典型極小種群野生植物保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)研究

臧潤(rùn)國(guó), 董 鳴,李俊清,陳小勇,曾宋君,江明喜,李鎮(zhèn)清,黃繼紅

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 杭州 310036 3 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083 4 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 天童森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站,上海 200062 5 中國(guó)科學(xué)院華南植物園, 廣東省應(yīng)用植物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510650 6 中國(guó)科學(xué)院武漢植物園,中國(guó)科學(xué)院水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074 7 中國(guó)科學(xué)院植物研究所, 植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093

典型極小種群野生植物保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)研究

臧潤(rùn)國(guó)1,*, 董 鳴2,李俊清3,陳小勇4,曾宋君5,江明喜6,李鎮(zhèn)清7,黃繼紅1

1 中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 杭州師范大學(xué)生命與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 杭州 310036 3 北京林業(yè)大學(xué)林學(xué)院, 北京 100083 4 華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 天童森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外觀測(cè)研究站,上海 200062 5 中國(guó)科學(xué)院華南植物園, 廣東省應(yīng)用植物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 廣州 510650 6 中國(guó)科學(xué)院武漢植物園,中國(guó)科學(xué)院水生植物與流域生態(tài)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 武漢 430074 7 中國(guó)科學(xué)院植物研究所, 植被與環(huán)境變化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100093

極小種群野生植物是急需優(yōu)先搶救的國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)瀕危植物。目前,有關(guān)極小種群野生植物瀕危原因及相應(yīng)解瀕技術(shù)的研究還非常缺乏,已有的植物種群生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)理論對(duì)極小種群植物并不完全適用,迫切需要研發(fā)有針對(duì)性的科學(xué)理論和保育技術(shù)。介紹了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“典型極小種群野生植物保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)研究(2016YFC0503100)”的研究意義、內(nèi)容、目標(biāo)及展望。項(xiàng)目擬針對(duì)典型極小種群野生植物開展保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)的研究,擬構(gòu)建極小種群野生植物的種群生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)理論體系,研發(fā)極小種群野生植物保護(hù)和更新復(fù)壯的技術(shù)體系,并建立相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和示范基地,為極小種群野生植物的保護(hù)與可持續(xù)利用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

極小種群野生植物；致瀕機(jī)制；就地保護(hù)；擴(kuò)繁技術(shù)；遷地保護(hù)；回歸技術(shù)

物種滅絕是全球最嚴(yán)重的生態(tài)問題之一,直接威脅著人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展[1]。種群大小是IUCN評(píng)估物種瀕危等級(jí)5個(gè)指標(biāo)中最重要的指標(biāo)[2]。極小種群野生植物物種屬于極度瀕危的植物物種,其現(xiàn)存?zhèn)€體數(shù)少于最小可存活種群大小,且常常分布地域狹窄,天然更新極差,面臨著極高的隨時(shí)滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。國(guó)內(nèi)外專門針對(duì)極小種群野生植物保護(hù)與恢復(fù)的研究還沒有系統(tǒng)地開展過,但近年來國(guó)際上對(duì)此類研究的關(guān)注度逐漸增加[3],。有關(guān)極小種群植物的內(nèi)容主要體現(xiàn)在對(duì)珍稀瀕危植物的研究中。

珍稀瀕危植物的生存潛力、維持機(jī)制及受威脅的因素分析是保護(hù)生物學(xué)家關(guān)注的焦點(diǎn)之一[4]。已有的研究表明,物種維持機(jī)制的研究已從現(xiàn)象描述以及單一的種群生態(tài)學(xué)研究,發(fā)展成為多學(xué)科相互交叉和滲透的綜合性研究,取得了令人鼓舞的進(jìn)展[5]；瀕危物種的主要受威脅因素包括環(huán)境變化[6]、生物相互作用[7]以及自身遺傳限制[8]等方面。近年來,在考慮進(jìn)化與適應(yīng)性的基礎(chǔ)上,預(yù)測(cè)瀕危物種的分布與生存潛力也備受關(guān)注[9]。盡管如此,迄今的大多數(shù)研究在物種瀕危的關(guān)鍵環(huán)節(jié)-小種群的成因和后果方面的分析仍然十分有限,尤其是針對(duì)植物物種。

