珍稀濒危植物元宝山冷杉研究进展及保护现状
黄科朝1, 周龙武1, 张兴明2, 韦玉赏3, 杨宇萍3, 韦金鑫1, 丁涛1,4     
1. 广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所, 广西喀斯特植物保护与恢复生态学重点实验室, 广西桂林 541006;
2. 武昌首义学院智慧城市与生命健康学院, 湖北武汉 430064;
3. 融水苗族自治县元宝山国家级自然保护区管理中心, 广西柳州 545300;
4. 桂林兴安漓江源森林生态系统广西野外科学观测研究站, 广西桂林 541316
摘要: 元宝山冷杉(Abies yuanbaoshanensis)是我国特有的极危(CR)松科(Pinaceae)孑遗植物,现存野生成年个体802株,种群呈现以老龄树为主的衰退型结构。本文系统综述了元宝山冷杉近年来的研究进展及目前的保护现状:生物学与繁殖特性上,该树种具有典型的针叶乔木形态,需湿冷生境,繁殖力极弱,结实周期长且具有大小年现象;生态学上,种群呈衰退型结构(老龄树多、幼龄树稀缺),空间分布由集群分布向均匀分布过渡,群落以针阔混交林为主,林窗内更新优于林冠下;遗传学上,其种群遗传多样性低下,近交率高,叶绿体单倍型单一,适应潜力有限;濒危机制上,其濒危是内外因素协同作用的结果,外部因素包括气候变暖、生境斑块化与人为干扰,内部因素则涉及自身更新障碍及遗传多样性低等。当前元宝山冷杉的种群保护以就地保育和人工繁殖为主,但仍存在研究系统性不足、繁殖技术瓶颈突出及跨学科协作缺乏等问题。未来需整合基因组学、生殖生理及群落动态研究,通过生境修复与遗传资源管理以提升种群的恢复潜力。
关键词: 元宝山冷杉    濒危机制    遗传多样性    气候变化    
Research Progress and Conservation Status of the Rare and Endangered Abies yuanbaoshanensis
HUANG Kechao1, ZHOU Longwu1, ZHANG Xingming2, WEI Yushang3, YANG Yuping3, WEI Jinxin1, DING Tao1,4     
1. Guangxi Key Laboratory of Plant Conservation and Restoration Ecology in Karst Terrain, Guangxi Institute of Botany, Guangxi Zhuang Autonomous Region and Chinese Academy of Sciences, Guilin, Guangxi, 541006, China;
2. School of Smart City and Life Health, Wuchang Shouyi University, Wuhan, Hubei, 430064, China;
3. Management Center of Yuanbaoshan National Nature Reserve, Rongshui Miao Autonomous County, Liuzhou, Guangxi, 545300, China;
4. Guilin Xing'an Lijiangyuan Forest Ecosystem Observation and Research Station of Guangxi, Guilin, Guangxi, 541316, China
Abstract: Abies yuanbaoshanensis is a critically endangered (CR) relict species of the Pinaceae family endemic to China. There are 802 existing wild adult individuals, and the population presents a declining structure dominated by old trees. This article systematically reviews the research progress and current protection status of A.yuanbaoshanensis in recent years. In terms of biological and reproductive characteristics, this tree species exhibits typical coniferous tree morphology, requires humid and cold habitats, and has extremely weak reproductive capacity with a long fruiting cycle accompanied by mast seeding. Ecologically, the population shows a declining age structure (dominated by old trees and scarce in juveniles). Its spatial distribution is transitioning from clumped to uniform. The community is primarily coniferous-broadleaved mixed forest, and seedling regeneration is better in forest gaps than under closed canopy. Genetically, the population possesses low genetic diversity and a high inbreeding rate, with a single chloroplast haplotype, leading to limited adaptive potential. In terms of endangered mechanisms, its endangerment results from the synergistic effects of internal and external factors. External factors include climate warming, habitat fragmentation and human disturbance, while internal factors involve inherent regeneration barriers and low genetic diversity. At present, the conservation of A.yuanbaoshanensis mainly relies on in situ conservation and artificial propagation. Nevertheless, multiple challenges remain, including insufficient systematic research, prominent bottlenecks in propagation techniques, and a lack of interdisciplinary collaboration. In the future, studies on genomics, reproductive physiology and community dynamics need to be integrated, and habitat restoration together with genetic resource management should be carried out to enhance the population's recovery potential.
Key words: Abies yuanbaoshanensis    mechanism of endangerment    genetic diversity    climate change    

