1. 引言
在一定面积的土壤上层凋落物和土壤中全部种子的总和叫土壤种子库 [1] [2]，它在退化草地植被的恢复和演替中起着非常重要的作用，所以人们通过研究土壤种子库，达到对某一区域植被更新的了解和有效估测，为区域草地生态系统的修复提供一定的理论依据 [3]。由于人为因素和自然因素的双重影响，张家川县草地出现了不同程度的退化，天然草原利用率约为50.3%，饲草利用率为60.7%，年饲草缺口达25.27万吨，严重影响了畜牧业的持续发展。因此，要提高天然草地单位面积草产量，退化草地植被恢复是重点和难点，利用土壤种子库对其进行自然恢复已成为退化草地生态系统恢复和重建的重要途径之一 [4] [5] [6]。本文以张家川县草地为对象，通过研究退化草地土壤有效种子库的基本特征，评价该地区土壤种子库在退化草地恢复中的应用潜力，为张家川县草地生态恢复提供一定的技术支撑。
2. 材料与方法
2.1. 研究区概况
试验地位于对张家川县靠近关山牧场的草地(北纬34˚44，东经105˚54)进行，平均海拔2011 m，年际和季节降雨量变化均较大，年平均降水量为593.6 mm，年平均蒸发量为14049.5 mm。年平均气温为6.9℃，昼夜温差较大，多年平均气温7.45℃，年日照总时数为2022小时，年无霜期为163天，土壤类型是粉沙质粘壤土和黑垆土，草原类型为高寒草甸草原。该地区植物在3月下旬开始返青，6月中下旬到8月下旬生长最旺盛，9月中下旬逐渐枯黄。
2.2. 取样及试验设计
综合考虑不同退化草地分布面积和地位、群落生境的差异，根据盖度不同，对张家川县靠近关山牧场的草原，选取不同退化程度草地土壤种子库分别进行取样，每个样地面积为1 m2，取样时间为2019年4月，使用管径为3 cm、有效长度15 cm的土钻，采用五点取样法取样，土壤种子库样通过打土钻法分为三层：0~2.5 cm为最上层，2.5~5 cm为中间层，5~10 cm为最底层，分别装入塑料自封袋，共计48个样品。每个取样重复4次。另外，地上植被在2018年6月28~7月5日设置样方进行调查。将草地按照目测盖度随机测定15个样方，各个样方面积为1 m2。
2.3. 测定指标方法
取回的土样过筛、去杂和回干。未过筛的主要用于土壤种子库评价。过筛的土样用于土壤理化性质的测定(土层为0~10 cm混合)，主要测定不同退化草地土壤全氮、全磷、全钾、有机碳、速效磷、硝态氮、铵态氮等土壤理化性质 [7]，具体方法如下：
(1) 土壤全氮含量的测定：用凯氏定氮法测定。土壤过筛后取0.5 g放入干燥的消煮管中，加入1.5 g的还原性混合催化剂，在通风橱中加入10 mL浓H2SO4，在220℃条件下消煮1.5 h，直至内容物呈清澈的淡蓝色为止。消煮完毕后进行冷却，用0.001 N的盐酸标准溶液滴定至红色为主。
(2) 土壤全磷含量测定：样品处理同全氮含量测定，消煮结束待冷却后，定容至100 mL，用流动注射仪进行测定。
(3) 土壤全钾含量的测定：采取火焰光度计法进行测定。
(4) 土壤有机碳的测定：称取0.5 g过筛后的土样置于硬质试管中，加入5 mL 1 N K2Cr2O7溶液，然后再加入10 mL浓H2SO4，油浴5 min，冷却后在加入0.2 N的浓硫酸亚铁滴定。
(5) 土壤氨态氮和硝态氮的测定：称取10 g新鲜的土壤倒于150 mL的三角瓶中，然后再加入50 mL 2 N KCl，将三角瓶置于摇床上，过滤到100 mL的容量瓶中，用流动注射分析仪进行测定。
(6) 土壤含水量：采用烘干法进行测定。
(7) 土壤种子库调查：采用冲洗土壤法，将种子采用纸上发芽法，统计发芽的种子数，进而通过鉴定评估土壤种子库中可以萌发种子的种类和数目。
(8) 统计样方中出现的物种数目、地上植被的生物量：样品带回实验室，先在烘箱105℃杀青0.5 h，然后在70℃条件下烘干至恒重，最后再用电子天平对样品进行称重。统计生物量。
2.4. 数据处理
所有数据统计与分析、相关性分析釆用Excel2013、采用SPSS17.0等软件完成。对地上植被的多样性特征采用Shannon. Wiener多样性指数(H)、Simpson生态优势度指数(D)和Pielow均匀度指数(E)计算。
公式如下：
Shannon. Wiener多样性指数：
Simpson生态优势度指数：
Pielow均匀度指数：
式中，
；S群落物种总数；Ni为第i种的个体数目；N为群落中所有种的个体总和；pi = Ni/N [8]。
3. 结果与分析
3.1. 张家川县草地地面植被多样性分析
