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喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中土壤種子庫特征

2011-11-18 06:23:30歐陽緒紅郝秀東謝世友謝德體李陽兵
湖北農(nóng)業(yè)科學(xué) 2011年15期
關(guān)鍵詞:植被恢復(fù)

歐陽緒紅 郝秀東 謝世友 謝德體 李陽兵

摘要:用“以空間換時間”的方法,從種類組成、種子數(shù)量、物種多樣性、種子分布規(guī)律和物種相似性等方面比較了喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中處于不同生態(tài)演替序列的坡耕地、1年棄耕地、灌草地、15年疏林地、25年次生林地的土壤種子庫特點。結(jié)果表明,研究區(qū)典型植被恢復(fù)過程中的5個樣地土壤種子庫共萌發(fā)植物46種,土壤種子庫組成總體上以草本植物為主且與地上植被關(guān)系較密切,并仍處于植被演替的早期階段,退化較嚴(yán)重;隨著土地利用強度的增加,土壤中草本種子所占的比例也越大;石灰?guī)r草坡開墾成耕地后,本來較小的種子庫很快受到破壞。土地利用方式的變化是對巖溶山地次生植被及其種子庫的主要威脅。

關(guān)鍵詞:典型植被;土壤種子庫;植被演替;植被恢復(fù);喀斯特山地

中圖分類號:S718;Q948文獻標(biāo)識碼:A文章編號:0439-8114(2011)15-3049-05

Features of Soil Seed Bank in Karst Mountain during Typical Vegetation Restoration

OUYANG Xu-honga,HAO Xiu-donga,XIE Shi-youa,b,XIE De-tic,LI Yang-bingc

(a. School of Geographical Sciences; b. Key Laboratory of the Three-Gorge Reservoir Regions Eco-environment of the Ministry of Education; c. College of Resources and Environment, Southwest University,Chongqing 400715, China)

Abstract: Using the method of “replacing time by space”, the properties of soil seed banks of typical vegetations in different ecological evolution sequence in karst mountain (25-year woodland, 15-year scattered woodland, bush-grass land, 1-year abandoned farmland and slope farmland) were studied based on the analysis of species composition, amount and distribution, ecological dominance, species similarity as well as diversity. 46 species germinated in 5 soil seed banks. Herbage species were dominant in soil seed banks; and the formation of seed banks had a close relation with vegetations, which indicated that the vegetations were at the early stages of succession and depredated seriously. The seeds amount of xylophyta species decreased while that of herbaceous species increased with the increase of land use intensity. The species of cosmopolitan contributed to big percentage in shrub-grass plots soil seed bank indicating that the growth of herbaceous layer was affected significantly by human beings activities. After the karst slope being cultivated, its soil seed banks might be destroyed soon. Therefore, the changes of land use pattern were the main threat to the karst secondary vegetation and the soil seed banks.

Key words: typical vegetation; soil seed bank; succession of vegetation; vegetation recovery; karst mountain

土壤種子庫是存在于土壤上層凋落物和土壤中全部存活種子的總和,它的發(fā)生發(fā)展對種群生態(tài)對策、植被恢復(fù)與演替、生物多樣性和遺傳變異進化等方面的研究具有極其重要的作用[1,2]。近20年來,已開展了對不同群落[3-5]、特殊生境[6-8]、特定種群[9-13]和不同演替階段[14-16]的土壤種子庫研究。但在喀斯特地區(qū)現(xiàn)有研究多側(cè)重于土壤理化性質(zhì)、微生物和水分生態(tài)效應(yīng)等方面[17-19],土壤種子庫方面的研究還不多[20-22]??λ固厣降貙儆诘湫偷纳鷳B(tài)脆弱區(qū),其土壤土層淺薄,分布不連續(xù),質(zhì)地較黏重,水分較差,普遍缺乏C層,穩(wěn)定性差,常處于負增長狀態(tài),與緩慢的成土速率相比,具有不可再生性[23-25]。因此,在喀斯特山地選擇典型植物群落的不同恢復(fù)階段進行土壤種子庫研究,對于認識喀斯特山地生態(tài)恢復(fù)規(guī)律和指導(dǎo)生態(tài)實踐具有重要的意義。

本研究以喀斯特山地為背景,選擇適應(yīng)能力強的側(cè)柏植物群落的不同恢復(fù)年限及階段的完整演替過程為內(nèi)容,以“空間換時間”的方法選擇典型樣地,研究了植被恢復(fù)過程中各階段的土壤種子庫分布規(guī)律和物種多樣性等,以期為喀斯特山地植被恢復(fù)和生態(tài)建設(shè)提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況及研究方法

