西藏工布自然保護區高山松林土壤種子庫空間分布動態特征

高 郯，李照青，盧 杰＊，李江榮，鄭維列

(1. 西藏農牧學院高原生態研究所，西藏 林芝 860000；2. 西藏高原森林生態教育部重點實驗室，西藏 林芝 860000；3. 西藏林芝高山森林生態系統國家野外科學觀測研究站，西藏 林芝 860000；4. 西藏綠景生態工程咨詢有限公司，西藏 拉薩 850000)

種子是植物體進行有性繁殖，延續后代的重要階段，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、現在的種群結構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、植被的演替和恢復等發揮重要作用[1-6]。土壤種子庫的研究始于達爾文用幼苗數代表種子數[7]，之后有關土壤種子庫的研究涉及農田、草地、森林、濕地等生態系統的種子生產、散布、休眠及萌發特征、種子及種子庫壽命、種子庫與群落演替關系等諸多方面，并結合植物學、生態學、遺傳學以及農學等進行研究，目前已成為恢復生態學的研究熱點[8-11]。我國的土壤種子庫研究工作始于20 世紀80 年代末，研究內容首先在林地，其次在草地、沙地和濕地生態系統上開展的一系列關于土壤種子庫種類、多樣性與地被植物間關系的研究，現階段的研究內容多集中于“不同恢復階段的土壤種子庫特征及環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制，為植被的恢復提供理論支撐[12-17]。

高山松（Pinus densataMast.）為我國特有種植物，是西藏工布自然保護區的主要建群種之一，在涵養水源、保持水土平衡及保護生物多樣性等方面具有重要生態價值；同時因其松脂含量豐富達到國家Ⅰ級甚至特級標準，高山松具有較高的經濟價值[18-19]。近年來，由于人類活動的破壞及嚴重病蟲害的威脅，高山松種群發生嚴重的退化趨勢[20]。高山松的研究多集中在生物量監測、種群結構等方面[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、恢復又具有重要意義。故本研究以工布自然保護區高山松林分布較典型的3 個樣點為研究對象，分析不同物候期高山松林土壤種子庫的動態特征及影響因素，旨在闡明高山松林土壤種子庫退化機制，為高原植被的保護、恢復及合理利用提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于林芝境內的工布自然保護區（92°09′～98°47′ E、26°52′～30°40′ N），是藏東南保存較完好的原生林區之一，屬濕潤山地暖溫帶和半濕潤山地溫帶氣候，受印度洋暖濕季風影響，干濕季分明，冬季干燥，夏季多雨。據西藏林芝高山森林生態系統國家野外科學觀測研究站2017 年至2019 年氣象數據可知，該地區年均氣溫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。

該區內海拔高差大，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 樣地設置

選取高山松林分布較典型的東久鄉東久橋(DJ)附近、林芝鎮林芝橋(LZ)附近以及巴宜區比日神山(BR) 景區為實驗樣點，記錄樣點的海拔、坡向、坡度等信息，樣點概況詳見表1。在每個樣點，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，對樣方內的喬木進行每木檢尺，記錄樹種、高度、年齡、胸徑、坐標、冠幅等信息；在每個喬木樣方內采取對角線五點取樣法設置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；在每個灌木樣方內隨機設置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境的響應，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 個樣點進行3 次取樣。在每個樣點選擇3 株獨立性較好（周圍5～8 m 范圍內沒有其他結實高山松）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。據前期對高山松林的研究結果，發現高山松林土壤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基本情況Table 1 Basic overview of soil seed bank plots in P. densata forest

2.3 種子質量分類及活性鑒定

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，然后對樣品進行人工分揀，挑揀出樣品中的高山松種子，并根據高山松種子的外表情況，分為蟲蛀種子、敗育種子（種子因發育畸形而明顯小于或輕于正常完好種子）、腐爛種子（外種皮明顯霉變發黑的種子）及完好種子4 類統計，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行種子活性鑒定。

2.4 數據處理

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量除以對應采樣面積來表示。采用Excel 2010 對數據進行統計整理，并運用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 結果與分析

3.1 不同時期各樣點高山松林土壤種子庫水平分布

不同時期高山松林各樣點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 樣點第Ⅱ時期的東、南方向除外。各樣點土壤種子庫密度上表現為BR ＞ LZ ＞ DJ。DJ 樣點在東向上第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為Ⅰ、Ⅱ時期與第Ⅲ時期差異顯著（P＜ 0.05）；LZ 樣點除南向上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 樣點和BR 樣點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。不同時期各樣點距高山松母株不同距離上的土壤種子庫密度均表現為1 m ＞ 3 m ＞ 5 m。第Ⅰ時期各樣點在距母樹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量顯著低于1 、3 m（P＜ 0.05）；第Ⅱ、Ⅲ時期各樣點在距母株不同尺度下，其差異性各異，除DJ 樣點在3 個尺度下均差異不顯著（P＞0.05）外，其他2 個樣點總體上表現為1 m 處高山松種子數量顯著高于5 m（P＜ 0.05），且LZ、BR 2 個樣點1 m 處高山松種子數量分別是5 m處的1.69、1.80 倍（Ⅱ 期）和1.60、 1.63 倍（Ⅲ期）。不同時期各樣點高山松土壤種子庫密度均表現為BR ＞ LZ ＞ DJ。

