渾善達(dá)克沙地植被恢復(fù)特征研究

王樹力, 范寧寧

(東北林業(yè)大學(xué)林學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150040)

渾善達(dá)克沙地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部的農(nóng)牧交錯地帶，41°56′～44°24′ N，112°22′～117°57′ E，東起大興安嶺南端西麓達(dá)里諾爾，南臨錫林郭勒高原，面積約5.2萬km2，是中國四大沙地之一[1-2]。經(jīng)過多年的過度開發(fā)和利用，該區(qū)草原退化，流沙蔓延，沙化問題愈演愈烈。沙地退化過程不僅造成生物多樣性喪失和生產(chǎn)力下降，而且影響了當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)、社會和經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，甚至在更宏觀的尺度上影響了京津、乃至華北地區(qū)的生態(tài)安全[2-3]。

植被恢復(fù)是遏制沙化過程發(fā)展的最有效措施[4]。隨著沙地植物群落的不斷演替，植物群落物種組成及多樣性等特征發(fā)生變化。這一變化過程的速度和質(zhì)量，對于加速沙地土壤環(huán)境的恢復(fù)進(jìn)程，特別對穩(wěn)定地表流沙具有非常重要的促進(jìn)作用。關(guān)于沙地植被恢復(fù)問題，楊志國等對北京西部小型沙地不同演替階段植物群落結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)研究[5]，認(rèn)為各階段群落間的生態(tài)距離較遠(yuǎn)，在人工植被建設(shè)時應(yīng)根據(jù)沙地環(huán)境條件選擇最佳植物種和配置。張繼義等通過對科爾沁沙地植被恢復(fù)系列上不同階段的群落取樣，研究了植被恢復(fù)過程中群落物種組成、物種多樣性的變化過程，得出隨演替進(jìn)展群落種類組成與物種多樣性增加，群落生態(tài)優(yōu)勢度下降，而均勻度增加，群落趨向穩(wěn)定的結(jié)論[6]。蔣德明等研究了科爾沁沙地植被恢復(fù)及其對土壤的改良效應(yīng)[7]。姚國龍等對毛烏素沙地的植物群落物種多樣性進(jìn)行了研究，認(rèn)為應(yīng)根據(jù)不同的沙地類型選擇不同的植物種類治理沙地[4]。還有一些學(xué)者對恢復(fù)措施的效果及其長期影響進(jìn)行了深入研究[8-9]。對于渾善達(dá)克沙地，科學(xué)工作者在土地沙化的成因、發(fā)展趨勢、綜合治理、生態(tài)評價等方面已有較為系統(tǒng)的研究[10-14]，但對沙地植被恢復(fù)的系統(tǒng)詳細(xì)研究，尚有待深化。該研究以內(nèi)蒙古自治區(qū)克什克騰旗渾善達(dá)克沙地不同治理時間及不同演替階段沙地及鄰近天然草地為對象，分析沙地不同治理時期及不同演替階段植被的恢復(fù)特征，試圖為渾善達(dá)克沙地的生態(tài)治理提供理論依據(jù)。

1 研究地概況與研究方法

1.1研究地區(qū)概況克什克騰旗位于內(nèi)蒙古赤峰市的西北部，地處大興安嶺與燕山交匯處，116°21′～118°21′ E，43°23′ ～ 44°15′ N。該區(qū)東西寬約170 km，南北長約207 km，總面積20 673 km2。平均海拔1 367 m，最高2 067 m，最低660 m，其中丘陵占52.2%、臺地占38.8%、平原占8.7%。屬中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，春秋季干旱且多為大風(fēng)天，升溫較快；夏季短促而溫涼，雨量集中；冬季漫長而寒冷，且晝夜溫差較大；降水集中、雨熱同期。降雨多集中在6、7、8月份內(nèi)，年降水量在250～500 mm。年平均氣溫2～4 ℃，3、4月份氣溫為10 ℃以上，夏季平均氣溫為18.6 ℃。全旗日照率為62%～ 65%，日照時數(shù)在2 700～2 950 h，無霜期60～150 d[15]。

