刘静逸，牛艳东，郭克疾，蒋丽娟，罗学卫，吴小丽，徐佳娈

(1:湖南省林业科学院，长沙 410004)(2:中南林业科技大学，长沙 410004)(3:湖南洞庭湖湿地生态系统国家定位观测研究站，岳阳 414000)(4:洞庭湖流域生态系统管理与水资源可持续利用国际科技合作基地，长沙 410004)(5:国家林业和草原局中南调查规划设计院，长沙 410014)(6:益阳南洞庭湖自然保护区沅江市管理局，益阳 413100)

湿地植物是湿地生态系统三大基本要素之一，是湿地生态系统保持健康稳定的关键部分，恢复和重建湿地植物群落是受损或退化湿地生态恢复的首要工作. 土壤种子库对于成功恢复植物群落有重要的作用[1-3]，首先，土壤种子库是退化湿地地上植被恢复的潜在来源，能够促进湿地植被的更新和演替，通过研究其数量特征和多样性的变化可以一定程度上评判退化湿地物种资源储备和预示地上植被群落演替的方向和潜在趋势，湿地土壤种子库物种多样性较高，在退化年限不长的湿地恢复初期和中期能够作为重要的繁殖库促进地表植被恢复；其次，种子库存在于土壤底泥中，受到干扰较小且具有更强的忍耐性，因此土壤种子库在湿地物种恢复过程中的作用不可替代[4-8]. 湿地土壤种子库的存留和萌发受到环境因素的影响，如气候条件、土壤营养元素、水文波动、人类活动等都对湿地植物种子分布格局和萌发生长起着重要的作用[9-11]，其中水文波动对湿地中植物的空间分布和生态系统功能产生直接影响[2]. 目前国内外对于土壤种子库的研究已取得较大的进展，而对于重要生态工程实施后土壤种子库在退化湿地植被恢复中作用的研究相对较少，另外关于水文波动对湿地种子库的影响研究主要集中于不同水位梯度和淹水时长对种子库萌发率和分布格局的影响方面，而关于水文波动对湿地植物种子的演替和更新方面的研究较少[12-13].

南洞庭湖是洞庭湖的重要组成部分，物种资源极其丰富，具有重要生态价值. 1990s中期以来，欧美黑杨已在南洞庭湖西部洲滩呈片状分布，通过开展挖沟抬垄造林试验后开始大面积推广种植，使原有洲滩湿地类型受到破坏，湿地生态功能显著下降. 为修复受损的湿地生态系统，2017年洞庭湖开始逐步清除保护区内所种植的欧美黑杨，同时，清理迹地的生态修复工作也正在逐步开展. 本文通过研究涨水前后南洞庭湖杨树清理迹地不同恢复年份土壤种子库数量特征、与地上植被的关系，了解洞庭湖水文节律对杨树清理迹地土壤种子库及其地上植被恢复和演替的影响，为研究洞庭湖湿地生态系统对湿地水文变化的响应和后续生态恢复、保护管理工作提供数据支撑和参考.

1 研究区概况

南洞庭湖(28°45′47.5″～29°11′08.1″N，112°14′32.1″～112°56′18.3″E)位于洞庭湖西南湖南省益阳市境内，总面积8.01万km2，属于内陆湿地和水域生态系统类型自然保护区. 澧水、沅江、资江汇流注入湖体，是沟通东洞庭湖、西洞庭湖、横岭湖的重要水域，其特殊的地理位置对长江的洪水调蓄作用极其重要，是我国第二批申报成功的国际重要湿地之一(图1). 该区域属于华中地区亚热带湿润型气候，湖区多年平均气温16.2～16.9℃，年降水量1300～1400 mm，具有冬冷夏热、湿度较高、无霜期长等湖区气候特点. 区域水资源年际变化大，年内丰枯水位可达6～7 m，5-10月为汛期. 受季节性涨退水影响，湖区沼泽湿地广泛分布而且多样，具有“水涨为湖、水落为洲”的动态景观特征. 生境的异质性和生态水文过程的复杂性使区域内湿地洲滩植被物种多样性高，植被类型丰富，空间格局上呈现片状和带状分布，多年生草本植物为区域优势植物，其主要优势种为芦苇(Phragmitesaustralis)、南荻(Miscanthuslutarioriparius)、苔草(Carexspp.)等.

