西藏工布自然保護(hù)區(qū)高山松林土壤種子庫空間分布動態(tài)特征

高 郯，李照青，盧 杰＊，李江榮，鄭維列

(1. 西藏農(nóng)牧學(xué)院高原生態(tài)研究所，西藏 林芝 860000；2. 西藏高原森林生態(tài)教育部重點(diǎn)實驗室，西藏 林芝 860000；3. 西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站，西藏 林芝 860000；4. 西藏綠景生態(tài)工程咨詢有限公司，西藏 拉薩 850000)

種子是植物體進(jìn)行有性繁殖，延續(xù)后代的重要階段，土壤種子庫是潛在種群階段，是植被種群生活史中的一個重要階段，能夠反映過去、現(xiàn)在的種群結(jié)構(gòu)特征及未來的演變趨勢，并對種群的繁殖更新、物種多樣性的維持、植被的演替和恢復(fù)等發(fā)揮重要作用[1-6]。土壤種子庫的研究始于達(dá)爾文用幼苗數(shù)代表種子數(shù)[7]，之后有關(guān)土壤種子庫的研究涉及農(nóng)田、草地、森林、濕地等生態(tài)系統(tǒng)的種子生產(chǎn)、散布、休眠及萌發(fā)特征、種子及種子庫壽命、種子庫與群落演替關(guān)系等諸多方面，并結(jié)合植物學(xué)、生態(tài)學(xué)、遺傳學(xué)以及農(nóng)學(xué)等進(jìn)行研究，目前已成為恢復(fù)生態(tài)學(xué)的研究熱點(diǎn)[8-11]。我國的土壤種子庫研究工作始于20 世紀(jì)80 年代末，研究內(nèi)容首先在林地，其次在草地、沙地和濕地生態(tài)系統(tǒng)上開展的一系列關(guān)于土壤種子庫種類、多樣性與地被植物間關(guān)系的研究，現(xiàn)階段的研究內(nèi)容多集中于“不同恢復(fù)階段的土壤種子庫特征及環(huán)境因子對土壤種子庫時空分布特征的影響”上，旨在了解植被退化機(jī)制，為植被的恢復(fù)提供理論支撐[12-17]。

高山松（Pinus densataMast.）為我國特有種植物，是西藏工布自然保護(hù)區(qū)的主要建群種之一，在涵養(yǎng)水源、保持水土平衡及保護(hù)生物多樣性等方面具有重要生態(tài)價值；同時因其松脂含量豐富達(dá)到國家Ⅰ級甚至特級標(biāo)準(zhǔn)，高山松具有較高的經(jīng)濟(jì)價值[18-19]。近年來，由于人類活動的破壞及嚴(yán)重病蟲害的威脅，高山松種群發(fā)生嚴(yán)重的退化趨勢[20]。高山松的研究多集中在生物量監(jiān)測、種群結(jié)構(gòu)等方面[21-24]，較少涉及土壤種子庫方面[25-26]，尤其是土壤種子庫動態(tài)變化及影響因素分析；而土壤種子庫特征對高山松的更新、恢復(fù)又具有重要意義。故本研究以工布自然保護(hù)區(qū)高山松林分布較典型的3 個樣點(diǎn)為研究對象，分析不同物候期高山松林土壤種子庫的動態(tài)特征及影響因素，旨在闡明高山松林土壤種子庫退化機(jī)制，為高原植被的保護(hù)、恢復(fù)及合理利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于林芝境內(nèi)的工布自然保護(hù)區(qū)（92°09′～98°47′ E、26°52′～30°40′ N），是藏東南保存較完好的原生林區(qū)之一，屬濕潤山地暖溫帶和半濕潤山地溫帶氣候，受印度洋暖濕季風(fēng)影響，干濕季分明，冬季干燥，夏季多雨。據(jù)西藏林芝高山森林生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站2017 年至2019 年氣象數(shù)據(jù)可知，該地區(qū)年均氣溫3.9℃，年均相對濕度78.6%，年均降水量767.1 mm，6—9月為雨季，占全年降水的66.2%，全年日照1 418.8 h。

