趙娜，賀夢(mèng)璇，李洪遠(yuǎn)*，莫訓(xùn)強(qiáng). 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 30007；. 天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387

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基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤種子庫(kù)萌發(fā)影響因素優(yōu)化研究

趙娜1，賀夢(mèng)璇1，李洪遠(yuǎn)1*，莫訓(xùn)強(qiáng)2
1. 南開(kāi)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300071；2. 天津師范大學(xué)城市與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津 300387

摘要：土壤種子庫(kù)（Soil Seed Bank）是土壤及土壤表面落葉層中所有具有生命力的種子的總和，是植被天然更新的種源貯備庫(kù)。選取表土鋪設(shè)厚度、覆蓋物厚度、引入喬木種子數(shù)量3個(gè)因素設(shè)置正交試驗(yàn)，分析正交試驗(yàn)后土壤種子庫(kù)的特征，采用極差分析法、主成分分析法、指標(biāo)體系法對(duì)不同方案的土壤種子庫(kù)萌發(fā)效果進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究發(fā)現(xiàn)：（1）相比于空白試驗(yàn)，正交試驗(yàn)的設(shè)計(jì)明顯增加了土壤種子庫(kù)的密度及物種豐富度，正交試驗(yàn)土壤種子庫(kù)中萌發(fā)植物的總數(shù)為3 519株（約為空白試驗(yàn)的3.04倍），物種數(shù)高達(dá)39種（約為空白試驗(yàn)的1.22倍）；（2）表土鋪設(shè)厚度是3個(gè)因素中最重要的因素，而引入喬木種子的效果并不明顯；（3）采用極差分析法、主成分分析法、指標(biāo)體系法來(lái)評(píng)估不同方案的土壤種子庫(kù)萌發(fā)效果均具有一定的合理性，但3種評(píng)價(jià)方法都存在不足，因此綜合考慮3種評(píng)價(jià)方法可以提高評(píng)價(jià)效果的合理性。經(jīng)過(guò)綜合分析，8號(hào)恢復(fù)方案（A3B2C1，即表土鋪設(shè)厚度為5 cm，覆蓋物厚度為3 cm，引入種子數(shù)量為100ind·m-2）具有最佳恢復(fù)效果，可以為植被恢復(fù)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：土壤種子庫(kù)；正交試驗(yàn)；極差分析；主成分分析；指標(biāo)體系

引用格式：趙娜， 賀夢(mèng)璇， 李洪遠(yuǎn)， 莫訓(xùn)強(qiáng). 基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的土壤種子庫(kù)萌發(fā)影響因素優(yōu)化研究［J］. 生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào)， 2016，25（5）: 783-789.

ZHAO Na， HE Mengxuan， LI Hongyuan， MO Xunqiang. Research on the Optimization in the Influence factors on the Germination of Soil Seed Bank Based on Orthogonal Test ［J］. Ecology and Environmental Sciences， 2016， 25（5）: 783-789.

隨著城市園林綠地大規(guī)模建設(shè)的推進(jìn)，有效植被恢復(fù)成為研究者關(guān)注的焦點(diǎn)。目前最普遍的方法是引入外來(lái)植物種子或者種苗（梁耀元等，2009），這樣能在短時(shí)間內(nèi)形成穩(wěn)定的植被群落，但破壞了城市植被的原有格局，可能導(dǎo)致鄉(xiāng)土物種消失和生態(tài)系統(tǒng)失衡（高鵬等，2007）。近年來(lái)，土壤種子庫(kù)作為植被天然更新的種源貯備庫(kù)（史鴻飛等，2006），越來(lái)越受到人們的重視，土壤種子庫(kù)將成為園林綠化行業(yè)寶貴的資源（李洪遠(yuǎn)等，2009）。國(guó)外（尤其是日本）已有許多將土壤種子庫(kù)應(yīng)用于植被恢復(fù)的成功案例，如Nakamura et al.（2003；2005）采用相同的方法對(duì)兵庫(kù)縣西宮市與愛(ài)知縣豐田市的道路坡面進(jìn)行綠化，其植被覆蓋率分別為60%和90%；Nakamura et al.（2007）于2005年在奄美大島的林道坡面上利用表土中的土壤種子庫(kù)進(jìn)行綠化，其林道坡面綠化中形成了 24種木本類(lèi)散生的草本群落，覆蓋率達(dá)40%。因此，利用表土中土壤種子庫(kù)進(jìn)行植被的恢復(fù)及綠化是一種十分有效的方法。而在國(guó)內(nèi)，土壤種子庫(kù)的研究主要集中于基礎(chǔ)研究（He et al.，2015），對(duì)植被恢復(fù)應(yīng)用的研究非常少。