图1 研究区域及采样点位置

2 研究方法

2.1 土壤取样与种子萌发测定

2019年4月和9月，在南洞庭湖百胜洲杨树清理迹地(28°49′14.75″N，112°30′28.89″E)涨水前后选取立地条件相同的清理1 a和2 a后的迹地为实验区域(以下简称1 a和2 a)，以未清理杨树样地(以下简称ck)作为参照组，分别设置3个100 m×100 m的重复样地，共9个样地. 样地平均海拔35 m，1 a和2 a迹地在杨树清理后分别经过1次和2次汛期水位涨落影响，水淹时间为5-9月. 每个样地内各按五点取样法设置5个样方，共45个样方，在每个样方内用直径50 mm钢制取样器分上中下3层(0～2、2～5、5～10 cm)取样[14]，将各层土样混匀后分别装入布袋中，及时带回实验室内敞口放置，涨水前后两次所得样品共计270份.

将同一样方同一土层种子库土样混匀后用孔径1700 μm土壤筛过筛，放入带有透水孔的萌发盒(19 cm×13 cm×6 cm)中，将种子库土样平铺在3 cm厚、经高温灭活后的蛭石基质上，在维持萌发温度15～25℃，土壤含水率在55%～65%的大棚内进行萌发实验. 在实验进行两周后对每个萌发盒内萌发植物的种类和数量进行鉴定，并在记录后及时移出，每周进行一次鉴定统计. 对于无法鉴定的物种，移栽至另外的萌发盒培养至形态可鉴定为止，如一个月内不再有新的物种萌发即结束实验[14-15].

2.2 地上植被群落调查

在进行土壤种子库取样的同时，在取样点按草本(1 m×1 m)、灌木(4 m×4 m)以及乔木(10 m×10 m)的样方规格进行地上植被群落调查，记录样方内植物种类和群落特征(株数、频数、高度等).

2.3 数据处理

物种密度：将萌发盒中记录到的种子萌发数据换算成每平方米幼苗的数量即土壤种子库密度，以此表示土壤种子库的大小.

物种优势度：该物种在群落中的相对密度[16].

物种多样性采用Shannon-Wiener多样性指数(H′)、Simpson多样性指数(D)、Margalef丰富度指数(R)进行计算[17]:

(1)

(2)

R=(S-1)/lnN

(3)

式中，Pi为第i个物种占总物种数的比例，S为物种数，N为物种的个体总数.

土壤种子库与地上植被相似性采用Sørensen的相似性系数(SC)计算[18]:

SC=2W/(a+b)

(4)

式中，W为种子库和地上植被共有物种数，a为土壤种子库中的物种数，b为地上植被的物种数.

采用SPSS 19.0软件对土壤种子库密度进行最小差异显著性(LSD)和单因素方差(one-way ANOVA)分析，采用Excel 2016对数据进行作图.

3 结果及分析

3.1 涨水前后土壤种子库物种组成特征

3.1.1 土壤种子库物种组成 杨树清理迹地土壤种子库共萌发物种23科59属65种，退水后杨树清理迹地共萌发物种43种，隶属于17科39属，较涨水前减少6科20属22种(表1)，其中禾本科和菊科分别减少4种，伞形科减少3种. 涨退水前后土壤种子库物种数均表现出1 a(49种、34种)>2 a(44种、29种)>ck(29种、23种)的趋势，其中1 a和2 a退水后均减少15种，ck物种数变化较小. 涨水前芦苇、通泉草和苔草为优势物种，分别占萌发物种个体总数的10.65%、10.18%和9.94%；退水后萌发数量前三的物种为野胡萝卜、苔草和芦苇，分别占萌发物种个体总数的11.60%、9.07%和8.30%，禾本科和菊科物种在涨水前后土壤种子库中萌发物种数较多.

表1 涨水前后土壤种子库萌发物种组成特征(粒/m2)

PH:多年生物种, AH:一或二年生物种.

