鹽池不同保護及恢復措施對植物多樣性的影響

劉 建,張克斌,孟力猛,陳 明,程中秋

(北京林業大學水土保持學院,北京100083)

生物多樣性保護是當今世界生物環境研究中的重要課題,是需要人類重視并加以很好解決的重大問題。生物多樣性是指地球上所有生物以及它們擁有的遺傳基因和它們構成的生態系統之間的豐富度、多樣性、變異性和復雜性的總稱[1-2]。研究認為,生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性和生態系統多樣性。物種多樣性是指物種種類與數量的豐富程度[3],是一個區域或一個生態系統可測定的生物學特征[4]。尤其對半干旱區來說,生態系統比較脆弱,生物多樣性受到包括人為活動在內的各種因素的嚴重威脅。因此研究西北半干旱區生物尤其是植物多樣性,對于該區的生態建設及退化草地的恢復都具有重要的現實意義[5]。本研究以地處西北半干旱區的寧夏鹽池縣為對象,根據不同植被保護及恢復措施選擇樣地類型,進行不同樣地類型植物群落特征、植物多樣性的研究,為區域植物多樣性保護提供基礎研究資料;力求尋找半干旱區沙化草地植被恢復的較好措施。

1 研究區概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區東部,北緯37°04′-38°10′,東經 106°30′-107°41′。北與毛烏素沙漠相連,南靠黃土高原,地勢南高北低,海拔高度在1 295～1 951 m。該縣屬于典型中溫帶大陸性氣候,年均氣溫為8.1℃,極端最高均溫為34.9℃,極端最低溫為24.2℃,年均無霜期為165 d;年降水僅250～350 mm,且從東南向西北遞減。土壤類型以灰鈣土為主,其次是黑壚土和風沙土,此外有黃土,少量的鹽土、白漿土等。植被類型有灌叢、草原、草甸、沙地植被和荒漠植被。其中灌叢、草原、沙地植被數量較大,分布也廣。草原分干草原和荒漠草原,常見植物種類以旱生和中旱生類型為主[6]。

2 研究方法

2.1 典型樣地設置

本研究結合“全國荒漠化定位監測”項目,根據不同植被保護及恢復措施在鹽池縣布設典型樣地,樣地類型分為：老封育區草地、新封育區草地(2002年開始封育)、退耕地、天然草地。老封育區為20世紀90年代初封育,距今已有20 a時間,記作樣地 L;新封育區在地理位置上緊鄰老封育區,自2002年開始封育,2002年之前受人為放牧活動干擾較大,記作樣地X;退耕地選擇鹽池兩塊相鄰典型退耕地,退耕時間為2001年,記作樣地T;天然草地選擇鹽池縣城南7 km無量殿附近的草地,由于地勢較高,受人為干擾較少,有輕度放牧等人為活動,記作樣地N。

2.2 外業調查

選擇植物生長季節(7-8月)進行外業調查,調查內容包括：植物種數、株數、高度、蓋度、生物量(鮮重量)等。在不同樣地類型依據具體情況設置數量不等的樣方。由于研究區以多年生草本植物為主,樣方取1 m×1 m規格。共計調查樣方157個。

2.3 數據處理

2.3.1 重要值計算

2.3.2 植物群落聚類分析 本文嘗試利用統計分析軟件SPSS的分層聚類(Hierarchical Cluster)方法,以各樣地植物的重要值為要素進行聚類分析,從而確定各個群落的主要植物組成。

2.3.3 植物多樣性指數計算

豐富度指數(R) R1=S (2)

綜合多樣性指數(Y)

Simpson多樣性指數 D=1/∑P2i (4)Shannon-Wiener指數 H=-∑Pi ln Pi (5)其中： Pi=Ni/N

均勻度指數(E) E1=H/ln(S) (6)

式中：S——樣地的植物物種數;N——樣地中各種植物個數的總和;Ni——樣地中第 i種植物的個數;Pi——樣地中第i種植物的個數占樣地中各種植物個數總和的百分比;R1,R2——植物豐富度指數;D ——Simpson多樣性指數;H——Shannon-Wiener指數;E1,E2——植物均勻度指數。

