烏蘭布和沙漠綠洲東緣植被群落結構及物種多樣性研究

楊 光, 郝玉光, 包斯琴, 楊瑞杰

(1.內蒙古農業大學 生態環境學院, 呼和浩特 010019; 2.中國林業科學研究院 沙漠林業實驗中心, 內蒙古 磴口 015200)

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烏蘭布和沙漠綠洲東緣植被群落結構及物種多樣性研究

楊 光1, 郝玉光2, 包斯琴1, 楊瑞杰1

(1.內蒙古農業大學 生態環境學院, 呼和浩特 010019; 2.中國林業科學研究院 沙漠林業實驗中心, 內蒙古 磴口 015200)

根據烏蘭布和沙漠東北部綠洲東緣7個樣區25個樣地的樣方調查數據，對該區植物群落結構及物種多樣性進行分析。結果表明：研究區自然植被共有52種，分屬17科45屬，以菊科為優勢種，禾本科、豆科和藜科為亞優勢種，其他13科為伴生種；群落結構類型以灌木群落為主，草本群落次之；根據群落物種多樣性變化規律，可以將研究區劃分為南北兩部分，南部多樣性指數變化幅度較小且保持較高水平，北部多樣性指數變化幅度較大且相對較低；沙漠地區通過綠洲防護林建設，能有效改善綠洲外圍植物生長環境，增加植物群落物種多樣性，控制沙漠擴張。

烏蘭布和沙漠; 綠洲; 群落結構; 物種多樣性

群落結構和物種多樣性是一個群落功能復雜性的量度，表征著生物群落和生態系統的結構復雜性，體現了群落的結構類型、組織水平、發展階段、穩定程度和生境差異，是揭示植被組織水平的生態學基礎[1-2]。物種多樣性不僅反映了群落或生境中物種的豐富度、變化程度或均勻度，也反映了群落的穩定性與動態以及不同自然條件與群落的相互關系，是生態學研究的重要內容[3-4]。進行群落物種多樣性分析能更好地評價群落結構及其發展變化，同時植物群落物種多樣性的測定可以反映群落的保護狀態[5-6]，對于生態保護和生物資源的合理利用具有重要意義。

目前物種多樣性的研究包括所有植物、動物、微生物物種和它們所擁有的基因以及它們與其他生存環境形成的復雜生態系統[7]。我國學者對植物群落研究主要集中于較為敏感的生態脆弱區，包括荒漠化地區[1,8-13]、黃土高原地區[14-15]、山區[2,4,16-17]及濕地保護區[18-22]等。

烏蘭布和沙漠是中國八大沙漠之一，也是我國西北地區沙塵暴的策源地，大量流沙侵入或跨過黃河，增加了黃河泥沙含量，威脅周邊地區的生態安全。因此，對烏蘭布和沙漠沙地植被進行有效保護或人工促進，對本區自然生態環境和社會經濟發展都具有深刻和廣泛的影響[23]。同時，有關烏蘭布和沙漠地區及周邊植被建設也引起了相關學者的廣泛關注，學者們分別從烏蘭布和沙漠植物群落特征、群落空間格局、群落演替、物種多樣性等方面進行了研究[24-31]。本論文研究區位于烏蘭布和沙漠東北部綠洲東緣，在植被調查的基礎上，分析綠洲東部植物群落結構特征及物種多樣性，揭示在沙漠邊緣綠洲影響下天然植被的分布規律，以期為該區植被恢復及沙漠邊緣風沙治理提供理論依據。

1　研究區概況

研究區位于烏蘭布和沙漠東北緣磴口縣境內的中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心第一實驗場東部，地理位置106°56′E，40°20′N。該區屬于溫帶荒漠大陸性氣候，多年平均降水量144.5 mm，多年平均蒸發量2 380.6 mm；年平均氣溫7.8℃，年平均風速3～3.7 m/s；土壤類型屬荒漠向草原化荒漠過渡帶，地帶性土壤發育不完全，風沙土為其主要類型。植被以荒漠植被占主導地位，喬木以梭梭(HaloxylonammodendronC. A. Mey. Bunge)、多枝檉柳(TamarixramosissimaLedeb.)為主，灌木及半灌木以白刺(NitrariatangutorumBor.)、黑沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg.)為主，草本植物以蘆葦(PhragmitesaustralisCav. Trin. ex Steud.)、沙地旋覆花(InulaammophilaBge.)、羊草(AstragalusmembranaceusFisch. Bunge.)、苦豆子(SophoraalopecuroidesL.)、堿蓬(SuaedaglaucaBunge Bunge)、風毛菊(SaussureajaponicaThunb. DC.)、鹽爪爪(KalidiumfoliatumPall. Moq.)等為主。