圖1 不同時期高山松林各樣點種子密度隨尺度變化規律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。不同樣點在各時期的土壤種子庫分布均表現為隨土壤深度的增加而減少。除第Ⅱ和第Ⅲ時期的DJ 樣點在0～2 cm 土層和2～5 cm 土層差異不顯著（P＞ 0.05）外，其他樣點在各時期均表現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，各土壤深度均表現為BR 采樣點種子密度顯著高于其他2 個采樣點（P＜ 0.05），而DJ 和LZ 采樣點之間各土層差異均不顯著（P＞ 0.05）；第Ⅱ、Ⅲ時期，各樣點在2～5 cm 土層之間的差異性同第Ⅰ時期一致，但各樣點在枯落物層和0～2 cm 土層均表現為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

BR 樣點和LZ 樣點海拔相近，LZ 樣點坡度、坡向等基本地形因子與DJ 樣點相似，為保證外在環境條件一致，以DJ 和LZ 樣點為研究對象，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（圖3）。隨海拔的升高，高山松林土壤種子庫數量先減少后升高，至3 100 m 達到極大值，之后又降低，隨后又略微升高。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趨勢，但從DJ 和LZ 樣點分開看，各山體均表現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 不同時期各樣點高山松林種子質量構成

不同時期各樣點高山松林土壤種子庫種子質量成分構成見圖4。不同時期各樣點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21.64%。經不同土層分析可知：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 不同時期各樣點高山松林土壤種子庫分布動態

植物的繁殖方式分為有性繁殖和無性繁殖，其中，種子萌發是實現植物有性生殖，種群延續發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不同的分布特征，如自身重力、風力、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]的研究結果一致，可能是各樣點坡度、坡向對其影響較小，而自身種子較小，且帶有種翅，易受風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；且林內并沒有形成強風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為靠母株分布。隨著取樣時間的變化，DJ 樣點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境因素有關[32]。據Lu 等[26]對高山松林的研究結果表明，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，經過一個冬季后，萬物復蘇，動物活動頻繁，種子數量減少，隨著生長季的到來，較多種子萌發，種子數量降低，這與盧彥磊等[30]對各坡向銳齒櫟土壤種子庫動態特征研究結果一致，與Russi 等[33]和Mayor等[34]最大值出現在種子散落期，最小值出現在種子散落之前相似。LZ 樣點和BR 樣點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[35]；也可能是外界環境的變化引起植物結實的周期性改變[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

種子成熟后，首先下落在土壤表面的枯落物層中，再根據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果一致。

海拔是一種綜合了溫度、濕度、光照、水分的環境因子指標，海拔的變化，可引起植物生長發育所需的非生物因子的改變，從而對植物生長特性產生影響[15,38]。為保證外在環境條件一致，綜合DJ 和LZ 兩個樣點，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，可能是高原地區輻射強，海拔越高越有利于吸收光照，從而有利于強陽性樹種結實，但同時高海拔所帶來的低溫亦會影響種子的結實在海拔、光照、溫度的綜合作用下表現出波動的趨勢，同時也要考慮坡位等因素。從DJ 和LZ 樣點分開看，各山體均表現為山腰 ＜ 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分等易聚集，植被發育較好，有性繁殖能力較強，也可能與雨水沖刷使種子聚集有關；而上坡位種子密度多于中坡位，可能是上坡位光照良好，更有利于強陽性樹種的生長，需要進一步研究。

4.3 高山松林土壤種子庫質量特征

種子庫組成既反映了種子質量，又反映了有性生殖能力，在種群的更新、繁衍中發揮重要的作用[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]對紅豆杉的種子質量研究結果一致。同時，隨著采樣時間的變化，腐爛、敗育的種子數量在增多，完好的種子數量在下降，這與吳敏等[37]的研究結果相似，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境潮濕，易于霉變，這極大影響高山松更新。蟲蛀種子數量略微下降，可能是林下草本、灌木隨著生長季的變化，產生了一定數量種子，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系，有益于種子的傳播而不是活力喪失，如魯長虎[43]認為，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雜的互利共生關系，具體原因有待于進一步考究。

5 結論

各樣點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和垂直分布特征，表明高山松種子自身特性和外界風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。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，有活力的種子數量也較少，表明受工布自然保護區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量產生影響，有待后續研究。