退水后土壤种子库不同土层物种数量较涨水前有所减少(表2)，其中0～2 cm土层2 a、1 a和ck土壤种子库物种分别较涨水前减少12、12和7种，差异较大；5～10 cm土层2 a、1 a和ck土壤种子库物种分别较涨水前减少8、6和4种，差异相对较小.

表2 涨水前后土壤种子库物种数量

3.1.2 土壤种子库种子密度 由表3可知，杨树清理迹地涨水前后土壤种子库密度差异显著(P<0.05)，涨退水前后土壤种子库密度均表现出1 a>2 a>ck的趋势. 涨水后土壤种子库平均密度较涨水前减少59.28%，差异较大，其中退水后1 a土壤种子库密度最大为5679.78粒/m2，为涨水前土壤种子库密度的48.09%；ck退水后土壤种子库密度为2238.58粒/m2，减少量较1 a和2 a小，较涨水前减少4496.77粒/m2.

涨水前后不同土层种子库密度也表现出明显的差异(P<0.05)，2 a、1 a和ck 0～2 cm土层种子库密度均最高，5～10 cm土层种子库密度均最低. 退水后不同土层种子库密度均较涨水前有所降低，其中退水后0～2 cm土层2 a、1 a和ck土壤种子库密度较涨水前分别降低67.81%、57.51%和61.89%；5～10 cm土层种子库密度差异相对较小，退水后2 a、1 a和ck种子库密度分别减少了790.86、830.07和1006.54粒/m2.

表3 涨水前后土壤种子库密度(粒/m2)*

3.1.3 土壤种子库物种生活型与生态型 由表4可知，涨水前后2a土壤种子库中多年生物种占比较大，1 a土壤种子库中一或二年生物种占比较大. 退水后2 a和1 a土壤种子库一或二年生物种较涨水前差异较大，分别减少10种和8种，ck差异较小，减少4种. 退水后不同恢复年份多年生物种也有所减少，ck、1 a和2 a退水后多年生物种分别减少13.33%、26.32%和25.93%，差异相对一或二年生物种较小，而其土壤种子库物种占比分别增加4.80%、2.40%和7.60%.

表4 涨水前后土壤种子库物种生活型、生态型占比(%)

涨水前1 a、2 a和ck土壤种子库均以中生物种为主，不同恢复年份退水后湿生物种与中生物种较涨水前均有所减少，而其物种数占比变化趋势有所不同，其中退水后2 a土壤种子库中生物种较涨水前增加4.08%；1 a和ck土壤种子库湿生物种占比有所提高，分别增加6.90%和1.20%，退水后1 a土壤种子库湿生植物占比较大.

图2 涨水前后土壤种子库和地上植被物种多样性指数

图3 涨水前后土壤种子库和地上植被相似性系数

3.1.4 土壤种子库多样性指数 由图2可知，涨水前后杨树清理迹地不同恢复年份之间土壤种子库Shannon-Wiener和Simpson指数变化较小，ck、1 a和2 a退水后Margalef指数较涨水前分别下降了0.43、1.31和1.38，差异较大. 其中涨水前Shannon-Wiener和，Simpson指数2 a最高，Margalef指数1 a最高，ck均最低；退水后1 a三个指数均为最高，ck均最低.

3.2 涨水前后土壤种子库与地上植被的关系

3.2.1 地上植被物种多样性指数 涨水前后地上植被物种多样性指数均低于土壤种子库(图3)，涨水前地上植被Shannon-Wiener指数和Simpson指数2 a最高，1 a次之，ck最低，Margalef指数表现为1 a>2 a>ck的趋势. 退水后Simpson指数和Margalef指数2 a均为最高，Shannon-Wiener指数1 a最高(2.65)，Margalef指数和Shannon-Wiener指数ck最低，Simpson指数1 a最低(为0.91). 不同恢复年份退水后地上植被物种Shannon-Wiener和Simpson指数均值分别为2.63和0.92，均高于涨水前地上植被(2.44、0.88)，Margalef指数均值为2.52，低于涨水前地上植被(3.45).