該區(qū)內(nèi)海拔高差大，植物種類豐富，喬木主要有以急尖長苞冷杉（Abies georgeivar.smithii(Viguie et Gaussen) Cheng et L）和林芝云杉（Picea likiangensisvar.linzhiensisCheng et L.K.Fu）為主的暗針葉林、以高山松為主的亮針葉林、以川滇高山櫟（Quercus aquifolioidesRehd. et Wils.）為主的常綠硬闊葉林和以白樺（Betula platyphyllaSuk.）、山楊（Populus davidianaDode）為主的落葉闊葉林等[27-28]。樣地林下植物灌木主要有川滇高山櫟、峨眉薔薇（Rosa omeiensisRolfe）、灰栒子（Cotoneaster acutifoliusTurcz.）、尼泊爾黃花木（Piptanthus nepalensis(Hook.) D. Don）、尖葉栒子（Cotoneaster acuminatusLindl.）、川滇野丁香（Leptodermis pilosaDiels ）、 暗 紅 小 檗（Berberis agricolaAhrendt）、多蕊金絲桃（Hypericum choisyanumWallich ex N. Robson）、 波 密 小 檗（Berberis gyalaicaAhrendt ）、 腺 果 大 葉 薔 薇（Rosa macrophyllavar.glanduliferaYü et Ku）、唐古特忍冬（Lonicera tanguticaMaxim.）、雞骨柴（Elsholtzia fruticosa(D. Don) Rehd.）等；草本主要有早熟禾（Poaannua L.）、 灰 葉 香 青（Anaphalis spodiophyllaLing et Y. L. Chen）、窄葉野豌豆（Vicia sativasubsp.nigraEhrhart ）、 角 盤 蘭（Herminium monorchis(L.) R. Br.）、 雙 參（Triplostegia glanduliferaWall. ex DC.）、高山珠蕨（Cryptogramma brunnoniana(Wall.) ex Hook. et Grev.）、粘毛鼠尾草（Salvia roborowskiMaxim.i）、西藏草莓（Fragaria nubicola(Hook. f.) Lindl.ex Lacaita）、 西 南 委 陵 菜（Potentilla lineataTreviranus）、輪葉黃精（Polygonatum verticillatum(L.) All.）、尼泊爾鳶尾（Iris decoraWall.）、金蕎麥（Fagopyrum dibotrys(D. Don) Hara）等；另有藤本植物西藏鐵線蓮（Clematis tenuifoliaRoyle）等。林下土壤為山地棕壤。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

選取高山松林分布較典型的東久鄉(xiāng)東久橋(DJ)附近、林芝鎮(zhèn)林芝橋(LZ)附近以及巴宜區(qū)比日神山(BR) 景區(qū)為實驗樣點(diǎn)，記錄樣點(diǎn)的海拔、坡向、坡度等信息，樣點(diǎn)概況詳見表1。在每個樣點(diǎn)，分別在高山松林分布的山腳、山腰和山頂各3 個20 m × 30 m 的喬木樣方，對樣方內(nèi)的喬木進(jìn)行每木檢尺，記錄樹種、高度、年齡、胸徑、坐標(biāo)、冠幅等信息；在每個喬木樣方內(nèi)采取對角線五點(diǎn)取樣法設(shè)置5 個2 m × 2 m 的灌木樣方，記錄灌木的名稱、多度、高度、蓋度等信息；在每個灌木樣方內(nèi)隨機(jī)設(shè)置1 個1 m × 1 m 的草本樣方，記錄草本植物的名稱、多度、高度、蓋度等信息。

