衡阳紫色土山丘区灌草地土地利用方式土壤种子库特征

黄桂元 郭建军

摘    要：通过野外调查取样和室内试验相结合的方法，于2017年和2018年对衡阳紫色土山丘区不同坡向、坡位灌草地土地利用方式0～10 cm土层土壤种子库组成、密度及多样性特征进行调查分析。结果表明：衡阳紫色土山丘区灌草地土地利用方式土壤种子库密度为（2 367±217～6 867±410） 粒·m-2，阴坡土壤种子库密度显著高于阳坡（P<0.05），下坡显著高于上坡（P<0.05）;坡向、坡位均显著影响土壤种子库的Margalef丰富度指数（R）、Shannon-Wiener多样性指数（H）（P<0.05），但对Peilow均匀度指数（E）无显著影响（P>0.05），2017和2018年土壤种子库密度不存在显著差异（P>0.05）。研究结果对衡阳紫色土山丘区灌草地土地利用方式的可持续利用和恢复提供参考依据。

关键词：土壤种子库;物种组成;物种多样性;土地利用方式

中图分类号：Q948.1                文献标识码：A             DOI 编码：10.3969/j.issn.1006-6500.2021.02.018

Soil Seed Bank Properties of Frutex and Grassland Land Use Type on Mountain and Hill Areas with Purple Soils in  Hengyang of Hunan Province， China

HUANG Guiyuan， GUO Jianjun

（Hengdong County Forestry Bureau of Hunan， Hengdong， Hunan 421400，China）

Abstract：By combining field survey sampling with lab experiments， we investigated and analyzed species composition， density and diversity properties in 0-10 cm soil layers on different slope and position of frutex and grassland land use type on mountain and hill areas with purple soils in Hengyang of Hunan Province， China in the year of 2017 and 2018. The results showed that the density of the soil seed bank was ranged from（2 367±217） seeds·m-2  to （6 867±410 ） seeds·m-2， and the shady slope was significantly higher the sun slope（P<0.05）， and the downslope position was significantly higher the upslope（P<0.05）; The slope direction and slope position significantly affected Margalef richness index（R）and Shannon-Wiener diversity（H）of soil seed bank（P<0.05）， however there was no significantly effect to Peilow evenness index（E）（P>0.05）， there was no significant effect on the soil seed bank in the year of 2017 and 2018（P>0.05）. The study can provide a reference for the sustainable use and restoration of frutex and grassland land use type on mountain and hill areas with purple soils in Hengyang of Hunan Province， China.

Key words： soil seed bank; species composition; species diversity; land use type

湖南省衡阳紫色土山丘区近2.67×104 hm2，是中国独有的土地资源。这类土地色泽特别、肥力优良，具有发展农业优势。但是，紫色土山丘区的生态脆弱，季节性干旱突出;土壤耐旱性差，养分含量不协调，不耐侵蚀，水土流失严重。植被遭破坏后，表土很快流失，林草恢复十分困难，农业发展受到很大制约，是中国南方极具代表性的生态灾难区之一[1-3]。通过将灌木与草本进行人工耦合的灌草地土地利用方式，具有改善土壤物理、化学、生物学性质以及减少水土流失等诸多优点[4-6]，是改善土壤质量，使其良性发展的有效途徑之一[7-8]。但另一方面，该山丘区灌草地土地利用方式以紫穗槐（Amorpha fruticosa）、沙地柏（Sabina vulgaris）、马桑（Coriaria nepalensis）、白花草木樨（Melilotus albus）、猪屎豆（Crotalaria pallid）等少数几种灌木与草本为主[7-8]，有植物结构单一、群落稳定性差、生态服务功能弱等缺陷，严重影响到该区域生态经济的持续发展。

土壤种子库作为土壤基质中潜在的植物群落，在植被恢复与演替、生物多样性维护与植物群落稳定性的维持等方面有重要作用[9-10]。土壤种子库能够记忆或“储存”形成种子的环境因子，对形成较高级与复杂的植物群落意义深远[11-12]。因此，加强衡阳紫色土山丘区土壤种子库研究，间接了解植被恢复潜力，从而推动土壤种子库在生态恢复中得到更好应用。