通過(guò)對(duì)比分析已有研究成果，發(fā)現(xiàn)表土鋪設(shè)厚度、覆蓋物、引入種子數(shù)量都是影響植被恢復(fù)效果的重要因素。Hosogi（1998）的研究表明1～4 cm的表土鋪設(shè)厚度能夠有效實(shí)現(xiàn)綠化效果，若土層太薄，表土提供種子的數(shù)量過(guò)少，其保持土壤水分、維系根系生長(zhǎng)的能力較弱（李洪遠(yuǎn)等，2006），而厚度增加則增加了施工費(fèi)用，同時(shí)也會(huì)對(duì)林下植被產(chǎn)生負(fù)面影響（Hosogi et al.，2004）；李洪遠(yuǎn)等（2007）發(fā)現(xiàn)枯枝落葉層可延長(zhǎng)土壤種子庫(kù)的種子壽命，增加種子的出苗率。Yamase et al.（2007）認(rèn)為在工程應(yīng)用中可通過(guò)人工選取覆蓋物起到枯枝落葉層的作用，從而有效地維持表土的活性，增強(qiáng)植被恢復(fù)效果；研究者發(fā)現(xiàn)土壤種子庫(kù)中目標(biāo)物種缺少現(xiàn)象嚴(yán)重，需要人工引進(jìn)目標(biāo)種來(lái)加速植被恢復(fù)的過(guò)程，從而獲得喬、灌、草層級(jí)豐富的植物群落（Lyaruu et al.，2009；Lu et al.，2010；Hong et al.，2012）。因此，本研究在前期研究的基礎(chǔ)（李洪遠(yuǎn)等，2007140-142；梁耀元等，20092832-2838）上，結(jié)合天津地區(qū)土壤種子庫(kù)中鄉(xiāng)土木本植物缺失嚴(yán)重的情況，選取表土鋪設(shè)厚度、覆蓋物厚度、引入喬木種子數(shù)作為正交試驗(yàn)的3個(gè)因素，對(duì)土壤種子庫(kù)應(yīng)用于植被恢復(fù)工程進(jìn)行了深入探究。選取植物幼苗數(shù)量、群落生長(zhǎng)勢(shì)、群落多樣性、喬木種子萌發(fā)率等指標(biāo)進(jìn)行極差分析、主成分分析及指標(biāo)體系分析，評(píng)估不同正交試驗(yàn)方案的土壤種子庫(kù)萌發(fā)效果，一方面探索這3個(gè)因素對(duì)土壤種子庫(kù)萌發(fā)效果的影響，另一方面擬通過(guò)3種評(píng)估方法得到高效且成本低廉的實(shí)踐方案，以期為今后植被恢復(fù)工程應(yīng)用提供一定的參考。

1　材料與方法

1.1 取樣點(diǎn)概況

植被恢復(fù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，作為植被恢復(fù)的材料來(lái)源，需要綜合考慮活性種子的儲(chǔ)量、土壤種子庫(kù)的種類(lèi)及構(gòu)成、活性種子的萌發(fā)特征、土壤種子庫(kù)取樣地的性質(zhì)等因素。通過(guò)前期對(duì)天津市土壤種子庫(kù)資源的分析（莫訓(xùn)強(qiáng)，2013），發(fā)現(xiàn)武清區(qū)土壤種子庫(kù)的儲(chǔ)量非?？捎^，土壤種子庫(kù)萌發(fā)試驗(yàn)中木本植物的數(shù)量、種類(lèi)比例及物種多樣性指數(shù)均處于較高水平，且該區(qū)表層土壤資源較豐富，取土后地面植被的恢復(fù)能力較強(qiáng)。因此，取樣地點(diǎn)設(shè)在天津市武清區(qū)。

