黄土高原亚高山草地退化对土壤种子库的影响

牛瑞芳，吴铁航，柴宝峰*

(1.山西大学黄土高原研究所，山西亚高山草地生态系统教育部野外科学观测研究站，山西 太原 030006；2.南乔治亚大学生物系，斯泰兹波罗 佐治亚 30460-8042，美国)

土壤种子库在种群更新和植被恢复过程中，对维持植物物种多样性具有重要作用[1]，它会影响生态系统的恢复力和抗逆性[2]，对于受到剧烈干扰后的森林植被的重建[3]及其未来植物群落的物种组成和生态系统恢复的程度发挥重要作用[4]。因此，土壤种子库被认为是植物群落的一部分，其大小、动态、分布格局受到植被、气候、土壤、干扰等多重因素的影响[5-6]。

地上植被对土壤种子库具有重要的影响，是土壤种子库的主要来源[7]。有研究发现在群落演替过程中，地上植被与种子库在物种组成上具有很高的相似性[8]。而在对黄土丘陵沟壑区退耕地的研究中发现，地上植被与种子库相似性较小，种子库在植被恢复中潜力不大[9]。甚至有研究认为，土壤种子库与地上植被在种类上并没有必然的联系。一项在加纳的森林土壤种子库的研究中发现，6个种子库中的4个与地上植被仅有5%左右的种类相同，其他2个则完全不同[10]，草地和沼泽种子库也有类似的结果[11-12]。

长期的不合理开发利用，黄土高原植被受损严重，水土流失加剧，是我国甚至全世界范围内生态环境最脆弱的区域之一[18]。植被恢复成为黄土高原生态保护的主要任务，作为京津冀生态屏障，人工植被建设发挥了重要的作用。近年来，植被的自然恢复备受重视，尤其是草地生态系统的封育，在遭受破坏的亚高山草地恢复过程中被广为采用。但在很多地方的恢复效果并不理想，尤其是破坏严重的区域，植被和土壤理化性质都发生较大的变化，对土壤种子库产生了较大的影响。尽管对黄土高原典型草地土壤种子库的空间分布有一些初步的研究[19]，但对于亚高山退化草地土壤种子库的特征及影响因素有待开展系统的研究。因此，本试验对黄土高原亚高山草地不同退化程度下土壤种子库的物种组成、种子密度、分布特征以及影响因素进行了研究，以期为制定有效的草地退化治理和生物多样性保护措施提供数据支持。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

试验区位于山西省忻州市宁武县云中山(38°31′～38°69′ N，112°27′～112°45′ E)，年平均气温为6～7℃，年均降水为400～450 mm，属温带大陆性季风气候，海拔2 200 m左右，土壤为山地草甸土，成土母质以各类母岩的风化残积坡积物为主；土壤pH为5.45～6.33，退化草地含水量为8.11%～41.71%，土壤有机碳含量为27.85～42.61 g·kg-1；地带性植被主要为亚高山草甸，如米口袋(Gueldenstaedtiaverna)、矮生嵩草(Kobresiahumilis)、委陵菜(Potentillasupina)、薹草(Carexbohemica)、平车前(Plantagodepressa)等。长期的放牧活动导致草地出现了不同程度的退化。

1.2 样地设置

在研究区共设置20个样地。根据试验区地上植物群落生物量、盖度、可食植物比例和可食植物高度确定草地的退化程度[20]，分为轻度退化(LD)、中度退化(MD)、重度退化(HD)和极度退化(ED)(表1)。在不同退化程度下，随机选取5个距离至少50 m的样方进行土壤种子库和地上植被调查取样，这5个样方的选择是为了最大限度地体现这4种退化梯度的指标，因此每个样方都是一个独立的重复。

表1 亚高山草地不同程度退化指标及分类标准

1.3 土壤种子库取样和分析

土壤种子库取样时间为2019年4月上旬。在设置的每个样方中随机选取5个取样单位，取样面积为1 m×1 m。分别用3.6 cm的土钻取20个圆柱状土芯，每20钻混合为一份。取样深度为10 cm，分为0～5 cm与5～10 cm两层，自下而上分别装入自封袋中。因此每个样方为5个取样单位，2个土层深度，共计10个土样；每个退化梯度下为5×10=50个土样；4个退化梯度共计50×4=200个土样。