近年来，相关学者对衡阳紫色土丘陵坡地封山育林模式（20 a）、退耕还林模式（2 a）以及農耕模式的土壤种子库特征进行了较系统的研究，并且取得了相应的研究成果[8，13]，但灌草地土地利用方式土壤种子库特征研究未见报道。本研究以衡阳土山丘区灌草地土地利用方式为研究对象，于2017和2018年连续2年研究土壤种子库分布格局，比较不同立地条件灌草地土地利用方式土壤种子库特征，为灌草地土地利用方式恢复重建提供数据支持。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

衡阳紫色土山丘区衡南县谭子山镇工联村（112°35′19″ E，27°18′35″ N），是典型的亚热带季风湿润气候，平均海拔140 m，年均温17.9 ℃，无霜期287 d，年均降雨量1 320 mm，主要集中于6—8月，潜在蒸发量1 450 mm，紫色土网状分布于海拔100  m

左右区域。自然条件下，阳坡植被覆盖率约20%，阴坡可高达55%，大多为禾本科、马桑科、菊科、豆科植物。2000年建植紫穗槐、沙地柏、马桑与假俭草（Eremochloa ophiuroides）等人工植被，人工灌草植被间距1.25 m，建植后采用封山管理方式。

1.2 野外取样

分别于2017和2018年3月中旬取样，探究2年份土壤种子库差异。取样地位于湖南省衡南县谭子山镇的“紫穗槐+白花草木樨”灌草地系统中，用直径为5.0 cm的土钻在2坡向（阴、阳坡）的3坡位（上、中、下坡）取样。30钻/坡位，10钻/1份，共3份（即3次重复），取样深度0～10 cm，土壤倒入塑料袋中，共计18个土样[2坡向（阴、阳坡）×3坡位（上、中、下坡）×3次重复]带回实验室用萌芽法对土壤种子进行甄别[14-15]。

1.3 萌发鉴定

样方土壤被放置于温室大棚的大花钵中，调节温室大棚的温光条件以及花钵的土壤含水量，每天观察花钵中土壤植物种子萌发状况（已萌发并可甄别的植物种子要及时清理），持续12个月，直到花钵的土壤再无种子萌发为止。

将土壤种子结果转换为土壤种子库密度（粒·m-2）。土壤种子库多样性采用Margalef丰富度指数（R）、Shannon-Wiener多样性指数（H）、Peilow均匀度指数（E）计量与表示，其计算方法参考文献[16]。

1.4 数据处理

所有数据采用SPSS 13.0软件进行统计分析，采用多因素方差分析法分析坡向、坡位对土壤种子库密度及多样性的影响;用Duncan法对3次重复的均值±标准方差进行多重比较（α=0.05）。

2 结果与分析

2.1 土壤种子库物种组成

综合2017和2018年土壤种子库研究结果，区域土壤种子库共有15种植物，分属于8科，其中菊科5种，禾本科4种，天南星科、豆科、灯心草科、车前草科、龙胆科、报春花科各1种;物种组成以多年生草本为主，占总物种的86.67%，一年或二年生草本、一年生草本各占6.67%;米口袋、小灯心草、荩草、旱黍草4种植物只在2018年出现，其余植物均在2017年、2018年出现。

2.2 坡向、坡位与土层对土壤种子库影响

坡向对土壤种子库密度与组成的影响达显著水平（P<0.05）（表2—表4），阴坡土壤种子库总密度（4 385±325～6 867±410粒·m-2）显著高于阳坡（2 367±217～3 218±369粒·m-2）（P<0.05）;阴坡分布14～15种，阳坡13种，减少1～2种，2017年半夏、飞蓬只分布于阴坡，2018年长茅草、火绒草只分布于阴坡;在阳坡，2017年米口袋只分布于上坡，龙胆、过路黄只分布于下坡，2018年半夏只分布于下坡，仅（1±0）粒·m-2，但分布于中、下坡有10种之多，分别为飞蓬、米口袋、鬼针草、车前草、荩草、龙胆、过路黄、旱黍草、狗娃花、狗尾草;在阴坡，2017年，15种均存在，而随时间演替，飞蓬已消失，长茅草、鬼针草、狗娃花只分布于下坡，火绒草、小灯心草、车前草只分布于中、下坡。