2.2 野外取樣

為明確不同物候期（種子散落后、種子越冬后、種子散落前）高山松林土壤種子庫的分布特征及其對環(huán)境的響應(yīng)，于2017 年12 月（種子散落后，Ⅰ期）、2018 年3 月（種子越冬后，Ⅱ期）和2018 年9 月（種子散落前，Ⅲ期）分別在選定的3 個樣點(diǎn)進(jìn)行3 次取樣。在每個樣點(diǎn)選擇3 株獨(dú)立性較好（周圍5～8 m 范圍內(nèi)沒有其他結(jié)實高山松）的高山松作為母樹，共選取27 株母樹。然后以母樹為中心，在其東、南、西、北4 個方向上向外延伸，分別在1、3、5 m 處采樣，取樣面積為20 cm × 20 cm。據(jù)前期對高山松林的研究結(jié)果，發(fā)現(xiàn)高山松林土壤5 cm 以下極少有種子存在，因此，取樣深度為地下5 cm，且分3 層取樣：枯落物層、0～2 cm 土層及2～5 cm 土層，裝袋后帶回實驗室待用。3 次共計取土壤種子庫樣品2 916 份。

表1 高山松林土壤種子庫樣點(diǎn)基本情況Table 1 Basic overview of soil seed bank plots in P. densata forest

2.3 種子質(zhì)量分類及活性鑒定

首先，對野外采集的高山松林土壤種子庫樣品分別過5 mm 和2 mm 的土壤篩，然后對樣品進(jìn)行人工分揀，挑揀出樣品中的高山松種子，并根據(jù)高山松種子的外表情況，分為蟲蛀種子、敗育種子（種子因發(fā)育畸形而明顯小于或輕于正常完好種子）、腐爛種子（外種皮明顯霉變發(fā)黑的種子）及完好種子4 類統(tǒng)計，最后采用氯代三苯基四氮唑（TTC）染色法[29]對高山松完好種子進(jìn)行種子活性鑒定。

2.4 數(shù)據(jù)處理

高山松林土壤種子庫種子密度（粒·m-2）用土壤種子庫中的種子數(shù)量除以對應(yīng)采樣面積來表示。采用Excel 2010 對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計整理，并運(yùn)用SPSS 17.0 對高山松林不同方向、不同距離、不同垂直深度的高山松種子密度進(jìn)行單因素方差(oneway ANOVA)和Duncan’s 多重比較分析。

表2 不同時期高山松林各樣點(diǎn)種子密度在水平方向上的分布特征Table 2 Horizontal distribution characteristics of seed density of plots of P. densata forest at different periods

3 結(jié)果與分析

3.1 不同時期各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫水平分布

不同時期高山松林各樣點(diǎn)種子密度在母株周圍水平方向上的分布特征見表2。不同時期，各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫在東、南、西、北4 個方位上的分布總體上差異不顯著（P＞ 0.05），但LZ 樣點(diǎn)第Ⅱ時期的東、南方向除外。各樣點(diǎn)土壤種子庫密度上表現(xiàn)為BR ＞ LZ ＞ DJ。DJ 樣點(diǎn)在東向上第Ⅱ時期與第Ⅲ時期差異不顯著（P＞ 0.05），其他各方位上均表現(xiàn)為Ⅰ、Ⅱ時期與第Ⅲ時期差異顯著（P＜ 0.05）；LZ 樣點(diǎn)除南向上Ⅰ、Ⅱ時期與第Ⅲ時期差異顯著外（P＜ 0.05），其他各方向上在3 個時期間差異均不顯著（P＞ 0.05）；BR 樣點(diǎn)除在西向上各個時期差異均不顯著（P＞ 0.05）外，其他3 個方向均為第Ⅱ時期與第Ⅲ時期差異顯著（P＜ 0.05）。隨著取樣時間的變化，DJ 樣點(diǎn)各時期高山松土壤種子庫的種子密度呈遞減趨勢，而LZ 樣點(diǎn)和BR 樣點(diǎn)隨著取樣時間的改變，其各時期高山松土壤種子庫的種子密度先增加后減少（LZ 樣點(diǎn)東向除外）。