元宝山冷杉(Abies yuanbaoshanensis)是我国特有的松科(Pinaceae)冷杉属(Abies)常绿高大乔木,是第三纪孑遗植物,也是研究第四纪气候变迁与植物区系演化的“活化石”,被列为国家一级重点保护野生植物[1-4]。该物种分布区极为狭窄,仅分布于广西元宝山国家级自然保护区内海拔1 700—2 050 m的中山针阔混交林中,现存野生成年个体802株(数据来源于广西元宝山国家级自然保护区2022年野外调查资料),种群结构呈现以老龄树为主、幼龄树稀少的衰退型特征[3]。

近年来,全球气候变暖导致年平均温度上升、极端天气事件频发,冷杉属植物适生区垂直上移,生境破碎化加剧[5]。同时,其低遗传多样性[6]和高度特化的生境需求(如高湿度、低温环境)使其成为保护遗传学和极小种群研究的典型对象[5]。加上人为干扰和自然更新障碍,该物种被世界自然保护联盟(IUCN)评估为极危(CR)等级[2]。自1977年元宝山冷杉被发现以来[7],其种群结构、分布格局、遗传多样性、化学成分、种子萌发特性及保护遗传学等保育研究领域均受到学者广泛关注。然而,受环境变化与自身因素的影响,野生元宝山冷杉的极度濒危状况仍未得到改善。本文系统梳理了元宝山冷杉在分布与生境特征、生物学特性、种群与群落生态学特征、濒危机制及保护现状等方面的研究进展,并对其未来保育与研究方向进行展望,以期为该珍稀树种的保护与利用提供参考。

1 分布与生境特征

元宝山冷杉分布区属中亚热带季风气候,受地形地貌和森林植被的影响,分布区气候热量丰富,降水充沛,湿度较高,具有较明显的山地气候特征(图 1)。元宝山常年平均气温达16.4 ℃,极端最低温为-8 ℃,极端最高温达32 ℃,年无霜期288 d,该地年降水量达2 379 mm,是广西降水较多的地区之一。林内十分湿润,林间湿度在90%以上,林下苔藓发达。元宝山冷杉的主要生长基质为山地黄壤,地表腐殖质较厚。土壤养分和微生物的空间异质性对元宝山冷杉的分布格局具有一定的驱动作用。例如,王莹等[8]研究发现元宝山冷杉根际微生物多样性随海拔变化显著,土壤碳氮磷比是关键驱动因子。冼康华等[9]采用高通量测序技术分析幼龄与老龄元宝山冷杉根际与非根际土壤微生物群落,结果发现幼龄树根际土壤中细菌和真菌的丰度与多样性均高于老龄树,优势菌门为变形菌门(Proteobacteria)和酸杆菌门(Acidobacteria),而老龄树对土壤微生物群落结构的影响更大,群落组成差异显著。在林分结构上,元宝山中山针阔混交林物种丰富,共记录379种,植物生活型以高位芽植物为主,叶小型、革质全缘,区系成分上热带与温带共存,乔木层上层针阔混交现象明显,群落起源古老,具有典型的亚热带山地特征[10]。元宝山冷杉的主要伴生树种为南方铁杉(Tsuga chinensis)、南方红豆杉(Taxus wallichiana var mairei)等[11]。元宝山冷杉的分布区是研究亚热带山地生态系统对气候变化响应的关键区域,其残存种群记录了第四纪冰期后物种退缩的生态过程,为揭示气候变化与物种分布动态的互作机制提供了天然实验室[12]。

