不同降水条件对干旱矿区土壤表层种子库的激活效应

2022-05-23郭小平冯昶栋任胜男

草业科学 2022年5期

马原，郭小平，罗超，冯昶栋，任胜男，李峰

（1. 北京林业大学水土保持学院, 北京 100083；2. 水利部太湖流域管理局, 上海 200434；3. 乌海市新星煤炭有限责任公司, 内蒙古乌海 016000）

随着近年来国家煤炭开发战略的西移，长期高强度的露天煤矿开采导致西部干旱矿区植被退化、土地荒漠化等一系列生态环境问题[1]。西部矿区生态损毁特点与东部矿区有较大差异，原有的应用于中部、东部矿区的许多生态修复技术已无法在西部继续沿用[2]。此外，干旱矿区的土壤资源缺乏，但表土剥离和利用工作一直没有得到重视，导致大量宝贵的土壤和种子资源被浪费，而种子资源的缺乏是影响植被恢复的关键因素[3]。土壤种子库指存在于土壤表层凋落物和土壤中全部存活种子的总和[4]。如今，“近自然生态修复”理念已成为矿区生态恢复新的共识和目标[5]，目前研究普遍认为，土壤种子库作为表土资源的重要组成部分，可以被看成是潜在的植被群落，对地上植被的更新与恢复具有重要作用[6-9]，利用土壤种子库进行植被恢复可以最大程度达到近自然恢复的目的，从而提升植被恢复效果、有效避免外来物种入侵、提升生态系统的稳定性[10]。关于土壤种子库在植被恢复方面的应用研究较多[11-14]，而土壤种子库应用于植被恢复的前提和关键，便是有效进行种子库激活[15-16]，提高种子库中种子的萌发率[17]。目前许多研究通过施加不同水分、改善土壤微环境等方式激活土壤种子库，其中水分是关键的影响因子之一：现有研究表明，在不同研究区生境下，不同水分供应会对土壤种子库的萌发及植物群落的多样性产生影响[18-21]。在灌溉成本较高、条件有限的干旱矿区，土壤水分的主要来源为大气降水[22]，但针对土壤种子库(特别是持久土壤种子库)在天然降水条件下激活情况的研究依然匮乏[23-27]。本研究以内蒙古乌海市新星露天煤矿周边自然区域为研究区，通过野外调查采样和人工模拟降水下种子库中种子短期萌发试验的方法，对研究区内0 - 5 cm表层土壤持久土壤种子库的特征及其在不同降水条件下的种子萌发数量、物种萌发数量及萌发物种群落结构进行研究。通过对不同降水条件下土壤种子库激发效应的研究，以期为我国西北干旱矿区表土资源的保护、土壤种子库植被恢复潜力的研究提供理论支撑和参考。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

乌海市位于内蒙古自治区西部，地处我国西北干旱荒漠区东缘、黄河上游[28]。该区域气候属典型的温带大陆性气候，夏季炎热，冬季寒冷，年最高气温38.6 ℃，年最低气温-32.6 ℃，年平均气温7.8～8.2 ℃；气候干燥，年降水量87.8～357.6 mm，平均173 mm，年蒸发量3 132.1～3 919.3 mm，平均3 485.1 mm。常年缺水，仅在7月 - 9月为雨季，并常以暴雨形式产生突然降水。全年除夏季外多风沙，一般为西北风，平均风速3.1 m·s-1，最大风速28 m·s-1。

新星露天煤矿位于乌海市海勃湾区，首采开始于2014年，设计开采年限4.7年，但因年开采量少于设计值，该矿目前仍在开采中。矿区周边土壤以风沙土为主，盐碱化程度高、保水性差[29-30]。矿区植被稀疏，主要灌木种有四合木(Tetraena mongolica)、猫头刺、半日花(Helianthemum songaricum)等，主要草本有沙生针茅(Stipa glareosa)、无芒隐子草(Cleistogenes songor)等[31]。

1.2 研究方法

1.2.1矿区持久土壤种子库采样

根据种子在土壤中存留的时间，土壤种子库可划分为瞬时土壤种子库(transient soil seed bank, TSSB)和持久土壤种子库(persistent soil seed bank, PSSB)两大类，其中瞬时土壤种子库在土壤中存活不超过1年，持久土壤种子库在土壤中存活1年以上[32]。持久土壤种子库采样应在种子萌发完成之后、新种子成熟和散布开始之前进行，在主要植物种为多年生植物和夏季一年生植物的群落中，应该在夏季采集持久土壤种子库的土样[33]。本研究区植被以灌木、多年生和夏季一年生草本为主，散种时间一般在8月末至10月，故本研究于2019年6月下旬进行持久土壤种子库采样，在矿区周边干扰较低区域选择样地14个，在每个样地内划分5 m × 5 m的样方各3个，在每个样方内用环刀按“五点法”取样5个，取样深度0 - 5 cm，并将相同样方所取土样混合并装袋。研究区概况及采样点分布如图1所示。

