极小种群大别山五针松的趋危机理与保护对策

2017-05-24

为了促进大别山五针松的保护，更好地利用大别山五针松这一重要植物资源，安庆师范大学生命科学学院院长吴甘霖带领皖西南生物多样性研究与生态保护安徽省重点实验室研究团队，多次对大别山五针松分布地展开调查，从群落生态学、生理生态学、分子生物学、遗传育种等方面，系统地研究大别山五针松趋危的生物学特征，阐明大别山五针松的年龄结构、死亡原因、胚胎发育及居群的遗传结构与环境的关系，为永续利用大别山五针松提供理论依据、方法措施和保护对策，在阐明斑块生境、年龄结构、光合生理特征、死亡原因及居群的遗传结构与环境关系的基础上，制定了大别山五针松的保护与恢复技术对策。

林业公益性行业科研专项项目“极小种群大别山五针松的趋危机理与保护对策”由安庆师范大学生命科学学院主持承担，主要完成人有吴甘霖、段仁燕 、项小燕、王志高、范志强、黄敏毅、宗梅。项目组发表SCI论文3篇，EI论文1篇，CSCD论文5篇，其他论文6篇。编制了《大别山五针松种子育苗操作规范》和《大别山五针松造林技术规程》。在岳西县五河镇建立大别山五针松保护示范基地1个，面积约1 100亩，数量约5 000株。联合培养博士研究生1名。

一、主要研究结果

（一）大别山五针松的分布范围

在全面踏查的基础上，课题组明确提出大别山五针松仅分布于皖鄂豫三省交界的大别山区狭小范围内，其中安徽省岳西县大王沟是其主要分布地。在岳西县大王沟对大别山五针松的具体分布范围进行了全面调查。

（二）种群动态结构特征

在全面调查基础上，对大王沟种群所有胸径大于5厘米个体的胸径及高度进行了测量，并根据分布特点选择了22块20米×20米样方对大别山五针松的生物多样性进行了调查，选择了10块样地对大别山五针松的种内种间竞争开展了研究。

大别山五针松自然居群多为成年个体，种群更新困难。在各年龄级中，幼苗极少，显示幼苗向幼树过渡遭遇瓶颈。这也是种群更新困难导致濒危的重要原因。

（三）种内和种间竞争调查

研究植物体间的竞争有利于物种的保护及对资源的可持续利用。通过对53株对象木及2 079株竞争木的调查，运用Hegyi单木竞争模型分析了大别山五针松的种内和种间竞争强度。结果表明，大别山五针松的种内和种间竞争强度分别为17.11%和82.89%，说明竞争主要来自种间。大别山五针松的伴生种较多，种内与主要伴生种间的竞争关系为短柄枹＞大别山五针松种内＞黄山松＞满山红＞茅栗＞金缕梅＞紫茎＞四照花＞灯台树＞鹅耳枥。竞争强度随对象木胸径的增大而减小，当对象木的胸径小于25厘米时，所受到的竞争强度较大；当胸径在25厘米以上时，竞争强度变化很小，二者符合幂函数关系（CI= AD-B），所得的预测模型能很好地预测大别山五针松种内和种间竞争强度。

（四）所在群落的结构及区系特点

在大王沟大别山五针松分布区的群落内共设置22个20米×20米的样地，共计调查面积8 800平方米。结果显示，在样方内共有维管植物218种，隶属141属，72科。其中，蕨类植物4科4属6种，裸子植物3科3属4种，被子植物65科134属208种。蔷薇科、菊科、樟科、豆科和禾本科等科为优势科，它们大多是灌木层及草本层的主要组成成分。

大别山五针松群落中种子植物68科分属于7个分布区类型6个亚型。其中，世界广布型科有21个，如菊科、禾本科、蔷薇科、豆科、唇形科、莎草科等；热带分布科最多，共32个，占总科数的68.09%。

137个属分属于13个分布区类型5个亚型。在各类属地理成分中，温带分布属占较大优势，共82属，占总属数的67.21%，并以北温带为主。根据大别山五针松群落科属的分布类型可知，科的分布类型中热带成分占优势，而属的分布类型以温带成分占优势，区系具有温带和热带双重性质。

多样性分析显示，灌木层的Margalef指数、Shannon-Wiener指数及Simpson指数分别为7.166、3.256和0.947，均高于乔木层和草本层，LSD分析差异显著；而乔木层和草本层的Margalef指数及Simpson指数相近，无明显差异，但乔木层的Shannon-Wiener指数高于草本层，二者差异显著。灌木层和草本层的Margalef指数差异较大，但Pielou指数分别为0.960和0.919，无明显差异，且均显著高于乔木层（0.796）。

（五）花粉飞散特点

大别山五针松是典型的风媒传粉植物，花粉流是种群基因流的重要形式。课题组用重力玻片法研究了大别山五针松花粉飞散特征，分析了时间和空间对花粉飞散的影响，并结合林分密度和气象因子探讨了花粉飞散的特点。结果表明，大别山五针松从5月中旬开始传粉，散粉期为14天，盛粉期为3天，种植密度低的下坡花粉密度比密度大的上坡的要高。日散粉最大值出现在10:00—14:00，植株中上部花粉密度较高，距花粉源50米处花粉密度最高。

种群间的基因流有利于种群的适应，是种群遗传系统的重要组成部分。大别山五针松的水平距离传播结果表明，林中能进行一定程度的花粉流传播。尽管花粉具有气囊构造，有利于花粉传播，但实际由于受到林分密度等环境因子的影响，花粉飞散距离受到很大限制。