1.2調(diào)查方法及數(shù)據(jù)處理研究樣地位于渾善達(dá)克沙地東北邊緣，克什克騰旗聯(lián)峰林場。治理時間分別為2010年、2001年與1995年，演替階段分別為流動沙地、半固定沙地和固定沙地，對照為自然草地。對應(yīng)植被蓋度分別為19%、61%、78%、19%、50%、77%和76%。土壤基本條件概況如表1所示。

表1 樣地土壤基本條件概況

2011年6月，在各樣地內(nèi)設(shè)置3個10 m × 10 m的固定樣方用來調(diào)查灌木，5個1 m × 1 m的固定樣方用來調(diào)查草本。調(diào)查并記錄樣方內(nèi)出現(xiàn)的灌木、草本的物種數(shù)、頻度、蓋度。在草本調(diào)查樣方內(nèi)設(shè)置0.2 m × 0.2 m小樣方取樣，測定地上生物量與地下生物量。

植物種優(yōu)勢度利用種重要值表示：

重要值=(相對蓋度+相對頻度)/2

物種多樣性用Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson 多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)表示[16]：

Pielou均勻度指數(shù)J=H/lnS

式中pi表示物種i的相對重要值，S表示群落物種數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1不同治理時期及治理階段沙地群落物種及生活型組成沙地植物群落物種的科、屬、種的總數(shù)隨著治理時間的加長而增多。2010年治理的沙地植物群落物種組成相對簡單，只有豆科、藜科和菊科3科，每科只有1屬1種，共2種生活型，具體物種為沙米、沙蒿和羊柴。2001年治理的沙地植物群落物種數(shù)稍有增加，達(dá)4科4屬5種，分別為豆科蒿屬(ArtemisiaL.)、禾本科冰草屬(Agropyroncristatum(Linn.) Gaertn)、菊科蒿屬(ArtemisiaL.)和燈芯草科燈芯草屬(Juncus)，共3種生活型，具體物種為羊胡子草、冷蒿、黃花蒿、冰草和羊柴。1995年治理的沙地自然侵入的物種增加到4科8屬8種，即禾本科冰草屬、賴草屬(Leymus)、雀麥屬(Bromus)與針茅屬(Stipa)，菊科蒿屬，燈芯草科燈芯草屬，藜科藜屬(Chenopodium)和豆科米口袋屬(GueldenstaedtiaFisch.)，共3種生活型。具體物種為羊胡子草、冷蒿、米口袋、冰草、賴草、刺藜、無芒雀麥、克氏針茅和羊柴。對照草地有5科8屬8種，集中于禾本科、豆科、菊科、百合科和燈芯草科，共3種生活型。具體物種為羊胡子草、冰草、黃花苜蓿、冷蒿、米口袋、沙地雀麥、止血馬唐和沙蔥。除2010年治理樣地外，其他樣地物種生活型皆以多年生草本物種為最多。

不同演替階段的沙地植物差異較大。從流動沙地到半固定沙地與固定沙地，植被種數(shù)呈增加趨勢。一年生的沙米和沙蒿作為先鋒物種，首先定居到流動沙地。進(jìn)入半固定沙地階段，隨著植物種數(shù)與植被蓋度的不斷增加，沙地土壤條件也隨之發(fā)生改善，為更多植物種的定居和繁殖提供了條件，這時一年生草本和優(yōu)勢種逐漸被多年生草本植物取代。除了由飛播和人工撒播的羊柴和黃柳外，自然侵入的植物種已經(jīng)增加到9種，主要有黃花蒿、冰草、蒙古蒿、小葉錦雞兒、地梢瓜、霧冰藜、羊草、沙蒿和冷蒿等，其中多年生植物種數(shù)增加到了5種。無論植物種總數(shù)還是自然入侵的植物種數(shù)，半固定沙地都要高于流動沙地。演替到固定沙地時，除羊柴和黃柳外，自然侵入的植物種多達(dá)17種，主要為羊胡子草、冷蒿、大針茅、冰草、堿蒿、地梢瓜、小畫眉草、黃花蒿、米口袋、霧冰藜、三芒草、蒺藜、狗尾草、止血馬唐、豬毛蒿、小葉錦雞兒和榆樹幼苗等，其中多年生草本植物達(dá)到8種。除人工引入的楊柴和黃柳外，半固定沙地出現(xiàn)小葉錦雞兒，固定沙地種雖然未發(fā)現(xiàn)半灌木，但榆科喬木種出現(xiàn)在樣地中，這對于沙地恢復(fù)具有重要作用。

