《Nordic Journal of Botany》：Effect of population reinforcement method, site, and plant characteristics on early establishment of the rare endemic plant species Minuartia smejkalii
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本文通过连续三年比较种子直播与幼苗移栽两种方法对捷克特有蛇纹岩植物Minuartia smejkalii进行种群强化的效果，发现移栽是更为可靠的强化手段。移栽个体首年存活率高达83%，并能通过种子繁殖成功补充种群。研究揭示了移栽年份、个体初始大小及母本特征（如开花茎数量）是影响移栽成功和后代表现的关键因子，为长寿命、幼苗建成困难的稀有多年生植物的保护实践提供了重要实证依据。
引言
栖息地特化植物物种常因栖息地破碎化或破坏而濒危。Minuartia smejkalii是一种捷克特有的蛇纹岩植物，因近期栖息地破坏和破碎化而受到严重威胁，亟需有效的保护措施。种群强化（包括在物种曾分布的地点重新引入和建立物种，以及通过添加个体来支持当前的小种群）是日益重要的保育工具。然而，物种重引入过程复杂且长期成功率往往不高，可能源于对栖息地需求、竞争、天气事件或与入侵物种相互作用的了解不足。对于像M. smejkalii这样种子传播潜力有限、局限于稀有、极端且破碎化栖息地的受威胁物种，了解哪种重引入方法（播种或移栽）效果最佳尤为重要。
本研究旨在直接比较方法，通过直接播种和移栽预培育个体，在M. smejkalii的自然分布范围内将其重新引入到多个地点。我们假设：1) 移栽预培育个体比现场播种能提高M. smejkalii的建成成功率；2) 建成成功率因种群、移栽年份以及个体和母本的具体特征（如大小、开花茎数量）而异；3) 移栽个体和原地补充的个体在表现上存在差异，原地补充的后代表现更佳。
材料与方法
物种描述
捷克特有物种M. smejkalii是一种虫媒传粉的半灌木，专性蛇纹岩植物，生长在小型蛇纹岩露头、浅层蛇纹岩土壤、岩石裂缝以及光照松林内不连片的草地中。该物种在竞争力强的植物过度生长的地方会迅速消失。个体由大量2-5厘米长、叶片茂密的营养枝组成，可产生数百根5-15厘米长的直立开花茎（分株），每根开花茎平均有3至12朵小花。种子通常仅传播几厘米，种群扩散速率极低（每年1-23毫米）。目前其分布仅限于捷克共和国中部地区，被列为极危物种。
研究地点
研究区域为哈德采乌日利夫基国家自然保护区，是捷克共和国最重要的蛇纹岩地点之一。该物种在此区域内以森林植被与草原植被及突出的蛇纹岩岩石镶嵌的形式出现或曾经出现（种群Z1至Z7）。所有地点在强化前都进行了树木砍伐以及去除植被和苔藓的腐殖质层等管理措施，以创建开放、低竞争、蛇纹岩基岩裸露的地点。
种子播种实验
2014年至2017年间，从每个目标地点对应的自然种群部分采集M. smejkalii种子。2017年，在Z1、Z2、Z3和Z6建立了播种样地。一半样地在生长季初（2017年3月）播种，另一半在生长季末（2017年9月）播种。种子仅在其原种群所在地点播撒，密度约为每平方米2750至3030粒种子。每两周检查一次样地以观察幼苗出现情况。
移栽实验
我们在五个地点（种群Z1、Z2、Z3、Z6和Z7）种植了M. smejkalii。现存种群Z1、Z2、Z3和Z6接受了来自当地种子的移栽苗。已灭绝的Z7接受了来自Z2、Z3、Z4和Z5的移栽苗以最大化遗传变异。种子在实验室或温室蛇纹岩土壤中萌发，幼苗在温室中培育约六个月后，移植到单独的盆中，并在露天苗圃中适应环境。约一龄的植株于2017年至2019年秋季移栽到目标地点。移栽个体被永久标记、记录并拍照。
数据收集
测量了作为种子来源的母本植株的长度、宽度、开花和非开花茎数量，并计算了植株大小（椭圆面积）。移栽前，测量了每个植株的最大长度和宽度以计算植株大小，并确定是否开花。移栽后每年的植株特征同样在开花期进行评估。数据收集在两个层面进行：整个地点和样带。
统计分析