（六）种群生殖力特征

种子是大别山五针松的重要繁殖器官。但调查发现，濒危植物大别山五针松种群的结实率较低，种子败育率较高，尤其是栽培种群的败育率高达近90%。

图2显示了大别山五针松发育过程中形成的种子的3种形态。A表示只有种翅发育而种子败育；B表示外形正常但内部败育的种子；C表示的是正常发育的种子。对自然种群和栽培种群的败育率进行了统计，自然种群种子败育率高达54.5%。种子质量低下，加上野外鼠类易食，是野外难以形成幼苗的一个重要因素。

（七）转录组微卫星分布及多态性引物筛选

图3反应的是1 966个微卫星位点中各核苷酸分布特点，其中三核苷酸占据最大比例。从随机所选的82对引物中成功筛选出19对多态性引物，可用于后期的种群演化及濒危机制研究。

（八）测定了不同遮阴下大别山五针松的生理生态学特征

完成了遮阴对大别山五针松的光合色素含量、叶绿素荧光参数、光响应曲线等生理生态指标的测定工作。

（九）研究了不同类型斑块的光照强度和温度的日变化

结果表明，在18:00以前，林窗斑块的光照强度明显高于其他3个阶段。在白天大部分时间内（8:00—13:00），不同斑块类型的光照强度值符合下列顺序：林窗＞林缘＞林下。

不同类型斑块的温度的日变化结果表明，一天中不同斑块的温度存在着波动，并没有明显的规律性。

（十）测定了不同遮阴下五针松的解剖结构

大别山五针松针叶横切面呈半圆形，表皮细胞排列紧密，一层，气孔具有孔下室；皮下层细胞腔较小，形状呈类椭圆，细胞排列紧密。林窗下生长的五针松内皮层细胞排列较紧密，细胞大小相似，但林下生长的五针松稍大，细胞内部结构疏松。两种环境下生长的针叶传输组织相比较而言，林窗下生长的五针松明显较为发达，细胞形状多呈椭圆形和多边形。维管束呈椭圆形，维管束由木质部和韧皮部构成。五针松树脂道均由两层细胞构成，内层为分泌细胞，外形呈圆形或椭圆外有一层上鞘细胞保护，细胞呈多边形和近圆形。在纵切面上，两物种叶肉细胞呈不规则的长方形且排列紧密，转输组织细胞呈长方形。

对比可以发现，林窗下生长的五针松因为接受的光照更多，可供叶片光合作用的光更多，针叶生长更好一些。林窗下生长的针叶颜色相对较深，形状较规则，细胞排列紧密，传输组织较为发达，针叶细胞形状多呈椭圆形和多边形；林下生长的五针松细胞内部结构较为疏松，叶片颜色较浅，叶肉细胞数量减少，细胞间隙变大且排列疏松。在林下和林窗下的环境下生长，大别山五针松针叶的上、下表皮厚度没有太大变化。

（十一）大别山五针松种群遗传多样性

13对EST-SSR引物在233个个体中共检测到50个等位基因数，平均每个位点3.85个，自然种群和栽培种群的预期杂合度HE分别为0.458和0.423，观察杂合度HO分别为0.481和0.510，表明大别山五针松种群的遗传多样性属于中等水平，种群间遗传分化极小（FST = 0.028）。

大别山五针松种群遗传分化FST 值的范围为0.005～0.042，平均值为0.028。而且如果只考虑DWG种群的话，分化值也很小，为0.02。

遗传聚类分析显示，在K = 2时种群未出现明显的聚类，但MDS种群的遗传结构与DWG种群存在一定差异，其中，DWG3种群主要被分配到一组，而MDS种群被分配到另一组。

（十二）种子萌发特征

低温冷藏更有利于种子活力的保存。种子可在较宽的温度范围内萌发，且室温储藏的种子萌发率比低温冷藏的要高；自然种群种子萌发率显著高于栽培种群。破壳处理有利于种子吸胀，但对种子萌发没有明显的促进作用。

二、大别山五针松濒危的原因

1．种群结实率低，种子败育率高。

2．幼苗难以向幼树转化，自然更新困难。

3．群落地位不明显，竞争力差。

4．小种群效应导致近交衰退。

三、大别山五针松的保护策略

1．就地保护，适当间伐杂木，为幼苗、幼树的生长提供光、营养等资源，促使幼苗形成幼树，同时减少生存竞争压力。

2．人工控制授粉，提高种子品质。

3．保护大王沟的3个种群，尤其注意保护含稀有等位基因的个体。

4．从自然种群采集种子，并多采集大王沟1和大王沟3种群及含有稀有等位基因个体的种子，人工育苗扩大种群。

5．对自然更新的幼苗加强自然保护，促进其自然更新；对人工培育的幼苗，适当遮阴，避免过强的光线照射。

6．因为动物捕食及地下枯枝落叶层遮蔽，大别山五针松自然种子更新困难，应通过收集种子，进行人工掩埋，提高其更新能力。

7．有必要通过人工培育，选择适宜的栽培地点，扩大其分布范围，促进种群扩展。

该项目明确了光照条件是大别山五针松的主要限制因子，从种子败育、幼苗更新、群落竞争力和近交衰退等方面解释了大别山五针松的趋危机理，制定了保护与恢复技术对策。相关技术和成果将有力地促进大别山五针松的保护，提高大别山五针松的保护效果，大幅度增加大别山五针松的数量，产生良好的经济、社会和生态效益。同时，项目的实施也将为其他濒危物种的保护提供借鉴。