另外,有關植物多樣性計量指標的選擇,可參考相關文獻[7-8]。

3 結果分析

3.1 不同樣地類型植物群落結構分析

結合植物重要值,對不同樣地的植物群落利用SPSS軟件的分層聚類(Hierarchical Cluster)方法進行分析。結果表明：老封育區共出現16種植物,其中以豆科和菊科為主。其中菊科占 37.5%,豆科占31.25%。此外,大戟科、禾本科、藜科、蘿藦科、紫葳科各占6.25%。主要群落類型分別是：(1)阿爾泰狗娃花(Heteropap pus altaicus)+叉枝鴉蔥(Scorzonera divaricata)+黑沙蒿(Artemisia ordosica)群落;(2)絲葉山苦荬(Ixeris chinensis)+楊柴(Hedyasrum mongolicum)群落;(3)角蒿(Incarvillea sinensis)+苦豆子(Sophora alopecuroides)群落。

新封育區共出現20種植物,和老封育區情況類似,同樣以豆科和菊科為主。其中,豆科占35%,菊科占30%。此外,禾本科占15%,藜科、蘿藦科、遠志科、紫葳科各占5%。主要群落類型分別是：(1)豬毛蒿(Artemisia Scoparia)+賴草(Leymus secalinus)群落;(2)阿爾泰狗娃花+黑沙蒿群落;(3)角蒿+苦豆子群落。

退耕地共出現植物16種,其中豆科、菊科、禾本科植物各占18.75%,藜科占12.5%,大戟科、蒺藜科、蘿藦科、旋花科、遠志科各占6.25%;主要群落類型分別是：(1)沙鞭(Psammochloa villosa)+叉枝鴉蔥(Scorzonera divaricata)群落;(2)賴草+老瓜頭(Cynanchum komarovii)群落;(3)乳漿大戟(Euphorbia esula Linn.)+絲葉山苦荬+多裂駱駝蓬(Peganum multisectum)+達烏里胡枝子(Lespedeza davurica)群落。

天然草地共出現植物29種,植物種類較豐富,其中豆科、菊科植物各占27.59%、禾本科占17.24%,石竹科占6.90%,此外,百合科、蘿藦科、十字花科、旋花科、遠志科、藜科各占3.45%。主要群落類型分別是：(1)老瓜頭+達烏里胡枝子-阿爾泰狗娃花群落;(2)尖葉細石竹(Dianthrus spiculif olius)-賴草+貓頭刺(Oxytropis aciphy lla)-豬毛蒿群落;(3)黑沙蒿-苦豆子+狹葉草原霞草(Gypsophila oldhamiana)群落;Ⅳ.沙鞭-草木樨狀黃芪(As-tragalusmelilotoides)+叉枝鴉蔥群落。

植物群落是環境因子的綜合結果,不同自然和人為因素造成了不同的植物群落特征[9]。從植被聚類結果可以看出,各種植物的生活型及生長型表現出一定程度的差異性。分別結合各個樣地植物物種重要值進行分析,可以得出如下結果：老封育區形成了以菊科阿爾泰狗娃花為優勢種的植物群落,新封育區形成了以菊科豬毛蒿為優勢種的植物群落,退耕地形成了以禾本科沙鞭為優勢種的植物群落,天然草地則形成了以菊科阿爾泰狗娃花、豆科達烏里胡枝子、蘿藦科老瓜頭共為優勢種的植物群落。

植被的恢復過程就是植物群落演替的過程。大多數情況下,植物演替都是按照由簡單到復雜,由低級到高級的方向順行發展的。順行演替的植物群落主要有以下表現[10]：植物群落的高度、質量和層次分化的增加;種類成分越來越豐富;長命的植物占優勢,群落的相對穩定性提高。結合本研究內容分析,阿爾泰狗娃花、豬毛蒿、沙鞭為多年生草本植物,達烏里胡枝子為草本狀半灌木,老瓜頭為直立半灌木。可見,老封育區、新封育區以及退耕地植被群落的優勢種均為多年生草本,而天然草地的優勢種主要為半灌木,并且形成了以3種植物共為優勢種的植物群落,加之天然草地的植物種類更加豐富,顯然天然草地比其他3類樣地植被群落更加穩定。

