陈学平， 杨艳刚， 尚占环， 陈济丁， 孔亚平， 王九峦

(1.交通运输部科学研究院 北京 100029； 2.兰州大学，甘肃兰州 730000；3.青海大学，青海西宁 810016)

青藏高原是世界上生态恢复难度最高的区域之一，因此公路与采矿工程引起的植被破坏修复难度高，这就要求对施工区域的植被、土壤等状况进行深入的研究，才能制定有效的修复方案[1-3]。土壤种子库是存在于土壤上层凋落物和土壤中全部存活种子的总和[4]，是生态重建和修复中物种的自然供方，它的发生发展对种群生态建设、植被恢复与演替、生物多样性和遗传变异进化等方面的研究具有重要作用[5-6]。对土壤种子库的深入研究可以为恢复路矿破坏区域提供有效的信息和参考，是决定路矿破坏区域植被修复的成败[7-9]。借助于土壤种子进行植被恢复或修复技术必须对目标区域土壤种子库进行深入研究，才能得出科学准确的认知，这在国内外学术和技术领域已形成共识[10-13]。

路域生态系统是一特殊类型的生态系统，由于车流、人流特征与其他环境不一样，导致对种子传播效应不同，这也会影响路域土壤种子库的分布，已有研究表明公路级别、路旁景观类型和海拔对入侵植物种子库密度有显著影响[11]。开展公路路域土壤种子库研究不仅可指导当前公路工程建设项目，开展表土剥离保护利用实践，同时也可探索利用土壤种子库诱导植被恢复困难区域自然植被建成的可行性。青藏高原高寒区由于气候干旱、寒冷，种源缺乏，工程建设植被重建与恢复极为困难，引入外地种又难以建成，而本地物种又多难以采集到种子[14]，开展路域土壤种子库的保护与利用研究对恢复工程具有重要意义。当前主要采用草皮剥离与回铺的方法进行高寒草甸的植被恢复，而对高寒草原目前尚无有效的植被恢复技术。为此，本研究拟以G214公路为例，以路侧高寒草原为研究重点，通过野外取样与室内试验分析，研究路域土壤种子库特征，旨在为高寒草原区公路路基清表作业中表土种子库保护与利用的工艺设计、路域植被恢复技术提供参考。

1 试验与方法

1.1 试验区概况

国道214公路玛多段，位于三江源自然保护区，所调查样地位于玛多县—苦海滩，海拔高度4 200～4 400 m之间的干旱草原段。玛多县多年平均降水量为 318.5 mm，蒸发量为1 326.1 mm，气候寒冷干燥，全年无绝对无霜期。高寒草甸、高寒草原均是黄河源区典型植被类型。高寒草原是以紫花针茅(Stipapurpurea)为优势种，受放牧、地形等影响常在不同区域呈现退化特征，山前平原过渡带退化较轻，紫花针茅仍为群落主体，群落覆盖度较高，在草原草甸过渡带，建群种主要有禾叶风毛菊(SaussureagramineaDunn)、碱茅(Puccinelliadistans)、矮火绒草(LeontopodiumnanumHand.-Mazz.)、早熟禾(PoaannuaL)等；山脚重度放牧区，植被退化严重，群落覆盖度低，群落演化为沙生风毛菊(SaussureaarenariaMaxim)、黄耆(AstragalusmembranaceusBunge.)、蒿类(ArtemisiaSPP)及甘肃棘豆(OxytropiskansuensisBunge)等杂类草草原；苦海滩地带土壤盐碱化严重，植被类型主要以点地梅(Androsaceumbellata)、蚤缀(ArenariaserpyllifoliaL.)、沙生风毛菊等呈荒漠植被类型。国道214公路主要在山脚与平原过渡地带伸展，所经区域既有山坡地退化草地、山前平原典型草原及盐碱滩，公路及路侧区域为牧群迁徙的重要通道，受放牧干扰较为强烈，本调查主要以这3 种植被类型为研究对象。

1.2 表土取样方法

野外取样时主要采用样线法、随机法、小支撑多样点法等，其中样线法和随机法在种子库取样时最为常用[15-17]，能够保证取样的全面性，国内外大部分种子库研究的取样都采用这两种方法。Bigwood等[18]研究发现，采集大量的小样本来估测种子数量的准确性比采集少量的大样本来估测种子数量的准确性要高。本研究参考前人研究，采用大量的小样本法，用土芯扦取土样，土芯直径3.5 cm，10 个土芯混合成一个样方[19-20]。选择3 种植被类型，典型草原、退化草原、盐碱滩，在距公路30 m、60 m、90 m分别布置取样带，每样带上取10个土芯分层混成一个样品进行实验室分析，研究不同植被类型的土壤种子库特征。在以上试验基础上，本研究还针对典型草原，分别在2015年春季末(5月)与秋季末(11月)进行取样测试，研究不同季节的土壤种子库特征。土样扦取设置3个厚度，分别是0～5 cm，5～10 cm，10～20 cm。