使用广义线性混合模型分析种群身份、移栽年份、移栽后年份、初始大小及其交互作用对植株表现（存活、大小、相对生长率和花朵数量）的影响。个体植物ID作为随机项。通过逐步模型简化识别显著的固定效应。为了比较补充个体和移栽个体，我们仅使用了2019年补充、2020年测量的幼苗数据，并将其与移栽后第一年的个体进行比较。
结果
种子和移栽的种群发展
M. smejkalii种子在田间的萌发并不成功，尽管使用了大量不同采集时间的种子。仅在种群Z6的一个播种样地中发现了13株幼苗，但对照样地中却有更多幼苗。
移栽后第一年，所有种群和年份中76%的移栽植株开花并产生种子。开花个体的百分比随时间增加。在五个种群中的三个（Z1、Z2、Z6），移栽个体的种子在移栽后一年（即2018年）萌发产生了少量幼苗。次年（2019年），这些种群中补充了更多幼苗：Z1有20株，Z2有354株，Z6有2828株，其中大部分补充个体在出现一年后开花。
在研究开始时，M. smejkalii在Z7地点已灭绝，在Z3地点几乎灭绝（2015年仅剩2株）。重新引入两年后（2018年），Z7拥有1441个个体，其中13%是补充苗。在Z3，研究结束时种群有121株，比最初移栽的数量少8株，且移栽后一年没有补充。然而，在其他地点（Z1、Z2和Z6），由于幼苗补充，种群的强化部分在整个研究期间持续增加。
移栽表现的决定因素
种群身份解释了大多数特征跨年份的中等程度变异，特别是对于相对生长率和移栽苗大小，而对存活和花朵数量的贡献很小。种群Z6的存活率最低，跨年份的移栽苗大小也最小。
移栽后第一年，种群身份是花朵数量和相对生长率的最强预测因子，但对大小或存活率则不是。移栽年份解释的变异小于种群，但对所有因变量在移栽后一年和跨年份都有贡献，对相对生长率仍贡献了近四分之一的变异。
初始较大的移栽苗在移栽后第一年及后续年份也显著较大，并且在第一年有更高的存活率。初始大小对移栽后第一年的大小解释力最强。较大的移栽苗在移栽后第一年有更多的花，但跨年份来看，初始大小的重要性相对于植株年龄下降，表明早期优势持续存在但逐渐被其他因素抵消。
总体而言，母本身份影响了个体的所有特征（存活除外）。然而，只有部分变异与母本植株的大小和开花茎数量相关。开花茎较多的母本，其后代在第一年更小、花更少、生长更慢。
补充个体与移栽个体的比较
2019年种群Z2中近43%的补充个体存活到下一年，Z6中约29%存活。在种群Z1，三分之一的幼苗仍然存在，但仅为2株。补充个体在大小、花朵数量和相对生长率上存在差异，但存活率在种群间无差异。然而，除花朵数量外，种群解释的变异非常低。一年后的存活很大程度上取决于补充个体的初始大小。
补充个体出现一年后的大小变异同样由补充个体的初始大小和种群身份决定。新个体在Z6最小，在Z1最大。初始大小预示着下一年更大的体型（Z1除外），并且是花朵数量的显著预测因子，但解释的变异不足0.1%。
移栽个体和补充个体在存活、大小和花朵数量上存在差异。移栽个体第一年的存活数量是补充个体的两倍多，但补充个体的存活率在种群间无差异。移栽个体在首次记录一年后比补充个体更大。相对生长率没有差异。然而，补充个体的花朵数量是移栽个体的两倍多。这些模式在种群间存在差异。在Z1和Z2，补充个体比移栽个体生长率更高、体型更大、花朵更多，而Z6在所有参数上均呈现相反趋势。花朵数量随初始大小的增加，在移栽个体中比在补充个体中更为陡峭。
对于移栽个体和补充个体，存活和大小的变异主要取决于初始大小。然而，对于花朵数量，补充个体的种群与初始大小的交互作用解释了更多变异（约19%），但大多数变异源于种群身份本身。
讨论
M. smejkalii的种群强化方法
在我们的研究中，直接在地点播种M. smejkalii几乎没有产生幼苗（仅0.14%的总播种种子萌发），无论何时播种。我们在2006年的初步研究中也观察到同样情况，但使用的种子数量较少。
虽然并非所有移栽个体都能存活到最后一次调查，但总体存活率落在其他研究的范围内，且随时间下降是移栽后常见的结果，即使在最初成功之后。总体而言，约50%的移栽个体存活到最后一次调查，它们产生了种子并通过补充后代成功增加了种群规模。这可以被视为种群强化的一大成功，因为它表明种群可能进一步稳定并维持自身，甚至可能增加规模。
