藤本1种)。这包括以往幼苗调查记录的木本植物中不耐阴幼苗有21种,耐阴种有30个。样地内的幼苗则以耐阴灌木最多,不耐阴乔木次之。土壤种子库和地上植物群落共有种类22个,两者间Jaccard相似性系数为0.169。冬、春季节土壤种子库萌出幼苗间Jaccard相似性指数为0.585。冬、春季节土壤种子库萌出幼苗组成中,草本植物的ρ=0.59 (P<0.001),木本植物的ρ=0.87 (P<0.001)。土壤上、下层萌出幼苗间Jaccard相似性指数为0.690。土壤上、下层种子库萌出幼苗组成中,草本植物的ρ=0.8 (P<0.001),木本植物的ρ=0.93 (P<0.001)。

表2千岛湖地区次生马尾松林内土壤种子库萌出幼苗组成概况

Table2GeneralinformationofthecompositionofseedlingsgerminatedfromthesoilseedbankinthesecondaryMassonpineforestinThousandIslandLakeregion

科名Family种名Species多度Abundance耐阴性Shadetolerance木质化Woodiness蔷薇科Rosaceae金樱子Rosalaevigata535不耐阴木本蔷薇科Rosaceae山莓Rubuscorchorifolius312不耐阴木本椴树科Tiliaceae田麻Corchoropsistomentosa98不耐阴草本杜鹃花科Ericaceae杜鹃Rhododendronsimsii82不耐阴木本马鞭草科Verbenaceae牡荆Vitexnegundovar.cannabifolia36不耐阴木本菊科Compositae鼠麴草Gnaphaliumaffine35不耐阴草本莎草科Cyperaceae香附子Cyperusrotundus35不耐阴草本榆科Ulmaceae山油麻Tremacannabinavar.dielsiana31不耐阴木本商陆科Phytolaccaceae垂序商陆Phytolaccaamericana28不耐阴草本禾本科Gramineae牛筋草Eleusineindica25不耐阴草本禾本科Gramineae马唐Digitariasanguinalis22不耐阴草本爵床科Acanthaceae爵床Rostellulariaprocumbens20耐阴草本茄科Solanaceae白英Solanumlyratum18耐阴草本菊科Compositae黄鹌菜Youngiajaponica17不耐阴草本大戟科Euphorbiaceae地锦Euphorbiahumifusa17不耐阴草本伞形科Umbelliferae积雪草Centellaasiatica17不耐阴草本菊科Compositae野茼蒿Crassocephalumcrepidioides12耐阴草本金缕梅科Hamamelidaceae檵木Loropetalumchinense10耐阴木本茄科Solanaceae龙葵Solanumnigrum10不耐阴草本玄参科Scrophulariaceae阿拉伯婆婆纳Veronicapersica9不耐阴草本马鞭草科Verbenaceae豆腐柴Premnamicrophylla8耐阴木本大戟科Euphorbiaceae铁苋菜Acalyphaaustralis6不耐阴草本菊科Compositae一年蓬Erigeronannuus5不耐阴草本罂粟科Papaveraceae博落回Macleayacordata4不耐阴草本远志科Polygalaceae狭叶香港远志Polygalahongkongensis4耐阴草本菊科Compositae苦苣菜Sonchusoleraceus3不耐阴草本松科PinaceaeLindl.马尾松Pinusmassoniana3不耐阴木本苋科Amaranthaceae喜旱莲子草Alternantheraphiloxeroides3不耐阴草本蔷薇科Rosaceae石斑木Raphiolepisindica2耐阴木本菊科Compositae藿香蓟Ageratumconyzoides2不耐阴草本景天科Crassulaceae费菜Sedumaizoon2不耐阴草本茜草科Rubiaceae栀子Gardeniajasminoides2耐阴木本百合科Liliaceae阔叶山麦冬Liriopeplatyphylla1耐阴草本唇形科Labiatae印度黄芩Scutellariaindica1耐阴草本大戟科Euphorbiaceae乌桕Sapiumsebiferum1不耐阴木本冬青科Aquifoliaceae冬青Ilexchinensis1耐阴木本藜科Chenopodiaceae地肤Kochiascoparia1不耐阴草本毛茛科Ranunculaceae毛茛Ranunculusjaponicus1不耐阴草本葡萄科Vitaceae乌蔹莓Cayratiajaponica1不耐阴草本山茶科Theaceae格药柃Euryamuricata1耐阴木本石竹科Caryophyllaceae球序卷耳Cerastiumglomeratum1不耐阴草本

广义线性混合效应模型结果显示：对于岛屿和大陆不同土层土壤,土壤下层种子数量低于上层。另外,大陆土壤木本植物种子比例较岛屿土壤高 (表3)。对于岛屿,土壤下层种子数量低于上层,随边缘梯度增大,土壤种子数量下降,尤其是草本植物种子 (表4)。对于不同功能群的分析也发现：木本植物种子数量随土壤层次加深而下降；而草本植物种子数量除了随土壤层次加深而下降外,还随边缘梯度增大而下降 (表5)。木本植物中,耐阴植物种子数量明显低于不耐阴植物,且耐阴植物种子数量随土层加深的降幅更大 (表6)。同时,也发现岛屿面积、形状指数、隔离度等对岛屿土壤种子的影响不显著。

表3 岛屿与大陆土壤种子库组成影响因素的广义线性混合效应结果Table 3 Results of generalized linear mixed models for the factors effects on the soil seed bank compositions of the islands and mainland

