【中科院之聲】濕地土壤小種子，植被恢復(fù)大用途
濕地是位于陸生生態(tài)系統(tǒng)和水生生態(tài)系統(tǒng)之間的過渡性地帶，土壤淹水或水分過飽和，生長著很多適應(yīng)濕地環(huán)境的生物。沼澤濕地是我國分布面積最大的一種自然濕地類型，主要分布于我國東北三江平原、大小興安嶺、長白山地、若爾蓋高原、青藏高原和遼河三角洲等地區(qū)。
沼澤濕地是自然界最富生物多樣性的生態(tài)景觀之一。以我國昔日的“北大荒”—三江平原為例，三江平原的“三江”即黑龍江、烏蘇里江和松花江，三條大江浩浩蕩蕩，匯流、沖擊行成了這塊低平的沃土，成為我國最大的沼澤濕地集中分布區(qū)。遼闊的三江平原上孕育了眾多的河流，水資源豐富，肥沃的土地上孕育了神奇多彩的濕地植物。這里有高低起伏的“塔頭墩子”、一望無際的小葉章草甸、郁郁蔥蔥的蘆葦蕩……目前，三江平原已發(fā)現(xiàn)的濕地植物超過一千余種，成為濕地植物的天堂。
近半個多世紀(jì)以來，隨著大規(guī)模的農(nóng)業(yè)開發(fā)，我國沼澤濕地喪失嚴(yán)重。其中，三江平原沼澤濕地面積減少了80%左右，絕大部分被開墾為農(nóng)田。當(dāng)年“棒打狍子瓢舀魚，野雞飛到飯鍋里”的北大荒已不復(fù)存在，如今已成為我國重要的米糧倉。近年來，隨著對濕地重要性認(rèn)識的提高，濕地保護(hù)和恢復(fù)工作受到普遍重視，全國范圍正積極開展退耕還濕等重大生態(tài)恢復(fù)工程。
沼澤植被作為沼澤濕地生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)者，制約著濕地生產(chǎn)力、碳循環(huán)和養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮。因此，濕地恢復(fù)過程中，原有優(yōu)勢植物是否出現(xiàn)，成為沼澤濕地恢復(fù)成敗的關(guān)鍵指標(biāo)。
天然沼澤濕地可以依靠無性繁殖和種子繁殖兩種方式進(jìn)行植物群落的更新和演替。然而，濕地被大面積墾殖進(jìn)行長期農(nóng)業(yè)耕作以后，原有濕地植物群落已經(jīng)喪失，已無法通過無性繁殖方式進(jìn)行自然恢復(fù)。而通過人工移栽的方式進(jìn)行恢復(fù)則會耗費(fèi)大量的人力、物力和財力，且恢復(fù)的植被類型單一，群落結(jié)構(gòu)簡化，難以達(dá)到植物多樣性恢復(fù)的目標(biāo)。
因此，能否利用被開墾農(nóng)田土壤中殘存的植物種子進(jìn)行沼澤植被的恢復(fù)成為恢復(fù)生態(tài)學(xué)家近年來普遍關(guān)注的熱點(diǎn)科學(xué)問題。回答上述科學(xué)問題，關(guān)鍵是要明確濕地開墾前后土壤種子庫結(jié)構(gòu)和規(guī)模的變化過程，揭示利用農(nóng)田殘存的土壤種子庫開展沼澤植被自然恢復(fù)的潛力。
土壤種子庫是土壤表面和土壤中具有活力的種子的總和，也是植物生活史過程中的一個重要階段。植物種子成熟后會離開母體散落到地表，進(jìn)入土壤，形成土壤種子庫。大多數(shù)種子進(jìn)入土壤后，會經(jīng)歷一個休眠階段，由于物種種類和環(huán)境條件的差異，休眠時間可以從幾天到很多年。根據(jù)種子休眠、萌發(fā)和死亡特征，土壤種子庫可以分為瞬時土壤種子庫和持久土壤種子庫。土壤種子庫能夠?yàn)橹参锶郝涞闹亟ㄌ峁┯谢盍Φ姆N子，是退化生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)恢復(fù)的重要組分。尤其是經(jīng)過長時間的開墾后，農(nóng)田土壤中仍含有大量有活力的沼澤植物種子時，可以利用殘存的持久土壤種子庫進(jìn)行沼澤濕地植被的自然恢復(fù)。
基于生活史的植被動態(tài)概念模型
中科院東北地理所濕地生態(tài)系統(tǒng)管理學(xué)科組姜明研究員團(tuán)隊(duì)以我國東北三江平原淡水沼澤濕地為研究對象，在利用土壤種子庫開展沼澤濕地恢復(fù)的理論與技術(shù)研究領(lǐng)域取得系列進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)揭示了濕地開墾前后土壤種子庫的結(jié)構(gòu)和規(guī)模特征，發(fā)現(xiàn)天然濕地土壤中含有大量不同類型沼澤濕地植物種子，在植物群落更新演替過程中發(fā)揮著重要作用，同時可以作為利用土壤移植技術(shù)進(jìn)行濕地植被異地重建的種源地。
