【中科院之聲】濕地土壤小種子，植被恢復大用途
濕地是位于陸生生態系統和水生生態系統之間的過渡性地帶，土壤淹水或水分過飽和，生長著很多適應濕地環境的生物。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。
沼澤濕地是自然界最富生物多樣性的生態景觀之一。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。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，三江平原已發現的濕地植物超過一千余種，成為濕地植物的天堂。
近半個多世紀以來，隨著大規模的農業開發，我國沼澤濕地喪失嚴重。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田。當年“棒打狍子瓢舀魚，野雞飛到飯鍋里”的北大荒已不復存在，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識的提高，濕地保護和恢復工作受到普遍重視，全國范圍正積極開展退耕還濕等重大生態恢復工程。
沼澤植被作為沼澤濕地生態系統的生產者，制約著濕地生產力、碳循環和養分循環等生態系統功能的發揮。因此，濕地恢復過程中，原有優勢植物是否出現，成為沼澤濕地恢復成敗的關鍵指標。
天然沼澤濕地可以依靠無性繁殖和種子繁殖兩種方式進行植物群落的更新和演替。然而，濕地被大面積墾殖進行長期農業耕作以后，原有濕地植物群落已經喪失，已無法通過無性繁殖方式進行自然恢復。而通過人工移栽的方式進行恢復則會耗費大量的人力、物力和財力，且恢復的植被類型單一，群落結構簡化，難以達到植物多樣性恢復的目標。
因此，能否利用被開墾農田土壤中殘存的植物種子進行沼澤植被的恢復成為恢復生態學家近年來普遍關注的熱點科學問題。回答上述科學問題，關鍵是要明確濕地開墾前后土壤種子庫結構和規模的變化過程，揭示利用農田殘存的土壤種子庫開展沼澤植被自然恢復的潛力。
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，進入土壤，形成土壤種子庫。大多數種子進入土壤后，會經歷一個休眠階段，由于物種種類和環境條件的差異，休眠時間可以從幾天到很多年。根據種子休眠、萌發和死亡特征，土壤種子庫可以分為瞬時土壤種子庫和持久土壤種子庫。土壤種子庫能夠為植物群落的重建提供有活力的種子，是退化生態系統生態恢復的重要組分。尤其是經過長時間的開墾后，農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行沼澤濕地植被的自然恢復。
基于生活史的植被動態概念模型
中科院東北地理所濕地生態系統管理學科組姜明研究員團隊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的理論與技術研究領域取得系列進展。團隊系統揭示了濕地開墾前后土壤種子庫的結構和規模特征，發現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揮著重要作用，同時可以作為利用土壤移植技術進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構和規模的關鍵限制性環境因素。發現沼澤濕地開墾后，隨著開墾年限的增加，土壤種子庫結構和規模發生變化，濕地物種豐富度及種子密度呈現指數函數快速下降趨勢，而非濕地物種維持在一個穩定的低水平。在開墾1-5年內，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，濕地植被自然恢復潛力巨大，這類退耕地為濕地自然恢復的優先區域。開墾6-15年內，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成新生的濕地植物群落的潛力，為濕地自然恢復的次優先區域。當開墾年限在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勢，濕地自然恢復難度巨大，這類退耕地需進行濕地植被人工重建。
沼澤濕地土壤種子庫與環境因子的關系
沼澤優勢植物種子密度隨開墾年限變化特征
據此，提出基于種源限制的沼澤濕地植被恢復的開墾年限閾值（15-20年），并結合植物功能群變化對退耕地的沼澤濕地植被自然恢復潛力進行“高—中—低”三級劃分，為退化沼澤濕地植被恢復技術優化和物種選擇提供科學依據。目前該成果已被國內外多家著名的濕地生態恢復科研團隊采用，作為制定流域尺度濕地生態恢復方案的關鍵參數。
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、優勢種種子密度、濕地/非濕地物種比重三項指標，結合退耕地環境因子適宜性評估，發明了一種在大面積退耕地沼澤濕地植被恢復中選擇自然恢復或人工恢復技術的判定方法，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措施的選擇缺乏科學依據的問題。
針對莎草類等恢復難度較大的典型沼澤濕地優勢植物功能群，發明了一種浮毯式沼澤濕地構建裝置，克服了因退耕地種源缺乏和水位難以控制引起的目標物種難以恢復的難題，快速構建莎草類等沼澤植物類群發達穩定的根系系統，并不斷發育擴張，形成具有自身穩定浮力作用的浮毯式沼澤濕地系統，最終通過無性繁殖的手段快速恢復沼澤濕地優勢植被。
研究團隊采用前述發明專利技術，通過土壤種子庫快速研判，科學選用自然恢復和人工修復相結合的方式進行沼澤濕地植被恢復，并結合生境島、生態廊道、生態溝渠構建和水文連通工程，在三江平原地區開展了水文-植被-棲息地多途徑協同恢復，退耕還濕面積達1284.5畝，取得了預期的生態效益。
退耕還濕地沼澤濕地植被恢復效果（左圖：恢復前；右圖：恢復后）
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，得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、東北地理所優秀青年人才基金項目的資助。
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