各時期高山松林土壤種子庫母樹周圍不同尺度下的分布特征見圖1。不同時期各樣點(diǎn)距高山松母株不同距離上的土壤種子庫密度均表現(xiàn)為1 m ＞ 3 m ＞ 5 m。第Ⅰ時期各樣點(diǎn)在距母樹1 m 和3 m 時差異不顯著（P＞ 0.05），而5 m 處高山松土壤種子庫數(shù)量顯著低于1 、3 m（P＜ 0.05）；第Ⅱ、Ⅲ時期各樣點(diǎn)在距母株不同尺度下，其差異性各異，除DJ 樣點(diǎn)在3 個尺度下均差異不顯著（P＞0.05）外，其他2 個樣點(diǎn)總體上表現(xiàn)為1 m 處高山松種子數(shù)量顯著高于5 m（P＜ 0.05），且LZ、BR 2 個樣點(diǎn)1 m 處高山松種子數(shù)量分別是5 m處的1.69、1.80 倍（Ⅱ 期）和1.60、 1.63 倍（Ⅲ期）。不同時期各樣點(diǎn)高山松土壤種子庫密度均表現(xiàn)為BR ＞ LZ ＞ DJ。

圖1 不同時期高山松林各樣點(diǎn)種子密度隨尺度變化規(guī)律Fig. 1 Variation of seed density with scale in different plots of P. densata forest in different periods

3.2 不同時期各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫在不同土層分布格局

不同時期各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫種子密度在不同土層分布特征見圖2。不同樣點(diǎn)在各時期的土壤種子庫分布均表現(xiàn)為隨土壤深度的增加而減少。除第Ⅱ和第Ⅲ時期的DJ 樣點(diǎn)在0～2 cm 土層和2～5 cm 土層差異不顯著（P＞ 0.05）外，其他樣點(diǎn)在各時期均表現(xiàn)為枯落物層顯著高于0～2 cm 土層（P＜ 0.05），2～5 cm 土層顯著低于0～2 cm 土層（P＜ 0.05）。在Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ 3 個時期，BR 樣點(diǎn)枯落物層高山松種子密度均最大，分別是0～2 cm 土層的3.61、2.47、5.90 倍。第Ⅰ時期，各土壤深度均表現(xiàn)為BR 采樣點(diǎn)種子密度顯著高于其他2 個采樣點(diǎn)（P＜ 0.05），而DJ 和LZ 采樣點(diǎn)之間各土層差異均不顯著（P＞ 0.05）；第Ⅱ、Ⅲ時期，各樣點(diǎn)在2～5 cm 土層之間的差異性同第Ⅰ時期一致，但各樣點(diǎn)在枯落物層和0～2 cm 土層均表現(xiàn)為BR 顯著高于LZ，LZ 又顯著高于DJ（P＜ 0.05）。在不同時期，BR 枯落物層中的種子密度分別為LZ 和DJ 的2.80、2.77、2.73和3.75、4.30、5.32 倍。

圖2 不同時期高山松林各樣點(diǎn)種子密度在不同土層分布特征Fig. 2 Different soil layers distribution characteristics of seed density in different plots of P. densata forest in different periods

3.3 不同時期高山松林土壤種子庫種子密度對海拔的響應(yīng)

BR 樣點(diǎn)和LZ 樣點(diǎn)海拔相近，LZ 樣點(diǎn)坡度、坡向等基本地形因子與DJ 樣點(diǎn)相似，為保證外在環(huán)境條件一致，以DJ 和LZ 樣點(diǎn)為研究對象，分析不同采樣時期高山松林土壤種子庫密度對海拔梯度的響應(yīng)（圖3）。隨海拔的升高，高山松林土壤種子庫數(shù)量先減少后升高，至3 100 m 達(dá)到極大值，之后又降低，隨后又略微升高?？傮w上，高山松林的土壤種子庫種子密度隨海拔的升高呈波動趨勢，但從DJ 和LZ 樣點(diǎn)分開看，各山體均表現(xiàn)為山腰小于山頂及山腳，即呈“V”字型。除3 100 m以上，第Ⅱ時期略高于第Ⅰ時期外，其他各海拔處均為第Ⅰ時期 ＞ 第Ⅱ時期 ＞ 第Ⅲ時期。

圖3 各時期高山松林土壤種子庫種子密度對海拔梯度響應(yīng)Fig. 3 Response of seed density of P. densata forest soil seed bank to altitude gradient