明確了緯度、水深和開墾年限是影響土壤種子庫結(jié)構(gòu)和規(guī)模的關(guān)鍵限制性環(huán)境因素。發(fā)現(xiàn)沼澤濕地開墾后，隨著開墾年限的增加，土壤種子庫結(jié)構(gòu)和規(guī)模發(fā)生變化，濕地物種豐富度及種子密度呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)快速下降趨勢，而非濕地物種維持在一個穩(wěn)定的低水平。在開墾1-5年內(nèi)，土壤中仍含有莎草、禾草、非禾草、灌木四類沼澤濕地植物功能群的種子，濕地植被自然恢復(fù)潛力巨大，這類退耕地為濕地自然恢復(fù)的優(yōu)先區(qū)域。開墾6-15年內(nèi)，莎草類植物種子在土壤中消失，而禾草、非禾草、灌木植物的種子在土壤中依然存在，這類退耕地依然具有自然恢復(fù)成新生的濕地植物群落的潛力，為濕地自然恢復(fù)的次優(yōu)先區(qū)域。當(dāng)開墾年限在16年以上時，絕大部分濕地植物種子在土壤中消失，非濕地植物逐漸占有優(yōu)勢，濕地自然恢復(fù)難度巨大，這類退耕地需進(jìn)行濕地植被人工重建。
沼澤濕地土壤種子庫與環(huán)境因子的關(guān)系
沼澤優(yōu)勢植物種子密度隨開墾年限變化特征
據(jù)此，提出基于種源限制的沼澤濕地植被恢復(fù)的開墾年限閾值（15-20年），并結(jié)合植物功能群變化對退耕地的沼澤濕地植被自然恢復(fù)潛力進(jìn)行“高—中—低”三級劃分，為退化沼澤濕地植被恢復(fù)技術(shù)優(yōu)化和物種選擇提供科學(xué)依據(jù)。目前該成果已被國內(nèi)外多家著名的濕地生態(tài)恢復(fù)科研團(tuán)隊(duì)采用，作為制定流域尺度濕地生態(tài)恢復(fù)方案的關(guān)鍵參數(shù)。
沼澤濕地土壤種子庫物種豐富度和種子密度隨開墾年限變化特征
退耕地沼澤植物多樣性自然恢復(fù)潛力分級
基于前期沼澤濕地土壤種子庫理論研究，采用土壤種源中沼澤濕地物種數(shù)、優(yōu)勢種種子密度、濕地/非濕地物種比重三項(xiàng)指標(biāo)，結(jié)合退耕地環(huán)境因子適宜性評估，發(fā)明了一種在大面積退耕地沼澤濕地植被恢復(fù)中選擇自然恢復(fù)或人工恢復(fù)技術(shù)的判定方法，克服了目前我國大面積退耕還濕過程中沼澤濕地植被恢復(fù)措施的選擇缺乏科學(xué)依據(jù)的問題。
針對莎草類等恢復(fù)難度較大的典型沼澤濕地優(yōu)勢植物功能群，發(fā)明了一種浮毯式沼澤濕地構(gòu)建裝置，克服了因退耕地種源缺乏和水位難以控制引起的目標(biāo)物種難以恢復(fù)的難題，快速構(gòu)建莎草類等沼澤植物類群發(fā)達(dá)穩(wěn)定的根系系統(tǒng)，并不斷發(fā)育擴(kuò)張，形成具有自身穩(wěn)定浮力作用的浮毯式沼澤濕地系統(tǒng)，最終通過無性繁殖的手段快速恢復(fù)沼澤濕地優(yōu)勢植被。
研究團(tuán)隊(duì)采用前述發(fā)明專利技術(shù)，通過土壤種子庫快速研判，科學(xué)選用自然恢復(fù)和人工修復(fù)相結(jié)合的方式進(jìn)行沼澤濕地植被恢復(fù)，并結(jié)合生境島、生態(tài)廊道、生態(tài)溝渠構(gòu)建和水文連通工程，在三江平原地區(qū)開展了水文-植被-棲息地多途徑協(xié)同恢復(fù)，退耕還濕面積達(dá)1284.5畝，取得了預(yù)期的生態(tài)效益。
退耕還濕地沼澤濕地植被恢復(fù)效果（左圖：恢復(fù)前；右圖：恢復(fù)后）
該成果由東北地理所王國棟副研究員、姜明研究員、呂憲國研究員、武海濤研究員等共同完成，得到國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、東北地理所優(yōu)秀青年人才基金項(xiàng)目的資助。
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