不同封育年限寧夏荒漠草原土壤種子庫研究

劉 華，蔣 齊，王占軍，潘占兵

（寧夏農(nóng)林科學院 荒漠化治理研究所，銀川 750002）

土壤種子庫是指存在于土壤表面和土壤中全部存活種子的總和［1－3］。我國有關(guān)種子庫的研究起步相對較晚［2－5］，主要集中在森林和草原等自然生態(tài)系統(tǒng)，研究內(nèi)容主要涉及土壤種子庫的空間格局、時空動態(tài)分析、與地上植被關(guān)系、影響因素，以及種子萌發(fā)的影響因素等［5］。近幾十年來有關(guān)土壤種子庫的研究一直是恢復生態(tài)學和保育生態(tài)學研究的熱點和前沿課題［6］，研究土壤種子庫對退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復與重建具有重要的理論和實踐意義［7］。

荒漠草原在我國溫帶草原中占有重要地位，它具有獨特的生態(tài)地理條件［8］，是我國草原中最旱生的一類，分布于內(nèi)蒙古中部及寧夏一帶。寧夏荒漠草原是一個遭破壞嚴重的生態(tài)區(qū)域，由于受自然環(huán)境和人口的雙重壓力，超載過牧十分嚴重［9］。2003年5月1日起寧夏開始在全區(qū)天然草原實施禁牧封育，草原生態(tài)惡化趨勢得到有效遏制，草原生態(tài)系統(tǒng)得到休養(yǎng)生息。近年來，國內(nèi)開展了大量的關(guān)于退化草原的改良、封育、可持續(xù)利用方面的研究，但是對圍封效果仍缺乏定量的評價。因此，開展寧夏荒漠草原圍欄封育后土壤種子庫的特點和規(guī)律的研究，可以為該區(qū)域草原土壤種子庫的研究提供理論依據(jù)，也可為草原禁牧、封育的定量評價提供參考，為寧夏荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)生物多樣性的保護和退化草原的恢復與重建提供依據(jù)。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于寧夏鹽池縣北部柳楊堡鄉(xiāng)，屬于毛烏素沙地的西南緣，北緯37°40′，東經(jīng)106°45′。在地質(zhì)構(gòu)造上屬于鄂爾多斯臺地，地面經(jīng)過長期剝蝕，形成波狀起伏的高原景觀，海拔1 400～1 500 m。上覆薄層黃土，下覆白砂巖。該區(qū)屬于典型的中溫帶大陸性氣候，年降水量230～300 mm，年際變化較大。潛在蒸發(fā)量2 100 mm，年均氣溫7.6℃，≥10℃積溫2 945℃，無霜期120 d。草原類型屬于荒漠草原，土壤屬于淡灰鈣土。除此，還有風沙土、鹽堿土等隱域土類。

1.2 研究方法

于2006－2007年，分別在封育1 a、封育3 a、封育6 a的研究區(qū)內(nèi)按不同方向設(shè)置100 m樣線5條，每10 m設(shè)置一個1 m×1 m的樣方，調(diào)查每個樣方中的植被蓋度、密度、頻度和高度，并在每個樣方中做好標記，于每年3－4月用自制的10 cm×10 cm的種子庫取樣器在每個小樣方內(nèi)分0－5 cm和6－10 cm兩層取土樣。然后把帶回試驗室的土樣，用孔徑0.3 mm的土壤篩過篩，并將篩取的土樣充分混勻以供萌發(fā)。選用15 cm×13 cm花盆做發(fā)芽床，裝填無植物種子的沙土做基墊。取適量篩取土樣平鋪于花盆表層，適當澆水保持土壤濕潤。觀察并將記錄種子萌發(fā)情況，對能鑒別出的植物拔除，分類統(tǒng)計。

1.3 數(shù)據(jù)處理

種子庫密度：將萌發(fā)實驗的統(tǒng)計結(jié)果按參試篩取土樣占原篩取土樣的比例及取樣面積大小換算為1 m2種子數(shù)量。

采用 Margalef多樣性指數(shù)、Menhiniek多樣性指數(shù)和Shannon-Weaver多樣性指數(shù)，Peilou均勻性系數(shù)、Sorensen的相似性系數(shù)［10］等計算種子庫物種豐富度、物種多樣性指數(shù)和相似性。

采用Sorensen相似性系數(shù)公式為

式中：a——樣地A中的物種數(shù)；b——樣地B中的物種數(shù)；c——樣地A和B中共有的物種數(shù)。

Margalef多樣性指數(shù)：R＝（S－1）／lnN

Menhiniek多樣性指數(shù)：D＝S／

Peilou均勻性系數(shù)：E＝H／lnS

式中：S——種數(shù)；N——種的個體總數(shù)；ln——自然對數(shù)；Pi——第ni個種的可能重要性即Pi＝ni／N。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤種子庫的物種組成

