松嫩平原微地形下土壤水鹽與植物群落分布的關(guān)系

楊 帆，王志春，王云賀，安豐華，趙長(zhǎng)巍

(中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130012)

松嫩平原微地形下土壤水鹽與植物群落分布的關(guān)系

楊 帆*，王志春，王云賀，安豐華，趙長(zhǎng)巍

(中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所, 長(zhǎng)春 130012)

土壤水鹽；地表積水；微地形；植物群落分布；驅(qū)動(dòng)因子

松嫩平原西部是世界上三大蘇打鹽漬土集中分布區(qū)之一，生態(tài)環(huán)境脆弱，是我國(guó)北方土地荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一。松嫩平原植被類型分布與土壤類型和土壤鹽漬化程度密切相關(guān)，特別是低平原區(qū)，由于微地形的存在，導(dǎo)致了水文過(guò)程的變化，這種變化使土壤含鹽量在很小的區(qū)域范圍內(nèi)差異較大，使不同鹽漬化程度土壤呈鑲嵌分布，土壤鹽分空間變異顯著[1]。植物生長(zhǎng)受土壤中鹽類組分的影響較大，在不同鹽漬化土壤中，個(gè)體植物生長(zhǎng)受到限制，當(dāng)鹽漬化程度超出個(gè)體植物生存范圍，其他植物種入侵和存活，優(yōu)勢(shì)種逐漸失去作用，土壤鹽漬化程度的改變促進(jìn)了植物群落演替[2]。在松嫩平原微域尺度范圍內(nèi)，以往的研究主要集中于植物個(gè)體對(duì)水鹽的響應(yīng)[3- 4]，對(duì)于群落間的演替研究較少[5- 7]，而對(duì)于群落間演替的環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子研究，未見報(bào)道。因此本研究通過(guò)典范對(duì)應(yīng)分析方法(CCA)，進(jìn)一步分析植物與環(huán)境之間的關(guān)系，以及確定植物群落間演替的驅(qū)動(dòng)因子，為蘇打鹽漬土區(qū)生態(tài)保護(hù)和重建提供依據(jù)。

1 研究區(qū)與研究方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)在中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所大安堿地生態(tài)試驗(yàn)站進(jìn)行。地理坐標(biāo)為東經(jīng)123°50′27″—123°51′31″，北緯45°35′58″—45°36′28″。該區(qū)屬中溫帶大陸季風(fēng)氣候，多年平均降水量413.7 mm，年均蒸發(fā)量為1696.9 mm。試驗(yàn)站周圍地區(qū)屬嫩江古河道低漫灘，目前的演替方向是由中-輕度鹽漬土向中-重度鹽漬土轉(zhuǎn)化，植物群落也相應(yīng)的向鹽生植物演替，即處于退化過(guò)程中。而且區(qū)內(nèi)輕、中、重度鹽漬土呈現(xiàn)的復(fù)合鑲嵌格局，使該區(qū)不同的植物群落依據(jù)土壤水鹽變化呈斑塊狀分布，松嫩平原是我國(guó)土壤鹽漬化具有突出特色的地區(qū)[8]。

1.2 方法與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 測(cè)量點(diǎn)布置圖Fig.1 Distribution of measuring points in the experiment site

選擇具有微地形特征的不同鹽漬化程度鹽漬土復(fù)區(qū)為研究樣地。試驗(yàn)小區(qū)面積為10000 m2, 南北長(zhǎng)100 m，東西寬100 m，小區(qū)內(nèi)不同高程的小丘和洼地鑲嵌分布，最大相對(duì)高差為36.3 cm。從微域尺度上看，為了滿足區(qū)域鹽堿土復(fù)合鑲嵌體重復(fù)出現(xiàn)的空間要求，將小區(qū)分成10 m×10 m的網(wǎng)格，從中隨機(jī)選取40個(gè)網(wǎng)格作為測(cè)量點(diǎn)。具體樣點(diǎn)布置如圖1。小區(qū)內(nèi)的主要植物群落為以蘆葦、虎尾草、堿蓬、堿茅為優(yōu)勢(shì)種的植物群落。

1.3 樣品采集與測(cè)試方法

試驗(yàn)數(shù)據(jù)為兩年數(shù)據(jù)，分別為2005年(豐水年)和2007年(枯水年)。試驗(yàn)從5月1日開始到10月1日結(jié)束。地表積水時(shí)間和地表水深的測(cè)量從5月1日開始到10月1日結(jié)束，每5d觀測(cè)1次，降雨后加密觀測(cè)。土壤含水率分別在5月、7月和9月的月末進(jìn)行采樣，含水率為3次的平均值。土壤離子測(cè)定樣品均在每年的9月末進(jìn)行采樣，植物群落調(diào)查每月1次。

(1)