2.2不同治理時期及演替階段沙地群落物種多樣性與均勻度指數(shù)隨著治理年限的不斷增加，物種多樣性指數(shù)呈上升趨勢，均勻度指數(shù)呈下降趨勢(表2)。2010年、2001治理的沙地群落均勻度明顯高于其他樣地，這是由于2010年、2001年治理的沙地群落植物構(gòu)成簡單，主要為沙地先鋒物種，其物種重要值分化只發(fā)生于2至3個種范圍之內(nèi)；草地在沒有灌木植物的情況下，其物種重要值分化情況與1995年治理沙地群落相近，因此對照草場物種均勻度與1995年治理的沙地群落的物種均勻度相近。

沙地群落演替過程中物種多樣性指數(shù)有大幅度提升(表2)。物種多樣性指數(shù)H從流動沙地的0.64增加到半固定沙地的1.67和固定沙地的2.17，物種多樣性指數(shù)D也從流動沙地的0.45增加到半固定沙地的0.73和固定沙地的0.84。植被群落演替到草地時，灌木消失，導(dǎo)致群落多樣性與固定沙地相比有所下降。流動沙地的物種均勻度最高，達(dá)0.93。這是由于流動沙地中的植物種組成簡單，除人工引入的羊柴外只有沙米和沙蒿2個種，其在沙地群落中的優(yōu)勢度即重要值較高，導(dǎo)致物種均勻度分化在較小的水平上。沙地群落演替到半固定沙地時有均勻度所下降，但到固定沙地時，物種均勻度又有所回升。

表2 不同治理年度及不同演替階段沙地物種多樣性指數(shù)與均勻度指數(shù)

2.3不同治理時期及不同演替階段沙地群落植物生物量沙地群落的地上生物量隨著治理年限的不斷增長而迅速增加(表3)。2010年治理的沙地群落地上生物量只有90 g/m2，1995年治理的沙地群落地上生物量增加到405 g/m2；草地的地上生物量達(dá)461 g/m2，植被群落生產(chǎn)力大幅地提升。0～20 cm土層中的生物量與地上生物量的變化規(guī)律一樣，隨治理年限的增加而增大。2010年治理的沙地群落地下生物量僅有60 g/m2，1995年地下生物量達(dá)到1 180 g/m2，草地的地下生物量達(dá)到1 226 g/m2。

沙地群落的地上生物量隨演替的進(jìn)程而迅速增大(表3)。流動沙地群落地上生物量為90 g/m2，演替到半固定沙地時，地上生物量增加到163 g/m2，固定沙地群落的地上生物量達(dá)到了523 g/m2。與地上生物量相似，沙地群落的地下生物量也隨演替的進(jìn)程呈增加趨勢。

表3 不同治理年度及不同演替階段沙地植物生物量 g/m2

3 結(jié)論與討論

隨著治理年限的不斷增加，沙地植物群落自然侵入的植物種數(shù)逐漸增加，由2010年治理時的2種，增加到1995年治理的9種。沙地植物物種多樣性不斷增大，物種均勻度則呈下降趨勢。沙地群落地上生物量和地下生物量均隨治理年限增加而增加，且增幅較大。從流動沙地到固定沙地，自然侵入沙地的植物種從2種增加到15種，群落的物種豐富度逐步增高，物種多樣性增幅較大。物種均勻度指數(shù)呈現(xiàn)出先降低后增長的趨勢。地上生物量和地下生物量也均呈現(xiàn)增加趨勢。