3.2.2 土壤种子库与地上植被相似性 由图3可知，涨水前相似性系数表现为1 a>2 a>ck的趋势，退水后2 a土壤种子库与地上植被共有种17种，相似性系数最高为0.68，1 a次之，ck共有种为13种，相似性系数最低为0.59. 涨退水前后土壤种子库和地上植被相似性有所差异，1 a退水后相似性系数为0.64，较涨水前减少2.51%，2 a和ck退水后相似性系数较涨水前分别增加19.80%和39.67%.

涨水前后不同恢复年份土壤种子库和地上植被优势物种所占比例有所差异(表5)，涨水前后ck和1 a芦苇和苔草等多年生物种在土壤种子库中占比较小，在地上植被中占比较大，2 a芦苇、苔草在地上植被和土壤种子库中占比均较大. 退水后1 a和2 a苔草和野胡萝卜等物种在地上植被中较涨水前占比均有所增加，附地菜占比分别降低8.06%和5.90%；ck土壤种子库和地上植被中芦苇、苔草、水蓼和鸡矢藤均较涨水前有所减少.

4 讨论

4.1 涨水前后杨树清理迹地土壤种子库变化特征

我国湿地土壤种子库密度在1227～66681粒/m2之间，物种数在24～110之间[6,19-20]. 本研究中杨树清理迹地土壤种子库物种组成较为丰富，涨退水前后土壤种子库密度在2238.58～11810.55粒/m2之间，共萌发物种65种，退水后平均密度较涨水前减少59.28%，物种数较涨水前减少22种，与涨水前相比土壤种子库密度和物种数均有明显的降低. 涨退水前后1 a土壤种子库密度与物种数均最高，ck最低. 从恢复年限和水淹周期看，涨退水前后1 a和2 a土壤种子库密度和物种数差异较大；相对于5～10 cm土层，0～2 cm土层土壤种子库密度和物种数涨退水前后差异较大.

表5 涨水前后土壤种子库与地上植被优势种比较(%)*

本研究结果显示杨树清理迹地自然恢复一年后土壤种子库密度和种类最高，恢复两年清理迹地密度与种类有所下降，而物种均匀性有所增加，未清理杨树洲滩物种多样性最低，主要由于迹地杨树清理后，地表一或二年生草本植物未受到乔木层干扰，物种多样性迅速增加，产生大量种子且附着于土壤表层，本研究根据湿地土壤种子库垂直分布特征在0～10 cm土层取样并使萌发实验周期维持一个月，以减少苔类对萌发物种多样性的影响，保持萌发数据稳定性和准确性[14]，因此恢复一年后表层土壤萌发物种数迅速增加. 迹地经过一年萌发稳定期以及洪水干扰后，土壤环境逐渐稳定，以无性繁殖为主要策略的多年生植物分配更多比例至芽库[21]，一或二年生物种比例减少，多年生植物物种数增加，物种分布趋于均匀.

国内外研究表明，水文波动是湿地生态系统功能特征变化的主要因子，植物群落的分布格局和演替受到水文因子的直接影响，湿地土壤种子库大小与淹水时间和强度关系较为显著[22]，其密度和种类受到水位涨落影响较大[23-26]，但较短时间的水文波动对土壤种子库组成影响较小[27]. 洞庭湖是我国第二大淡水湖，由东、南、西洞庭湖和横岭湖组成，是长江重要的通江湖泊，每年5月进入汛期，9月汛期结束. 研究区域所处南洞庭湖丰水期和枯水期水位落差达6～7 m，呈现汛期长水位落差大的水文特征. 研究表明稳定的汛期水文变化可减少种子密度、植物物种的多样性[28-29]，洪水期地表径流也将携带走部分种子使物种数和密度减少[30]，长时间的水淹可使种子腐烂死亡，且缺氧可加速种子老化，阻碍部分物种在萌发季节萌发使其进入休眠[31-32]. 杨树清理1 a和2 a后，土壤种子库密度和物种数增加，且0～2 cm土层种子库物种数量较多，经过汛期水淹后，一部分种子死亡，一部分种子被洪水带走，使涨水前后土壤种子库密度和物种数差异较大. 另外，土壤种子库物种组成和密度有明显的季节性[19]，3-5月份涨水前土壤种子主要来源于上一年秋季地表植被种子雨，储量大且经过冬季休眠后在春季适宜的土壤和气候环境下得以大量萌发. 9月份退水后土壤种子库储量减少且地表植被未处于种子成熟期，使得退水后土壤种子库萌发物种数和密度显著降低，因此洞庭湖长期稳定的水文波动和季节变化特征是影响洞庭湖杨树清理迹地涨水前后土壤种子库数量特征变化的主要原因.