图 1 元宝山冷杉分布区域 Fig.1 Distribution area of A.yuanbaoshanensis

2 生物学特性 2.1 形态学结构

元宝山冷杉为常绿针叶乔木,成年树高约25 m,胸径为40—80 cm,树干挺拔通直,树冠呈尖塔状,树皮呈暗红褐色,具有不规则块状开裂,小枝无毛,呈黄褐色或淡褐色[图 2(a)]。其叶片在小枝上呈两列形式生长,为绿色条形扁平叶,叶片先端有凹缺,叶脉下凹,叶背有两条粉白色气孔带。幼树时期,叶面为深绿色,叶背呈银白色,叶片先端存在二裂状凹缺[图 2(b)]。在繁育系统上,元宝山冷杉为雌雄同株,每隔3—4年开花结果1次,花期在4—5月[13][图 2(c)]。元宝山冷杉的球果为短圆柱形,直立,长8—9 cm、径宽4.5—5.0 cm;5月幼嫩球果苞鳞呈紫色[图 2(d)],随后种鳞发育长大并逐渐遮盖苞鳞,到10月初球果逐渐成熟,种鳞由黄绿色转为褐绿色[图 2(e)]。元宝山冷杉成熟后种子及种鳞逐渐脱落,其种子为倒三角卵圆形,长约1 cm,稍长于种翅,种翅为倒三角形膜状翅,呈淡黑褐色;其种鳞为长2.0 cm、宽2.2 cm的扇状四边形,其鳞背密生灰白色短毛,每片种鳞内有1—2粒种子[13][图 2(f)]。吉成均等[14]利用光学显微镜和扫描电子显微镜观察发现,元宝山冷杉木材的管胞直径较小,管胞及木射线较短,而射线频率较高,同时其早材交叉场纹孔数量多,形态多为椭圆形,具缘纹孔多单列且孔径较大;木薄壁细胞中含黄色内含物;该树种在管胞直径和射线长度上与其他冷杉差异明显,但其纹孔类型及交叉场纹孔特征与同属物种较为一致。

(a) Habitat; (b) Seedling; (c) Male cone at pollen stage; (d) Female cone at immature stage; (e) Female cone at mature stage; (f) Seed. 图 2 元宝山冷杉生境、形态与繁殖特征 Fig.2 Habitat, morphology and reproductive characteristics of A.yuanbaoshanensis

2.2 生理生化特性

叶片作为植物与环境互作的关键界面,其生化特性能够直接反映物种对环境胁迫的生理响应策略与适应潜力,因而也是解析元宝山冷杉濒危机制的重要切入点。何瑞杰等[15]采用色谱技术对元宝山冷杉化学成分进行分离,在其石油醚萃取部分中分离得到5个单体化合物。段云博等[16]采用水蒸气蒸馏法提取资源冷杉(A.ziyuanensis)和元宝山冷杉针叶精油,结果发现两种冷杉针叶的精油提取率均较低,分别为0.87%和1.07%;经气相色谱-质谱联用(GC-MS)分析,元宝山冷杉针叶精油共鉴定出22种化学物质,含量最高的为β-侧柏烯(17.78%),精油主要分为烯烃类、醇类、萘类和萜类四大类,其中烯烃类物质含量最多,达到95.02%。He等[17]从元宝山冷杉中提取并纯化β-谷甾醇,评估其叶片中β-谷甾醇等物质的抗氧化活性,结果表明这些物质在应对氧化胁迫中发挥保护作用,从而反映该物种的适应潜力与生存阈值。上述研究为揭示元宝山冷杉的次生代谢特征及其在环境适应中的潜在作用提供了重要线索,但仍需深入研究以明确其生理生态功能及其与物种濒危的内在联系。