從流動沙地到半固定沙地，禾本科、豆科和菊科植物變化較大，分別從0屬0種、0屬0種和1屬1種增加到2屬2種、2屬2種和1屬4種。從半固定沙地到固定沙地時，禾本科植物變化更大，由2屬2種增加到6屬6種，證明了禾本科植物在沙地群落植被恢復(fù)過程中具有非常重要的作用。蘿藦科植物在流動沙地中不存在，但在半固定沙地和固定沙地中都有出現(xiàn)，是流動沙地到非流動沙地的過渡性指示植物。這些結(jié)果與姚國龍等在毛烏素沙地的研究結(jié)論相近[4]。藜科植物在不同演替階段都比較穩(wěn)定，特別是作為沙地群落的先鋒物種，表現(xiàn)出對不利生存環(huán)境的較強(qiáng)適應(yīng)能力。燈芯草科植物只出現(xiàn)在固定沙地中，可作為固定沙地的指示性植物。

[1] 王賢,丁國棟,蔡京艷,等.渾善達(dá)克沙地沙漠化成因及其綜合防治[J].水土保持學(xué)報(bào),2004,18 (1):147-150，188.

[2] 郭元朝,郭堯.全面實(shí)施治沙造林種草工程加快渾善達(dá)克沙地植被恢復(fù)進(jìn)程[J].內(nèi)蒙古草業(yè),2010,22(3):36-39.

[3] 劉博,張瑞麟,劉果厚.渾善達(dá)克沙地黃柳活沙障防風(fēng)固沙效益的研究[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2010,36(4):12-15，20.

[4] 姚國龍,王濤,宗世祥.不同演替階段沙地植物群落物種多樣性研究[J].中國農(nóng)學(xué)通報(bào),2009，25(24):167-170.

[5] 楊志國,趙秀海,周效明,等.北京西部小型沙地不同演替階段植物群落結(jié)構(gòu)特征[J].林業(yè)科學(xué)研究,2008,21(2):188-193.

[6] 張繼義,趙哈林,張銅會,等.科爾沁沙地植被恢復(fù)系列上群落演替與物種多樣性的恢復(fù)動態(tài)[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2004,28(1):86-92.

[7] 蔣德明,曹成有,李雪華,等.科爾沁沙地植被恢復(fù)及其對土壤的改良效應(yīng)[J].生態(tài)環(huán)境,2008,17(3):1135-1139.

[8] 賈志斌,金爭平,張占全,等.不同治理措施植被恢復(fù)效果的初步研究[J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2001,15(3):57-61.

[9] 李新榮,肖洪浪,劉立超,等.騰格里沙漠沙坡頭地區(qū)固沙植被對生物多樣性恢復(fù)的長期影響[J].中國沙漠,2005,25(2):173-181.

[10] 武健偉,趙廷寧,魯瑞潔.渾善達(dá)克沙地現(xiàn)代土地沙漠化發(fā)展動態(tài)與成因分析[J].中國水土保持科學(xué),2003,1(4):36-40

[11] 陳平平,丁國棟,王賢.淺談渾善達(dá)克沙地綜合治理模式[J].水土保持學(xué)報(bào),2003,17(5):74-76.

[12] 劉鴻雁,田育紅,丁登.內(nèi)蒙古渾善達(dá)克沙地和河北壩上地區(qū)不同地表覆蓋類型對北京沙塵天氣物源的貢獻(xiàn)[J].科學(xué)通報(bào), 2003，48(11):1229-1232.

[13] 姜維新,張荔渾.善達(dá)克沙地封育保護(hù)的生態(tài)經(jīng)濟(jì)效益評價[J].內(nèi)蒙古林業(yè)科技,2006,32(4):39-41.

[14] 劉美珍,蔣高明,于順利,等.渾善達(dá)克退化沙地恢復(fù)演18年中植物群落動態(tài)變化[J].生態(tài)學(xué)報(bào),2004,24(8):1735-1739.

[15] 張振祺,吳占軍.克什克騰旗農(nóng)村牧區(qū)飲水安全問題及解決思路[J].內(nèi)蒙古水利,2005,103(3):61-63.

[16] 馬克平,黃建輝,于順利,等.北京東靈山地區(qū)植物群落多樣性的研究 Ⅱ豐富度、均勻度和物種多樣性指數(shù)[J].生態(tài)學(xué)報(bào),1995,15(3):268-277.