汶川地震不同次生地質(zhì)災害類型區(qū)土壤種子庫特征

彭賢鋒，史常青，趙廷寧，梁 超，馮晶晶，張成梁，高 俊，龍 軍，王興宇，韓 煜

（1.北京林業(yè)大學 水土保持與荒漠化防治教育部重點實驗室，北京 100083；2.輕工業(yè)環(huán)境保護研究所，北京 100089；3.四川省水土保持生態(tài)環(huán)境監(jiān)測總站，四川 成都 610041；4.四川省北川縣林業(yè)局，四川 北川 622750；5.中國環(huán)境科學研究院 環(huán)境基準與風險評估國家重點實驗室，北京 100012）

土壤種子庫指土壤表面落葉層和土壤中所有具有生命力的種子的總和［1］，它既是對一個植物群落過去狀況的進化記憶，也是反映群落現(xiàn)在和未來特點的重要因素之一［2］，是植物種群、群落更新與恢復的物質(zhì)基礎［3］。

汶川“5·12”大地震給災區(qū)人民造成了極大的生命和財產(chǎn)的損失，除了地震震動破壞效應和地表破裂效應，地震還引發(fā)的大量次生地質(zhì)災害，僅北川縣就形成了581處滑坡、崩塌和泥石流［4］。這些次生地質(zhì)災害導致重災區(qū)森林損毀，地表原有植被被覆蓋，形成地表覆蓋大量松散碎石的裸地，對生態(tài)環(huán)境造成了毀滅性的損害［5］，生態(tài)環(huán)境的恢復工作艱巨復雜。震后關(guān)于災區(qū)植被恢復的研究很多，大多集中于地表植被系統(tǒng)或立地條件的研究，而植物種群、群落更新與恢復的物質(zhì)基礎——土壤種子庫卻少有涉及。為了更好地探索地震災區(qū)植被恢復的特點，以北川縣為研究點，對不同災害類型的土壤種子庫及相應地上植被進行調(diào)查研究，以期通過研究不同次生地質(zhì)災害土壤種子庫的特點及與地上植被的關(guān)系，對災區(qū)植被恢復潛力的評價和植被恢復模式提供理論依據(jù)和支撐。

1 研究內(nèi)容與方法

1.1 研究區(qū)概況

北川縣位于四川西北盆地邊緣，幅員面積2869 km2。山脈大致以白什、外白為界，其西屬岷山山脈，其東屬龍門山脈，海拔540～4769 m。主要河流有湔江、蘇寶河、平通河，順山勢自西北流向東南。該區(qū)屬于北亞熱帶濕潤季風氣候類型，四季分明，氣候溫和，雨量充沛，年平均降水量1002 .7mm，境內(nèi)形成龍門山暴雨區(qū)，夏季暴雨多。年平均氣溫15.6℃，年平均無霜期276d。土壤和植被隨海拔呈帶狀分布，土壤自下而上有黃壤土、棕壤土、高山草甸土，農(nóng)耕地分布于海拔1800 m以下，以礫石土為主。植被有常綠闊葉林、落葉闊葉林、針闊混交林及高山灌叢草甸［6］。

1.2 樣地選擇

北川縣境內(nèi)次生地質(zhì)災害主要集中在東南部及中部地區(qū)，呈條帶狀分布，距離斷裂帶越近地震地質(zhì)災害發(fā)生的程度越重［7］，其中擂鼓鎮(zhèn)—曲山鎮(zhèn)—陳家壩鄉(xiāng)—桂溪鄉(xiāng)段所屬映秀—北川斷裂是“5·12”汶川8.0級地震的主干發(fā)震斷裂，震后地表破裂帶的線性影像清晰，貫通性較好［7－8］。沿北川縣境內(nèi)映秀—北川斷裂沿線選擇5種典型的不同類型次生災害點，包括崩塌、滑坡、泥石流、落石和堰塞湖作為研究對象進行土壤種子庫研究?？h境斷裂沿線主要植被類型為常綠落葉、針葉闊葉混交林，主要森林類型有榿木（Alnus cremastogyne）、柳杉（Cryptomeria fortunei）、杉木（Cunninghamia lanceolata）、厚樸（Magnolia oficinalis）等。