武清區(qū)屬于城郊過(guò)渡帶，兼具城市園林綠化和野生植物群落的特征，的土壤種子庫(kù)豐富多樣，具有較高的研究?jī)r(jià)值。該區(qū)位于華北沖積平原下端，地勢(shì)平緩，海拔高度最高13 m，最低2.8 m，土壤的成土母質(zhì)多為永定河和北運(yùn)河的沖積物，土壤為潮土，土層深厚，適宜農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和園林植物種植。野生植物以草本為主，輔以少量的灌木和喬木種類(lèi)。草本層的優(yōu)勢(shì)種為狗尾草（Setaria viridis）、扁稈藨草（Scirpus planiculmis）、蒲公英（Taraxacum mongolicum）等；灌木只有達(dá)烏里胡枝子（Lespedeza davurica）和紫穗槐（Amorpha fruticosa），覆蓋率為 10%；喬木層為天津常見(jiàn)的鄉(xiāng)土樹(shù)種，如榆樹(shù)（Ulmus pumila）、臭椿（Ailanthus altissima）等，覆蓋率為20%。

1.2 取樣方法

土壤種子庫(kù)的取樣選擇在考察對(duì)象植被種子雨散布結(jié)束后和種子開(kāi)始萌發(fā)前（Rahman et al.，2001）。本研究于2011年11月植被種子雨散布結(jié)束后進(jìn)行采樣，在樣地內(nèi)隨機(jī)選擇 10個(gè)樣方（樣方大小為1 m×1 m），在選定樣方內(nèi)，以樣方的中心為樣點(diǎn)，并以該樣點(diǎn)為中心在其東、西、南、北4個(gè)方向間隔1 m處再各設(shè)置4個(gè)樣點(diǎn)進(jìn)行采樣，即共50個(gè)樣點(diǎn)。用取土環(huán)刀（內(nèi)徑70 mm，高52 mm）采集0～15 cm的表層土壤，每個(gè)樣點(diǎn)重復(fù)3次，仔細(xì)剔除表土中的雜質(zhì)，將150份土壤樣品混合均勻并帶回實(shí)驗(yàn)室保存?zhèn)溆谩Ｍ瑫r(shí)，記錄取樣點(diǎn)地表植被群落狀況，主要包括物種組成、數(shù)量等指標(biāo)。

1.3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用L9（34）正交表設(shè)置三因素三水平正交試驗(yàn)，各因素設(shè)置水平為：因素 A（表土厚度），設(shè)置水平分別為1、3和5 cm；因素B（覆蓋物厚度），設(shè)置水平分別為1、3和5 cm；因素C（引入喬木種子的數(shù)量），設(shè)置水平分別為100、200和300 ind 喬m-2（見(jiàn)表1）。其中，覆蓋物為曬干后的草坪草，引入的喬木種子為天津常見(jiàn)的鄉(xiāng)土喬木白蠟（Fraxinus chinensis）、臭椿、皂莢（Gleditsia sinensis），三者配比為 1∶1∶1。評(píng)價(jià)指標(biāo)選用 4大類(lèi)共 11個(gè)指標(biāo)，即：幼苗數(shù)量指標(biāo)（所有植物數(shù)量、木本植物數(shù)量比例）、植物或群落生長(zhǎng)勢(shì)指標(biāo)（群落覆蓋度、群落高度、木本植物平均高度）、群落多樣性指標(biāo)（種豐富度、木本植物種數(shù)比例、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)）和喬木萌發(fā)率指標(biāo)。

1.4 萌發(fā)試驗(yàn)及數(shù)據(jù)處理

表1　土壤種子庫(kù)植被恢復(fù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 1　The design of orthogonal test in vegetation restoration of soil seed bank

本研究為模擬恢復(fù)試驗(yàn)，于2012年4月在實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)設(shè)置4 m×10 m的試驗(yàn)大棚，在場(chǎng)地上均勻鋪設(shè)5 cm厚的經(jīng)80 ℃高溫加熱滅活的河沙，以保持較好的透氣性和透水性。在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)劃分 9 塊1 m×1 m的地塊，并依次插旗標(biāo)示為“plot 1”、“plot 2”、……“plot 9”。按照表1進(jìn)行表土、覆蓋物的鋪設(shè)以及喬木種子的引入，同時(shí)選取 9塊 1 m×1 m的地塊進(jìn)行空白試驗(yàn)，以了解原有土壤種子庫(kù)的種子活性。萌發(fā)試驗(yàn)時(shí)間為4—10月，以土壤種子庫(kù)連續(xù)6周內(nèi)不再有新幼苗出現(xiàn)視為萌發(fā)試驗(yàn)結(jié)束（Thomas，1993），試驗(yàn)全程采用自然光，未進(jìn)行溫度控制。定期（每隔 3 d）記錄植物總覆蓋度、群落高度、木本植物個(gè)體高度等指標(biāo)。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析在Excel 2010、R 2.15.0、SPSS 17.0、yaahp等軟件中完成。其中表征植物或群落生長(zhǎng)勢(shì)的參數(shù)和表征喬木種子萌發(fā)率的參數(shù)采用Excel 2010或R 2.15.0進(jìn)行統(tǒng)計(jì)；極差分析、主成分分析采用SPSS 17.0；權(quán)重的值采用yaahp軟件。