3.4 不同時期各樣點(diǎn)高山松林種子質(zhì)量構(gòu)成

不同時期各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫種子質(zhì)量成分構(gòu)成見圖4。不同時期各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫主要由蟲蛀種子、敗育種子、腐爛種子和完好種子構(gòu)成，其中，蟲蛀種子和完好種子占比較大，二者共占比65%以上，最高可達(dá)85.79%；腐爛種子占比最小，并隨著采樣時期的變化而增大，在第Ⅲ個采樣期，腐爛種子占比增加到11%，敗育種子的比例亦在增加，最高可達(dá)21.64%。經(jīng)不同土層分析可知：土壤種子庫中具有潛在更新能力的種子即有活力種子的數(shù)量極少，僅占種子庫中種子總量的1.43%，其中，73.38% 的有活力種子儲存在枯落物中，且隨土壤深度的增加而不斷減少，2～5 cm土壤層中有活力的種子僅占該類種子總量的5.84%。

圖4 不同時期高山松林土壤種子庫種子質(zhì)量百分比Fig. 4 Percentage of seed quality of P. densata forest soil seed bank in different periods

4 討論

4.1 不同時期各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫分布動態(tài)

植物的繁殖方式分為有性繁殖和無性繁殖，其中，種子萌發(fā)是實現(xiàn)植物有性生殖，種群延續(xù)發(fā)展的重要和敏感階段[1,30]。種子的分布特征受多種因素的影響而呈現(xiàn)不同的分布特征，如自身重力、風(fēng)力、地形因素及動物的干擾等[29，31]。在本研究中，各時期不同樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫在不同方向上的分布總體上無顯著差異，這與李照青等[25]、Lu 等[26]的研究結(jié)果一致，可能是各樣點(diǎn)坡度、坡向?qū)ζ溆绊戄^小，而自身種子較小，且?guī)в蟹N翅，易受風(fēng)力等的影響而向除坡向以外的方向飄落，使四個方向的種子密度分布相近；且林內(nèi)并沒有形成強(qiáng)風(fēng)或流水對種子傳播影響的外部條件，高山松林土壤種子庫最終呈現(xiàn)為靠母株分布。隨著取樣時間的變化，DJ 樣點(diǎn)各時期高山松林土壤種子庫的種子密度逐漸減少，這可能與物種的物候期及環(huán)境因素有關(guān)[32]。據(jù)Lu 等[26]對高山松林的研究結(jié)果表明，高山松種子雨期為10 月初至11 月底。第1 次采樣時間為12 月初，此時種子密度最大，經(jīng)過一個冬季后，萬物復(fù)蘇，動物活動頻繁，種子數(shù)量減少，隨著生長季的到來，較多種子萌發(fā)，種子數(shù)量降低，這與盧彥磊等[30]對各坡向銳齒櫟土壤種子庫動態(tài)特征研究結(jié)果一致，與Russi 等[33]和Mayor等[34]最大值出現(xiàn)在種子散落期，最小值出現(xiàn)在種子散落之前相似。LZ 樣點(diǎn)和BR 樣點(diǎn)隨著取樣時間的改變，其各時期高山松林土壤種子庫的種子密度先增加后減少，即第2 次采樣期，高山松土壤種子庫密度最大，這可能存在2 類持久性土壤種子庫(PSSB)和2 類短暫性土壤種子庫(TSSB)，與植物的植冠種子庫特征有關(guān)[35]；也可能是外界環(huán)境的變化引起植物結(jié)實的周期性改變[36]。

4.2 不同時期高山松林土壤種子庫種子密度垂直分布及對海拔的響應(yīng)

種子成熟后，首先下落在土壤表面的枯落物層中，再根據(jù)種子自身特性存在于不同位置，高山松種子較小，長4～6 mm，寬3～4 mm，容易藏匿在枯落物層中，在地球引力、雨水沖刷、動物等的擾動下，掉落在表層土壤中，隨土壤深度的增加，土壤種子庫密度逐漸減少。本研究結(jié)果表明，主要集中在枯落物層和0～2 cm 土層，二者占比89%以上，這與吳敏等[37]對不同生境中栓皮櫟土壤種子庫垂直分布研究結(jié)果一致。