2.3 不同坡向、坡位土壤种子库的多样性指数

对2017年和2018年不同坡向、坡位土壤种子库多样性指数进行分析（表5），2017年，阴坡上坡、中坡与下坡丰富度指数、多样性指数与均匀度指数显著高于阳坡（P<0.05）;2018年阴坡上坡、中坡与下坡丰富度指数、多样性指数显著高于阳坡（P<0.05），但均匀度指数变化有所差异，阳坡中坡显著高于阴坡中坡均匀度指数（P<0.05），阳坡与阴坡下坡均匀度指数差异不明显（P>0.05）。

3 结论与讨论

3.1 讨论

于2017和2018年，通过对衡阳紫色土山丘区灌草地土地利用方式土壤种子库研究发现，该环境土壤种子库密度（2 367±217～6 867±410）粒·m-2，年际间差别小，与杨宁等[7-8]对衡阳紫色土丘陵坡地草地土地利用方式相应结果大致相同。与草地土地利用方式相比，灌草地土地利用方式本地乡土的土壤种子占居总的土壤种子库数量一定比例[17]。一方面，在该区域，在20世纪80年代开始实施推广实施灌草地土地利用方式进行植被恢复，周边草地等生态系统对灌草地土地利用方式产生深刻影响，使得灌草地土地利用方式的关键种在演替以及自然选择过程中发生趋同适应，最后与周边草地的植被逐于基本相同;另一方面，当地各级政府长期实施封山育林、退耕还林还草政策，所推广实施的灌草地土地利用方式人为干扰少，有利于植物的生长发育与土壤种子库的保存[18]。研究发现，由于灌草地土地利用方式经过多年自然选择与演变，与周边生态环境基本融合，多年生草本占植物种类的86.67%，从而确保其在植物群落演替进程中的自然更新与发展。

衡阳紫色土山丘区不同阴、阳坡土壤种子库组成大致相同。一方面，由于阴、阳坡植被基本一致，土壤种子库来源大致相同;另一方面，由于实验地距离较近，且坡面平缓，生态因子基本相同，受风力、动物的传播等的影响，阴、阳坡的种子库组成趋于相同。但半夏、飞蓬、长茅草、火绒草等只出现于阴坡，阴坡受到太阳幅射少，土壤蒸发弱，加之为山丘区，坡度较缓，土壤水肥状况较优，只适宜于半夏、飞蓬、长茅草、火绒草等阴性植物生长[19-20]。

阴、阳坡上、中和下3坡位的土壤種子库大小关系均为下坡>中坡>上坡，原因可能为水土流失导致土壤种子随土壤下移，随坡位下降，土层厚度增加，深厚的土壤易受于累积较多的土壤种子[21]。这与陈孟晨等[22]的研究结果基本一致。

3.2 结论

通过对衡阳紫色土山丘区灌草地土地利用方式土壤种子库特征进行研究，得出以下主要结论：紫色土山丘区灌草地土地利用方式土壤种子库密度（2 367±217～6 867±410）粒·m-2，不同坡向、坡位，土壤种子库密度存在显著差异（P<0.05），阴坡与下坡分别显著高于阳坡与上坡（P<0.05）;坡向、坡位对土壤种子库的Margalef丰富度指数（R）、Shannon-Wiener多样性指数（H）存在显著影响（P<0.05），但对Peilow均匀度指数（E）无显著影响（P>0.05），2017、2018年土壤种子库密度不存在显著差异（P>0.05）。

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