2.3 遗传多样性

遗传多样性是物种适应环境变化和长期进化的基础,也是保护生物学的核心内容之一[18]。植物种群的遗传结构及多样性水平受生境变化、繁殖方式、突变、遗传漂变和基因流等多种因素影响。维持足够的遗传变异是种群应对环境变化、保障长期生存的关键。Wei等[19]基于1 533个核基因重建了冷杉属物种的高分辨率系统发育树,明确了四大支系及其种间关系,并提出冷杉属物种起源于北半球高纬度地区,现存物种主要在中新世至更新世分化并经历了多次跨大陆扩散,此外研究还发现冷杉属物种多样性与降水量、海拔密切相关,部分形态特征(如紫果、被毛枝条)与高寒环境适应相关。对元宝山冷杉的遗传多样性进行研究,不仅有助于揭示其进化历史与环境适应性,也可为解析其濒危机制、评估进化潜力及制定遗传资源保护策略提供重要依据[6]。Yang等[20]对冷杉属物种高分辨率系统发育树进行重建,明确了元宝山冷杉的系统发育关系及形态适应性进化特征。Zhang等[21]公布了元宝山冷杉完整的叶绿体基因组,为后续群体遗传学与濒危机制研究奠定了重要的基因组学基础。Tang等[22]利用简单重复序列(SSR)标记比较了元宝山冷杉自然种群与后代种群的遗传多样性,结果显示后代种群遗传多样性高于自然种群,且大多数种群间近交率较低,但自然种群近交率高达0.217,增加了有害等位基因纯合风险,严重威胁种群延续。Peng等[23]对中国南方冷杉物种的地理基因组学进行分析,揭示了元宝山冷杉复杂的起源和遗传混合现象。由于种群规模小、恢复缓慢,元宝山冷杉面临严重的遗传漂变和近交压力,导致遗传多样性持续下降,适应能力与进化潜力衰退。王燕[24]以元宝山冷杉2 m以上植株的幼叶为实验样品,对其进行DNA提取扩增,结果发现元宝山冷杉种群的多态性比率为50.96%,Nei′s基因多样性值为0.151,Shannon多样性指数为0.173 5,个体间Nei & Li相似性系数为0.877—0.994,表明其遗传变异水平较低。饶龙兵[25]比较了国内5种冷杉的遗传关系,发现元宝山冷杉与资源冷杉遗传距离最小,遗传同一性为0.038—0.075。叶绿体微卫星分析亦表明,元宝山冷杉仅存在单一叶绿体单倍型,缺乏种群间基因交流,进一步降低了其遗传多样性[5]。Yang等[20]以元宝山冷杉等冷杉属物种为研究对象,并以银杏科(Ginkgoaceae)为外类群进行基因组测序,结果表明元宝山冷杉与其他冷杉属物种聚为同一单系。另外,相关研究分别采用叶绿体微卫星标记(cpSSR)[6]、扩增片段长度多态性(AFLP)分子标记[24, 26]、生物芯片标记[25]等技术探究元宝山冷杉种群的遗传多样性,结果表明其遗传水平极低,缺乏明显的亚群分化,种群内遗传相似性高,进化潜力有限,难以拓展新的分布区,濒危程度极高。彭艳玲[27]发现元宝山冷杉的谱系地理起源极为复杂,可能源于北方多个分布区的冷杉属物种向南退缩后的混合与分化。综上可知,元宝山冷杉遗传多样性水平低,导致其环境适应能力急剧下降,进化潜力减弱。因此,为避免该珍贵树种的遗传资源持续流失,亟须采取有效措施保护现有种群。