1.5 權(quán)重賦值

權(quán)重包括類(lèi)權(quán)重和指標(biāo)權(quán)重，下面僅介紹類(lèi)權(quán)重的賦值方法（指標(biāo)權(quán)重與類(lèi)權(quán)重的賦值方法相同）。具體方法為：建立遞階層次結(jié)構(gòu)，通過(guò)比較同一層次兩兩元素之間的相對(duì)重要性，構(gòu)造判斷矩陣。采用1～9標(biāo)度法（表2），由南開(kāi)大學(xué)生態(tài)方向的專(zhuān)家及天津園林綠化的相關(guān)專(zhuān)家（共 10名）進(jìn)行打分，根據(jù)打分的結(jié)果構(gòu)成判斷矩陣，利用yaahp軟件計(jì)算出各個(gè)類(lèi)權(quán)重的值。

表2　1-9標(biāo)度的含義Table 2　The definition of scale 1-9

2　結(jié)果與分析

2.1 土壤種子庫(kù)的基本特征

2.1.1 幼苗的種類(lèi)

空白試驗(yàn)所得幼苗隸屬于19科23屬32種，其中草本植物占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，優(yōu)勢(shì)種為狗尾草、藜（Chenopodium album）等；木本植物較為缺乏，以臭椿、白蠟為主，約占總種數(shù)的14.67%，這也是恢復(fù)試驗(yàn)中需要引入喬木種子的原因。正交試驗(yàn)所得幼苗隸屬于24科36屬39種，木本植物約占總種數(shù)的23.96%，其種豐富度和占比均比空白試驗(yàn)有明顯提高。

2.1.2 幼苗的數(shù)量特征

空白試驗(yàn)所得幼苗為1157株（密度為6.17×105ind·m-2），正交試驗(yàn)所得幼苗為 3519株（密度為16.85×105ind·m-2），其中草本植物（2659株，占總株數(shù)的75.56%）＞木本植物（843株，占總株數(shù)的23.96%）＞藤本植物（17株，占總株數(shù)的0.48%）?？傮w而言，引入喬木種子的數(shù)量對(duì)木本植物數(shù)量的影響不甚明顯，約占總株數(shù)的 6.76%～14.12%，如圖1所示。從圖中可以看出，plot 1、plot 2、plot 3 與plot 7、plot 8、plot 9相比，幼苗總數(shù)量、木本植物幼苗數(shù)量均有較明顯差距。表面上看，似乎是表土厚度對(duì)幼苗株數(shù)的影響更明顯，具體影響程度還須進(jìn)一步進(jìn)行極差分析。

圖1　9個(gè)方案植物數(shù)量及木本數(shù)量分布情況Fig. 1　The number of all plants and woody plants in the 9 plots

本研究采用多重指標(biāo)進(jìn)行正交試驗(yàn)的極差分析，11個(gè)指標(biāo)對(duì)應(yīng)的極差分析如表3所示。其中，以表土厚度為主要因素的指標(biāo)高達(dá)8個(gè)（占總指標(biāo)數(shù)的72.7%），直觀可見(jiàn)三因素的重要程度為：表土厚度＞覆蓋厚度＞引入喬木種子數(shù)；針對(duì) 11個(gè)指標(biāo)而言，三因素三水平的最優(yōu)組合并不完全相同。對(duì)于幼苗數(shù)量、種豐富度指標(biāo)來(lái)說(shuō)，最優(yōu)組合為A3B3C2；而對(duì)木本植物數(shù)量比例、木本植物種數(shù)比例、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)而言，最優(yōu)組合為A2B2C3。因此，很難簡(jiǎn)單斷言哪個(gè)因素水平的組合最優(yōu)，需因地制宜、根據(jù)具體恢復(fù)目標(biāo)選擇最優(yōu)組合。對(duì)于本研究而言，因天津市土壤鹽堿化嚴(yán)重，恢復(fù)目標(biāo)對(duì)木本植物成分的比重要求較高，需偏重考慮對(duì)木本植物有利的最優(yōu)組合，但A2B2C3組合萌發(fā)的幼苗數(shù)量非常少，也不是值得推薦的方案。