用出苗法来评估土壤样品中易于发芽的物种[21]，分析物种组成。试验之前将样品中的杂质(植物细根、凋落物、石头等)通过直径4 mm的筛去除。将土样平铺在装有5 cm灭菌细河沙垫底的塑料花盆上，并放置装有灭菌细沙的对照托盘，测定空中可能吹来的种子数目。保持土壤适当湿润，待到幼苗可以被识别时，进行鉴定与记录并移除。定期翻动土样，促进种子库中种子萌发[22]。试验持续4个月，连续4周内没有新的种子萌发，结束试验。样地土壤种子库的种子密度的计算方法：将萌发试验的统计结果，按参试筛选土样占原筛选土样的比例及取样面积大小，换算成1 m2种子数量。

1.4 地上植被测定

在夏季生长高峰期(2019年7月)，分别在4个退化梯度下调查并记录了植被组成、盖度以及株数。样方面积为1 m×1 m，共20个样方。依据《中国植被》的植物生活型分类标准，将土壤种子库植物分为一年生、二年生、多年生草本以及木本植物。地上植被生物量测定首先在烘箱105℃下杀青30 min，然后在75℃下继续烘48 h至恒重，使用电子天平进行称重。

1.5 土壤理化性质测定

1.6 数据分析

采用单因素方差分析(ANOVA)以及Tukey检验比较不同梯度、不同深度土壤种子库密度以及多样性差异；同时比较不同梯度下地上植被物种丰度、多度差异性。用线性回归法分析环境因子与种子库特征(物种丰度、种子密度)的相关性。用多元线性回归分析土壤环境因子对种子库特征值的综合影响，其中包含的独立变量(环境因素)是在单变量分析中与种子库特征显著相关的变量。模型的选择采用AIC信息准则(Aikake’s information criterion)。方差分析与线性回归分析利用SPSS 16.0完成。

对于不同退化程度下地上植被、土壤种子库以及地上植被和种子库之间物种组成差异，利用NMDS进行可视化处理，使用相对丰度数据并利用Bray-Curtis系数计算相似矩阵。种子库中的每一个物种的相对丰度是每个样方中的该物种种子密度除以所有物种的总密度；地上植被物种的相对丰度是每个样方中某物种的个体数除以该样方中所有物种的总个体数。利用PERMANOVA(permutational multivariate analysis of variance)分析来统计4种退化梯度下地上植被、土壤种子库，以及地上植被和种子库之间物种组成差异。利用RDA(redundancy analysis)分析土壤环境因子与地上植被和种子库物种组成之间的关系。以上运算均利用R 3.5.1中的vegan包完成。

2 结果与分析

2.1 不同退化程度草地的地上植物群落特征

退化草地地上植物群落由31种植物组成，分属于14个科、25属(表2)。地上植被的生活型如图1A所示，多年生物种的比例随着退化程度的加重呈降低趋势，而一年生草本呈增加趋势。植物群落多样性分析结果如图1B和1C所示，地上植被物种多度与丰富度随着退化程度的加重而显著减小(P<0.001)。其中，在中度退化(MD)的样地中物种多度最高，在轻度退化(LD)的样地中物种丰富度最高。

图1 不同退化程度的草地中地上植被生活型比例(A)、群落物种多度(B)和丰富度(C)

表2 不同退化程度下地上植物种类及相对丰度

2.2 不同退化草地土壤种子库物种组成与密度

经过为期4个月的萌发试验，土壤种子库中共鉴定出32种植物，分属于14科、31属(表3)。其中，地上地下相同物种数分别为14，12.6，9.8，5.2种。土壤种子库植物生活型如图2A所示，一、二年生草本的比例在极度退化时最高，多年生草本呈减少趋势，与地上植被生活型组成的变化趋势基本一致。在4个退化程度的样地中，0～10 cm土壤种子库密度与物种丰富度差异显著，种子库密度在轻度和中度退化的样地中最高，分别为3 455.62粒·m-2与2 868.64粒·m-2，而重度及极度退化样地中最低，分别为1 192.89粒·m-2和492.31粒·m-2。不同土壤分层(0～5 cm和5～10 cm)的种子库密度以及物种丰富度都随退化程度的加重而减小(图2B，2C)，83.45%种子都集中于表层(0～5 cm)土壤中。