1.3 地上植被状况调查

于2015年7月份进行土壤种子库样地上植被调查，调查植被覆盖度、群落结构、优势植物等，以进一步分析土壤种子库种类与地上植物种类的关系，各调查地的基本情况见表1。

表1 土壤种子库取样地地表植被状况Table 1 Vegetation condition for the sample plots of soil seed bank

1.4 土壤种子库种类

目前国外最常用且较成熟的方法是种子萌发法，已经广泛用于干旱地区土壤种子库的成活率鉴定，对种子预处理之后利用此法，结果准确可靠，其优点是不需要任何技术设备对种子进行提取和预处理，但易受萌发条件的影响[21]。种子萌发法包括室内土壤萌发法、室外土壤萌发法和水浸萌发法[22-24]，本试验采用室内土壤萌发法，具体操作过程：

取回土壤在阴凉处晾干，破碎过筛去除杂物，再置于30 cm萌发盘中，在20℃温度下，自然光照并每天保持土壤湿润，每天观察并记录幼苗的出土时间，待其长到能鉴定物种时将其移除，测定计算种子库密度(单位面积种子粒数，用粒·m-2表示)，连续观测7个月，直至识别出所有幼苗的种属。

1.5 数据分析

土壤种子库密度土壤种子库密度用单位面积土壤内所含有的活力种子数量来表示。将取样面积的种子数目换算为1 m×1 m 的数量即为土壤种子库的种子密度(均值±标准差)，对采集的试验数据，采用Excel 2007和SPSS 17．0 进行数据处理与统计分析。

2 结果与分析

2.1 地下植物种类组成分析

春秋季测试样品共萌发16种，其中春季12种、秋季7种(其中有3种与春季相同)，见表2。

表2 测试样品萌发种类Table 2 Species germinated from the samples

从表中可以看出，针茅草原中土壤种子库中主要种类以多年生植物为主，占91.5%，样品中共有9科的植物种子萌发，其中禾本科植物种类有4种，十字花科3种，菊科与毛茛科各有2种。

从土壤种子库与地上植被关系来看，全部萌发16种，出现在地上样方中的有6种，占37.5%；另一方面，地面植被样方调查39 种植物，出现在土壤种子库样方中的占41.0%。从季节分布来看，春季土壤种子库中有5种在地上样方中出现，占春季萌发植物种的41.7%；秋季土壤种子库有3种，占42.9%，大致相同。从不同草地类型种密度来看，典型草原平均每样方有2.4±1.7种，退化草地平均每样方4.0±1.0种，盐碱地种类最贫瘠，仅有1.3±0.58种。

2.2 不同植被类型土壤种子库种子密度

不同草地类型、同一草地类型不同草地质量中表土种子库密度相差较大，盐碱滩、退化草地到典型草原平均种子库密度在173～1 196粒·m-2，其中典型草原与盐碱滩之间具有显著差异(P<0.05)，见图1。在这些种子中，禾本科、蔷薇科、豆科、菊科四个科的种子占了82.2%，其中蔷薇科的二裂委陵菜与禾本科的垂穗披碱草分别就占32.6%与27.1%；各科种子分布均较分散，12个萌发种中，仅有1个种(二裂委陵菜)在11个样方中出现，其余10个种均在6个以下的样方中出现，有8个种出现的样方数不足3个。

图1 不同草地类型表土种子库密度Fig.1 Top soil seed bank density for different vegetation types注：图中a、b表示显著性程度，图中误差线为标准差，下同Note: The letter a and b indicate the significance; the bar stand for std. deviation, the same as below

2.3 距公路不同距离的土壤种子库密度和物种数变化

从距离来看，30 m、60 m、90 m等3个距离处的表土种子库密度随距离增大有增加的趋势，种子库密度从30 m的207～520 粒·m-2过渡到90 m的1 143～1 715 粒·m-2，见图2。30 m萌发总种数为6种，60 m与90 m均为8种。这初步显示出了公路建设与运营对自然环境中表土种子库的干扰，距公路越远影响与干扰越小，种子库密度及种密度较高。

图2 距公路不同距离处表土种子库密度Fig.2 Top soil seed bank density for different distance from road

2.4 不同土壤深度和季节土壤种子库数量变化

从土壤垂直分布来看，0～5 cm深度内的表土种子库密度占了85.4%，处于绝对优势，而0～5 cm与5～10 cm深度内的表土种子库密度总和占到91.6%，见图3。从植物种的垂直分布来看，在11个种中，有10个种的种子出现在上层10 cm内，仅有多年生植物二裂委陵菜在10～20 cm土层中均有分布。一、二年生植物如滨藜、白莲蒿不仅在表层5 cm内，且在5～10 cm间也有分布。

图3 不同土壤深度表土种子库密度Fig.3 Top soil seed bank density for different depth of the soil

通过对典型针茅草原两个季节萌发试验对比可以看出，各类型草原秋季土壤种子库密度均较春季大幅减少，典型草原减少幅度接近34%，退化草地减少幅度达到67.57%，在碱滩土壤中未观测到种子萌发，各类型草原平均秋季种子库萌发密度较春季减少了44.54%。这一结果反映出当地土壤种子库大多为第一年成熟次年春夏季再萌发生长，秋季新补充土壤的种子库没能萌发生长，尤其是对退化草地与碱滩植被类型而言，其种子库更趋向于次年再萌发。