式中，[Na+]、[Ca2+]和[Mg2+]為Na+、Ca2+、Mg2+的的濃度(mmolc/L)。

土壤含水率：采用烘干稱重法測(cè)定。

微地形相對(duì)高程：采用DSN232型水準(zhǔn)儀測(cè)量。

1.3 數(shù)據(jù)定量分析方法

2 結(jié)果與分析

2.1 降雨變化規(guī)律

由圖2可知，2005年5月、9月較干旱，降雨量少。降雨主要集中在6、7和8月，其中6月12日和6月22日的兩場(chǎng)降雨均在50 mm以上，7月29日一場(chǎng)強(qiáng)降雨高達(dá)86 mm。5—10月降水總數(shù)為455 mm，較以往降雨平均值高，該年為豐水年。2007年，降雨較少，且降雨頻次也少，主要降雨集中在7月，最大一次降雨量為7月15日的34.5 mm， 5—10月降雨量為224.5 mm，明顯低于多年平均降雨量，為枯水年。

圖2 不同年份降雨變化規(guī)律Fig.2 Variation of precipitation in different year

2.2 植物群落與環(huán)境因子關(guān)系

圖3 植物群落與相關(guān)因子CCA分析Fig.3 CCA of plant communities and correlation factorsH: 相對(duì)高程relative height; h: 地表積水深度 Ponding depth; d: 地表積水時(shí)間 Ponding time 0—10 cm、10—30 cm、30—60 cm、60—100 cm; 不同土壤層含水率 Soil moisture in different soil layer

2.3 不同植物群落適應(yīng)化學(xué)指標(biāo)范圍

由表1可知，不同群落適應(yīng)不同的陽(yáng)離子含量范圍，稗草、蘆葦對(duì)陽(yáng)離子的適應(yīng)范圍較接近，各離子之間差異不顯著。稗草、蘆葦適應(yīng)pH值范圍也較相近，均在8.5—10之間。虎尾草、堿茅適應(yīng)陽(yáng)離子范圍較接近，無(wú)顯著性差異。兩種群落對(duì)pH值適應(yīng)范圍也較接近，均在10以上。堿蓬適應(yīng)高Na+，低K+、Ca2+、Mg2+，且適應(yīng)的pH值較高，在10以上。

表1 不同植物群落土壤陽(yáng)離子比較

同一列中標(biāo)有不同字母的數(shù)據(jù)間差異達(dá)到顯著水平(P﹤0.05)

由表2可知，不同群落適應(yīng)陰離子范圍有所不同，堿蓬適應(yīng)的陰離子含量均高于其他群落，且EC也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他群落。其他植物群落土壤陰離子差異不顯著。

表2 不同植物群落土壤陰離子比較

同一列中標(biāo)有不同字母的數(shù)據(jù)間差異達(dá)到顯著水平(P﹤0.05)

表3 不同植物群落適應(yīng)鹽堿化指標(biāo)范圍

2.4 不同群落適應(yīng)水文指標(biāo)范圍

由表4可知，不同水文指標(biāo)下不同群落之間比較，不同群落之間在60—100 cm土壤層含水率無(wú)顯著性差異，在30—60 cm土壤層含水率呈顯著性差異，0—30 cm土壤含水率和地表積水深度、積水時(shí)間均呈極顯著性差異。因此植物群落之間的差異主要集中在地表水、表層土壤含水率，隨著土壤剖面的加深，群落間差異減小，60—100 cm土壤含水率對(duì)于地表植物的生長(zhǎng)分布作用不大。

表4 不同植物群落水文指標(biāo)方差分析

由表5可知，表層積水時(shí)間和積水深度對(duì)群落之間影響較大，與其他植物群落相比，蘆葦?shù)乇硭钭罡撸e水時(shí)間最長(zhǎng)。堿茅和蘆葦之間差異性不顯著。稗草和蘆葦盡管在土壤化學(xué)指標(biāo)適應(yīng)范圍相似，但他們對(duì)于水分適應(yīng)范圍明顯不同，當(dāng)?shù)乇矸e水深度大、積水時(shí)間長(zhǎng)時(shí)，適應(yīng)蘆葦生長(zhǎng)，卻不適合稗草生長(zhǎng)。堿茅和蘆葦在地表水方面差異不顯著。說(shuō)明堿茅適合于地表較濕的環(huán)境，虎尾草適合于地表較干的環(huán)境。因此地表水的積水時(shí)間和積水深度是區(qū)分稗草和蘆葦、虎尾草和堿茅生長(zhǎng)分布的重要水文特征值。

表5 不同植物群落水文數(shù)據(jù)方差分析

3 結(jié)論

(2)由植物群落分布和微地形的關(guān)系可知，堿蓬分布在微地形高處，隨著微地形的下降，植物群落依次改變?yōu)榛⑽膊荨A茅、稗草和蘆葦群落。

(3)在枯水年由于水分的減少和鹽堿化的加重，稗草向虎尾草群落演替，虎尾草向堿蓬群落演替。而蘆葦和堿茅群落相對(duì)穩(wěn)定，只是由濕生向旱生轉(zhuǎn)化，群落間演替較慢。

[1] Liu X T. Management on Degraded Land and Agricultural Development in Songnen Plain. Beijing: Science Press, 2001.

[2] Yang Y F, Zheng H Y. Comparison analysis on the experimental communities during progressive succession on alkaline patches in the Songnen plain of China. Acta Phytoecologica Sinica, 1998, 22(3) 214- 221.

