土壤种子库指土壤表层凋落物及土壤中有活力的种子^［1］，是地上植被潜在更新的重要种源，影响植被演替的进度及方向^［2］，对维持区域生态系统稳定发挥着重要作用。在干旱荒漠生态系统中，一些草本植物在长期的演化过程中逐渐形成了适应极端环境（干旱、高温、风蚀沙埋等）的生理生态策略，以确保生长发育及种群繁殖，成为该生态系统的恒有性片层^［3］。受生长快、周期短、个体多、结实率高等特征的共同驱动，这些草本植物不仅在固定沙面及促进生态系统能量流动、养分循环等中发挥着重要作用^［4］，也是区域地上植被与土壤种子库物种数、个体数、多样性的主要贡献者^［5］。但是，这些草本植物对环境条件的变化极其敏感，特别是土壤水文过程，故常被作为区域生态系统主要生态因子变化的重要指示物^［6］。

在干旱沙漠区，特别是沙漠-绿洲过渡带，流动沙面一旦固定后，地表将形成大量的物理结皮，部分区域逐渐演替为藻类结皮、地衣结皮或藓类结皮^［7-8］。土壤结皮形成与演替不仅导致地表微区特征、土壤养分及颗粒组成等发生变化^［9-11］，还对植物生长及种群发育产生明显的影响^［12-13］。土壤种子数量与地上植被密切相关^［14］，也受微区地形、地表特征以及其他因素（降水、风、火、种子捕食者行动等）的影响^［15-17］。那么，干旱沙区地表土壤结皮形成及演替是否对草本植物土壤种子库物种组成、数量、空间分布以及种子库与地上物种的相似性等产生影响？不同发育阶段的影响是否一致？古尔班通古特沙漠藻类结皮演替到地衣结皮、藓类结皮过程中，邢旭明等^［18］发现种子库储存量及物种多样性先增大后减小，但李彬等^［19］发现草本植物物种丰富度和Shannon-Wiener指数明显增大；类似研究在宁夏沙坡头、腾格里沙漠南缘以及以色列内盖夫沙漠等区域开展，研究结果仍存在一定差异性^［20］。为了进一步探讨干旱沙区土壤结皮发育对土壤种子库的影响及作用机制，仍需在同一背景条件下开展更全面更系统的研究。

本研究以巴丹吉林沙漠南缘已发育多种类型结皮并具备相同或相似立地条件的区域为场所，通过对不同类型结皮区地表特征及草本植物土壤种子库特性进行了研究，掌握了土壤结皮发育过程地表微形态及土壤种子库组成、密度、垂直分布等的变化规律，弥补了干旱沙区土壤结皮发育对草本植物种子库特征影响研究的不足，为干旱沙区土壤结皮生态多功能性及生态效益评价提供理论依据。

研究区（38°34′43″—38°35′05″N，102°58′08″—102°59′42″E）位于巴丹吉林沙漠南缘，属于典型温带大陆性荒漠气候。冬季寒冷，夏季酷热，昼夜温差大，年平均气温7.6 ℃，极端低温-30.8 ℃，极端高温40.0 ℃，无霜期175 d；降雨量小，蒸发量大，气候干燥，年均降雨量113.2 mm，年均蒸发量2 604.3 mm，干燥度5.1，最高达18.7，相对湿度47%；光热充足，年均日照时间2 799.4 h，≥10 ℃的活动积温3 036.4 ℃；冬季盛行西北风，全年风沙日可达83 d，并多在2—5月，年均风速2.5 m·s^-1，最大风速为23.0 m·s^-1；地下水位23 m左右。

2018年9月上旬，在巴丹吉林沙漠南缘立地条件一致或相近的区域，依据生物土壤结皮演替序列及单位面积内不同类型结皮面积百分比大小，选择结皮前期（NCS）、物理-藻类结皮（PACS）、藻类-地衣结皮（ALCS）、地衣结皮（LCS）、地衣-藓类结皮（LMCS）、藓类结皮（MCS）样地，每种样地3个重复（表1）。每个样地内选择大小相近的完整沙包6个，并在其迎风面布设2 m宽样带（坡脚、坡中和坡顶）；同时，在样带内选择地表无破损（无坑洼、鼠洞等）区域，以20 cm×20 cm标尺框和2 cm标尺钎为背景，用数码相机垂直和平行地面拍照。

2018年9月下旬，调查样带区草本植物物种数及其生长状况。

2019年3月下旬，借助自制箱式土壤取样器采集样带区面积为10 cm×10 cm的结皮层及结皮下0~1、1~3、3~5 cm土壤，每条样带内采集9个点，每3点混合为一份土样（未发育结皮样地区土层为：0~1、1~3、3~5、5~7 cm），并用游标卡尺测定结皮层厚度。采集的土样去掉杂物后装入布袋，带到实验室并储藏于干燥透风的空间内。