图1 研究区概况及采样点分布Figure 1 Overview of the study area and distribution of sampling points

1.2.2土壤种子库室内短期萌发试验

土壤种子库的室内萌发试验在北京林业大学苗圃温室进行，温室内温度约20 ℃，湿度约70%，光照为自然光，光照时间为每天05:00 - 19:30。将采集到的土壤种子库样本通风干燥、过筛去除杂物后，铺覆在装有8 cm的高温灭菌细沙的萌发盆内，铺覆厚度约2 cm。种子萌发前，每天浇水2次以保持土壤湿润，并在试验前三天喷洒适量浓度的赤霉素(GA3,0.05%)以打破种子休眠，同时在萌发盆上方覆盖无纺布以避免阳光直晒和外来种子的影响。种子萌发后，对可鉴别的植物幼苗进行物种鉴定并计数后拔除，直至对盆中全部幼苗均可鉴别出物种为止。试验后期可适当翻动土壤，并再次喷洒赤霉素以打破种子休眠，尽量使土壤中种子全部萌发。若萌发盆中连续15 d不再有新种子萌发，即认为萌发完全，结束萌发试验。萌发试验时间为2019年7月 - 10月中旬，持续3个半月。

1.2.3模拟天然降水土壤种子库激活试验

查阅乌海近5年(2015-2019年)降水资料，并在排除无效降水(1 mm以下)和超渗产流的情况下统计当地生长季(5月 - 9月)的有效降水量，可知2015-2019年乌海5月 - 9月降水量在46～158 mm。故本试验日降水量设置1、3、5、10和20 mm共5个层次，年降水量设置50、90、120和150 mm共4个层次，以分别模拟枯水年、平水年和丰水年的生长季降水量；模拟降水过程的时长设置为8周，参考依据为5月 - 9月各月降水频次，分配不同生长季降水量下各周降水量(表1)。

表1 不同年降水量下的日降水量分配Table 1 Daily precipitation distribution under different annual precipitation gradients

2020年6月下旬，在新星煤矿南侧干扰较低区域采集0 - 5 cm表土(主要为持久土壤种子库)，在矿区项目部外进行野外实地萌发试验，试验用萌发盆规格为40 cm × 40 cm × 15 cm。同时，为探究砾石覆盖对土壤种子库激活的影响，特在每个降水量下分有砾石覆盖组和无覆盖组。试验共设置试验组8个，将采集到的土壤通风干燥、过筛去除杂物后铺设在萌发盆中，底土铺设厚度约10 cm，表土铺设厚度约3 cm，其中有砾石覆盖组需覆盖粒径为1 ～ 2 cm的砾石，覆盖度约70%。为增加试验组数以减少误差，在每个降水量下分别单独设置3个无砾石覆盖、规格20 cm × 20 cm × 10 cm的小萌发盆试验对照组，共设置对照组12个。根据萌发盆大小和试验中不同降水量设计，换算出不同施水量后对试验组和对照组进行施水，大萌发盆对应施水量为160、480、800、1 600和3 200 mL，小萌发盆对应施水量为40、120、200、400和800 mL，施水时间均在傍晚。每日观察并记录萌发盆中萌发的物种和个数，直至鉴别出全部萌发物种为止。试验时间为2020年7月-9月。

1.3 数据分析

采用Excel 2020进行数据处理，采用Origin 2018制作折线图及柱状图；对不同年降水量下激活土壤种子库的群落结构进行置换多元方差分析。置换多元方差分析使用Bray-Curtis距离测度，所有过程使用R 3.6.3的vegan包中的“adonis”函数进行。

2 结果

2.1 矿区持久种子库特征

矿区土壤种子库物种组成和数量的调查分析结果(表2)显示，研究样地土壤种子库共萌发出植物种34种，隶属于8科29属，以藜科和禾本科种类最多，占比达到23.53%；蒺藜科与豆科次之，达14.71%；菊科、大戟科、柽柳科、百合科种类最少，占比达5.88%。其中持久土壤种子库密度约为209粒·m-2。从持久种子库密度看，冷蒿、沙蒿(Artemisia desertorum)和小画眉草的持久种子库密度处于一个较高水平。从物种生活型来看，种子库中以多年生草本和一年生草本为主，分别占总体的41.18%和35.29%，灌木类物种以8个物种、23.53%的占比在种子库中比重最低。

表2 新星矿区持久土壤种子库物种组成和密度Table 2 Species composition and density of persistent soil seed bank in Xinxing mining area