调查结果显示，15个样地植物共有16科38属41种。分析各科属的种类组成可知，菊科植物种类最多，为6种分属6个属；其次依次是禾本科5种5属，蔷薇科6种5属种，豆科3种3属，茛科3种3属，其余科所含种数均在2种及以下，仅含1种的有8科。地面植被出现频率最高的有草地早熟禾，其次是车前草、龙牙草、野草莓、路边青、白三叶、雀麦、委陵菜、老鹳草、毛茛等，这些应该是该地区内的优势种(表1)。经计算，15个样地群落的多样性指数平均为0.759，生态优势度指数平均为1.456，均匀度均值是0.486，三个指数不高，可能与每个样地植物多样性差异较大且每种植物个体数量不均匀有关。样地内的草地早熟禾、黑麦草、雀麦等，能够产生大量籽粒饱满的种子并进入当年的土壤种子库。
Table 1. Composition and proportion of ground vegetation
表1. 地面植被组成及所占比例
3.2. 不同退化草地土壤种子库物种多样性
张家县草地土壤种子库共鉴定出15种植物，隶属于8科15属。三种不同退化草地中，A (轻度退化草地)有12种植物、B (中度退化草地)有9种植物，C (重度退化草地)有4种植物，三个类型草地共有物种4种，它们组成该退化草地的持久种子库。与对照相比，随着草地退化程度的增加，土壤种子库活性种子种类和数量在逐渐减少(表2)，表明草地的持久种子库物种组成多样性在逐渐降低。
3.3. 不同退化草地土壤种子库物种垂直分布
在垂直方向上，三种不同退化程度的草地土壤种子库密度与丰富度均随着土壤深度的增加而减少，各个样地土壤种子库种子变化为数0~2.5 cm层>2.5~5 cm层>5~10 cm层。不同退化程度土壤层中种子分布数量在0~2.5 cm层比例最高，随着深度增加，种子数量及所占比例下降。与对照相比，在0~2.5 cm层，土壤种子库密度随退化程度增加出现先降低后增加趋势。轻度退化草地0~2.5 cm土壤种子库数量为平均为765 ± 74粒/m2，占0~10 cm的56.65%，而2.5~10 cm土壤种子库数目占0~10 cm土壤种子库数目的43.36%。中度退化和重度退化草地在0~2.5 cm土壤种子库数量分别为1046粒/m2、1172粒/m2，分别占0~10 cm土壤种子库种子数的74.62%和76.87%，表明不同退化程度草地土壤种子库主要集中于表层的土壤中，轻度退化草地差异显著(P < 0.05)，在垂直方向的每一层，未退化草地土壤种子库的数量远高于轻度退化草地的土壤种子库数量，但比中度和重度退化草地土壤种子库数量少，但差异不显著(图1)。
Table 2. Species composition and seed number characteristics of the different soil seed bank
表2. 不同土壤种子库各物种组成及种子数量特征
Note: Different lowercase letters indicate significant differences at 0.05 level. 注：图中不同小写字母表示差异显著(P < 0.05)。
Figure 1. Vertical distribution of soil seed bank of in different degraded grassland
图1. 不同退化草地土壤种子库的垂直分布格局
3.4. 不同退化程度草地土壤理化性质
中度退化草地土壤有机碳最低，为0.42%，与未退化程度土壤差异显著(P < 0.05)。轻度退化土壤速效磷含量最高为，7.12 mg/kg，但不同处理之间无显著性差异(P > 0.05)。硝态氮含量在不同退化草地之间无显著性差异。硝态氮含量在未退化草地上含量最高，为8.79 mg/kg (表3)。
Table 3. Comparison of physical and chemical properties of soils in different degraded grasslands
表3. 不同退化草地土壤理化性质的比较
注：同行不同小写字母代表不同退化草地间指标差异显著性(P < 0.05)。Note: Different lowercase letters in the same line indicate significant differences among different degraded grassland at 0.05 level.