2　研究方法

2.1樣地布設與調查

研究區位于烏蘭布和沙漠東北部中國林業科學研究院沙漠林業實驗中心一場東側，綠洲是以楊樹為主形成的農田防護林網。2014年7—8月對烏蘭布和沙漠東北部綠洲東緣天然植被進行了全面調查。首先將調查區劃分為7個樣區，由南向北排列，為減小人為主觀影響，樣區設置為固定的地理坐標經差和緯差形成的網格區域，其中樣區3為經差20″，緯差10″，其余樣區為經差10″，緯差20″。每個樣區劃分為4個樣地，采用樣線法進行樣方調查，每條樣線上分別設7～8個樣方。樣方的設置規格為喬木樣方10 m×10 m，灌木樣方5 m×5 m，草本樣方1 m×1 m，每個喬木樣方內按對角線設置2個灌木樣方，每個灌木樣方內設3個草本樣方。本次共調查植被群落樣地25個，分別用S1—S25代表各樣地，包括喬木樣方20個，灌木樣方114個，草本樣方374個。調查內容包括喬木或灌木種類、個體數量、高度、冠幅和草本植物種類、個體數量、高度、蓋度等指標。調查過程中同時記錄每個樣方的經緯度、海拔高度、土壤質地、景觀地貌類型等。

2.2多樣性指數計算

重要值Ⅳ=(相對密度+相對頻度+相對優勢度)×100/3

(1)

(2)

(3)

J′=H′/lnS

(4)

式中：H′——Shannon-Winer多樣性指數；Ds——Simpson′s優勢度指數；J′——Pielou均勻度指數；Ni——種i的個體數；N——群落中全部物種的個體數；S——物種數目；Pi——屬于種i的個體在全部個體中的比例，其中Pi=Ni/N。

數據處理采用Excel和SPSS 19.0完成。

3　結果與分析

3.1群落種類組成與數量特征分析

由表1可知，研究區自然植被共有52種，分屬17科45屬。檉柳科2屬2種，菊科12屬14種，禾本科5屬6種，豆科8屬10種，藜科6屬7種，蒺藜科2屬2種，報春花科、蓼科、百合科、茄科、莧科、旋花科、胡頹子科、蘿藦科、莎草科、木賊科及鳶尾科各1屬1種。該區的植物以菊科為優勢種，禾本科、豆科和藜科為亞優勢種，其他13科為伴生種。菊科有沙地旋覆花、歐亞旋覆花(InulabritannicaL.)、黑沙蒿、艾蒿(ArtemisiaargyiH. Lév. & Vaniot)、苣荬菜(SonchusbrachyotusDC.)、風毛菊、亞洲蒲公英(Tarax-acumasiaticaDahlst)、蒼耳(XanthiumsibiricumPatrin ex Widder)、藍刺頭、乳苣(MulgediumtataricumLinn. DC.)、頂羽菊(AcroptilonrepensL. DC.)、馬蘭(KalimerisindicaLinn. Sch.)、鴉蔥(ScorzoneraaustriacaWilld)、苦苣(CichoriumendiviaL.)，占總種數的26.92%；豆科有黃芪(AstragalusmembranaceusFisch. Bunge.)、斜莖黃芪(AstragalusadsurgensPall.)、披針葉黃華(ThermopsislanceolataR. Br.)、苦豆子、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)、苦馬豆(SphaerophysasalsulaDC.)、花棒(HedysarumscopariumFisch. et Mey.)、小花棘豆(OxytropisglabraDC.)，占總種數的19.23%；藜科有堿蓬、茄葉堿蓬(SuaedaprzewalskitBge.)、梭梭、鹽爪爪、灰菜(ChenopodiumalbumL.)、地膚(KochiascopariaL. Schrad.)、霧冰藜(BassiadasyphyllaFisch. & C. A. Mey. Kuntze)，占總種數的13.46%；禾本科有羊草、賴草(LeymussecalinusGeorgi Tzvel.)、蘆葦、芨芨草(AchnatherumsplendensTrin. Nevski)、沙鞭(PsammochloavillosaTrin. Bor)和狗尾草(SetariaviridisL. Beauv.)，占總種數的11.45%。