采用土培萌发法测定土壤种子库中有活力种子数。2019年6—7月，将3月下旬采集的种子库土样压碎并平铺于规格为40 cm×40 cm×2.5 cm塑料培养盘中，土层厚约为1.2~1.5 cm，置于光线充足的室内（19.5~26.5 ℃）进行种子萌发培养，土壤表面定期雾化补水保持湿润。可辨别物种时统计幼苗，然后用镊子彻底移除，待30 d后翻土1次并60 d后结束，随后土样自然风干常温保存，并于2020年6—7月进行二次萌发培养（方法如上）。

依据培养盘中培养出的幼苗株数及物种计算土壤种子库相关指标。种子库密度用单位面积土壤内可萌发的种子数表示（粒·m^-2），用重要值（IV=相对密度+相对频度/2）大小来决定物种优势度，多样性用Margalef指数（D_ma）、Simpson指数（D_sim）、Shannon-Wiener指数（H′）表示，均匀度用Pielou（J_sw）指数表示^［18］。采用Jaccard相似性系数计算土壤种子库与地上植被的物种相似度 ^［5］，系数在区间［0.00，0.25］、［0.25，0.50］、［0.50，0.75］、［0.75，1.00］内分别代表极不相似、中等不相似、中等相似、极相似。

借助AutoCAD 2019软件对土壤结皮6个发育阶段样带区所拍照片进行处理，计算样带区单位面积内龟裂缝、微坑面积百分比及深度。数据处理和统计分析采用Excel和SPSS软件完成，并采用单因素方差分析（one-way ANOVA）和Duncan多重比较法对6个发育阶段样地区地表特征及土壤种子库特性等指标进行显著性分析（α=0.05）。

土壤结皮发育导致结皮层厚度及地表龟裂缝、微坑特征均发生了明显的变化（表2）。随着土壤结皮形成并不断演替，结皮层厚度持续增大，且增大幅度随演替阶段的提升而明显增大；地表单位面积内龟裂缝面积百分比、龟裂缝深度、微坑面积百分比、微坑深度均呈现出先增大后减小的趋势，其在不同阶段间的增（或减）量及峰值所处时段均存在较大的差别。进一步分析显示，细缝（≤2 mm）、宽缝（>2 mm）峰值分别在PACS、LCS，并以NCS至PACS，LCS至LMCS的变化程度最大；裂缝深度、微坑面积（或深度）的峰值均在LCS，变化程度最大的阶段分别为PACS至ALCS和LMCS至MCS。

6个阶段土壤种子库主要由藜科和禾本科物种组成，绝大部分物种属于单属单种，并为短命的一年生避旱生植物，但土壤结皮的形成及演替对土壤种子库物种组成产生一定的影响（表3）。其中，NCS土壤种子库由10个物种组成，PACS新增了猪毛菜、锋芒草、狐尾草和甘肃驼蹄瓣，ALCS荒漠黄耆已退出，但新增了冠芒草，LMC演替到MCS的过程中，除个别区域零星出现猪毛蒿外，一些典型的沙生植物逐渐消失，特别是MCS（仅存8个物种）。NCS发育成MCS的过程中，土壤种子库优势种一直以短命避旱生一年生草本为主，并由多优种画眉草、雾冰藜、盐生草逐渐演变为单优种画眉草；种子库物种逐渐由沙生物种向沙旱生物种演变。

由图1可以看出，土壤结皮形成及演替对土壤种子密度产生了显著影响，且不同阶段的影响程度也存在一定差异性。NCS发育成PACS时，坡脚土壤种子库密度无明显变化，但坡中和坡顶种子库密度显著增大（增值为21.5和54.5粒·m^-2）；PACS演替到ALCS时，坡脚、坡中、坡顶种子库密度均急剧增大，三者增值均在180.0粒·m^-2以上；ALCS演替到LCS、LMCS的过程中，坡脚、坡中种子库密度坡持续性减小（减量至少为340.0粒·m^-2），而坡顶先大幅度剧减（减量181.3粒·m^-2）再缓慢减小（22.1 粒·m^-2）；藓类初期（LMCS）发育到藓类后期（MCS），种子库密度改变程度明显减小（18.0~35.5 粒·m^-2），种子库密度也非常小（18.3~32.1 粒·m^-2）。此外，NCS或PACS的坡脚、坡中、坡顶种子库密度两两之间存在显著差异，坡脚>坡中>坡顶；生物结皮发育到ALCS后，坡脚种子库密度与坡中差异不显著，但均显著大于坡顶。