3 种群与群落生态学特征 3.1 种群生态特征

种群作为群落构成的基本单位,其结构与分布格局不仅决定着群落特征,也能客观反映群落的动态演替与发展趋势。种群分布格局可揭示种群内个体的空间关系及其在群落中的生态位,其动态变化有助于揭示环境因子对种群生态位的调控机制。因此,深入研究元宝山冷杉的种群结构与数量,对该物种的科学保护与种群恢复具有重要支撑作用[28]。近年来,国内学者围绕该物种的种群结构与动态开展了一系列研究。潘百明等[29]对不同生境下的元宝山冷杉种群结构和动态进行研究,结果表明元宝山冷杉种群具有增长型的繁殖潜力,但呈衰退型的演替趋势,种群分布格局由集群分布演变为均匀分布,种群动态受环境影响显著。元宝山冷杉为裸子植物,喜光耐旱,林内过于荫蔽的环境会抑制幼苗与幼树生长,因此林内的荫蔽环境是其种群演替变化的重要原因。李先琨等[30-31]对元宝山冷杉种群结构及空间分布格局的系统研究表明,该种群在幼苗阶段虽然有个体补充,但是因小径级个体死亡率较高,整体仍表现为稳定型种群结构;在空间分布上,种群总体呈聚集型分布,且随发育阶段推移呈现明显分化,幼苗至幼树阶段为典型的集群分布,中龄阶段逐渐向随机分布过渡,至成年阶段演变为均匀分布,反映出其空间格局随树龄增长呈动态演变规律。此外,李先琨等[32]还通过编制静态生命表与特定时间生命表对元宝山冷杉种群动态进行深入分析,结果显示该种群的存活曲线属于Deevey-Ⅲ型,表现为幼年阶段个体数量较多,但向成年阶段的发育过程并不连续,其中1年生幼苗死亡率高达48%,反映出早期更新面临严峻的环境筛选压力,表明当地生态环境对种群结构与动态具有显著调控作用。研究还发现,由于元宝山冷杉种群更新受林窗形成等因素的驱动,其种群结构存在明显的周期性波动,并在不同发育阶段出现多个死亡高峰[32]。上述研究系统揭示了元宝山冷杉种群在自然更新过程中面临的核心瓶颈——早期更新障碍与高死亡率,以及其空间格局随发育阶段的动态演变规律,为揭示该濒危物种的种群维持机制及制定针对性保护措施提供了重要科学依据。

在种群关系方面,欧祖兰等[33]通过对不同尺度样方元宝山冷杉种群的联结性以及群落特征进行对比分析,结果表明100 m2的取样尺度最为适宜,该尺度下元宝山冷杉顶极群落少数种为显著正联结、个别种为较强负联结,相互关系最密切的种对主要是元宝山冷杉-南方铁杉、贵州桤叶树(Clethra kaipoensis)-灯笼树(Enkianthus chinensis),元宝山冷杉-南方铁杉呈极显著正联结,两个种群生态位重叠值为0.518 3,二者对光资源的利用能力相似性较大,种间表现为互利关系,资源竞争强度较低,可实现和谐共存。李先琨等[31]应用Hegyi竞争模型对元宝山冷杉群落的种间与种内的竞争强度进行定量分析,发现其种内竞争强度大于种间竞争强度,在对其种群动态的影响中自疏作用大于他疏作用,竞争指数与对象木的大小存在显著负相关。元宝山冷杉与其伴生树种南方铁杉在一定程度上形成了竞争—协调—共生的关系。因此,元宝山冷杉种群虽具备一定的繁殖潜力,但其不稳定的年龄结构、较高的早期死亡率、强烈的种内竞争以及依赖于特定生境的空间分布格局,共同构成了该物种生存与更新的关键限制因素,急需针对其种群动态的关键环节制定科学的保护与管理策略。