1.3 地上植被調(diào)查與土壤種子庫取樣

2012年7月5號至7月13號在北川縣鄧家鄉(xiāng)海光村崩塌損毀地、洪家壩村泥石流損毀地、曲山鎮(zhèn)景家山落石損毀地、王家?guī)r滑坡?lián)p毀地、唐家山堰塞湖淹沒跡地各設置一個試驗樣地，在各樣地上設置1條5m×30m的樣帶。其中，崩塌損毀地樣帶設置在坡下堆集體，地表覆蓋砂石碎屑和小塊碎石，也有大粒碎石散落，草本層覆蓋度為36%；滑坡?lián)p毀地樣帶設置在滑坡體上，地表覆蓋土砂質(zhì)物質(zhì)和小塊碎石，草本層覆蓋度為55%；泥石流損毀地樣帶設置在泥石流形成區(qū)與堆集區(qū)相連處，地表覆蓋松散大小顆粒碎石，草本層覆蓋度為85%；落石損毀地樣帶設置在坡中偏下部位大塊落石滾過處，有3～5cm淺層土壤母質(zhì)零散留存，草本層覆蓋度為73%；堰塞湖淹沒跡地樣帶設置在坡中部位，地表覆蓋砂石碎屑，幾乎無土壤，草本層覆蓋度為86%。各災害類型樣地的土壤條件都較差，地上植被以草本植物為主，有極少量灌木或喬木種（表1）。

設置完畢樣帶后，在每條樣帶上設置6個5m×5m的樣方進行植被調(diào)查，5m×5m的樣方里調(diào)查喬木；在樣方對角線上兩端取2個2m×2m的小樣方進行灌木調(diào)查；在對角線上隨機取2個1m×1m的小樣方進行草本調(diào)查。

在5m×5m的樣方里對角線交點處取面積大小為20cm×10cm，深度為0—5cm，5—10cm的兩塊土樣作為土壤種子庫樣本。遇到祼巖或樹根盤結(jié)區(qū)域避開，在原設取樣點附近取樣。取完土樣后裝入自制土袋或自封帶，作好標記帶回備用，并在調(diào)查表上作好取樣記錄。共計取樣6×2×5＝60個。

表1 研究樣地基本概況

1.4 土樣濃縮和均勻處理

從樣地取回土樣后在室內(nèi)及時攤開，分別擺放，作好標記，在室內(nèi)自然溫度環(huán)境下風干。將風干的土樣過10mm孔篩，剔除土壤中大部分雜物和大顆粒石子，并用適當力度手工把土樣碾開，使其盡量分散和質(zhì)地均勻，并且注意保證種子的完整性。土樣濃縮處理有助于減少土樣體積，充分利用光熱條件，促進種子快速萌發(fā)。將處理好的土樣分袋裝好，作好標記備用。

1.5 萌發(fā)試驗

萌發(fā)試驗在北川縣當?shù)厥彝猸h(huán)境進行。在擂鼓鎮(zhèn)麻柳灣選擇一塊開闊場地作為萌發(fā)試驗場地，場地開闊平坦，遠離其它植被，能滿足光照和擋雨要求，保障試驗正?？沙掷m(xù)進行。