在NCS发育成MCS的过程中，土壤种子库垂直分布也发生不同程度的变化（图2）。结皮前期，坡底0~1、1~3、3~5 cm和5~7 cm土层中均有种子分布，0~1、1~3 cm土层中种子数最多（57.8%和31.7%），其他2层中的种子数仅为11.5%；坡中的种子也主要分布在0~1 cm和1~3 cm（54.0%和41.4%），3~5 cm仅分布了4.6%的种子，而5~7 cm无种子分布；坡顶种子主要分布在0~1 cm，1~3 cm也有少量分布（18.3%），3 cm以下无种子分布。PACS坡脚、坡中、坡顶的土壤种子库绝大部分种子均分布于结皮层（85.8%~88.9%），结皮下0~1 cm土层中也储存了少量种子，但其1 cm以下的土层中无种子分布。PACS依次演替到ALCS、LCS、LMCS时，土壤种子库仍主要分布于结皮层（分别为69.3%~70.7%、58.6%~59.5%、62.1%~73.4%），但种子数量百分比均明显小于相应的PACS，且其种子数量百分比发生了先减小后增大的变化（谷值出现在LCS阶段）；同时，结皮下0~1 cm土层中种子数量百分比均明显大于相应的PACS，种子数量百分比发生了先增大后减小的变化（峰值出现在LCS阶段）。土壤结皮演替到MCS时，土壤种子库垂直分布聚集化更为明显，所有种子仅分布于结皮层中。

土壤结皮形成及演替对土壤种子库物种多样性产生了明显的影响（表4）。可以看出，NCS发育成PACS时，D_ma、D_sim、H′指数均显著增大，J_sw指数影响不明显；在PACS向ALCS演替的过程中，J_sw指数显著增大，D_ma、D_sim或H′指数无明显变化；ALCS依次演替成LCS、LMCS、MCS的过程中，4个指数均明显减小，且不同阶段各指标两两之间存在显著差异性（J_sw的LCS和LMCS除外）。同时，NCS发育到MCS的过程中，4个指数均呈现出先增大后减小的变化趋势，但不同指数大小排序有所不同，其D_ma为：PACS=ALCS>NCS=LCS>LMCS>MCS，D_sim或H′：ALCS=PACS>LCS>NCS=LMCS>MCS，J_sw：ALCS>NCS=PACS=LCS=LMCS>MCS。

土壤结皮发育对土壤种子库与地上物种相似性的影响见图3。土壤结皮由NCS向PACS或ALCS的发育，对土壤种子库与地上物种的相似性未产生明显影响；ALCS演替到LCS、LCS演替到LMCS和LMCS演替到MCS的过程中，土壤种子库与地上物种相似性均明显减小，但其减小程度各不相同（3个阶段相似性系数分别减小了9.0%、20.9%和64.3%）。根据Jaccard相似性划分标准，NCS、PACS、ALCS、LCS土壤种子库物种与其地上物种均呈极相似性，LMCS为中等相似，MCS为中等不相似性或极不相似性。

在本研究中，6个阶段的草本植物土壤种子库均以一年生短命植物为主，物种组成较为简单，并集中在藜科和禾本科，绝大部分物种为单属单种，这与前人在类似区域的研究结果完全一致^［21-22］；同时，结皮前期向藓类结皮的发育，导致土壤种子库物种组成发生了明显的变化，具体表现为：典型的沙生物种逐渐退出（如沙米、碟果虫实和沙生针茅等）、旱生植物陆续出现（如冠毛草、虎尾草和猪毛蒿）、短命避旱生浅根系物种持续存在并一直为群落的优势种（如画眉草），种子库物种组成出现了明显的由沙生植物向沙旱生植物演变的趋势。地上植被生长发育及繁殖能力直接影响着土壤种子库组成^{［14，23］}，样带区草本植物绝大部分为一年生草本植物，是典型“机会主义者”，对主要环境因子改变极其敏感^［24］，说明样带区生物结皮发育导致样带区生境由沙生向旱生演变。土壤结皮形成及发育阻碍着降水的及时入渗，特别是生长季大型降雨，受强蒸散发及超低地下水位的双重驱动，已形成生物土壤结皮的沙包土壤水分越来越低^［25-26］；同时，样带区土壤结皮发育到藻类-地衣阶段或更高阶段时，地表结皮覆盖高达100%，风蚀沙埋现象基本消失。因此认为，土壤结皮发育先通过改变了土壤生态因子或微区环境因子来影响地上植被，进而影响土壤种子库物种组成。

