祁連山東段土地利用方式對植被地上、地下植物量的影響

趙錦梅,張德罡,劉長仲,徐長林

(甘肅農業大學草業學院,草業生態系統教育部重點實驗室,中-美草地畜牧業可持續發展研究中心,甘肅蘭州 730070)

土地利用是指人類開發利用土地覆蓋的目的[1],是人類對土地自然屬性的利用方式和利用狀況,也是一種人類活動[2],但是人類對土地不斷開發利用的活動已經改變了人類生態環境[3],而且隨著人類對土地利用的活動范圍的不斷增大,自然生態系統受人類活動干擾的程度也相應的越來越高,對生態系統的植物量和生態系統功能產生的影響也隨之增大[3-5]。因此,分析區域土地利用/覆蓋植被變化過程對植被植物量的影響已成為了土地利用/覆被變化環境效應研究的重要組成部分[6]。

祁連山東段屬于高寒地帶,地理條件和氣候條件非常特殊,由于人類不斷的對天然草地開墾和超載過牧等利用,使原本脆弱的生態環境雪上加霜。表現為草層高度急劇下降、物種數巨減、土地產出率下降、生態環境惡化等問題[7-9]。為此,對高寒地區不同土地利用方式下植物量進行研究分析,以期為高寒地區生態脆弱帶的土地利用和生態恢復提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 研究區概況

研究區位于祁連山東段天祝金強河E 102°40′～102°47′,N 37°11′～37°14′,海拔 2 900～4 300 m 。屬大陸性高原季風氣候,寒冷潮濕,年均溫-0.1℃,月平均最低溫-18.3℃(1月),最高溫12.7℃(7月),＞0℃積溫1 380℃;年日照時數2 600 h;降雨多為地形雨,集中于7、8、9月;年均降水量416 mm,年均蒸發量1 592 mm,為降水量的3.8倍;水熱同期,氣溫變化大,無絕對無霜期,僅分冷熱兩季;春季多風,風速 1～3 m/s,最大風速28 m/s,年均大風日數63 d。區內土層較薄,厚40～80 cm,土壤從河漫灘,階地至高山依次為亞高山草甸土,亞高山黑鈣土,亞高山栗鈣土,亞高山灌叢草甸土,高山灌叢草甸土[10,11]。

1.2 試驗地設置

試驗區的主要土地利用格局和變化,選取退耕自然恢復地、當年棄耕地、坡耕地和人工圍欄種植的多年 生草地和天然草地5種土地利用類型(表1)。

表1 5種樣地的基本狀況Table 1 Discription of sample plots

1.3 樣品的采集及分析

于2009年9月底對樣地進行地上和地下植物量的測定。地上植物量采用收獲法測定。每樣地選擇3個0.25 m×0.25 m的樣方,齊地面分種剪草,稱鮮重后,帶回實驗室置于干燥箱,于65℃下烘干12 h后稱重,記錄其干重。地下植物量的采用分層挖掘法測定。采集土塊體積為20 cm×20 cm×10 cm,每層10 cm,取0～30 cm。采集的根系裝入尼龍袋,置于流水中沖洗干凈,揀出石礫和雜物,多次漂洗土壤后置于干燥箱內于65℃下烘干12 h稱取烘干重。

統計分析和繪圖在SPSS10.0和EXCEL2003系統下完成。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用類型的地上植物量變化

土地利用方式變化后,主要植物群落和結構發生改變,致使地上植物量產生差異(圖1)。退耕自然恢復地、當年棄耕地、坡耕地、多年生草地和天然草地地上植物 量分別 為 176.4、66.8、369.6、274.2 和211.1 g/m2。5種土地利用方式地上植物量相比較表現為:坡耕地＞多年生草地＞天然草地＞退耕自然恢復地＞當年棄耕地,不同土地利用方式地上植物量之間差異顯著(P＜0.05);與坡耕地相比,多年生草地、天然草地、退耕自然恢復地和當年棄耕地的地上植物量分別減少了25.81%、42.88%、52.27%和81.93%。

2.2 不同土地利用類型的地下植物量變化

在不同土地利用方式下,地表植被類型的變化同樣也會影響地下根系的分布。研究區在不同土地利用方式的干擾下,地下植物量有顯著的變化。地下植物退耕自然恢復地、當年棄耕地、坡耕地、多年生草地和天然草地地上植物量均值分別為296.3、62.9、315.8、738.3和2928.8 g/m2。

圖1 不同土地利用方式下植物群落地上植物量變化Fig.1 Variation of aboveground biomass under different land use patterns

圖2 不同土地利用方式下植物群落地下植物量變化Fig.2 Variation of underground biomass under different land use patterns