表3 春秋两季土壤种子库萌发数量对比Table 3 Contrast of soil seed bank germination in tow seasons

3 讨论与结论

本研究种子库中种类数总体较少，这与研究植被类型、取样方法及所处区域的群落物种特性有关。草种在样方间重复频率较低，在一定程度上说明种子库中种子密度总体比较稀疏，同时也表明土壤种子库取样会低估实际种子库种类数目。前人研究表明土壤种子库与地面植被之间的相似性一部分较高，另一部分较低，目前还不能就种子库与地面植被种类组成的关系得出统一的结论[25-27]。但植被类型与质量可以影响土壤种子库密度，本研究中测定的不同草地类型土壤种子库密度在173～1 196 粒·m-2之间，盐碱滩、退化草地、典型草原3 种植被类型的土壤种子库密度依次增大；退化针茅草原土壤种子库密度略高于其他2种，盐碱滩最低。

在人工植被恢复中，需重视种子数量及物种的丰富度，典型草原土壤种子库密度大，而退化草原种子库种类丰富，都应是该区种子库保护利用的重点，盐碱滩植被覆盖差，土壤种子库密度低、种类也较单一，开展土壤种子库保护价值不大。

本研究调查了样地路侧土壤种子库萌发16种植物，其中仅有青海早熟禾、羊茅、垂穗披碱草3种在高寒草原区实现了种子规模化生产，可用于人工植被恢复工程实践。可见，对于该区的工程迹地植被恢复，利用土壤种子库对于补充人工植被群落植物多样性不足是一种有效方法。

本项目测定得出远离公路处种子库密度较高，可能与受到公路运营干扰较低有关，公路运营干扰对土壤种子库密度分布有负面影响。前人研究表明干扰影响土壤的种子库动态，动物放牧和人类干扰能降低土壤种子库的密度，并且能改变土壤种子库的物种组成[28-29]。路侧人流物流车流干扰强烈，而远离公路处干扰程度较轻，种子库密度也较大。

本研究测定的秋季土壤种子库密度远较春季低，一方面说明种子库中原春季存在的种子库已经萌发或通过其他途径损失，另一方面也说明秋季成熟种子未能萌发。有研究表明，即使在合适的萌发条件下，也有一些种子处于休眠状态暂不萌发，低温处理对种子发芽率提高也至关重要[30-31]。秋季样品没有经过冬季低温，这可能是所测定土壤种子库密度偏低的重要原因之一，另外也说明研究区域中土壤种子库为瞬时种子库。瞬时种子库是存在于土壤中少于一年的种子库类型，可分为类型Ⅰ秋天散布萌发与类型Ⅱ在种子萌发之前需要春化作用(寒季)[32-34]，研究区土壤种子库为类型Ⅱ。由此可见，该区更宜在春季进行表土收集，此时秋季成熟的种子已完成土壤种子库的补充，并且已完成冬季低温处理，更利于生长与萌发；夏季在前一年种子萌发后，土壤种子库中密度进一步降低，表土保护需侧重土壤保护。

从土壤种子库种类来看，在萌发的11个种中，有10个种的种子只出现在上层10 cm，仅有多年生植物二裂委陵菜均有分布在10～20 cm土层中。表土种子库密度在0～10 cm深度范围占到91.6%，表土种子库的浅层分布特征也是很多研究得出的普遍规律[35-36]，其为工程建设的剥离保护提出了新发展方向。此外，二裂委陵菜在研究区域土壤种子库中的存在可能与放牧强度有关，在一定程度上说明存在着不同程度的退化问题[36]。从种子库大小来看，除了高覆盖度的针茅草原种子库密度超过1 000粒·m-2，其他几种植被类型在173～655粒·m-2之间，即便所有种子均有效萌发对于工程播种建坪仍远远不足；况且，由于当前工程施工的粗放化与施工机械的大型化，薄层表土的收集较为困难，一般结合土壤质地与养分特征剥离20～30 cm的土壤，这会造成土壤种子库密度较大程度地被“稀释”，使得单位体积里的土壤种子数量大大降低，可见，基于未来土壤种子库利用，需要进一步开发薄层表土收集技术，同时在植被恢复实践中需要大量补充外源种子才能满足植被恢复建坪要求。当前，从植物直接将种子库用于公路植被恢复方面的研究并不多见，近年来有研究证明用含有种子库的表土进行生态恢复，边坡植物群落Simpson多样性指数及Pielou均匀度指数相对较高，生物量积累值和木本植被的群落重要值都显著高于其他恢复方式[37]。

总之，通过本研究可知，研究区域土壤种子库类型为瞬时种子库，种子库密度与地上植被的群落类型有一定关系，典型草原优于退化草原与盐碱滩，种子库密度则以退化草原最大，春季是开展种子库保护利用的理想季节。本项目对路侧土壤种子库的分布特征研究可为相关工程迹地人工植被恢复提供参考依据。