圖1表明，在0－5 cm土壤中，封育1 a樣地共統(tǒng)計到5種植物，分別為：地錦（Euphorbiahumifusa）、狗尾草（Setariaviridis）、豬毛菜（Salsolacollina）、鐵桿蒿（Artemisiavulgare）、畫眉草（Eragrostis pilos）；封育3a樣地共統(tǒng)計到5種植物，分別為：牛枝子（Lespedezapotaninii）、狗尾草、遠志（Polygala tenuifoliaceae）、畫眉草、白草（Pennisetumcentrasiaticum）；封育6a樣地共統(tǒng)計到8種植物，分別為：牛枝子（Lespedezapotaninii）、白沙蒿（Artemisia sphaerocephala）、狗尾草、鐵桿蒿、畫眉草、草木樨狀黃芪（AstragalusMelilotoides）、白草、遠志。其中，封育1 a的樣地中的植物分屬4科，禾本科、菊科、大戟科、藜科，禾本科所占比例較高為40%，其它科均為20%；封育3 a的樣地中的植物分屬3科，豆科、禾本科、遠志科，禾本科所占比例較高為60%，豆科和遠志科較低均為20%；封育6 a的樣地統(tǒng)計到的8種植物分屬4科，豆科、禾本科、菊科、遠志科，禾本科所占比例較高為37.5%，豆科和菊科次之均為25%，遠志科較少為12.5%。在6－10 cm土壤中，種子的萌發(fā)較少，封育6 a的樣地統(tǒng)計到了豆科和禾本科的各一種植物萌發(fā)，封育3 a和1 a的樣地沒有種子萌發(fā)。由此說明，在寧夏荒漠草原隨封育年限的增加，豆科植物所占的比例逐漸增加，土壤種子庫中的植物種數(shù)也在增加；隨土層深度的增加，土壤種子庫的植物種數(shù)減少。

圖1 不同封育年限樣地0－5 cm植物種數(shù)

生活型的分析表明（圖2），在0－5 cm土層中，封育時間的增加對植物生活型的影響較為明顯，隨封育年限的增加，一年生草本植物所占的比例呈逐漸減少的趨勢，多年生草本植物的比例逐漸增加，半灌木或灌木的比例逐漸增加。在封育1 a、3 a及6 a樣地的植物種中，一年生草本植物所占的比例分別為80%，40%，14%；多年生草本植物所占的比例分別為20%，40%，57%；半灌木或灌木所占的比例為0，20%，29%。在6－10 cm土層中，封育6 a的植物生活型主要為多年生植物和半灌木。

圖2 不同封育年限地0－5 cm種子庫的生活型

2.2 土壤種子庫的數(shù)量特征

土壤種子庫的大小是指單位面積土壤內(nèi)所含的有活力的種子數(shù)量［5］。封育不同年限的土壤種子庫密度不同，土壤種子庫的密度隨封育時間的增加而增加，在垂直分布上，隨土層深度的增加單位面積的種子數(shù)量減少，種子主要分布于0－5 cm土層，6－10 cm土層中種子很少。0－5 cm土層封育1 a、3 a及6 a的土壤種子庫密度分別為983粒／m2、1 000粒／m2、1 067粒／m2，6－10 cm 土層封育1 a、3 a及6 a的土壤種子庫密度分別為0粒／m2、0粒／m2、250粒／m2。由此說明，寧夏荒漠草原的土壤種子庫主要存在于0－5 cm土層中。

表1 不同封育年限草原的種子庫數(shù)量 粒／m2

2.3 種子庫物種多樣性

在0－5 cm土層中，封育使土壤種子庫的物種多樣性和豐富度明顯增加，并隨封育年限的增加而增加。從表2中可看出，封育6 a樣地的物種數(shù)高于封育3 a和封育1 a，封育6 a樣地的Margalef指數(shù)、Menhiniek指數(shù)、Shannon-Weaver指數(shù)、Pielou指數(shù)均高于封育3 a和封育1 a樣地。

2.4 土壤種子庫與地上植被的相似性

從表3可看出，在0－5 cm土層，隨封育年限的增加，土壤種子庫與地上植被的相似性程度逐漸增加，封育6 a的最高，封育3 a次之，封育1 a最低，封育1 a、封育3 a、封育6 a樣地土壤種子庫與地上植被的Sorensen相似性系數(shù)分別為0.16，0.176 5，0.5。

在6－10 cm土層，封育6 a樣地的土壤種子庫與地上植被的相似性較低，Sorensen相似性系數(shù)為0.125。

表2 不同封育年限草原0－5 cm的種子庫物種多樣性

表3 0－5 cm土層相似性系數(shù)計算

3 結(jié)論與討論

（1）在0－10 cm土層中，種子萌發(fā)主要集中在0－5 cm土層中，6－10 cm土層種子萌發(fā)較少。0－5 cm土層中，封育對寧夏荒漠草原土壤種子庫的物種組成和植物種數(shù)有較大影響，隨封育年限的增加可明顯增加土壤種子庫中的豆科植被所占的比例，植物的種數(shù)也明顯增加；隨封育年限的增加，一年生草本植物所占的比例呈逐漸減少的趨勢，多年生草本植物的比例逐漸增加，半灌木或灌木的比例逐漸增加。隨土層深度的增加，土壤種子庫的植物種數(shù)減少。

（2）目前，許多研究者認為土壤種子庫垂直分布的規(guī)律為：土壤種子庫主要分布于0－5 cm的土層，5－15 cm 的土層中種子含量較少［3－4，11］，本研究也得出了相同的結(jié)論：在垂直分布上，隨土層深度的增加單位面積的種子數(shù)量減少，種子主要分布于0－5 cm土層，6－10 cm土層中種子很少；封育不同年限的土壤種子庫密度不同，土壤種子庫的密度隨封育時間的增加而增加。

（3）蘇楞高娃［12］研究了封育對沙化典型草原土壤種子庫的影響后認為：封育使土壤種子庫的物種多樣性及豐富度增加，本研究也得出了一致的結(jié)論，在0－5 cm土層中，封育使土壤種子庫的物種多樣性和豐富度明顯增加，并隨封育年限的增加而增加。

（4）土壤種子庫與地上植被的關(guān)系主要有兩種結(jié)論，即不相似性和相似性［3］。在寧夏荒漠草原0－5 cm土層和6－10 cm土層中，土壤種子庫和地上植被的相似性都較低，并且，在0－5 cm土層，隨封育年限的增加，土壤種子庫與地上植被的相似性程度逐漸增加，封育6 a的最高，封育3 a次之，封育1 a最低。

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