由表2可以看出，在調查區52種荒漠植物中，喬木有1種，點總數的1.92%；小喬木有3種，占總數的5.77%；灌木有2種，占總數的3.85%；半灌木有3種，占總數的5.77%，多年生草本有33種，占總數的63.46%，處于優勢地位；二年生草本1種，占總數的1.92%；一年生草本9種，占總數的17.31%。

3.2群落類型與結構特征

根據本次調查樣地物種重要值大小，將研究區內植被劃分為1個喬木群落、8個灌木群落和7個草本群落。各群落主要植物組成及重要值見表3。

由表3可知，研究區植物群落組成以灌木群落為主，其次為草本群落，僅有沙棗群落為喬木群落。

灌木群落是研究區主要群落組成，通過樣地主要植物組成和環境特征分析，大體可以分成以黑沙蒿群落、花棒群落、黑沙蒿+梭梭群落、白刺+梭梭群落為主的沙地群落類型和以紅柳群落、檉柳群落、白刺群落、檉柳+白刺群落為主的鹽堿地群落類型。鹽堿地群落主要分布于研究區東南部和西北部，由于地勢低洼且離公路較近，導致地下水位升高，地表土壤鹽堿化程度較高。沙地群落主要分布于研究區中部，且分布面積較大，地表沙化嚴重，部分地方可看到明顯的裸露小沙丘。

表1　研究區天然植被科屬種統計

表2　研究區天然植被生活型統計

草本植物遍布于整個研究區，既有沙生植物，也有鹽生植物，分散于研究區從南向北各個區域，多為喬木或灌木林下植被，獨立的草本群落大面積集中分布較少。獨立草本群落以蘆葦和羊草等較高大的草本組成的群落為主，由于這些高大草本分布密集，在調查樣地占主導地位，其他喬木或灌木植物難以入侵。

沙棗群落分布于研究區最北端，林下無灌木，該樣地地勢低洼，地表有積水現象，因此土壤鹽堿化程度高，林下草本植物以抗鹽堿能力強的風毛菊、蘆葦、苦豆子、沙地旋覆花、鹽爪爪等為主。

3.3植物群落的多樣性

由圖1可知，Shannon-Winer多樣性指數(H′)為0.67～2.05，變化幅度較大。從H′變化趨勢來看，總體上可以將研究區劃分為南北兩部分，南部包括樣地S1—S11，H′變化幅度較小且保持較高水平，北部包括樣地S12—S25，H′值相對較低且變化幅度較大。根據實地調查，北部沙地與低洼積水地相間分布，是引起物種多樣性變幅增大的重要因素。南部H′值較高的樣地有S3(梭梭+黑沙蒿群落)、S4(黑沙蒿群落)、S7(紅柳群落)、S9(紫花苜蓿+沙地旋覆花+堿蓬群落)和S11(檉柳+白刺群落)，其H′值均保持在1.90以上；南部H′值較低的樣地有S1(花棒群落)、S6(蘆葦群落)和S8(檉柳群落)，其H′值均在1.60以下。從植物組成分析來看，南部H′值較低的樣地，其植物組成以鹽生或堿生植物為主，土壤鹽堿化制約了更多植物的生長繁衍。北部H′值較高的樣地有S20(羊草+芨芨草群落)、S24(黑沙蒿群落)和S25(蘆葦群落)，其H′值均保持在1.80以上；北部H′值較低的樣地有S17(白刺群落)、S18(羊草群落)和S21(白刺+黑沙蒿群落)，其H′值均在0.80以下，且為整個研究區H′值最低的樣地。從植物組成分析來看，北部H′值較低的樣地，主要組成植物中均有1種草本植物在整個樣地中占據主導地位，且其重要值均達到40以上，使得競爭力弱的植物難以入侵，物種多樣性降低。