從2012年8月13號將風干后的土樣分別裝入內(nèi)徑約為27cm的塑料萌發(fā)盤均勻攤開，作好識別標記，花盤土層厚度2～3cm；為防止土壤水分過度飽和，在花盤底中心鉆直徑約5mm的小孔排出過多水分；在土樣中混入適量珍珠巖，起到保持水分、防止土壤板結(jié)的效果。從第1天開始不定期澆水，保證土壤濕潤，幼苗出土后開始每隔兩天定期記錄一次各花盤種子萌發(fā)數(shù)量。在后續(xù)觀察記錄過程中及時鑒定可識別的小苗并作好記錄后拔除，對于不能鑒定小苗繼續(xù)培養(yǎng)，直到長大可識別為止。2012年12月23號所有小苗鑒定出后，萌發(fā)試驗結(jié)束。

1.6 數(shù)據(jù)處理

利用Excel和SPSS 18.0軟件進行數(shù)據(jù)處理和分析。單因素方差分析法分析不同樣地種子庫密度的差異性；用Pearson相關(guān)分析法分析種子庫與相應地上植被之間物種數(shù)的相關(guān)性；用Sorensen相似性系數(shù)（SC）度量土壤種子庫及地上物種組成的相似性程度。

式中:s——土壤種子庫中物種數(shù)；d——地表植被物種數(shù)；w——種子庫和相應地表植被共有物種數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 種子庫物種組成及萌發(fā)動態(tài)

本次試驗共觀察到物種42種，包含20科，36屬，詳見表2。從表2可以看出，絕大部分為一年生或多年生草本植物，所占比例為90.48%；灌木有茅莓（Rubus parvifolius）、刺天茄（Solanum indicum）、羊耳菊（Inula cappa）、山烏桕（Sapium discolor），占所有物種比例為9.52%，沒有觀察到喬木種。各個災害類型土壤種子庫都包含的植物種有小蓬草（Conyza canadensis），鼠麴草（Gnaphalium afine），野茼蒿（Crassocephalum crepidioides），黃鵪菜（Youngia japonica），附地菜（Trigonotis peduncularis）、飛蓬（E－rigeron acer），牛至（Origanum vulgare），刺天茄（Solanum indicum）。

種子庫的萌發(fā)動態(tài)特征反映種子萌發(fā)的時間格局。圖1—2記錄了各個災害類型0—5cm和5—10 cm土層土壤層種子從開始萌發(fā)（第1天）到不再有新種子萌發(fā)（第76天）時間段的萌發(fā)動態(tài)。從圖1—2中可以看出，各樣地土壤種子庫萌發(fā)開始后短期內(nèi)（大部分集中在第1周）會經(jīng)歷一段短暫萌發(fā)高峰期，隨后萌發(fā)數(shù)量進入緩慢上升階段。土壤種子庫的短期爆發(fā)式萌發(fā)特征顯示這些種子庫有潛力集中為地上輸出植被。

2.2 土壤種子庫垂直分布特征

圖3反映了不同土層土壤種子數(shù)量所占相應樣地土壤種子庫總量的百分比。由圖3可以看出，崩塌損毀地、泥石流損毀地、落石損毀地種子分布0—5cm土層接近或略低于5—10cm土層，堰塞湖淹沒跡地、滑坡?lián)p毀地種子分布0—5cm土層接近或略高于5—10cm土層。

總體上，各個損毀林地0—5cm土層與5—10cm土壤層種子密度相差不大，種子庫數(shù)量分布沒有表現(xiàn)明顯分層區(qū)別。

表2 試驗區(qū)不同災害類型土壤種子庫物種

圖1 研究區(qū)0－5cm土層土壤種子庫萌發(fā)動態(tài)

圖2 研究區(qū)5－10cm土層土壤種子庫萌發(fā)動態(tài)

圖3 不同災害類型土壤種子庫數(shù)量垂直分布

2.3 不同災害類型種子庫特征差異性分析

5種不同災害類型種子庫密度為30133 .33±6776 .03～93383 .33±26499 .81粒／m2。單因素方差分析表明（表3），落石損毀地種子庫密度明顯高于其它幾種災害類型，差異顯著，其它4種災害類型土壤種子庫密度差異不顯著。落石損毀地和堰塞湖淹沒跡地極差值較大，表明這兩個樣地中種子分布離散程度較大。