海拔是一種綜合了溫度、濕度、光照、水分的環(huán)境因子指標(biāo)，海拔的變化，可引起植物生長發(fā)育所需的非生物因子的改變，從而對植物生長特性產(chǎn)生影響[15,38]。為保證外在環(huán)境條件一致，綜合DJ 和LZ 兩個樣點(diǎn)，研究海拔對土壤種子庫的影響。總體上，高山松林的土壤種子庫種子密度隨海拔的升高呈波動變化，這與黃瑞靈等[29]和郭連金等[39]對青海省拉雞山不同植被土壤種子庫隨海拔變化不同，可能是高原地區(qū)輻射強(qiáng)，海拔越高越有利于吸收光照，從而有利于強(qiáng)陽性樹種結(jié)實，但同時高海拔所帶來的低溫亦會影響種子的結(jié)實在海拔、光照、溫度的綜合作用下表現(xiàn)出波動的趨勢，同時也要考慮坡位等因素。從DJ 和LZ 樣點(diǎn)分開看，各山體均表現(xiàn)為山腰 ＜ 山頂及山腳，即呈“V”字型，且下坡位種子密度高于上坡位和中坡位，這可能是下坡位土壤養(yǎng)分等易聚集，植被發(fā)育較好，有性繁殖能力較強(qiáng)，也可能與雨水沖刷使種子聚集有關(guān)；而上坡位種子密度多于中坡位，可能是上坡位光照良好，更有利于強(qiáng)陽性樹種的生長，需要進(jìn)一步研究。

4.3 高山松林土壤種子庫質(zhì)量特征

種子庫組成既反映了種子質(zhì)量，又反映了有性生殖能力，在種群的更新、繁衍中發(fā)揮重要的作用[37]。種子喪失活力的主要原因是動物的捕食、潮濕環(huán)境引起的霉變腐爛等[40-41]。本研究表明，蟲蛀、完好類占比較大，二者共占比65%以上，最高可達(dá)85.79%，這與李照青等[25]對高山松及劉彤等[42]對紅豆杉的種子質(zhì)量研究結(jié)果一致。同時，隨著采樣時間的變化，腐爛、敗育的種子數(shù)量在增多，完好的種子數(shù)量在下降，這與吳敏等[37]的研究結(jié)果相似，可能是隨著天氣的變暖及雨季的到來，枯落物層中的種子生存環(huán)境潮濕，易于霉變，這極大影響高山松更新。蟲蛀種子數(shù)量略微下降，可能是林下草本、灌木隨著生長季的變化，產(chǎn)生了一定數(shù)量種子，減小了動物對高山松種子捕食的壓力；也可能是動物與取食植物之間的互利共生關(guān)系，有益于種子的傳播而不是活力喪失，如魯長虎[43]認(rèn)為，鴉科鳥類以及嚙齒類動物既是植物種子的捕食者，也是傳播者，相互之間是一種比較復(fù)雜的互利共生關(guān)系，具體原因有待于進(jìn)一步考究。

5 結(jié)論

各樣點(diǎn)高山松林土壤種子庫在不同時期水平分布上無明顯差異，而在距母樹不同距離及不同土層有明顯的近母株分布效應(yīng)和垂直分布特征，表明高山松種子自身特性和外界風(fēng)等因素對其種子庫的分布特征影響較大。海拔作為一種光照、溫度的綜合因子對高山松林的土壤種子庫分布特征也有一定的影響，而坡度、坡向等無明顯效應(yīng)。隨著時間的變化，腐爛種子率有所增加，完好種子百分比降低，有活力的種子數(shù)量也較少，表明受工布自然保護(hù)區(qū)高濕多雨的氣候特征影響，高山松種子更新能力較弱；同時，林分特征、灌草分布等均會對種子的分布及質(zhì)量產(chǎn)生影響，有待后續(xù)研究。