表3　 正交試驗(yàn)極差分析結(jié)果Table 3　 The results of range analysis in the orthogonal test

2.3 主成分分析法評(píng)估正交試驗(yàn)結(jié)果

采用主成分分析法，發(fā)現(xiàn)主成分1和主成分2的特征值分別為5.636和2.410，且這兩個(gè)主成分可以代表83.148%的信息。圖2為主成分與各個(gè)指標(biāo)的旋轉(zhuǎn)空間成分圖，由圖可知主成分1與多樣性指數(shù)、木本植物特征的相關(guān)性系數(shù)較大，主成分2與群落種類(lèi)、高度及物種豐富度的相關(guān)系數(shù)較大。將各因子得分做成散點(diǎn)圖，如圖3所示，考慮主成分1時(shí)，plot 6與plot 8首選；考慮主成分2時(shí)，plot 5 與plot 9首選；經(jīng)過(guò)綜合考慮，plot 6與plot 8是綜合了主成分1和主成分2的最優(yōu)方案。但是由于plot 6萌發(fā)的幼苗數(shù)量過(guò)少，不予考慮。因此，通過(guò)主成分分析的最優(yōu)方案為A3B2C1，在極差分析中該方案是以喬木萌發(fā)率為指標(biāo)的最優(yōu)組合。

圖2　旋轉(zhuǎn)空間的成分圖Fig. 2　Component plot in rotated space

圖3　因子得分的散點(diǎn)圖Fig. 3　Scatter plot of factor score

2.4 指標(biāo)評(píng)價(jià)法評(píng)估正交試驗(yàn)效果

目前我國(guó)尚未形成統(tǒng)一和完備的評(píng)價(jià)方法或評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，研究者通常根據(jù)植被恢復(fù)的場(chǎng)合（道路、邊坡、河道、林地等）及植被恢復(fù)后的生態(tài)作用來(lái)建立指標(biāo)體系（王永健等，2006）。本研究通過(guò)大量文獻(xiàn)的總結(jié)，利用專(zhuān)家咨詢法建立了適合天津鹽堿土壤特點(diǎn)的植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，各指標(biāo)的權(quán)重通過(guò)專(zhuān)家打分法與層次分析法相結(jié)合的方法進(jìn)行賦值，賦值結(jié)果見(jiàn)表4。

表5為9個(gè)方案對(duì)應(yīng)評(píng)價(jià)體系中各指標(biāo)的數(shù)值及土壤種子庫(kù)萌發(fā)效果的評(píng)價(jià)結(jié)果，將各指標(biāo)值與指標(biāo)權(quán)重的乘積求和，進(jìn)行歸一化處理，得到該試驗(yàn)樣地的綜合指標(biāo)值，即植被恢復(fù)效果的評(píng)價(jià)結(jié)果。如表5所示，植被恢復(fù)效果評(píng)價(jià)綜合得分最高的為plot 8，分值為0.319；plot 6綜合得分次之，但 plot 6的喬木萌發(fā)率相對(duì)較低。因此，plot 8 （A3B2C1）為最優(yōu)組合。

3　討論

研究結(jié)果表明表土厚度為5 cm時(shí)，幼苗總數(shù)量、木本植物數(shù)量均有明顯增加，這與 Koh et al. （2006）的研究結(jié)果相一致；土壤種子庫(kù)在干燥環(huán)境中很難發(fā)芽（Shimozono et al.，2005），本研究中，3 cm的覆蓋物厚度可以有效維持土壤含水量，促進(jìn)種子庫(kù)的種子萌發(fā)；在引入喬木種子措施上，由于土壤種子庫(kù)中原來(lái)就含有白蠟和臭椿種子，且在正交試驗(yàn)中引入的喬木種子和土壤種子庫(kù)中原有的喬木種子難以區(qū)分，導(dǎo)致對(duì)萌發(fā)率的估算可能出現(xiàn)偏差，因此今后應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)引入喬木種子數(shù)量的研究。

表4　評(píng)價(jià)指標(biāo)體系及其權(quán)重Table 4　The evaluation indicators and their weights