3.2 群落生态特征

群落作为多个种群与环境因子相互作用的综合体,其结构特征能直接反映种群生存状况及演替动态[34]。对元宝山冷杉群落的研究有助于揭示该物种的历史演变轨迹与未来发展趋势。早期研究表明,该群落为典型的常绿针阔混交林,具有明显的亚热带属性,层次结构清晰,郁闭度为0.8,乔木层以松科植物为主,中下层则以樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)、杜鹃花科(Ericaceae)和壳斗科(Fagaceae)为优势类群[35],且群落中大树多为老龄个体,幼苗稀少,中龄树罕见,年龄结构断层明显,存在被常绿阔叶树种替代的潜在风险[11]。欧祖兰等[36]采用相邻格子法进一步研究表明,元宝山冷杉群落属于成熟稳定的顶极群落,物种多样性与均匀度较高,共记录维管植物52科81属107种,乔木层中元宝山冷杉重要值达42.99%,为优势种,红皮木姜子(Litsea pedunculata)、南方红豆杉和南方铁杉为其主要共生种,灌木层以箭竹(Fargesia spathacea)为优势种,草本层中百合科(Liliaceae)植物占优势,层间苔藓发育良好。李洪兵等[37]对6种特有冷杉的研究表明,其群落均处于相对阴湿寒冷的环境,而元宝山冷杉群落环境最为阴湿,同时元宝山冷杉群落性质为针阔混交林,南方铁杉为绝对优势种(重要值0.257 6),包果柯(Lithocarpus cleistocarpus)与元宝山冷杉亦为重要组分,元宝山冷杉优势度较低。谢强等[38]对元宝山冷杉群落主要木本种群生态位的研究表明,元宝山冷杉曾在分布区内具有最大的生态位宽度和资源占有量,其生态位特征对群落结构具有决定性影响。向悟生等[39]采用定量法对元宝山冷杉群落主要树种的生态位进行测算,发现五尖槭(Acer maximowiczii)的生态位宽度最大,元宝山冷杉次之;元宝山冷杉仅与南方铁杉、南方红豆杉有较大的生态位重叠,与其余多数树种的重叠值不大,表明优势种元宝山冷杉与多数树木种群间的资源竞争较弱,群落相对稳定,群落中多数树种间有较高的生态位相似性,显示出群落中主要树种对资源有较明显的共享趋势。丁涛等[40]采用样线法对元宝山中山针阔混交林中元宝山冷杉群落的林窗特征与更新状况进行研究,结果显示该群落林窗面积普遍较小,以小林窗为主,其形成多由树干折断和根倒伏所致,冬季积雪、积冰与强风是主要外部诱因;在更新方面,林窗内幼苗密度显著高于林冠下,不同树种表现出明显差异,元宝山冷杉幼苗在林窗和林冠下均能良好更新,南方红豆杉更适应林窗环境且更新表现突出,而南方铁杉则倾向于在林冠下实现较好更新。

综合现有研究可知,尽管元宝山冷杉在群落中仍占据重要生态位,但其种群结构不完整、天然更新依赖林窗环境,并面临被其他树种替代的潜在风险。因此,急需从群落整体动态出发,深入揭示其长期维持机制,并制定有针对性的保护与恢复策略。

4 濒危机制

元宝山冷杉种群虽然有一定数量的幼苗和幼树,但是枯死植株较多,老龄树普遍出现空心、枯顶等衰退现象,林内亦可见枯立木与风倒木[11]。目前该种群数量仍不断减少、分布范围日渐缩小,已处于极度濒危的状态,急需采取保护措施并扩大种群规模,否则种群衰退,极易走向灭亡。

元宝山冷杉的濒危并非由单一事件引发,而是时间和空间双重梯度上渐进累积的结果[11]。研究表明,历史气候变化是致使元宝山冷杉种群濒危的最主要外部因素[5]。因第四纪冰川时期气候发生剧烈变化,冷杉种群数量大幅减少,进而使元宝山冷杉以及资源冷杉等残遗冷杉树种在我国南方亚热带山地呈空中岛屿状间断分布[5, 41]。近年来,全球气候变暖产生的影响致使原本已呈孤立、残遗分布状态的元宝山冷杉生境更趋于破碎化且面积缩小,进而导致元宝山冷杉种群数量进一步减少[42-43]。同时,群落环境以及人为活动的影响亦是导致其濒危的重要外部因素。元宝山冷杉群落属原始林,林内光照微弱,枯枝落叶层较厚,林下箭竹生长茂密,对种子落地与发芽形成阻碍。林内环境难以满足幼苗、幼树的生长需求,种群的延续与发展受到较大限制[36]。此外,山上村民的开荒种地行为,破坏了元宝山冷杉的生境,使其濒危状态进一步加剧[13]。