表3 不同退化程度下种子库物种及密度

图2 不同退化程度草地中的土壤种子库植物的生活型比例(A)、种子库密度(B)和丰富度(C)

2.3 土壤环境因子对种子库物种丰富度和种子密度的影响

土壤种子库密度与土壤pH值呈显著负相关(P<0.001)，与铵态氮(P=0.002)、硝态氮(P=0.001)以及土壤水分(P<0.001)呈显著正相关关系，与土壤紧实度、电导率无显著相关关系(图3)。种子库物种的丰富度与pH值呈负相关关系，与铵态氮、硝态氮含量以及土壤水分呈正相关关系(图4)，解释率达到84.24%。基于上述结果，运用多元线性回归分析土壤环境因子对种子库丰富度和密度的综合影响，结果表明，无论是密度还是丰富度，只考虑pH值和土壤水分的模型，其AICc值最低(表4)，说明土壤pH和土壤水分是影响土壤种子库密度和丰富度的主要因子。

表4 多元回归分析土壤铵态氮、硝态氮、土壤水分(Moi)、土壤pH对土壤种子库密度和物种丰富度的影响

图3 土壤环境因子与土壤种子库密度相关性分析

图4 土壤种子库密度和丰富度与环境因子的RDA分析

2.4 不同退化程度的草地中地上植物群落与土壤种子库的相似性

NMDS分析结果显示，LD和MD两个样地间的地上植物群落的组成具有较高的相似性，并与HD和ED之间具有显著差异(图5A)，PERMANOVA成对比较进一步分析表明，LD与MD差异不显著，但分别与HD，ED差异显著(表5)。

对土壤种子库的分析显示，NMDS前两轴将ED与其他3个退化梯度显著分开(图5B)，同时PERMANOVA成对分析也表明ED与LD，MD，HD的种子库具有显著差异(P<0.01)(表5)，说明草地的退化对土壤种子库的影响有一定的滞后效应，极度退化对种子库物种的组成产生了显著的影响。

表5 PERMANOVA两两比较分析种子库(SB)、地上植物群落(Veg)之间的物种组成差异，以及种子库与地上植被之间的相似性(Sim)

亚高山草地的地上植物群落与土壤种子库的物种组成差异显著(图5C)，总体来说相似度都较低，其中极度退化草地地上植被组成更接近种子库组成。PERMANOVA分析结果也表明，LD，MD，HD地上植被物种组成与其土壤种子库都具有显著差异(P<0.01)。

图5 基于物种相对丰度的NMDS分析地上植物群落(A)和土壤种子库(B)组成以及地上植被和土壤种子库组成相似性(C)在不同退化程度草地间的差异

3 讨论

3.1 植被对土壤种子库的影响

本研究中，随着草地退化程度的加剧，土壤种子库密度显著下降，这可能主要是由于地上植被对土壤种子库的影响[24]。高强度放牧直接影响地上植被，进而对土壤种子库产生影响。家畜采食导致植物叶面积减少，结实率下降，使得种子产量减少[25]。亚高山退化草地种子库主要以多年生植物为主，因长期被家畜采食而无法正常结实，对土壤种子库贡献减少[26]。在草地退化严重的地段，一、二年生植物在土壤种子库中的比例较高，主要是由于其生命周期较短，在雨季萌发并产生一定量的种子，补充土壤种子库，有利于草地的恢复和更新[27]。但也有研究发现由于强烈的干扰作用，种子在土壤中选择休眠，有利于提高退化草地土壤种子库密度[28]。McDonald[29]等人也认为放牧会使种子深埋，使其难以萌发，一定程度上扩大了种子库。这些不同现象可能是因为各研究群落物种组成、地理环境、干扰方式等不同引起的[26]。我们的结果也表明，随着土层加深，种子种类和数量显著降低[30]。即使土壤中种子储量充足，处于5 cm以下的通常难以萌发[31]，对植被的更新难以发挥作用。