[3] Li H Y, Yang Y F. The mutual dynamics of clonal populations of two species:LeymuschinensisandCarexduriusculain the process of restoration succession after the flooded meadow in the Songnen Plains of China. Acta Prataculturae Sinica, 2004, 13(6): 21- 25.

[4] Liu P Y, Yang Y F. Quantitative analysis on the relationship between the above-groud biomass and density in the population ofPuccinilliachinampoensisin the alkalized meadow in the Songnen plain of China. Journal of Northeast Normal University: Natural Science Edition, 2000, 32(1): 60- 66.

[5] Yang F, Deng W, Zhang G X, Yang J F, Li X J. Spatial variation of soil saline ions and its relations with vegetation community ofPhragmitesaustralisin a saline-sodic soil. Acta Pedologica Sinica, 2008, 45(4): 594- 600.

[6] Yang F, Zhang G X, Yin X R, Gu B, Sun G Y. Spatial variability of soil salinity and sodicity and its correlation with the succession of Phragmites Australis community in degraded salt marsh. Acta Ecologica Sinica, 2009, 29(10): 5291- 5298.

[7] Zheng H Y, Li J D. A preliminary study on the formation of saline-alkali plant communities in the Song-Nen plain. Acta Phytoecological Sinica, 1995, 19(1) 1- 12.

[8] Deng W, Qiu S W, Liang Z W. Region Eco-Environment Background of the China Da′an Sodic Land Experiment Station. Beijing: Science Press, 2005.

[9] Chappell N A, Ternan J L, Bidin K. Correlation of physicochemical properties and sub-erosional landforms with aggregate stability variations in a tropical Ultisol disturbed by forestry operations. Soil and Tillage Research, 1999, 50(1): 55- 71.

[10] Ter Braak C J F. Canonical correspondence analysis: A new eigenvector technique for multivariate direct gradient analysis. Ecology, 1986, 67(5): 1167- 1179.

[11] Zhang J T. Quantitative Ecology. Beijing: Science Press, 2004: 157- 164.

參考文獻(xiàn):

[1] 劉興土. 松嫩平原退化土地整治與農(nóng)業(yè)發(fā)展. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[2] 楊允菲, 鄭慧瑩. 松嫩平原堿斑進(jìn)展演替實(shí)驗(yàn)群落的比較分析. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 1998, 22(3) 214- 221.

[3] 李海燕, 楊允菲. 松嫩草甸水淹恢復(fù)演替過(guò)程中羊草和寸草苔無(wú)性系種群的相互動(dòng)態(tài). 草業(yè)學(xué)報(bào), 2004, 13(6): 21- 25.

[4] 劉佩勇, 楊允菲. 松嫩平原堿化草甸朝鮮堿茅種群地上生物量與密度關(guān)系的定量分析. 東北師大學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2000, 32(1): 60- 66.

[5] 楊帆, 鄧偉, 章光新, 楊建峰, 李秀軍. 蘇打鹽漬土地區(qū)蘆葦?shù)赝寥利}分離子空間變異與群落關(guān)系研究. 土壤學(xué)報(bào), 2008, 45(4): 594- 600.

[6] 楊帆, 章光新, 尹雄銳, 顧斌, 孫廣友. 退化鹽沼濕地鹽堿化空間變異與蘆葦群落的演替關(guān)系. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2009, 29(10): 5291- 5298.

[7] 鄭慧瑩, 李建東. 松嫩平原鹽堿植物群落形成過(guò)程的探討. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 1995, 19(1) 1- 12.

[8] 鄧偉, 裘善文, 梁正偉. 中國(guó)大安堿地生態(tài)試驗(yàn)站區(qū)域生態(tài)環(huán)境背景. 北京: 科學(xué)出版社, 2005.

[11] 張金屯. 數(shù)量生態(tài)學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 2004: 157- 164.

Thecorrelationbetweensoilwatersalinityandplantcommunitydistributionundermicro-topographyinSongnenPlain

YANG Fan*, WANG Zhichun, WANG Yunhe, AN Fenghua, ZHAO Changwei

NortheastInstituteofGeographyandAgriculturalEcology,ChineseAcademyofSciences,Changchun130012,China

soil water; soil saline; surface ponding; micro-topography; plant community distribution; threshold value

中國(guó)科學(xué)院西部行動(dòng)計(jì)劃重大資助項(xiàng)目 (KZCX3-XB3- 16); 國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41071022); 國(guó)家科技支撐課題資助項(xiàng)目(2009BADA3B04)

2013- 06- 05;

2013- 07- 29

*通訊作者Corresponding author.E-mail: yangfan@neigae.ac.cn

10.5846/stxb201306051346

楊帆，王志春，王云賀，安豐華，趙長(zhǎng)巍.松嫩平原微地形下土壤水鹽與植物群落分布的關(guān)系.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(19):6202- 6208.

Yang F, Wang Z C, Wang Y H, An F H, Zhao C W.The correlation between soil water salinity and plant community distribution under micro-topography in Songnen Plain.Acta Ecologica Sinica,2013,33(19):6202- 6208.