3.2 不同樣地類型植物多樣性分析

2009年不同樣地類型植物多樣性指數見表1。豐富度指數反映了樣地植物物種的豐富程度,即物種種類的多少。而物種豐富度主要取決于各種生態因子以及非生態因子,如土壤含水量、土壤養分、地形地貌以及人為活動等。可以看出,不同樣地類型植物多樣性存在較大差異。天然草地的植物物種豐富度最高,植物種類達到29種,豐富度指數R2為 3.684;其次為新封育區,植物種類為20種,豐富度指數R2為2.517;再次為退耕地,植物種類為16種,豐富度指數R2為2.504;老封育區植物種類為 16種,其R2為2.171,為4類樣地類型中最小。天然草地雖未采取人工保護措施,可是由于其所處的地勢較高,人為干擾活動較少,植被生長良好,植物種類較多;新封育區的植物物種豐富度指數高于老封育區,同時低于天然草地,這表明封育時間的長短會影響植物物種的豐富程度;老封育區草地自20世紀90年代初封育以來,實行嚴格的保護,幾乎不受人為活動的干擾,以往歷年的野外調查數據及研究成果表明[11],在封育后的最初4～5 a內,植被恢復迅速,植物物種數迅速增加,可之后又呈下降態勢。長期以來,干擾的生態學意義一直未引起足夠的重視。隨著研究的深入,發現干擾在物種多樣性形成和保護中起著重要的作用。中度干擾不僅對植物生長無害,而且可以促進植被的恢復。老封育區草地在封育之前受到重度干擾,植被遭到嚴重破壞。由于人工封育措施的實施,植物不再受重度干擾的影響,從而能迅速的恢復。但是,在完全封育及缺少干擾的情況下,植被同樣不能良好的恢復和生長。植被恢復的過程就是群落的建立和演替過程,核心是物種的更替。物種更替是群落環境演變、物種的環境適應性、競爭作用等種間關系幾方面共同作用的結果和集中表現,這幾方面的變化是互動的[12]。2007-2009年老封育區草地的植物多樣性指數見表2,從中可以看出,3 a間老封育區各項植物多樣性指數包括豐富度指數呈逐年下降趨勢。2007年外業調查出現31種植物,2009年僅為16種,種類幾乎減少一半。短短3 a內植物物種數大幅度減少。這和上文中的群落分析結果相吻合,都說明了老封育區草地植被群落處于不穩定狀態,很容易受外界環境因素的影響。半干旱區內降雨是影響植物物種數量的主要環境因素。因為半干旱區植物生活型主要以草本為主,其中一年生草本植物數量占有一定比例,如小畫眉草、狗尾草等,這類植物受降雨量的影響大。本研究野外調查開始時間為每年7月中旬,所以每年上半年的降雨量對調查時植物的生長狀況起到重要影響作用。由于老封育區草地從20世紀90年代初就開始封育,至今已有20 a時間,這期間幾乎沒有受到人為干擾,導致土壤結皮比其他樣地要厚很多。并且隨著封育時間的延伸,沙質土壤生物結皮不斷加厚,入滲土壤的有效降雨以及被植物利用的有效降雨減少,從而使得老封育區的植物相對于其他樣地的植物更加受到降雨因素的限制。2007-2009每年上半年的降雨量分別為：120.6,30.0,40.7 mm。可以明顯看出,由于2008年、2009年上半年的降雨量極為稀少,導致某些本來就數量稀少的植物進一步減少甚至消失。又由于老封育區草地植物群落的不穩定性,從而導致外業調查數據所顯示的物種數量大幅度減少。

表1 不同樣地類型植物多樣性指數

表2 老封育區2007-2009年植物多樣性指數

均勻性指數反應了植物空間分布的均勻程度,植物在空間分布越均勻,其均勻性指數也就越大。如果均勻性指數較小,則說明植物分布較集中。從表1中可以看出,退耕地均勻性指數最大：E1、E2分別為0.843,0.623,這說明退耕還草對植物恢復起到了重要的作用;其次為天然草地：E1、E2分別為0.835,0.558,由于天然草地地勢較高,人為干擾較少,加之天然草地植物群落已發展成較為穩定的狀態,其均勻性指數同樣較大;再次為新封育草地,其均勻性指數E1、E2分別為0.797,0.521,新封育區相對于老封育區而言,封育年限相對較短,生物結皮對水分下滲的影響較之老封育區小,因而降雨相對地能更好的被利用,更有利于植物的生長,所以在一定程度上使得其均勻性指數相對于老封育更大;均勻性最小的是老封育區草地,其E1、E2分別為 0.663,0.353。因此有理由認為較長時間的封育使得植物缺少人為的適度干擾,而且過厚的土壤結皮使得植物灌叢化生長,最終導致植物在空間上很難達到較均勻的分布。