Simpson優勢度指數(Ds)及Pielou均勻度指數(J′)分別為0.32～0.85，0.36～0.89，變化趨勢與Shannon-Winer多樣性指數相似，但變化幅度較小，總體上保持比較穩定狀態。

表3　群落類型及主要物種組成和重要值

注：主要物種組成以重要值>10為判別標準。

圖1研究區各樣地群落多樣性指數

4　討論與結論

通過野外調查和室內分析可知，研究區自然植被共52種，分屬17科45屬，以菊科為優勢種，禾本科、豆科和藜科為亞優勢種，群落類型以灌木群落為主，草本群落次之。研究區南部由于土壤性狀及水分條件優越，群落多樣性指數總體上高于北部，且變化幅度小。王君厚等[32]研究了中國林科院沙漠林業實驗中心二場綠洲外圍不同群落物種多樣性，其結果表明綠洲外圍植物群落以黑沙蒿群落、白刺+黑沙蒿群落為主，植物群落多樣性指數變化范圍為0.603～2.984，均勻度指數變化范圍為0.337～0.691，優勢度指數變化范圍為0.195～0.724，研究結論與本文研究結果相似，近一步證明了綠洲在控制沙漠擴張及改善生態環境的積極作用。據沙漠林業中心老一輩科技工作人員介紹，研究區在未建綠洲防護林前，地表以流沙為主，植被稀少，蓋度低，僅有零星可見的黑沙蒿或白刺沙包分布其間。因此，通過烏蘭布和沙漠綠洲防護林建設，改善了綠洲邊緣植物生長繁衍的自然條件，物種多樣性有了極大提高且逐漸趨于穩定。

植物群落多樣性研究方面，大部分學者選擇調查樣區時以優勢植物作為劃定研究樣區的依據，本研究在劃分樣區過程中，以研究區自然地理坐標圍成的區域為不同研究樣區，避免了人為主觀影響，使調查數據更具有代表性。

從環境特征來看，影響研究區植物群落組成及分布特征的環境因子主要是地形、土壤性狀及氣候條件，其中，土壤含鹽量是關鍵性因素。研究發現，在所調查的25個樣地中，物種多樣性較低的群落樣地其共同特點是土壤鹽堿化程度高，出現大量土壤鹽堿化指示性植物，物種組成趨向單一。本論文在研究綠洲東緣群落結構及多樣性時，未充分考慮植物生長的環境特征，只是從部分指示性植物的存在倒推出土壤鹽堿化程度等環境特征，不能充分反映環境特征的變化對群落結構及物種多樣性的影響以及植物群落對環境特征的改善效應，今后在此方面應加大研究力度。

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Study on the Community Structure and Species Diversity in the Eastern Margin of the Ulanbuh Desert Oasis

YANG Guang1, HAO Yuguang2, BAO Siqin1, YANG Ruijie1

(1.CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China; 2.ExperimentalCenterofDesertForestry,ChineseAcademyofForestry,Dengkou,InnerMongolia015200,China)

According to quadrat survey data belonging to 25 sample plots of 7 sample areas in the oasis of northeastern margin of Ulanbuh desert, we analysed the community structure and species diversity of plant. The results show that there are 52 species of natural plants in the study area, which belong to 17 families and 45 genera, compositae is the dominant species, gramineae, leguminosae and chenopodiaceae are the sub dominant species, other 13 families are companion species; Most of community structure types are shrub communities, the second is herbaceous communities; According to the changes of species diversity, the research area can be divided into two parts: north and south, the range of diversity index change is small and the index maintains a high level in southern area, in northern area, the range of diversity index change is relatively larger and the index maintains a low level; Construction of oasis shelter forest can effectively improve plant growth environment around oasis, increase the species diversity of the plant community, control the expansion of desert.

Ulanbuh Desert; oasis; community structure; species diversity

2015-06-14

2015-06-23

內蒙古自治區高等學校科學研究項目(NJZY14086);國家科技支撐項目(2012BAD16B0103)

楊光(1974—),男,內蒙古鄂爾多斯人,博士,副教授,主要從事荒漠化遙感監測研究。E-mail:yg331@126.com

郝玉光(1963—),男,內蒙古五原縣人,博士,研究員,主要從事荒漠化研究。E-mail:hyuguang@163.com

Q948.15

A

1005-3409(2016)03-0257-05