在種質(zhì)資源保護(hù)方面,主要以種群遺傳學(xué)為基礎(chǔ),研究種群進(jìn)化過程及遺傳格局,揭示動(dòng)態(tài)過程和關(guān)鍵影響因素,推斷物種致瀕機(jī)制并制定種質(zhì)資源保護(hù)策略等。當(dāng)前已發(fā)展到應(yīng)用微衛(wèi)星標(biāo)記、SNP標(biāo)記等,結(jié)合高通量測(cè)序方法評(píng)價(jià)遺傳變異[10],采用表型性狀與分子標(biāo)記相結(jié)合的方法構(gòu)建核心種質(zhì),并通過連續(xù)性或間斷性檢測(cè)數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)其代表性。種質(zhì)保存技術(shù)體系包括原地、遷地和設(shè)施保存(低溫種質(zhì)庫、組培苗、體細(xì)胞胚胎和超低溫保存芽)等。

繁殖是植物種群生活史過程最關(guān)鍵的環(huán)節(jié),繁殖能力低下是大多數(shù)珍稀瀕危物種的共同特征,也是其瀕危的一個(gè)重要因素。繁殖瓶頸的突破是珍稀瀕危物種解瀕研究的重中之重,是發(fā)展規(guī)?；臄U(kuò)繁技術(shù)體系的基礎(chǔ)。例如邱園利用無菌播種技術(shù)獲得了大量英國(guó)杓蘭的種苗并成功回歸[11]。我國(guó)雖已對(duì)40多種極小種群野生植物進(jìn)行了繁殖生物學(xué)和繁殖技術(shù)的研究,但擴(kuò)繁成功的物種仍屈指可數(shù)。

瀕危植物保護(hù)主要包括就地保護(hù)和遷地保護(hù)。就地保護(hù)是拯救生物多樣性的重要方式。就地保護(hù)的研究?jī)?nèi)容主要包括：1)通過空缺分析和熱點(diǎn)地區(qū)分析確定就地保護(hù)地點(diǎn)；2)就地保護(hù)物種生境退化過程的研究；3)探索人工促進(jìn)種群的快速恢復(fù)和生境修復(fù)的方法[12]；4)評(píng)價(jià)就地保護(hù)的效果[13-14]。遷地保護(hù)是收集和保存珍稀瀕危植物種質(zhì)資源的重要方式[15]。植物園是遷地保護(hù)珍稀瀕危植物最常規(guī)和有效的場(chǎng)所[16]。潛在生境適宜性評(píng)價(jià)、適宜遷地生境構(gòu)建、遷地種群建立與適應(yīng)性評(píng)價(jià)是遷地保護(hù)成功的關(guān)鍵[17]。同時(shí),加強(qiáng)遷地種群的遺傳管理,規(guī)避潛在的遺傳風(fēng)險(xiǎn),保持物種的遺傳完整性亦是遷地保護(hù)成功的關(guān)鍵因素之一[18]。

瀕危植物野外回歸的研究主要集中在回歸程序、過程管理、評(píng)價(jià)及復(fù)壯等。IUCN 的物種生存委員會(huì)SSC制定了回歸與保育引種的指南[19]。研究表明,影響回歸成功的因子包括繁殖材料類型、種源、生境和種植時(shí)間[20, 21]及種間作用[22]等。通過分析源種群的遺傳及生境相似性選擇回歸地點(diǎn)[23]。在回歸中還需要考慮伴生植物、雌雄比例、基因交流和生態(tài)適應(yīng)性等[24]。國(guó)內(nèi)外有關(guān)回歸的技術(shù)還不很成熟,仍處于探索階段,急需通過同質(zhì)園實(shí)驗(yàn)(common garden)和交互移植-重植實(shí)驗(yàn)(reciprocal transplant experiments)等方法,優(yōu)選回歸方案,實(shí)現(xiàn)有效的野外回歸。

極小種群野生植物是急需優(yōu)先搶救的國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)瀕危植物,面臨著極高的隨時(shí)滅絕的風(fēng)險(xiǎn)。為確保這些脆弱種群及攜帶的獨(dú)特基因資源得以續(xù)存,國(guó)家啟動(dòng)了“全國(guó)極小種群野生植物拯救保護(hù)工程”。目前,有關(guān)極小種群野生植物瀕危原因及相應(yīng)解瀕技術(shù)的研究還非常缺乏,不能滿足工程有效實(shí)施的科技需求。已有的植物種群生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)理論對(duì)極小種群植物并不完全適用,迫切需要研發(fā)有針對(duì)性的科學(xué)理論。從極小種群野生植物的種群維持機(jī)制和更新復(fù)壯技術(shù)等方面開展研發(fā),將為極小種群野生植物的保護(hù)和恢復(fù)提供系統(tǒng)的科技支撐。