1.1研究區(qū)概況

選擇重慶市北碚觀音峽背斜雞公山作為研究區(qū)域,該區(qū)海拔400~700 m,屬于渝中喀斯特槽谷低山。年均氣溫16.17 ℃,年均降雨量885 mm左右。成土母巖主要為下三疊統(tǒng)嘉陵江組灰?guī)r,土壤為黃色石灰土,土層淺薄,基巖多出露。地帶性植被為中亞熱帶常綠闊葉林,但原始林已不存在,目前都為次生林。由于破壞嚴(yán)重,林地呈斑塊狀分布。農(nóng)業(yè)種植制度為小麥-玉米-甘薯,一年兩熟到三熟。完整的植被演替序列為坡耕地-棄耕地-灌草地-疏林地-次生林地。

1.2研究方法

1.2.1選點與采樣樣地采用“以空間換時間”的方法,選取喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中完整的演替序列為調(diào)查樣地,其中坡耕地記為樣地1、1年棄耕地記為樣地2、灌草地記為樣地3、15年疏林地記為樣地4、25年次生林地記為樣地5;每個樣地都選在一個完整的巖溶地貌單元內(nèi),盡量保證地形的一致性。按不同恢復(fù)階段在選定的5個樣地上各隨機采集50 cm×25 cm的小樣方,分3層(0~5 cm、5~10 cm、10~15 cm)取土壤種子庫土樣;同時觀測生物生產(chǎn)量和多樣性(表1)。土壤種子庫試驗采用萌發(fā)法,將樣品放在萌發(fā)框中,保持濕度、光照,記錄種子萌發(fā)數(shù)量和種類。試驗持續(xù)6個月,萌發(fā)延續(xù)到土樣攪拌后連續(xù)6周無出苗為止。

1.2.2群落調(diào)查2010年6月對各群落進行群落學(xué)調(diào)查,對喬木種進行苗木調(diào)查,詳細記錄群落內(nèi)每種灌木和草本的名稱、多度、蓋度、平均高度和頻度。同時采集各種植物的種子,用于種子庫的分種鑒定。

1.2.3計算分析物種多樣性采用Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-Weiner多樣性指數(shù)進行計算,并在此基礎(chǔ)上進行生態(tài)優(yōu)勢度和豐富度指數(shù)的計算[26],不同土地的種子群落相似性系數(shù)計算公式為:CC=2w/(a+b),其中CC為相似性系數(shù),w為兩個樣地共有的種數(shù),a和b分別是兩個樣地各自擁有的種數(shù)。

2結(jié)果與分析

2.1種子庫組成和密度

喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中5個樣地共萌發(fā)植物46種,隸屬21科。其中禾本科16種、菊科8種;草本42種,灌木2種,喬木2種,種子數(shù)量較大的植物有白茅(Imperata cylindrica (Linn.)Beauv.)、細葉芹(Chaerophyllum villosum Wall.ex DC.)、大狗尾草(Setaria faberi herrm.)、酢漿草(Oxalis corniculata L.)等。樣地1、樣地3均為草本植物種子,樣地4中喬木種子數(shù)量占0.3%,樣地5中喬木、灌木種子數(shù)量占2.7%。隨土地利用強度的增加,土壤中草本種子所占的比例也越大(表2)。

由表2可知,喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中各樣地的種子數(shù)量有較大的差別,種子總數(shù)量的大小順序是樣地2(609粒) > 樣地5(473粒) > 樣地4(327粒)>樣地3(315粒)>樣地1(112粒)。

2.2生活型組成

喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中的5個完整演替過程共包括喬木2種,灌木2種和草本植物42種。各群落土壤種子庫的物種組成都以草本為主。

2.3種子庫物種多樣性分析

由表3可知,生態(tài)優(yōu)勢度大小順序為:樣地2>樣地5>樣地1>樣地4>樣地3;豐富度指數(shù)R1的大小順序為:樣地2>樣地5>樣地4>樣地1>樣地3;豐富度指數(shù)R2的大小順序為:樣地2>樣地1>樣地4>樣地5>樣地3。生態(tài)優(yōu)勢度高,反映種子庫中優(yōu)勢種少,生態(tài)優(yōu)勢度低,表示種子庫中優(yōu)勢種多。Simpson指數(shù)大小順序為:樣地5>樣地1>樣地4>樣地2>樣地3,Shannon-Weiner指數(shù)大小順序為:樣地4>樣地2>樣地3>樣地5>樣地1;一般來說,生態(tài)優(yōu)勢度高的種子庫物種多樣性指數(shù)低,但樣地2經(jīng)常受人類活動干擾,雜草種子儲量增大,物種多樣性增高,是符合Connell中度干擾假說的。