3.5. 地上植被、土壤理化性质与土壤种子库密度的相关性分析
分析结果显示，土壤种子库密度与地上植被的生物量、土壤含水量、土壤容重、土壤总氮含量、总钾、土壤有机碳、土壤速效磷含量均呈负相关。土壤种子库密度与土壤全磷、土壤氨态氮呈正相关，地上植被生物量与土壤全磷呈极显著负相关(−0.81)，土壤全钾与硝态氮含量呈显著负相关(−0.652)。其它指标之间相关性不显著(表4)。
Table 4. Correlation analysis of grassland vegetation, soil physical and chemical properties, and soil seed bank density
表4. 草地植被、土壤理化性质、土壤种子库密度的相关性分析
注：SD (Soil seed bank Density)表示土壤种子库的密度；PY (Plant Yield)表示地上生物量；SW (Soil Water)表示土壤含水量；SV (Soil Volumn) 表示土壤容重；SN (Soil N)表示土壤全氮；SP (Soil P)表示土壤全磷；SK (Soil K)表示土壤全钾；SC (Soil C)表示土壤有机碳；SRP (Soil RP)表示土壤速效磷；SNN (Soil NN)表示土壤硝态氮；SAN (Soil AN)表示土壤氨态氮。
4. 讨论和结论
4.1. 退化草地土壤种子库的密度
中度退化程度草地土壤种子库的密度最大，为1172 ± 134粒/m2，占0~10 cm种子总量的74.62%。中度退化和重度退化种子库密度和数量差异不明显。轻度退化草地的土壤种子库密度最小，为765 ± 74粒/m2。其中某些物种分布广泛、种子储量符合该生境下种子库大小水平，可用于当地草地植被恢复。但其中代表较高演替阶段的多年生植物比例较低，说明张家川县草地植被恢复需要一定程度的人为干预。比如补播一些人工草种等。
4.2. 土壤种子库垂直分布格局
土壤种子库种子分类研究的一个重要指标就是土壤种子库垂直分布格局。其中，表层土和深层土中的中的种子分别组成了土壤短暂种子库和持久种子库，而该地区地上植被是否可以恢复的重要种质资源库是否是持久种子库。因此，研究退化草地土壤种子库的垂直分布格局非常有必要。该试验表明张川县不同退化草地种子主要分布于中上层(0~2.5 cm)，垂直分布3 层种子数量差异较明显。人为和和自然双重原因导致张家川部分草地出现不同程度的退化，轻度退化草地表层由于突然的扰动导致(0~2.5 cm)层的地表的完整性，使部分种子及植物的根茎均受到不同程度的破坏，因而轻度退化区(0~2.5 cm)层土壤种子库中根茎型牧草种子资源大量减少，而中度退化和重度退化在经历了轻度退化后部分种子逐渐打破休眠甚至逐渐适应了环境，导致0~2.5 cm曾土壤种子库相比轻度退化的略有增加，但2.5~10 cm层与对照相比，三种土壤均出现逐渐下降趋势。这与大多数研究中种子库的垂直分布规律相符合 [8] [9] [10] [11]。
4.3. 退化草地土壤理化性质变化
土壤有机质结果也表明，随着土壤种子库物种数量下降，土壤有机质出现升高趋势，这与土壤种子库密度变化相一致。研究表明，硝态氮高，物种数有增高趋势。国外学者的研究也发现在温带陆地生态系统中，如果磷含量增加，氮磷比下降，则濒危物种更容易灭绝 [5] [12]。本实验结果表明，随着草地退化程度的增加，土壤N/P比出现下降，所以退化草地物种数出现逐渐下降。这些充分说明张家川县草地植被恢复需要一定程度的人为干预。比如补播一些人工草种等。
总之。研究表明张家川县草地种子库密度最大的是中度退化程度草地，这说明利用土壤种子库对张川县草地进行自然恢复和重建是可行的。同时研究结果显示，菊科、禾本科、豆科为当地优势种群，不同退化草地种子主要分布于上层(0~2.5 cm)。张家川县草地植被恢复可以结合土壤种子库，考虑利用当地优势草种进行补播或进行人工草地建设，从而达到修复退化草地植被，提高天然草地草产量目的。
基金项目
2018年天水市科技支撑项目(2018-NCK-8113)。