2.2 不同降水条件下的种子库萌发进程

不同降水量下土壤种子库不同物种的萌发进程不同(图2)。经过54 d的动态监测发现，随着降水量增大，土壤种子库萌发时间逐渐提前，50 mm降水量试验组在第9天开始萌发，90 mm降水量试验组在第8天开始萌发，120和150 mm降水量试验组在第6～7天开始萌发。各降水量下土壤种子库不同物种萌发出苗的数量随日降水量的增加而增加，种子累计萌发出苗的数量随降水量的不断增加而增大，直至降水量最大时累计萌发数量达到顶峰。随后，随着降水量逐渐减小，虽一直保持降水，但土壤种子库累计萌发数量不再增多，表明土壤种子库可萌发数量达到了对应降水条件下的极限值。

图2 不同降水量下土壤种子库萌发进程Figure 2 Germination process of soil seed bank for different precipitation indices

在降水量为50 mm时，土壤种子库中有砾石覆盖物种的累计萌发数量均大于无砾石覆盖的同物种累计萌发数量；在降水量为90 mm时，蒺藜(Tribulus terrestris)的累计萌发数量开始发生变化，出现了无砾石覆盖大于有砾石的情况；在降水量为120 mm时，猪毛蒿(Artemisia scoparia)、狗尾草(Setaria viridis)、盐生草(Halogeton glomeratus)也出现了无砾石覆盖下物种累计数量超过有砾石覆盖的情况；在降水量升至150 mm后，包括小画眉草、沙蒿等，更多的植物展现出以上特征。

2.3 不同日降水量对土壤种子库的激活效应

不同日降水量对土壤种子库的激活效应野外试验中共萌发了15个物种, 隶属7个科。不同的物种对水分的需求不同(图3)，不同日降水量对土壤种子库的激活效应存在显著效应。随日降水量的增加，激活的土壤种子库物种数和种子萌发数量均呈先增加后下降趋势，在5 mm降水量时达到最大萌发数量，在10 mm降水量时达到最大萌发物种数。

图3 不同日降水量对激活土壤种子库的影响Figure 3 Influence of different daily precipitation on activation of the soil seed bank

具体而言，在日降水量1 mm时，土壤种子库中仅小画眉草1个物种被激活，且该物种仅有一个种子萌发；在日降水量3 mm时，土壤种子库中有盐生草和冷蒿2个物种被激活；在日降水量5 mm时，土壤种子库中有沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、沙蒿、无芒隐子草、狗尾草和蒙西黄耆(Astragalus steinbergianus) 5个物种被激活；在日降水量10 mm时，土壤种子库中最后剩余的7个物种被激活，分别为灰绿藜(Chenopodium glaucum)、猪毛蒿、沙生针茅、猫头刺、红砂、蒺藜和北高山大戟(Euphorbia alpina)；但当日降水量为20 mm时，被激活的物种数开始下降，仅有8个物种被激活，分别为灰绿藜、沙蒿、冷蒿、无芒隐子草、小画眉草、沙生针茅、红砂和北高山大戟。

综合以上结果，不同植物种子萌发所需水分不同。本研究中的小画眉草在日降水量为1 mm时即有种子萌发，也就是说其仅需很少的水分即可对激活效应进行响应，同时小画眉草在之后不同日降水量下均有响应；而灰绿藜、猪毛蒿等草本及红砂、猫头刺等灌木只有在日降水量达到10 mm时才能萌发，萌发对水分要求较多；同时在日降水量再次增加达到20 mm时，包括盐生草、沙蓬在内的7种植物反而不能萌发。

2.4 不同年降水量对土壤种子库的激活效应

不同年降水量对土壤种子库的激活效应也存在显著差异。从土壤种子库萌发数量上看(表3)，当年降水量为50 mm时，土壤种子库中萌发的物种数较少，降水量增加至90 mm后萌发物种数随之增加，至降水量较大(120、150 mm)，物种几乎全部萌发。同样，在降水量为50 mm时，各物种最大萌发数量较少，而当降水量增加，各物种最大萌发数量随之增加。4个年降水量下，小画眉草、冷蒿等植物均有萌发，且累计萌发数量均在土壤种子库中前列，可以作为研究区生态恢复的参考物种。

表3 不同年降水量激活的土壤种子库种子数量Table 3 Number of seeds in the soil seed bank activated by different annual precipitation

从激活土壤种子库的群落结构上看，置换多元方差分析(permutational multivariate analysis of variance,PERMANOVA)结果表明，不同年降水量下激活土壤种子库的群落结构在整体上呈现显著差异(P＜0.05) (表4)；其中50和120 mm、50和150 mm两组年降水量下激活土壤种子库的群落结构差异显著(P＜ 0.05)，同时，50和90 mm、90和150 mm两组年降水量下激活土壤种子库的群落结构也存在相对较明显的差异(P= 0.108) (表5)。