表5　9個(gè)方案中評(píng)價(jià)體系各指標(biāo)的數(shù)值及土壤種子庫(kù)萌發(fā)效果的評(píng)價(jià)結(jié)果Table 5　The value of the evaluation indicators and the evaluate results of the soil seed germination effect in the 9 plots

極差分析中三因素的重要程度為表土厚度＞覆蓋厚度＞引入喬木種子數(shù)，可能是因?yàn)楸硗梁穸戎苯記Q定了土壤種子庫(kù)的數(shù)量及構(gòu)成（Makino A et al.，2000；Nakamura et al.，2006），對(duì)萌發(fā)幼苗的種類(lèi)、數(shù)量起直接性作用，進(jìn)而影響植被恢復(fù)所形成的群落結(jié)構(gòu)、多樣性水平；覆蓋物厚度主要通過(guò)影響水分、溫度等因素，間接影響持久性種子的萌發(fā)；引入喬木種子雖然補(bǔ)給了種子庫(kù)，但其發(fā)揮的作用較?。ㄏ鄬?duì)于天津市種子庫(kù)密度105的數(shù)量級(jí)）（Obata，2006）。主成分分析與極差分析的結(jié)果存在一定的差異，是因?yàn)闃O差分析采用的是直觀分析方法，所用指標(biāo)較為單一，而主成分分析將各個(gè)指標(biāo)線性組合到一起，可更加全面地分析各個(gè)指標(biāo)的影響（吳海建，2003）。將三因素與主成分1和2進(jìn)行相關(guān)性分析，發(fā)現(xiàn)表土厚度與兩個(gè)主成分都顯著相關(guān)（P＜0.01），而覆蓋物厚度和引入喬木種子數(shù)與兩個(gè)主成分相關(guān)性不強(qiáng)，該結(jié)論與極差分析中表土厚度是最主要的影響因素這一結(jié)論相一致。評(píng)價(jià)指標(biāo)方法所選出的最佳方案與主成分分析的結(jié)果一致，是因?yàn)橹笜?biāo)體系考慮的權(quán)重主要集中在群落多樣性和木本植物指標(biāo)上，與主成分分析的主成分 1相吻合。二者結(jié)果的一致性說(shuō)明了指標(biāo)體系建立較為合理，但此方法采用專(zhuān)家打分法，各指標(biāo)的權(quán)重賦值有一定主觀性，其科學(xué)性還有待于研究。

16 cm×16 cm的玻璃板2塊（用于底座和頂蓋）、15 cm×31 cm的透明玻璃4塊；鋼鋸、玻璃刀、玻璃膠、打孔器、鉗子、槽刀、銀色細(xì)鐵絲（化學(xué)鍵）、4種顏色的彩色硬紙板（紅、黃、橙、綠）、直徑0.5 cm白色小球、直徑2 cm的塑料藍(lán)色五角星、量角器、尺子、膠水、剪刀、記號(hào)筆、白色水晶彈力繩。

采用以上3種方法來(lái)評(píng)估不同方案的植被恢復(fù)效果均有一定合理性，但也都存在各自的缺點(diǎn)。極差分析法只考慮單一指標(biāo)，誤差相對(duì)較大，且其不能區(qū)分某因素各水平所對(duì)應(yīng)的差異究竟是由水平改變引起的，還是試驗(yàn)誤差引起的（鄧振偉等，2009）；指標(biāo)體系法采用專(zhuān)家打分進(jìn)行權(quán)重賦值，有一定的主觀性；主成分分析法得到的因子負(fù)荷的符號(hào)有正有負(fù)時(shí)，其綜合評(píng)價(jià)函數(shù)的意義不太明確（趙海霞等，2009）。因此，綜合考慮3種評(píng)價(jià)方法可以有效提高評(píng)價(jià)效果的合理性。