表3 不同災害類型土壤種子庫平均密度

2.4 不同災害類型土壤種子庫與地上植被的相關(guān)性

對不同災害類型土壤種子庫物種數(shù)與地上植被物種數(shù)進行Pearson相關(guān)分析，結(jié)果詳見表4。由表4可以看出，崩塌損毀地、泥石流損毀地、滑坡?lián)p毀地、堰塞湖淹沒跡地相關(guān)系數(shù)r分別為－0.315，0.335，－0.248和0.175，土壤種子庫物種數(shù)與地上植被物種數(shù)均呈不顯著相關(guān)；落石損毀地相關(guān)系數(shù)為0.000，土壤種子庫物種數(shù)與地上植被物種數(shù)完全不相關(guān)。可見，不同災害類型土壤種子庫與地上植被的相關(guān)性并不密切。

表4 不同災害類型土壤種子庫與地上植被物種數(shù)的相關(guān)性

2.5 不同災害類型土壤種子庫與地上植被物種組成的相似性

表5為不同災害類型土壤種子庫及地上植被相似性指數(shù)。由表5可知，落石損毀地、堰塞湖淹沒跡地土壤種子庫與地上植物相似性相對較高，泥石流損毀地、滑坡?lián)p毀地、崩塌損毀地土壤種子庫與地上植物相似性較低，均低于0.200。各災害類型地上植物相似性指數(shù)最低0.271，最高0.520，主要介于0.300～0.400，相似性較高。各災害類型土壤種子庫植物的相似性指數(shù)介于0.529～0.714，表現(xiàn)出明顯的相似性。

表5 不同災害類型土壤種子庫及地上植被物種組成的Sorensen指數(shù)

3 結(jié)果討論

取樣的時間是種子庫研究的重要問題之一，取樣時間不同影響種子庫的結(jié)果，其內(nèi)容和意義也不同。一般認為多年生植物和（或）夏季一年生植物占優(yōu)勢的群落中，在夏天采集的土樣，種子完成萌發(fā)而新的種子尚未成熟和散布，其研究對象是持久種子庫［9］。本研究土壤種子庫以一年生或多年生草本為主，采樣時間是7月，植物多在春季完成萌發(fā)，而新的種子還未散布到土壤中，因此得到的種子庫是持久種子庫。持久種子庫在植被承受干擾后的恢復中常起關(guān)鍵作用［10］，這是由于埋藏在土壤中的種子更能逃避干擾、疾病的捕食的損害［11］，例如研究地中草皮被刈割后，植物仍能靠持久種子庫繁衍［12］。

一般情況下，土壤種子庫垂直分布表現(xiàn)明顯的異質(zhì)性，隨土壤深度的增加，種類和密度均逐漸減少［13－15］。本研究中0—5cm 與5—10cm 土層種子庫密度相差不明顯，這是持久種子庫與短暫種子庫的區(qū)別之一［16］，這種垂直分布格局有利于種子庫的保存。汶川地震破壞土體、形成了大量的顆粒侵蝕堆積物［5，17］，破碎的土層結(jié)構(gòu)具有不穩(wěn)定性，在雨水和徑流的沖刷下易形成水土流失，隨之流失的還有表土層中的大量種子，5—10cm深土層存在的大量種子將能避免土壤中的種子庫大量損失，使得植被天然更新恢復得到了物質(zhì)保障。本研究未涉及到10cm以下土層的種子庫情況，也沒有對各損毀地的水肥條件及土壤理化性質(zhì)作系統(tǒng)調(diào)查，不能對幼苗的生長環(huán)境做出細致評價，這是后續(xù)研究需要補充的內(nèi)容。