從圖2看出,不同土地利用方式0～10、10～20和20～30 cm土層,地下植物量分別在112.5～5 210.0,53.8～2 003.8和22.5～1 572.5 g/m2。5種土地利用方式的0～10 cm土層地下平均植物量占0～30 cm土層總地下植物量的62.74%。不同的土地利用方式其0～10 cm土層的地下植物量不同,其中退耕自然恢復地為627.5 g/m,占0～30 cm土層總地下植物量的70.60%;當年棄耕地為112.5 g/m2,占0～30 cm土層總地下植物量的 59.60%;坡耕地為567.5 g/m2,占0～30cm土層總地下植物量的59.89%;多年生草地為1423.8 g/m2,占 0～30 cm土層總地下植物量的64.28%;天然草地為5 210.0 g/m2,占0～30 cm土層總地下植物量的59.30%。可見,研究區地下植物量主要分布在0～10 cm土層內。

2.3 地上、地下植物量、植被蓋度、物種數間的相關性

對不同土地利用方式地上、地下植物量、植被蓋度、物種數進行相關性分析。結果表明(表2),地上植物量與植被蓋度極顯著相關(P＜0.01),與地下植物量和物種數相關性不顯著;地下植物量與植被蓋度和物種數極顯著相關(P＜0.01),但與地上植物量相關性不顯著。由于地上和地下的植物量分別與地表的植被蓋度或物種數顯著或極顯著相關,因此,土地利用方式的改變,影響了地表的植被群落結構和組成,進一步影響了地上和地下的植物量。

分析表明,植物地上和地下植物量隨著植被蓋度和植物種數的變化呈現出一定的變化規律,為進一步分析變化規律,對地上和地下植物量隨著植被蓋度和植物種數的變化關系進行了曲線方程擬合。擬合結果顯示(表3),地上植物量與植被蓋度的變化關系擬合二次函數,其相關系數分別為0.854,為極顯著相關(P＜0.01);地下植物量與植被蓋度、物種數的變化關系分別擬合對數和二次函數,其相關系數分別為0.803和0.517,為極顯著相關(P＜0.01)。

表2 不同土地利用方式地上、地下植物量、植被蓋度,物種數間的相關性分析Table 2 Regressive analysis between vegetation coverage,species and aboveground and underground biomass under different of land use patterns

表3 不同土地利用方式地上、地下植物量與植被蓋度和物種數的的函數式Table 3 Formula between aboveground and underground biomass and vgetation coverage and species under different land use patterns

3 討論與結論

(1)地上植物量是反應生態系統穩定性的指標[12]。研究區不同土地利用方式地上植物量表現為坡耕地＞多年生草地＞天然草地＞退耕自然恢復地＞當年棄耕地;不同土地利用方式間地上植物量差異顯著(P＜0.05)。分析認為,坡耕地和多年生草地主要以種植當地一年生燕麥和優質多年生牧草為主,植被總蓋度大,植株生長勢好,因此,地上植物量較大;天然草地原生植被主要以寒冷中生、濕中生和旱中生多年生密叢短根莖地下嵩草屬植物為建群種,植株低矮、密集,所以地上植物量較低;當年棄耕地植被總蓋度很小,植被生長勢弱,因此,地上植物量在5種土地利用方式中最低。

(2)植物的地下根系具有貯藏營養物質,供給地上部分營養和水分,調節植物的生長發育,支持植物軀體等基本功能,對于地上植物量的形成乃至對整個植物的生長發育都起著重要的作用[13,14]。研究區不同土地利用方式地下植物量表現為天然草地＞多年生草地＞坡耕地＞退耕自然恢復地＞當年棄耕地;地下植物量受植物根系分布的影響,地下植物量主要分布在0～10 cm土層。依次排序:天然草地＞多年生草地＞坡耕地＞退耕自然恢復地＞當年棄耕地。研究結果表明,植被的地下植物量分配特征與高寒地區的氣候和土壤密切相關[14]。天然高寒草地的嵩草屬植物和禾本科優良牧草是典型高寒草甸的優勢種植物,是家畜的優良牧草,屬于密叢須根型多年生植物,可以形成龐大的地下植物量,因此,天然草地的地下植物量最大,這與柳小妮等的研究結果一致[8]。同時研究發現,地下0～10 cm土層平均植物量占0～30 cm土層總地下植物量的62.74%,可見地下植物量主要分布在0～10 cm土層,這與他人對青藏高原地下植物量的研究結果一致[15]。

(3)地上植物量與植被蓋度極顯著相關(P＜0.01),地下植物量與植被蓋度和物種數極顯著相關(P＜0.01),但地上與地下植物量相關性不顯著。地上植物量隨植被蓋度變化關系擬合二次函數變化;地下植物量隨植被蓋度、物種數的變化關系分別擬合對數和二次函數,均為極顯著相關(P＜0.01)。

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