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(nóng)業(yè)大學草業(yè)學院,草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室,中-美草地畜牧業(yè)可持續(xù)發(fā)展研究中心,甘肅蘭州 730070)

土地利用是指人類開發(fā)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(fā)利用的活動已經(jīng)改變了人類生態(tài)環(huán)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(tài)系統(tǒng)受人類活動干擾的程度也相應的越來越高,對生態(tài)系統(tǒng)的植物量和生態(tài)系統(tǒng)功能產(chǎn)生的影響也隨之增大[3-5]。因此,分析區(qū)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(huán)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(tài)環(huán)境雪上加霜。表現(xiàn)為草層高度急劇下降、物種數(shù)巨減、土地產(chǎn)出率下降、生態(tài)環(huán)境惡化等問題[7-9]。為此,對高寒地區(qū)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(qū)生態(tài)脆弱帶的土地利用和生態(tài)恢復提供借鑒。

1 材料和方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)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(shù)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(fā)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(shù)63 d。區(qū)內(nèi)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(qū)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(nèi)于65℃下烘干12 h稱取烘干重。

統(tǒng)計分析和繪圖在SPSS10.0和EXCEL2003系統(tǒng)下完成。

2 結(jié)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(jié)構(gòu)發(fā)生改變,致使地上植物量產(chǎn)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(xiàn)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(qū)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(qū)地下植物量主要分布在0～10 cm土層內(nèi)。

2.3 地上、地下植物量、植被蓋度、物種數(shù)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(shù)進行相關性分析。結(jié)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(shù)相關性不顯著;地下植物量與植被蓋度和物種數(shù)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(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)的變化呈現(xiàn)出一定的變化規(guī)律,為進一步分析變化規(guī)律,對地上和地下植物量隨著植被蓋度和植物種數(shù)的變化關系進行了曲線方程擬合。擬合結(jié)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(shù),其相關系數(shù)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(shù)的變化關系分別擬合對數(shù)和二次函數(shù),其相關系數(shù)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(shù)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(shù)的的函數(shù)式Table 3 Formula between aboveground and underground biomass and vgetation coverage and species under different land use patterns

3 討論與結(jié)論

(1)地上植物量是反應生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的指標[12]。研究區(qū)不同土地利用方式地上植物量表現(xiàn)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?shù)匾荒晟帑満蛢?yōu)質(zhì)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(yǎng)物質(zhì),供給地上部分營養(yǎng)和水分,調(diào)節(jié)植物的生長發(fā)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(fā)育都起著重要的作用[13,14]。研究區(qū)不同土地利用方式地下植物量表現(xiàn)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(jié)果表明,植被的地下植物量分配特征與高寒地區(qū)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(yōu)良牧草是典型高寒草甸的優(yōu)勢種植物,是家畜的優(yōu)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(jié)果一致[8]。同時研究發(fā)現(xiàn),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(jié)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(shù)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(shù)變化;地下植物量隨植被蓋度、物種數(shù)的變化關系分別擬合對數(shù)和二次函數(shù),均為極顯著相關(P＜0.01)。

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