表中的效应表示同一因子不同层次间的差异及不同因子间相互关系。例如“木质化 (木本)”的效应值是0.53。其中,木质化分为木本和草本两类,“木质化 (木本)”表示：以草本植物为参照,木本植物的种子数量高0.53倍。而对于交互作用,例如 “木质化 (木本)× 片段化 (大陆)”的效应值为1.36。其中,木质化分为木本和草本两类；片段化包括大陆和岛屿两类。“木质化 (木本)× 片段化 (大陆)”表示：以岛屿的木本植物与草本植物种子数量差异为参照,大陆的木本植物与草本植物种子数量差异大1.36倍。P<0.05表示效应显著,P<0.001表示效应极显著

表4 岛屿土壤种子库群落水平组成的广义线性混合效应结果Table 4 Results of generalized linear mixed models for the community level soil seedling bank compositions of the islands

分类变量的效应解释见表1注。对于方向性分类变量和连续变量,例如边缘梯度的效应值为-0.33,表示边缘梯度每增大1,其效应值增大-0.33倍,也就是下降0.33倍。对于交互作用,例如“木质化 (木本)×边缘梯度”的交互作用为0.33,表示边缘梯度每增大1,木质化 (木本)的效应值增大0.33倍。P<0.05表示效应显著,P<0.001表示效应极显著

表5 岛屿土壤种子库木本和草本植物种子组成的广义线性混合效应结果Table 5 Results of generalized linear mixed models for the composition of woody and herbaceous seeds in the island soil seed banks

效应项含义解释见表3和表4注;P<0.05表示效应显著,P<0.001表示效应极显著

表6 岛屿不同耐阴性木本植物种子组成的广义线性混合效应结果Table 6 Results of generalized linear mixed models for the different shade tolerance woody plant seeds in island soil seed banks

效应项含义解释见表3和表4注;P<0.05表示效应显著,P<0.001表示效应极显著

3 讨论

千岛湖次生马尾松林内,取样土壤的萌发实验结果提示：土壤种子库组成大多为不耐阴木本和草本植物,而木本耐阴植物种类较少。这可能是因为片段化次生马尾松林的边缘面积比例大,光照等资源充足,较适合不耐阴植物和草本植物生存。该结果与片段化成熟森林土壤种子库的研究结果多不一致[20],而与演替早中期阶段森林种子库的研究结果较为符合[26]。同时,土壤种子库与地上植物群落的共有种类少,两者的相似性很低,Jaccard系数仅0.169,该结果表明对于地上主要植被层的物种组成,土壤种子库中的植物种类不能与之相对应。该结果与我国亚热带其他地区马尾松林土壤种子库的研究结果相似[27]。提示土壤种子库可能更多的积累了过去群落中的种类或外界扩散进入的种类。

冬、春季土壤种子库物种组成差异不大,有可能是由于土壤种子库中大多数植物种子并非短期休眠种子植物,而多为干扰敏感植物[28](ruderal species,表2),即需要对土壤进行干扰后种子才能萌发的植物。这类植物种子可在土壤中休眠较长时间,当土壤遇到翻动或者土壤表面光照或温度剧烈变化时,才能解除其休眠,进入萌芽阶段[29]。

本研究发现土壤种子库上、下层的组成较一致,提示过去不同时间段内的种子雨组成差异可能并不大。种子扩散后,掉落到土壤表面,若未遇到合适萌发条件,种子可在自身重力、动物活动和降水等作用下,进入土壤深处并休眠。另外还发现土壤种子库上层 (2 cm厚)所含的有活力种子数大于土壤下层 (3 cm厚),即使土壤下层样本含有更多的土壤量。这可能与种子沉积时间有关,下层种子在土壤中沉积时间较长,失活比例较大[30-31]。另一方面,与不耐阴植物相比,萌出耐阴植物种子数量较小,且主要集中在土壤上层,这可能是由于千岛湖岛屿上的马尾松林还是先锋群落,处于群落演替早期阶段,耐阴植物进入群落时间较晚,近期才有一定的种子产量；也可能是由于耐阴植物种子休眠时间较短,难以进入土壤下层[32]。

大陆土壤种子库较岛屿的萌出木本植物种子比例更高,估计由于大陆受边缘效应影响较小,光照等资源水平较低,不利于草本植物生存,因此木本植物种子比例高。

对于岛屿上的马尾松林,发现草本植物种子数量随边缘梯度增大而减少,表明离岛屿边缘近的地方土壤含有更多的草本植物种子,而岛屿内部土壤中含有的草本植物种子较少。该格局的形成原因：一方面可能是由于草本植物多为不耐阴 (阳性)植物,其成体多分布在岛屿边缘附近光照等资源比较充足的位置,种子易扩散到岛屿边缘,但由于扩散限制,较难扩散到岛屿内部[33]；同时,草本植物种子也可能来源于岛屿外部,经由风力传播而扩散到岛屿边缘,而由于植被的阻挡,较难进入岛屿内部[34]。另一方面,即使植物种子扩散到达岛屿内部,由于岛屿内部土壤可能较为潮湿,病原微生物较多,不适合草本植物种子存活,进一步降低了岛屿内部土壤中的草本植物种子数量[35]。

千岛湖次生马尾松林内的土壤种子库组成主要是不耐阴木本植物和草本植物等演替早期植物种类,且与现阶段主要植物群落组成的差异巨大。千岛湖岛屿森林主要层次 (乔木层和灌木层)中的物种 (约84.88%)大多并不出现在土壤种子库中,表明该森林土壤种子库可能主要是反映群落过去或者非主要群落 (如木质不耐阴小灌木和草本植物)的情况。地上主要层次植物的进一步生长,大量到达繁殖阶段并产生种子后,才可能影响土壤种子库组成,从而作用于该类型森林的演替。

致谢：浙江省淳安县新安江开发总公司对本研究给予支持,浙江大学余晶晶、骆杨青、严承田帮助野外实验，特此致谢。

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