4.2 涨水前后杨树清理迹地土壤种子库与地上植被相似性

土壤种子库物种组成和大小与地上植被群落的关系随着演替周期会发生改变[33]，湿地土壤种子库和地上植被相似性也受到水位变动的影响[34]，国内外关于水位变动对两者相似性关系的结论不一致，一些研究表明水位消涨过程可提高土壤种子库与地上植被的相似性系数[13,35-36]，另一些研究表明较大的水文波动频率使湿地地表植被与地下种子库的物种相似性系数较低[37-38].

洞庭湖湿地汛期具有季节性和稳定性特点，湿地植物群落在长期适应机制下，一或二年生植物一方面生长史较短，以提早开花和产生种子时间规避洪水干扰，另一方面为增加种子生存比例，一或二年生植物减少种子资源分配比，重量相对较轻且种皮较薄，可随水漂移；多年生植物生长期具有有性繁殖和无性繁殖两种繁殖模式，一些大型多年生水生植物如虉草、水蓼、苔草等在洪水来临前芽库密度较小以减少生存成本，在汛期结束时芽库迅速萌发进入营养繁殖为主的阶段. 退化湿地恢复后期，在稳定的土壤环境和适宜的竞争条件下，无性繁殖在地表植物群落恢复中的贡献较有性繁殖大[12,39-41]，因此洞庭湖杨树清理迹地土壤种子库与地表植被之间具有一定的差异性. 本研究结果表明2 a和ck退水后相似性系数较涨水前分别增加19.80%和39.67%，1 a相似性系数较涨水前减少2.51%，主要由于涨水前ck和2 a土壤种子库内以多年生植物为主，一或二年生植物经过汛期水淹后，一部分种子腐烂或进入休眠状态，另一部分被洪水带走，使退水后一或二年生萌发物种显著减少，如马齿苋、芥菜、芸薹、狗尾草、石胡荽等，种子越冬后于早春萌发，涨水前已开始花果期，产生的种子细小，经过长时间水淹后种子易腐烂且易随水漂移，另外如野大豆、牛筋草等一年生中生物种，花果期为6-10月，原本涨水前土壤种子库内密度较小，受到水淹胁迫后种皮受到浸泡失活或进入休眠状态使得退水后土壤种子库储量减少，统计鉴定时未被记录，而种子库中多年生萌发物种减少量相对较小，且物种占比有所增加. 另外，地表植被经过汛期后，芦苇、苔草、南荻等多年生根系发达且生长速度快的物种依靠芽库迅速无性营养繁殖，受水位涨落影响较小，物种占比较涨水前有所增加，因此相似性系数有所升高；1 a涨水前土壤种子库以一或二年生植物为主，退水后地上植被多年生植物占比有所增加，相似性系数随之下降，且在汛期结束后进入花果期的多年生植物种子补充进入2 a土壤种子库中，第二年春季2 a土壤种子库多年生萌发物种数得以增加，使地表植被群落结构趋于稳定，促进了杨树清理迹地自然恢复过程植被演替向后期发展.

因此，洞庭湖杨树清理迹地退水后土壤种子库物种数和密度显著减少，而地上植被物种均匀性有所增加. 随着恢复年份和水淹频次的增加，一或二年生湿生物种迅速减少，芦苇、南荻以及多年生中生物种所占比例增加. 可见，水文因子与南洞庭湖杨树清理迹地种子库恢复能力密切相关，是驱动洞庭湖杨树清理迹地地表植被群落向顶级优势种群落方向演替的重要因素.