内部因素中,繁殖障碍是制约种群恢复的核心瓶颈[44]。冷杉树种通常以种子繁殖为主,其他繁殖方法不易成功,这直接限制了该物种的人工扩繁途径[13]。元宝山冷杉有性繁殖亦十分困难,其结实周期长,结实数量少,种子空粒率高,饱满率仅6%,自然条件下种子向幼苗的转化率极低[13, 45-46]。这些繁殖障碍与该物种长期适应高寒阴湿环境所形成的特化生物学性质密切相关[25],但具体生理生态机制仍有待深入探究。黄仕训[13]对元宝山冷杉进行种子繁殖试验,发现该种子发芽率很低,最高仅为2.5%,种子没有明显的生理休眠,在短期内干藏和润沙藏均可,条件适宜时种子就会萌发,用不同浓度的赤霉素、激动素及吲哚丁酸处理种子24 h后播种,结果表明3种调节剂均对其种子萌发无明显促进作用。唐润琴等[46]对元宝山冷杉种子繁殖力的研究发现,元宝山冷杉的结实具有大小年现象,种子生活力极低,饱满种粒在场圃条件下发芽率仅为6.8%,在培养箱中可达18.9%,但幼苗死亡率仍较高。以上研究表明,种子发芽率低是导致元宝山冷杉自然更新不良、种群难以延续和扩展的重要因素。

综上所述,元宝山冷杉的种群现状表现为个体稀少与结构衰退,其濒危机制是多重外部压力(历史气候变迁、当代生境破碎化、不利的群落环境及人为干扰等)与内部局限(自身繁殖障碍和更新乏力等)共同作用的结果,极低的有性繁殖成功率则是制约其种群延续与恢复的核心瓶颈。

5 保护现状

基于对元宝山冷杉致危因素、生存现状及其生物学与生态学特性的深入研究,目前已构建以就地保护为核心、迁地保护与繁育技术创新为辅助、野外回归为突破的综合保护体系。就地保护方面,通过强化广西元宝山国家级自然保护区的管理,严格限制人为干扰活动,如禁止砍伐开荒,并实施人工促进天然更新工程,包括疏伐过密林分、开辟林窗以改善光照条件,为幼苗、幼树创造适宜的生长环境,同时对衰退老龄树采取复壮措施[47]。

近年来,广西元宝山国家级自然保护区还建立了系统监测网络,对重点植株进行定期健康评估和生长监测。在繁殖技术方面,王莹等[48]通过系统试验优化了元宝山冷杉种子的萌发条件,确定去翅处理后浸种24 h,在25 ℃恒温纸床环境下种子萌发率最高,这一成果已应用于规模化育苗。迁地保护方面,除在与元宝山相似生境建立人工繁育基地外,还在桂林植物园等科研机构开展迁地保育,成功保存了涵盖不同遗传背景的种质资源。特别在广西元宝山国家级自然保护区白坪管理站建立的种群备份区,已定植人工培育苗木300余株,长势良好,为物种保存提供了多重保障。面对全球气候变暖,分布于中高海拔、已无更高海拔迁移空间的濒危冷杉物种,其最有效的保护策略是进行迁地保护,而在此基础上实施野外回归是扭转元宝山冷杉野外种群衰退的关键措施[49]。自2012年起,广西元宝山国家级自然保护区联合广西壮族自治区中国科学院广西植物研究所通过人工授粉、种子培育等方法,将元宝山冷杉的育苗成活率稳定在60%以上,累计繁育优质苗木超过2万株。2016—2020年,在海拔1 500—1 700 m区域共定植450株幼苗,成活率由70%提升至85%。2022—2024年,在海拔1 350—1 600 m区间开展回归种植梯度试验并新建两个固定样地,初步验证了气候变化背景下上移保育策略的可行性,同时,已建立常态化监测巡护体系,为持续扩大回归规模提供了技术支撑与种源保障[50]。此外,保护机构积极开展社区共管工作,通过建立宣传教育基地、组织科普活动等方式,显著提升了当地居民和访客的保护意识[11]。这些系统性保护实践不仅为元宝山冷杉的种群恢复提供了技术支撑,也为我国南方其他濒危冷杉属植物的保护积累了宝贵经验。