以藻类为优势种的生物土壤结皮在沙丘表面形成一层致密而光合的“保护层”，不利于植物种子定居^［27-28］，但结皮表面的裂缝或形成卷起、褶皱、干燥多边形等可间接促进种子定居，并通过微区聚集降水促进种子萌发，进而对部分植物种子定居-幼苗阶段产生正向影响^［29-30］；藓类结皮通过改变地表粗糙度促进种子定居，腾格里沙漠东南缘、科尔沁沙地苔藓结皮上的土壤种子库明显高于藻类结皮^［31］。在本研究中，土壤结皮由结皮前期发育到藻类-地衣阶段时，土壤种子库大小及龟裂缝、微坑面积百分比均明显增大；藻类-地衣阶段向地衣阶段的演替导致种子库急剧减小，而宽龟裂缝及微坑面积比急剧增大；地衣结皮向藓类阶段的演替导致种子库大小以及龟裂缝、微坑面积比均持续减小，而且地衣-藓类和藓类阶段的种子库均显著小于其他4个阶段。本研究结果与前人的研究存在一定程度不同，可能原因为：不同发育阶段地上植被生长状况及繁殖能力差异程度不同，进而导致其对种子库的贡献远远超过了地表微形态产生的贡献。种子库空间分布特征表明，结皮前期种子库主要分布坡脚并分布较深，物理-藻类至地衣-藓类结皮阶段坡脚-坡中区域种子库大且储存在结皮及结皮下0~1 cm土壤中，藓类结皮阶段种子仅分布于结皮层，这意味着土壤结皮使得种子库水平分布均匀化、垂直分布集中并浅层化，但结皮发育形成的裂缝（特别是>2 mm）可促使一些种子定居于结皮层下。因此认为，土壤结皮通过改变地表微形态来影响草本植物种子定居及其的空间分布。

土壤种子库是植被潜在更新的物种基础，其多样指数是判断植物群落或生态系统稳定性的重要指标^［5］。本研究显示，结皮前期向物理-藻类结皮的发育显著增大了D_ma、D_sim、H′指数，物理-藻类结皮向藻类-地衣结皮的演替使得J_sw指数开始增大，但D_ma、D_sim或H′处于相对稳定阶段，藻类-地衣结皮向地衣或更高阶段的演替导致以上4个指数均持续减小，说明结皮前期向藓类结皮的发育对土壤种子库多样性既有正向影响又有负向影响。在干旱沙区，生物结皮可通过改变微区环境条件影响种子萌发、幼苗存活、植株生长及繁殖能力等^［27］，也对部分种子宿存位置及空间分布产生明显的影响^［15］，因此将对种子库与地上植被间关系产生一定的影响。种子库物种与地上植被物种相似分析显示，结皮前期到藻类-地衣结皮阶段，二者相似性无明显影响，并一直呈极相似性；但演替到地衣-藓类或更高阶段后，二者相似性系数急剧减小，特别是藓类结皮阶段（Jaccard相似系数为0.25）。同时在样带区植被调查时也发现，藓类结皮上常见草本植物仅有画眉草，在农田地附近或微环境较好的区域偶见猪毛蒿、雾冰藜、盐生草（雾冰藜、盐生草很少发育生殖器官），但种子库中仍有黄花补血草、猪毛菜、狐尾草、冠芒草。这一方面说明地衣-藓类或藓类结皮种子库数量小，因地上植被生长发育及繁殖能力低导致的，另一方面证实其可捕获二次或多次迁移中的草本植物种子。

基于以上研究结果得出，干旱沙区土壤结皮对土壤种子库的影响随结皮发育阶段的不同而不同，结皮前期演替为藻类-地衣结皮的过程中主要产生正向影响，地衣结皮的影响表现为正负向相平衡，地衣-藓类结皮或更高阶段主要表现为负向影响。因此建议，干旱沙区土壤结皮生态功能评价不仅要分多个发育阶段，还要采用除植被、土壤种子库以外的更多指标体系。

结皮前期向藓类结皮的演替改变了土壤生态因子或微区环境因子，进而影响了地上植被的生长及繁殖能力，从而使得土壤种子库中部分物种发生了由典型沙生植物向旱生植物的演变，优势种也发生了明显的变化：雾冰藜、画眉草→雾冰藜、盐生草、画眉草→盐生草、画眉草→画眉草；同时，藻类-地衣结皮向地衣结皮或更高阶段的演替抑制了地上植被生长发育，导致了地上植被对种子库的贡献减小，进而影响了种子库密度、物种多样性以及地上与地下物种的相似性。

结皮前期向藓类结皮的发育，一方面通过增强了沙面稳定性来减轻种子的沙埋程度，进而使得土壤种子库垂直分布逐渐浅表化；另一方面通过改变地表微形态来促进种子定居，并使得土壤种子库水平分布逐渐均匀化。