除了Z3（自然个体数量略多），所有强化部分最终包含的个体数量都高于自然种群部分观察到的数量。因此，强化部分有可能作为后续植物扩散的额外种子来源。这一点尤其重要，因为模拟自然种子传播的种群增长和 colonization potential 表明，并非所有种群都能在没有援助的情况下持续存在。
综上所述，这些发现证实了我们的预期，即移栽温室培育的个体是目前强化M. smejkalii种群最可靠的方法，这与对其他稀有多年生植物的研究结果一致。
建成成功率的决定因素
移栽M. smejkalii的存活和生长在不同地点和年份间存在差异，反映了环境异质性和年际天气差异。移栽后的死亡率可能归因于多种原因。2018年和2019年的干旱可能阻碍了建成。虽然该物种的个体可以通过休眠耐受干旱期，但如果个体较小或新建成，则可能需要数年时间恢复。资源限制和有限的根系空间也可能降低后续年份的存活率，特别是在岩石生境中。极端降水可能进一步增加了陡峭地点的死亡率，径流可能会冲走植株。
然而，移栽年份间存活率的高度变异表明，在不同年份重复移栽的方法是抵消因特定年份不利气候和栖息地条件导致的幼苗死亡率的好方法。
影响幼苗补充、建成、生长和繁殖的非生物和生物因子在这些阶段各不相同。因此，种群、母本特征和幼苗初始特征对存活和植株特征的影响在移栽后第一年和后续年份可能不同。幼苗大小与存活率之间的正相关关系先前已有显示，这并不意外，因为较大的个体有更高的机会进行更多光合作用，并通过更大的根系获取土壤资源。然而，移栽苗初始大小对存活的有益影响在一年后消失，但对其他特征的影响持续存在。其他研究表明，初始大小优势仅持续到其他限制因素（例如资源竞争）减缓了初始较大个体的生长，而较小的个体在发育上赶上来。
母本特性的另一个重要预测因子可能是母本植株的特性，统称为母本效应。我们预期较大的母本植株，由于遗传优势（例如体型更大、更具优势），也会产生具有这些能力的大型后代。然而，我们观察到了相反的情况。开花茎较多的母本导致了第一年更小、生长更慢的个体，这些个体的花也更少。这可能是权衡的结果，即那些母本产生了更多但更小的种子，导致由于种子资源较低而产生更小的个体。种子大小在本研究中未测量。研究表明，种子材料的质量影响移栽成功率，但这些研究关注的是高遗传变异与低遗传变异，而这在我们的系统中并非限制因素。虽然种子大小和质量被发现在可塑性上低于种子数量，但其他研究显示了母本条件对种子的强烈影响。总之，母本特征影响早期移栽表现（生长和开花），但对长期存活影响甚微。
因此，我们找到了证据支持我们的预期，即几个情境因素影响建成成功率。然而，尽管地点和年份间存在变异，建成后的成功很大程度上取决于已建成植株的个体特征，特别是在移栽数年之后。
补充个体与移栽个体的差异
补充个体和移栽个体之间的一些差异可能源于观察补充个体时处于比移栽个体更早的发育阶段，因此可以预期即使一年后它们仍然较小，但这仅在一个种群中是如此。由于初始大小是两组存活的重要因子，这种差异可能部分解释了移栽个体在研究期间内更高的建成成功率。
有趣的是，更大比例的补充个体在第二个生长季开花，并且比移栽植株产生更多的花。这可能表明在自然地点建成的幼苗能更好地适应局部微生境——可能是通过更有效的根系定位或资源获取——这可能提供适度的“本地生境优势”。
种群特异性差异明显，补充个体在自然地点（Z1和Z2）的开花和生长方面表现优于移栽个体，但在次要地点（Z6）则不然。虽然部分变异可能反映了样本量差异，但也表明当地栖息地条件调节但并不根本改变移栽个体存活率更高、补充个体开花潜力更大的一般模式。总体而言，这些结果证实了我们的预期，即移栽个体和补充个体在表现上存在差异，然而，移栽个体确保了短期存续，而补充个体则有助于长期种群的更新。
结论
移栽预培育个体显著提高了建成成功率，与直接播种相比，证实了M. smejkalii在自然条件下从引入种子中补充的能力很差。地点、年份和移栽特征等多种因素影响了存活和繁殖，但它们主要是调节而非改变整体成功模式。最后，移栽个体及其补充后代在表现上存在差异，移栽个体显示出更高的短期存活率，而后代则表现出更大的开花潜力，表明两组个体对长期种群存续做出了互补性贡献。
总之，我们的研究结果强调，对于幼苗建成困难的长寿命多年生植物，跨年份和地点的重复移栽是种群强化的关键。