6 展望

元宝山冷杉种群衰退趋势显著,正面临被阔叶树种替代、种间竞争加剧、遗传多样性匮乏及适应性与进化潜力不足等多重威胁。在全球气候变化与生境破碎化不断加剧的背景下,制定并实施综合保护策略尤为紧迫。尽管元宝山冷杉自被发现以来,已在生物学、生态学、遗传学及繁育生物学等方面取得了阶段性成果,为该物种的保护奠定了重要基础,但当前研究仍存在明显不足,制约了保护效力的提升。未来工作应重点关注以下领域。

(1) 系统监测与致危机制解析。当前对野生种群动态、长期、系统的监测数据依然缺乏。因此,亟须建立一个涵盖环境因子(如微气候、土壤微生物)、种群统计(如幼苗补充量、死亡率)及繁育生物学(如传粉效率、种子扩散)的长期监测网络,并利用物种分布模型预测未来气候情境下的适生区变迁,从而精准解析其濒危的综合机制。

(2) 突破繁殖技术瓶颈并实施基于遗传管理的种群复壮。极低的种子发芽率与幼苗存活率是制约种群恢复的核心瓶颈。未来研究需深入探究种子休眠与萌发的生理生态机制,开发高效的人工催芽与育苗技术。同时,将遗传管理提升为核心保护策略:通过基因组测序技术筛选适应性基因位点,指导人工繁殖中的亲本选配;建立遗传谱系明确的种质资源库;在回归引种中科学规划种植布局,以最大化引入种群的整体遗传多样性,抑制近交衰退。

(3) 群落与生态系统水平的保护与恢复。元宝山冷杉的长期生存与自然更新,高度依赖于其所在群落的物种组成与生态系统完整性。未来应加强其与共生微生物(如菌根真菌)、传粉者及种子传播者的互作关系研究,评估关键物种缺失对群落更新的影响。保护实践应逐步从单一物种保育向生态系统整体修复转变,具体措施包括促进林窗形成以改善光照条件、调控林下竹密度以辅助幼苗定居,以及开展退化生境的植被恢复工程,为种群创造更适宜的群落环境。

(4) 优化以就地保护为基础、迁地保护与野外回归协同的保护体系。未来应系统评估并划定就地保护核心区与生态廊道,强化原生境群落整体保护。同时,应科学布局迁地保护种群,构建覆盖不同海拔与生境的保护网络,以降低极端气候导致的灭绝风险。野外回归工作需与遗传管理相结合,优先选择气候适宜的潜在分布区开展试点,并建立回归后监测与适应性管理规范,确保种群长期存活与自我维持。

(5) 制定可操作的保护行动计划并推动跨部门协作。为实现有效保护,建议自然保护区管理机构牵头制定元宝山冷杉种群紧急保护行动计划,明确短期(1—3年)与中长期(5—10年)目标。短期目标的重点包括设立核心保护小区严格限制人为干扰、系统开展林窗人工促进更新及建立基于遗传谱系的苗木繁育体系。中长期目标应着力于生态廊道建设、潜在适生区预测与试点引入。同时,建立科研机构、林业部门与社区参与的协同管理机制,将元宝山冷杉保护纳入区域生态修复与生物多样性保护整体布局,确保保护措施的持续性与实效性。

综上所述,元宝山冷杉种群的自然恢复与长期存续,亟须开展系统性、多学科交叉的综合研究。未来研究应聚焦于解析制约其进化潜力与自我更新能力的关键因素,从遗传管理、生境修复和群落调控等多维度探索有效干预途径。通过整合基因组学、生理生态学及保护生物学等多学科方法,有望为该物种回归自然与种群复壮提供理论依据和技术支撑。

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