綜合多樣性指數受豐富度指數和均勻度指數的雙重影響,綜合反映了植物的多樣性和植物在空間的分布情況。同時,綜合多樣性指數也在一定程度上反映了植物群落組成的結構水平和群落的穩定性,綜合多樣性指數越高,群落組成相應地就越復雜,穩定性也越高。本研究結果也印證了這一點。從計量結果來看,天然草地的綜合多樣性指數最大,D、H分別為12.593,2.810;其次為退耕地,D、H分別為7.994,2.336;再次為新封育區草地,D、H分別為7.668,2.389;最小的是老封育區草地,D、H分別為3.847,1.839。天然草地在人為活動比較適度的情況下,植物生長狀況較好,表明在輕度干擾的情況下,半干旱區植被具有較好的自我恢復能力;退耕地的綜合多樣性指數也較高,說明退耕還草在西北半干旱區確實是一種比較良好的植被恢復措施,適合全面推廣;而老封育區的各項多樣性指數在這幾種樣地類型當中均是最小的,說明長期的完全封育并不能收到較好的植被恢復效果。

4 結論與討論

4.1 結 論

不同生境類型植物種類、群落結構、優勢種都表現出了不同特點。老封育區草地以菊科阿爾泰狗娃花群落為主;新封育區以菊科豬毛蒿群落為主;退耕地以禾本科沙鞭群落為主;天然草地以豆科達烏里胡枝子群落為主。

不同植被保護及恢復措施下植物物種多樣性存在較大的差異。天然草地無論是豐富度指數還是綜合多樣性指數均為這4類樣地類型中最高。以綜合多樣性指數D、H為例,天然草地為12.593,2.810;而老封育區草地的各項多樣性指數均最低,D、H分別僅為3.847,1.839,可以明顯看出二者之間存在著較大的差距。不過,這也說明只要采取合適的保護和封育措施,西北半干旱區被人為破壞的草地同樣可以恢復到和本研究中天然草地同樣生長良好的植被狀況。

4.2 討 論

在不同樣地類型中,天然草地由于受人類干擾活動適度,從而使得植被生長態勢良好。其相對于老封育區及新封育區較高的綜合多樣性指數說明：在人類和動物適度的干擾情況下,植物才能較好的恢復和生長。在鹽池縣,這種植被覆蓋度較高、長勢良好、植被群落相對穩定的草地已不多見,其對當地的生態平衡起著比較重要的作用。因此,天然草地需要得到更好的保護,并可以進行適當的開發利用,以提高天然植被的利用效率。

退耕地的綜合多樣性指數僅次于天然草地,而且均勻性指數是幾類樣地類型中最高的。自國家實行退耕還林還草措施以來,退耕還林還草對植被恢復起到了重要作用。說明退耕還林還草確是行之有效的植被恢復措施,是西部大開發戰略中農業結構調整、生態建設和植被恢復中的一項重大的正確舉措。在不同植被恢復措施中,退耕還草較為有效。因此,我國的退耕還林還草政策,尤其對于西北半干旱地區而言,應該繼續深入推行。

結合以往的研究和實際情況可知,人工封育在初期是一種效果非常明顯的植被恢復措施。但是,并不是封育年限越長,植被恢復的效果就越好。這主要是地表生物結皮造成的。隨著封育年限的增加,土壤表面由于枯落物和微生物的共同作用逐漸形成結皮,結皮中產生大量的水穩性團聚體,有機質增加,土壤的吸濕性、可塑性明顯提高,這在很大程度上改善了土壤結構,提高了土壤的持水性,并且減少了水分的蒸發。這在初期有利于植被的生長。可是隨著植被覆蓋度的增加,越是植物下方結皮厚度就越大。結皮厚度過大,反而不利于水分的下滲,植被得不到充分的水分,從而影響了植被的持續恢復。

本研究中2007-2009年間老封育區的綜合多樣性指數呈不斷下降的趨勢,說明了封育效果并不是和封育時間呈線性增長關系。這和實際情況以及以往的研究結論是一致的。當然,這其中降雨因素的影響是不可忽略的,西北半干旱區降雨量歷來較少,如再遇到干旱年份,自然會在很大的程度上影響植被的生長。但是在相同降雨條件下,新封育區多樣性指數卻維持基本穩定。說明封育年限的長短對植物影響很大。國內外對干旱區草場長期動態監測的結果同樣表明,長期封育并不能提高草場的植被覆蓋度及生物量[13-15]。因此,人工封育區應間隔一定周期(3～5 a)進行輪牧或刈割,這樣一方面可以使地面結皮松散,有利于降水下滲,從而為植被充分利用;另一方面可以抑制優勢種的進一步擴張,使得伴生種等其他生存能力相對較弱的植物獲得生存空間和資源,從而增加物種多樣性,提高植被生產力。

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