當年已經(jīng)萌發(fā)更新的植物主要由短暫種子庫提供，而存留在土壤中的種子構(gòu)成了持久種子庫［18］。比較物種組成的相似性系數(shù)，各災害類型地上植物之間及土壤種子庫之間相似性較高，而土壤種子庫與相應地上植物之間相似性不高，從這種相似性關(guān)系可以看到各種次生地質(zhì)災害類型具有相似度較高的短暫種子庫和持久種子庫。這表明種子庫對于次生地質(zhì)災害的干擾表現(xiàn)出了相似的生活史繁殖對策，在地震形成的特有生境下某些植物選擇了萌發(fā)，而某些植物實行強迫休眠［19］，了解到這些情況可以幫助研究者確定種子庫中哪些物種是可以即時利用的，哪些物種能夠?qū)ξ磥淼娜郝溲萏娣较蛴胸暙I［20］。事實上，觀察到的持久土壤種子庫主要由草本植物組成，有較少的灌木種，沒有喬木種，未來建成喬木群落只能依靠外來種子雨入侵達成，為了盡早形成更為穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)——喬木林，應當考慮人為輸入喬木種子雨，還可結(jié)合當?shù)氐慕?jīng)濟林木種實現(xiàn)生態(tài)效益、經(jīng)濟效益的兼得。

5種次生地質(zhì)災害類型中，落石受損地土壤種子庫密度明顯高于其它幾種災害受損地，分析其原因，落石下滾毀林的方式對土層破壞相對要小，且大顆粒落石毀林后穩(wěn)定下來，落石與落石間容易形成較好的保水保土空間，這些土壤更容易捕獲和容納更多的種子，在萌發(fā)試驗的時候也能提供更充足的養(yǎng)分；堰塞湖跡地經(jīng)水淹沒退水后帶走大量土壤和養(yǎng)分，崩塌、滑坡、泥石流表層覆蓋松散碎屑，保水保肥能力差。不同的災害損毀方式導致了土壤的水肥差別，土壤種子庫種子萌發(fā)能力的強弱因此受到影響，落石損毀地提供植物更新源的能力最強。

4 結(jié)論

（1）通過對汶川地震北川縣災區(qū)不同次生地質(zhì)災害類型的調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該區(qū)存在規(guī)模較大的持久土壤種子庫，損毀地種子庫密度介于30133 .33±6776.03～93383 .33±26499 .81粒／m2，落石損毀地顯著高于其它損毀地。共觀察到物種42種，一年生或多年生草本植物所占比例為90.48%，其余為灌木種，沒有發(fā)現(xiàn)喬木種。次生地質(zhì)災害對植被系統(tǒng)和土壤層面損毀嚴重，但其形成的持久種子庫密度垂直分布格局有利于種子的儲存和植被恢復更新。各次生地質(zhì)災害地土壤種子庫豐富的種子儲量和一定優(yōu)勢的分布格局顯現(xiàn)了植被具有自我恢復更新的潛力，落石損毀地相比其它災害類型具有優(yōu)勢。

（2）考慮到損毀地區(qū)域地質(zhì)災害的易發(fā)性和多發(fā)性，建議對于祼露巖面、人為活動較少的區(qū)域等地的植被恢復采取自然恢復的措施，其條件能夠滿足生態(tài)修復的要求，但由于種子庫里喬木種缺失，對于居民、道路、景區(qū)等較迫切需要恢復的區(qū)域考慮引入喬木種子庫。

（3）地震引發(fā)的次生地質(zhì)災害與傳統(tǒng)的崩塌、滑坡有所差異，其誘發(fā)因素屬于動力性，破壞嚴峻，并且很多時候彼此相伴而生［21］，這就決定了其形成獨特的生境，水肥條件也都較差，若采取簡易的水土保持措施和適量客土措施，將會促進種子的萌發(fā)和植被的更新。

致謝:北京林業(yè)大學的張志翔和沐先運老師在植物鑒定方面給予了很大幫助，北川縣林業(yè)局周進站長、張曉龍科長在野外取樣中為本研究提供很多支持和幫助，在此一并表示感謝。

［1］Thompson K，Grime J P.Seasonal variation in the seed banks of herbaceous species in ten contrasting habitats［J］.The Journal of Ecology，1979，67（3）:893－921.