2.4種子庫分布規(guī)律

樣地2、樣地3、樣地4、樣地5中種子集中分布在土壤的上表層(0~5 cm),向下遞減速度較快。樣地2土壤自上而下各層種子數(shù)量之比為428∶159∶22、樣地3土壤各層種子數(shù)量之比為223∶62∶30、樣地4土壤各層種子數(shù)量之比為243∶76∶8、樣地5土壤各層種子數(shù)量之比為388∶72∶13,相對大的種子僅發(fā)現(xiàn)于表層5 cm的土壤中。樣地1土壤各層種子數(shù)量之比為25∶41∶46,以5~10 cm、10~15 cm為多,與樣地2相比,可認為頻繁的耕作使體積小的雜草種子相對易被深埋且在土壤中保存時間更長。

從研究區(qū)5個樣方土壤種子水平分布的頻度和密度來看(表4),樣地1、樣地2、樣地3土壤種子庫中種子分布的頻度和密度較高,而樣地4和樣地5種子水平分布的頻度和密度相對較低。草本種子分布的頻度高、密度大,呈均勻型;喬木、灌木種子分布的頻度低、密度較大,呈群集型,如樣地4只有1個樣方萌發(fā)了1株喬木(未定種),但樣地5的1個小樣方萌發(fā)5株黃荊、另一小樣方萌發(fā)8株黃牛奶樹。對次生林地來說,同一樣地的種子密度和種類組成在小面積范圍內(nèi)差異很大,這與種的成群分布有關(guān),也與林地石灰?guī)r裸露較多、土被不連續(xù)有關(guān)。

2.5種子庫的相似性分析

由表5可知,樣地兩兩間的種子庫組成成分相似性系數(shù)變化為0.207~0.444,總的來說較大,與種子庫組成以草本為主有很大關(guān)系。樣地1與樣地2之間的種子庫相似性系數(shù)最大,與樣地3之間的相似性系數(shù)也相對較大;樣地4與樣地5間的相似性系數(shù)較大,與樣地1、樣地2、樣地3間的相似性系數(shù)較小,樣地1與樣地5的相似性系數(shù)最小,樣地5與其他喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中的種子庫成分有較大差別。僅從土壤種子庫角度看,如果采取自然封山育林,從棄耕地、灌叢草坡向林地演替需要較長時間。從樣地3、樣地4和樣地5的種子庫萌發(fā)來看,幾乎沒有當(dāng)?shù)厥規(guī)r植被的適生種和先鋒種成分,在一定程度上說明當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)的關(guān)鍵種和建群種已處于退化狀態(tài),僅采取自然恢復(fù)的措施是不行的,需適當(dāng)引進適生物種,對當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)進行重建。

2.6土壤種子庫與地上植被的關(guān)系

研究區(qū)地上植被樣地1有草本10種,樣地2有草本12種,樣地3有草本10種、灌木2種,樣地4有喬木3種、灌木2種、草本8種,樣地5有喬木5種、灌木7種、草本11種。從地上植被與種子庫種類的關(guān)系來看,樣地1種子庫種類主要為耕地雜草,與地上植被關(guān)系密切;對樣地2、樣地3來說,種子庫種類與地上草本植物相似性較大;對樣地4、樣地5來說,種子庫與地上植被差異性較大(表6)。

3結(jié)論與討論

1)喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中坡耕地和

灌草地,土壤種子庫和地上植被均以草本植物為主,且關(guān)系較密切,說明仍處于植被演替的早期階段,退化較嚴(yán)重。1年棄耕地、15年疏林地和25年次生林地種子庫中萌發(fā)處于當(dāng)?shù)仨敇O演替的常綠樹種黃牛奶樹、薔薇科喬木和黃荊灌叢,一般標(biāo)志著植被受人為活動影響較輕,群落處于順向演替過程,有可能恢復(fù)成森林植被,但種子庫中的喬木、灌木種類較地上植被少,因此保護現(xiàn)有喀斯特植被中這些少數(shù)的喬、灌木樹種,對促進喀斯特灌草地的順向演替具有非常重要的意義。

2)喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中土壤種子

庫的差別較大。土地利用強度越大,木本植物種子越少,草本植物種子越多,且以耕地雜草為主。因此,土地利用方式的變化(如陡坡開墾)是對次生植被及其種子庫的主要威脅。

3)研究區(qū)土壤種子庫組成總的來說以草本植

物為主,且與地上植被關(guān)系較密切,說明仍處于植被演替的早期階段,退化較嚴(yán)重。種子庫中無當(dāng)?shù)剡m生種和先鋒種,這使得在人類經(jīng)常干擾的土地上,植被自然恢復(fù)需要較長的時間,其恢復(fù)潛力很小。

4)種子集中分布于表層5 cm的土壤中,但對耕地而言,種子以5~10 cm、10~15 cm的土層為多。

5)本研究以“空間換時間”的方法分析喀斯特山地典型植被恢復(fù)過程中土壤種子庫的特征,如進一步采用長期定位試驗研究,將會取得更滿意的效果。

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