表4 不同年降水量下激活土壤种子库的群落结构置换多元方差分析Table 4 The PERMANOVA of the community structure of the soil seed bank activated under different annual precipitations

表5 不同年降水量下激活土壤种子库的群落结构差异矩阵Table 5 Difference matrix of the community structure of activated soil seed bank under different annual precipitations

在设计的年降水量范围内，激活的种子数量占土壤种子库储量的16.46%～68.52%(表6)，激活的物种数占土壤种子库物种总数的25.00%～62.50%，随着年降水量的增加，二者均呈上升趋势，至150 mm时达到最大。

表6 不同年降水量下土壤种子库的激活率Table 6 Activation rate of soil seed bank under different annual precipitation indices

3 讨论

矿区持久土壤种子库所展现出来的特征与相似生境下所得出的研究结论相仿[34-35]，说明该生态系统较稳定[36]。因此在我国西北干旱、半干旱矿区进行植被恢复的过程中，应主要依靠当地土壤种子库中的多年生和一年生草本植物种子，在区域气候条件良好或具备灌溉条件时，可适当补充灌木种子，以达到更好的防护效果[37]。

本研究发现，随着日降水量的逐渐增加，土壤种子库中种子萌发情况呈现先增加后下降的趋势，在日降水量5 mm时种子萌发数量达到峰值。本研究中种子萌发趋势变化规律与徐海量等[19]和李淑君等[23]所作研究相似，但因研究区域自然条件和土壤种子库组成不同，使得种子萌发数量达到峰值所需日降水量不尽相同。而苏莹等[38]认为，降水量增加可有效提升种子萌发数量；研究得出不同结论的原因可能是，其在研究中设计的模拟降水量最大值较小(日降水量3 mm)，所设计降水量尚未满足种子萌发数量最大值要求。因此，在植被恢复初期适当增加土壤水分的补充，可有效促进种子库中种子的萌发，从而增进植被恢复效果。

本研究发现土壤种子库中不同物种对不同日降水量的响应状态不同。不同植物种子在不同日降水量条件下的萌发与否，与其自身的特性息息相关：蒺藜和灰绿藜等种子的种皮厚而坚硬，在水分较少的情况下很难令种皮膨胀、软化[39]，从而使更多的氧气透过种皮进入种子内部、使二氧化碳透过种皮排出；在水分较多的情况下，种子部分浸泡在水里从一定程度上隔绝了氧气，不同种子的种皮厚度和萌发需氧量均不相同，过多的水分也可能会抑制种子的萌发[40]。考虑到本研究中不同物种萌发的适宜含水量不同，导致土壤种子库的种子萌发数量和萌发物种数达到峰值时所对应的日降水量不同，若想在一个区域内使萌发种子数和物种数均达到最大，还需对不同日降水量进行详细研究。同时，研究结果还发现小画眉草在本研究所设置的不同日降水量下均可萌发，且萌发数量在土壤种子库所含各物种中位居前列，可考虑为本研究区合适的生态恢复物种。

本研究表明在设计年降水量范围内，随着年降水量的增加，土壤种子库中萌发的物种数量及种子数量随之增加；在相同年降水量下，有无砾石覆盖会对土壤种子库的萌发情况产生影响，且因年降水量大小不同，砾石覆盖所产生的影响不同。砾石覆盖能够改善土壤表层微环境，在水分亏缺时起到减少蒸发、存蓄水分的作用，有利于种子萌发和幼苗生长[41]；而当降水量较大(水分不为限制因素)时，部分种子也会因为砾石阻碍，萌发、生长受限，从而使得无砾石覆盖组的萌发率高于有砾石覆盖组；因此年降水量为150 mm时，有砾石覆盖的种子萌发情况差于无砾石覆盖。

年降水量的变化会对种子的萌发情况造成影响[42]。不同年降水量激活的土壤种子库物种组成和群落结构差异显著，土壤种子库萌发的种子数量与物种数量随年降水量的增加，表现出先增加后平缓的趋势[43]，本研究也得到类似结论；但与物种组成差异不显著的研究结果存在不同[17]。造成以上研究结果差异的原因主要为由于李淑君等[23]研究区域处于半干旱区，整体降水量较大，因此设计降水范围在190～390 mm。而本研究通过调查当地多个年份实际有效降水情况，并综合考虑枯水年、平水年、丰水年降水量的不同，所设计年降水量范围较低(50～150 mm)。在平水年，持久土壤种子库的激活效率在33.68%～64.31%，而丰水年降水条件下的激活效率甚至能达到近70%，此时若能充分利用降水资源，基本无需过多灌溉养护。由于种子休眠等因素[44]，持久土壤种子库中有一定的种子资源未被激活，此时可辅以适度的水肥施加[12]、化学处理等人工措施[45-46]，同时还可以进行适量的补种或者幼苗栽植，从而达到近自然植被群落恢复的目标。