［2］Coffin D P，Lauenroth W K.Spatial and temporal variation in the seed bank of semi arid grassland［J］.American Journal of Botany，1989，76（1）:53－58.

［3］沈有信，趙春燕.中國土壤種子庫研究進展與挑戰(zhàn)［J］.應用生態(tài)學報，2009，20（2）:467－473.

［4］王根龍，張軍慧，劉紅帥.汶川地震北川縣城地質(zhì)災害調(diào)查與初步分析［J］.中國地質(zhì)災害與防治學報，2009，20（3）:47－51.

［5］張翔，王慶安，王文國，等.汶川地震極重災區(qū)植被恢復分區(qū)研究［J］.中國水土保持，2010（5）:48－51.

［6］北川縣志編纂委員會.自然地理［M］∥北川縣志編纂委員會.北川縣志.北京:方志出版社，1996:103－138.

［7］黃庭，張志，谷延群，等.基于遙感和GIS技術(shù)的北川縣地震次生地質(zhì)災害分布特征［J］.遙感學報，2009，24（1）:177－182.

［8］李勇，黃潤秋，周榮軍，等.龍門山地震帶的地質(zhì)背景與汶川地震的地表破裂［J］.工程地質(zhì)學報，2009，17（1）:3－18.

［9］李洪遠，莫訓強，郝翠.近30年來土壤種子庫研究的回顧與展望［J］.生態(tài)環(huán)境學報，2009，18（2）:731－737.

［10］閆巧玲，劉志民，李榮平.持久土壤種子庫研究綜述［J］.生態(tài)學雜志，2005，24（8）:948－952.

［11］Chang E R，Jefferies R L，Carleton T J.Relationship between vegetation and soil seed banks in an arctic coastal marsh［J］.Journal of Ecology，2001，89（3）:367－384.

［12］Bekker R M，Lammerts E J，Schutter A，et al.Vegetation development in dune slacks:The role of persistent seed banks［J］.Journal of Vegetation Science，1999，10（5）:745－754.

［13］何召琬，程積民，萬惠娥，等.子午嶺天然柴松林土壤種子庫［J］.中國水土保持科學，2009，7（6）:85－91.

［14］唐慶蘭，朱宇林，張照遠，等.桉樹人工林土壤種子庫研究［J］.中國農(nóng)學通報，2012，28（1）:12－16.

［15］Bekker R M，Bakker J P，Grandin U，et al.Seed size，shape and vertical distribution in the soil:Indicators of seed longevity［J］.Functional Ecology，1998，12（5）:834－842.

［16］程積民，程杰，趙凌平.土壤種子庫在典型草原封禁恢復演替過程中的作用［M］∥程積民，程杰，趙凌平.黃土高原植被恢復與土壤種子庫.北京:科學出版社，2012:249

［17］王兆印，劉丹丹，施文婧.汶川地震引發(fā)的顆粒侵蝕及其治理［J］.中國水土保持科學，2009，7（6）:1－8.

［18］于順利，陳宏偉，郎南軍.土壤種子庫的分類系統(tǒng)和種子在土壤中的持久性［J］.生態(tài)學報，2007，27（5）:2099－2108.

［19］劉志民，蔣德明，高紅瑛，等.植物生活史繁殖對策與干擾關(guān)系的研究［J］.應用生態(tài)學報，2003，14（3）:418－422.

［20］馮秀，仝川，丁勇，等.土壤種子庫在植被恢復與重建中的作用與潛力［J］.內(nèi)蒙古大學學報:自然科學版，2007，38（1）:102－108.

［21］郝利娜，張志.映秀—北川斷裂帶沿線崩滑體分布規(guī)律淺析［J］.煤田地質(zhì)與勘探，2009，37（5）:43－46.