隨著城市化進(jìn)程的加快以及生態(tài)系統(tǒng)的退化，土壤種子庫(kù)作為一種手段用于植被恢復(fù)愈發(fā)引起人們的關(guān)注。本研究采用“異地恢復(fù)”的方式和正交試驗(yàn)的方法，探討了表土鋪設(shè)厚度、覆蓋物厚度、引入喬木種子數(shù)量等常見(jiàn)因素對(duì)土壤種子庫(kù)種子萌發(fā)特征的影響。在將來(lái)的植被恢復(fù)與重建實(shí)踐中，可參考此最優(yōu)方案進(jìn)行植被恢復(fù)方案的設(shè)計(jì)，一方面合理利用了草坪草覆蓋物、施工表土、林下表土等自然資源，達(dá)到資源的有效循環(huán)利用，并且適宜的表土鋪設(shè)厚度不僅可以促進(jìn)土壤種子庫(kù)中種子的萌發(fā)效果，還減少了工程應(yīng)用中大量取土的成本；另一方面，喬木種子的引入可使得土壤種子庫(kù)植被恢復(fù)向著目標(biāo)物種（尤其是鄉(xiāng)土物種）的方向發(fā)展，更利于植被恢復(fù)過(guò)程中達(dá)到喬-灌-草層級(jí)豐富的植物群落，從而提高植被恢復(fù)的效果。因此，本研究可為今后的植被恢復(fù)提供借鑒。

4　結(jié)論

相比于空白試驗(yàn)，正交試驗(yàn)通過(guò)覆蓋物的添加、喬木種子的引入等輔助措施，明顯增加了萌發(fā)幼苗的種豐富度、木本植物占比以及種子庫(kù)密度，增加了恢復(fù)后植物群落結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和穩(wěn)定性。極差分析法、主成分分析法、指標(biāo)體系法都存在一定的不足，因此，綜合考慮3種評(píng)價(jià)方法可以有效提高評(píng)價(jià)效果的合理性。經(jīng)過(guò)綜合考慮，認(rèn)為plot 8，即A3B2C1（表土厚度為5 cm，覆蓋物厚度為3 cm，引入種子數(shù)量為100 ind·m-2）的因素組合為最優(yōu)組合，該方案土壤種子庫(kù)的萌發(fā)物種數(shù)量較高，且主要側(cè)重于恢復(fù)后的木本植物數(shù)量及恢復(fù)后群落的多樣性，在實(shí)際的植被恢復(fù)應(yīng)用中具有一定的合理性，可為今后的工程應(yīng)用提供有意義的參考。

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DOI：10.16258/j.cnki.1674-5906.2016.05.008

中圖分類(lèi)號(hào)：Q142.3； X17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-5906（2016）05-0783-07

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（31370700）

作者簡(jiǎn)介：趙娜（1991年生），女，碩士，主要從事生態(tài)恢復(fù)技術(shù)研究。E-mail: nku_zhaona@126.com

*通信作者：李洪遠(yuǎn)（1963年生），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事恢復(fù)生態(tài)學(xué)與植被生態(tài)學(xué)研究。E-mail: eialee@nankai.edu.cn

收稿日期：2016-02-26

Research on the Optimization in the Influence factors on the Germination of Soil Seed Bank Based on Orthogonal Test

ZHAO Na1， HE Mengxuan1， LI Hongyuan1*， MO Xunqiang2
1. College of Environmental Science and Engineering， Nankai University， Tianjin 300071， China；2. College of Urban and Environment Science， Tianjin Normal University， Tianjin 300387， China

Abstract：The soil seed bank （SSB） is defined as the collection of viable seeds present in the soil and the forest litter layer of the soil surface， which can serve as the vegetation natural regeneration. Three factors （the topsoil thickness， the covering thickness and the number of entraining arbor seeds） were selected to set orthogonal tests in the study. Based on the characteristic analysis of soil seed bank， vegetation restoration assessment was carried out by the methods of range analysis， principal component analysis， indicator system analysis were used . The results showed that: （1） Compared with blank conditions， the species richness and density of SSB significantly increased in the orthogonal tests . Among them， the total number of seed germination in the orthogonal test was 3 519 plants ， which was about 3.04 times of the blank condition）， and the number of species reached to 39 species， which was about 1.22 times of the blank conditions； （2） The topsoil thickness was the most important factor in the three factors， and the effect wasn't obvious by adding arbor seeds； （3） The three evaluation methods on the basis was available for evaluating the effect on seed germinating of SSB with their disadvantages， and the combination of the three methods enhanced the rationality of evaluation results. In the analysis， the 8th plot （A3B2C1） had the best effect of seed germination， which can provide significant reference for vegetation recovery from soil seed bank. The plot was designed with the top soil thickness was 5 cm， the covering thickness was 3 cm， and the number of adding seeds was 100 ind·m-2.

Key words：soil seed bank； orthogonal test； range analysis； principal component analysis； indicator system