3.2 土壤环境因子对种子库的影响

土壤环境因子对地上植物的生长和繁殖有较大的影响，从而影响到地下种子库[32]。土壤pH直接影响有机体生长必需的矿物质和营养物质的有效性，进而影响地上植物的生长和产种量[33]。有研究表明，当pH在6.1～6.5之间时植物养分处于最优状态，此时地上植物群落丰富度最高，而酸度和碱度增加时群落丰度开始降低，产籽量降低[34]。另一方面，Basto等人用杀菌剂提高种子的持久性的试验中，将土壤pH值的增加对种子库密度的负面影响归结为真菌病原体增加[35]。pH较高时细菌丰度也会增加，对种子萌发产生负面影响[36]，中酸性土壤有利于种子的储存和种子库的持久性。

水分对土壤种子的萌发起重要作用[37]。对荒漠草原区的一项研究表明，水分对土壤种子库的效应比温度、光照、坡度等环境因子更大[38]。适当增加土壤水分对植被生长起促进作用，物种多样性和生产力增加，从而增加种子产量[39]。本研究中，亚高山草地土壤种子库密度与土壤水分含量呈显著正相关关系。这可能是由于随着草地退化程度的加剧，草地植被盖度降低，增大土壤裸露面积，从而导致地表蒸发量较大，浅层土壤水分含量降低[40]，土壤种子库密度降低。土壤水分过高会导致土壤中氧气含量降低，种子的萌发同时受到水分和含氧量限制，使得种子腐烂，影响种子库大小[41]。

3.3 土壤种子库与地上植被的相似性

土壤种子库与地上植被的关系因植被类型、演替阶段、环境条件、受干扰程度等的不同，存在较大的差异。有研究表明，森林[10]、草地[42]、黄土丘陵退耕地[9]土壤种子库与现存植被的组成相似性都不大，而在草地沙化过程中和草地围封恢复过程中，种子库与地上植被具有较高的相似性[43]。不同演替阶段的植物群落中，土壤种子库与地上植被还表现出一定的动态关系[44]。本研究中，人类活动对亚高山草地生态系统造成严重影响，植被和土壤环境因子发生了显著的变化，土壤种子库与地上植被的关系较为复杂。除极度退化草地以外，其他3种退化程度草地的土壤种子库与地上植被物种组成差异显著。在较大频率的干扰下，地上植被与土壤种子库组成的相似性较高[45]。干扰较轻的草地中，多年生草本占优势[46]，其种子在土壤中持久性较小[47]，对土壤种子库的形成贡献较小。如Chambers等人[48]发现在多年生禾草占优势的草地上，优势草本物种对土壤种子库丰富度的贡献非常小，地上植被和土壤种子库的物种差异较大。此外，本研究发现不同退化程度的草地，土壤种子库之间的相似性要高于地上植被之间的相似性，表明干扰导致的土地退化对地上植被的影响要大于对种子库的影响，种子库对草地的退化可以起到一定的缓冲作用[28]。

4 结论

土壤种子库对植被的恢复发挥重要的作用，草地退化对土壤种子库产生影响。亚高山草地土壤种子库主要分布于0～5 cm的表层土壤中。随着退化程度的加重，亚高山草地多年生植物的比例呈降低趋势，物种多度和丰富度显著减少，影响种子库的密度和多样性。干扰强度较大时，土壤种子库受到严重破坏，植物多样性显著降低，地上植被与地下种子库的相似性较大；干扰强度较弱时，草地地上植物群落与土壤种子库的物种组成差异显著。土壤pH和土壤水分是亚高山草地土壤种子库密度和多样性的主要影响因素。亚高山草地受到破坏后，水土流失加剧了土壤种子库减少趋势，加之土壤营养缺乏，碱性增强，不利于种子萌发，导致草地自然更新极为困难。