1 項(xiàng)目研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)目參照《國(guó)家重點(diǎn)保護(hù)野生植物名錄》、《全國(guó)極小種群野生植物拯救保護(hù)工程規(guī)劃(2011—2015年)》和《中國(guó)珍稀瀕危植物圖鑒》,擬在我國(guó)主要自然保護(hù)區(qū)(或林區(qū))內(nèi),選擇14種典型極小種群野生植物(華南：坡壘(HopeahainanensisMerr. et Chun)、仙湖蘇鐵(CycasfairylakeaD. Yue Wang)、海倫兜蘭(PaphiopedilumhelenaeAvery.)、瑤山苣苔(DayaoshaniacotinifoliaW. T. Wang)；華東：天目鐵木(OstryarehderianaChun)；華中：野生水杉(MetasequoiaglyptostroboidesHu et Cheng)、黃梅秤錘樹(SinojackiahuangmeiensisJ. W. Ge et X. H. Yao)；華北：河北梨(PyrushopeiensisT. T. Yu)；東北：東北紅豆杉(TaxuscuspidataSiebold et Zucc.)；西北：鹽樺(BetulahalophilaChing ex P. C. Li)；西南：華蓋木(ManglietiastrumsinicumLaw)、崖柏(ThujasutchuenensisFranch.)、梓葉槭(AcercatalpifoliumRehder)；青藏區(qū)：密葉紅豆杉(TaxusfaunaNan Li et R. R. Mill.))為對(duì)象開展研究工作,具體技術(shù)路線如圖1所示。

1.1 研究?jī)?nèi)容

(1)極小種群野生植物生存潛力與維持機(jī)制研究：針對(duì)我國(guó)極小種群野生植物目前面臨的生存狀況,開展物種生態(tài)學(xué)、群落結(jié)構(gòu)、生境調(diào)查和監(jiān)測(cè),觀測(cè)其種群動(dòng)態(tài)過程,建立極小種群野生植物的信息管理系統(tǒng),綜合評(píng)估極小種群野生植物生存狀況,初步構(gòu)架我國(guó)主要典型極小種群野生植物的分布圖與生存現(xiàn)狀清單。分析物種生活史和所處生態(tài)系統(tǒng)受損情況,分析極小種群野生植物關(guān)鍵致瀕因素,分析瀕危原因,揭示其生存潛力。通過野外調(diào)查、生態(tài)學(xué)控制實(shí)驗(yàn),比較極小種群野生植物的種群特征差異對(duì)于生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響,分析其在關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)中的作用。系統(tǒng)測(cè)算極小種群植物的種群參數(shù),分析種群的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)、種間關(guān)系及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng),揭示種群長(zhǎng)期生存潛力及其關(guān)鍵影響因素,闡明極小種群野生植物種群維持機(jī)制。

(2)極小種群野生植物種質(zhì)資源保護(hù)技術(shù)研究與示范：利用分子遺傳標(biāo)記分析極小種群植物遺傳結(jié)構(gòu),構(gòu)建單倍型系統(tǒng)進(jìn)化關(guān)系,反演種群歷史動(dòng)態(tài),結(jié)合孢粉/化石信息和重大地質(zhì)歷史事件以及人類活動(dòng)干擾史,推斷極小種群瀕危的驅(qū)動(dòng)因素。結(jié)合種群歷史動(dòng)態(tài)分析極小種群野生植物在生態(tài)系統(tǒng)演變過程中的作用。研究種群遺傳變異格局和表型性狀,建立種質(zhì)資源評(píng)估方法和技術(shù),確定核心種質(zhì)資源,建立極小種群種源保護(hù)地遺傳多樣性保護(hù)和監(jiān)測(cè)技術(shù)體系標(biāo)準(zhǔn)。研發(fā)典型極小種群植物種質(zhì)資源保護(hù)與保存技術(shù),開展極小種群植物種質(zhì)資源保存,建立種質(zhì)資源收集圃和示范種質(zhì)園。

(3)極小種群野生植物就地保護(hù)及生境恢復(fù)技術(shù)研究與示范：分析自然種群特征、生境特征和種源狀況,揭示目標(biāo)物種的生境需求與生態(tài)關(guān)系,研究就地保護(hù)和人工促進(jìn)種群恢復(fù)技術(shù)。研發(fā)人工改造和干預(yù)適用技術(shù),快速改善已受損的生境條件,構(gòu)建符合目標(biāo)物種特性的適宜生境。研究極小種群野生植物近自然保護(hù)技術(shù),構(gòu)建充分滿足物種生存繁衍的最佳生境；建立極小種群野生植物持續(xù)生存的就地保護(hù)示范區(qū)。

(4) 極小種群野生植物擴(kuò)繁技術(shù)研究與示范：根據(jù)目標(biāo)植物種群大小、生物學(xué)特性、小生境狀況及自然分布等,利用種子萌發(fā)、扦插、嫁接、無菌播種和組織培養(yǎng)等多種技術(shù)手段,研究極小種群野生植物的快速繁育技術(shù),分析快速繁育過程中的限制性因子,制定目標(biāo)物種種苗的擴(kuò)繁技術(shù)規(guī)程,為極小種群野生植物的種群復(fù)壯和擴(kuò)繁利用提供關(guān)鍵技術(shù)體系。建立種苗繁殖示范基地進(jìn)行種苗擴(kuò)繁,提供足夠的種苗應(yīng)用于近地保護(hù)、遷地保護(hù)和自然回歸。

圖1 技術(shù)路線圖Fig.1 Technical procedure of the research project

(5)極小種群野生植物遷地保護(hù)技術(shù)研究與示范：根據(jù)目標(biāo)植物特點(diǎn)和所處生境條件,分析極小種群野生植物潛在分布區(qū),進(jìn)行遷地保護(hù)生境選擇研究；評(píng)價(jià)擬遷地生境的適宜性,確定遷地保護(hù)地點(diǎn),研發(fā)遷地保護(hù)的小生境調(diào)控技術(shù)。開展調(diào)控適宜遷地保護(hù)和近自然保護(hù)目標(biāo)物種生長(zhǎng)發(fā)育的小生境研究和試驗(yàn)示范,如培植伴生樹種、調(diào)節(jié)水分供應(yīng)、光照強(qiáng)度、原生地客土或者測(cè)土施肥等,構(gòu)建遷地保護(hù)的整體方案、配套技術(shù)與撫育管理體系,建立遷地保護(hù)試驗(yàn)示范。

(6)極小種群野生植物回歸技術(shù)研究與示范：對(duì)培植技術(shù)成熟、適生條件明確、遷地保護(hù)成功、譜系清晰、遺傳多樣性豐富及可以大量繁殖的極小種群野生植物,開展極小種群野生植物回歸關(guān)鍵技術(shù)研究,具體包括對(duì)人工培育的植株的選擇,適宜地點(diǎn)及生境的評(píng)價(jià)和確定,回歸環(huán)境、回歸時(shí)期、栽培技術(shù)、撫育體系和后期管理配套技術(shù)體系研究,并進(jìn)行試驗(yàn)示范基地建設(shè)。對(duì)于不同種源和不同繁殖方式產(chǎn)生的繁殖體,進(jìn)行系統(tǒng)的適生條件和栽培管理技術(shù)研究,并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)和示范基地建設(shè)。

2 總體目標(biāo)

本項(xiàng)目主要針對(duì)極小種群野生植物種群衰退與更新限制機(jī)理等重大科學(xué)問題,以及核心種質(zhì)確定與保存和種群擴(kuò)繁與復(fù)壯技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)問題開展相應(yīng)的研究與示范,力圖在極小種群的瀕危過程、脅迫因子與維持機(jī)制等方面取得理論上的創(chuàng)新,并在遺傳多樣性與種質(zhì)資源保存、規(guī)模化擴(kuò)繁、就地遷地與回歸保護(hù)等環(huán)節(jié)中存在的技術(shù)瓶頸上產(chǎn)生突破,構(gòu)建極小種群野生植物的種群生態(tài)學(xué)和保護(hù)生物學(xué)理論體系,研發(fā)極小種群野生植物保護(hù)和更新復(fù)壯的技術(shù)體系,在此基礎(chǔ)上,建立相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和示范基地,形成從基礎(chǔ)理論、共性技術(shù)到試驗(yàn)示范全鏈條式的極小種群野生植物保護(hù)工程科技支撐體系,最終為極小種群野生植物的保護(hù)與可持續(xù)利用奠定堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

極小種群野生植物的保護(hù)與種群復(fù)壯,其重要性、緊迫性和必要性是不言而喻的。如何科學(xué)高效地實(shí)施全國(guó)極小種群野生植物拯救保護(hù)工程,是擺在我國(guó)生物多樣性研究與保護(hù)工作者面前迫切需要解決的重大問題。極小種群野生植物由于其種群數(shù)量小、面臨脅迫大及繁殖困難等固有特點(diǎn)也決定了對(duì)其研究與開發(fā)的困難性和挑戰(zhàn)性。一般植物種群理論大都基于大樣本方法而發(fā)展起來,對(duì)極小種群植物并不完全適用,為此,所有研發(fā)方案都必須考慮極小種群植物的諸多特點(diǎn),特別是要重點(diǎn)研發(fā)基于小樣本的方法和理論體系。同時(shí)要針對(duì)植物生活史各階段與野生植物拯救保護(hù)工程各環(huán)節(jié)的技術(shù)需求研發(fā)相應(yīng)的技術(shù)并進(jìn)行集成示范,才能真正構(gòu)建極小種群野生植物全鏈條式的精準(zhǔn)保育技術(shù)集成與示范體系,從而為全國(guó)野生動(dòng)植物保護(hù)與自然保護(hù)區(qū)建設(shè)等生態(tài)建設(shè)工程提供強(qiáng)有力的科技支撐。

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Conservation and restoration for typical critically endangered wild plants with extremely small population

ZANG Runguo1,*, DONG Ming2, LI Junqing3, CHEN Xiaoyong4, ZENG Songjun5, JIANG Mingxi6, LI Zhenqing7, HUANG Jihong1

1KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironment,theStateForestryAdministration,InstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,Beijing100091,China2CollegeofLifeandEnvironmentSciences,HangzhouNormalUniversity,Hangzhou310036,China3CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China4SchoolofEcologicalandEnvironmentalSciences,TiantongNationalFieldStationofForestEcosystems,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,China5GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAppliedBotany,SouthChinaBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Guangzhou510650,China6KeyLaboratoryofAquaticBotanyandWatershedEcology,ChineseAcademyofSciences,WuhanBotanicalGarden,ChineseAcademyofSciences,Wuhan430074,China7StateKeyLaboratoryofVegetationandEnvironmentalChange,InstituteofBotany,ChineseAcademyofSciences,Beijing100093,China

Critically endangered wild plants with extremely small population (CEWPESP) are the plants in urgent need of rescue. At present, little knowledge exists on the endangering mechanism and corresponding conservation technologies for CEWPESP. The existing theories of plant population ecology and conservation biology can not be applied to CEWPESP directly. It is imperative to develop targeted theory and practical technology for conservation and restoration of CEWPESP. In this paper, we introduce the significance, contents, targets and prospects of the national key research and development project “conservation and restoration for typical critically endangered wild plants with extremely small population (2016YFC0503100)”. The project focuses on studies of conservation and restoration for CEWPESP. Aims of the project are to build a theoretical system of population ecology and conservation biology, and a technological system for the conservation and restoration of CEWPESP, and on basis of that, to establish the corresponding technical standards and demonstration bases. This project will provide a solid theoretical foundation and technical support for the conservation and sustainable utilization of CEWPESP.

critically endangered wild plants with extremely small population; endangering mechanism;insituconservation; propagation technology; ex situ conservation; reintroduction technology

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFC0503100)

2016- 10- 08

10.5846/stxb201610082011

*通訊作者Corresponding author.E-mail: zangrung@caf.ac.cn

臧潤(rùn)國(guó), 董鳴,李俊清,陳小勇,曾宋君,江明喜,李鎮(zhèn)清,黃繼紅.典型極小種群野生植物保護(hù)與恢復(fù)技術(shù)研究.生態(tài)學(xué)報(bào),2016,36(22):7130- 7135.

Zang R G, Dong M, Li J Q, Chen X Y, Zeng S J, Jiang M X, Li Z Q, Huang J H.Conservation and restoration for typical critically endangered wild plants with extremely small population.Acta Ecologica Sinica,2016,36(22):7130- 7135.