植被退化定量監(jiān)測與評價研究進展

安 雁 ,上官鐵梁 ,李新平 ,武秀娟

(1.山西大學黃土高原研究所 ,山西 太原 030006;2.山西省林業(yè)科學研究院,山西 太原 030012)

近 60 a來,由于人類不合理的活動及不利自然因素的影響,導致一系列環(huán)境失調(diào)問題,特別是陸地植被的大規(guī)模破壞已經(jīng)極大地威脅到人類自身的生存和發(fā)展[1,2]。從20世紀60年代學術(shù)界就開始關(guān)注植被退化問題,在植被退化程度、退化的驅(qū)動力與退化防治對策等方面都進行過較為系統(tǒng)的研究[3,4]。本文重點對植被退化的研究歷程和退化程度的定量監(jiān)測評價方法加以回顧與總結(jié),旨在為相關(guān)領(lǐng)域的深入研究提供理論參考。

1 研究歷程

植被退化的研究始于20世紀60年代,最初關(guān)注的是放牧條件下草地植被退化和森林植被皆伐后的灌叢演替,在研究方法上沿用了數(shù)量生態(tài)學方法。經(jīng)過30多年的研究基本形成了較成熟的理論體系,植被退化的評價方法也日趨完善。1989年我國特大洪水發(fā)生后,植被退化對森林水文造成了全國性災害,其損失是建國后少有的,這就使得植被退化研究成為學術(shù)界關(guān)注的熱點。其中,森林植被退化的成因和森林植被保護及恢復研究成為植被退化研究領(lǐng)域的主流,研究空間展開到全國不同地域。

21世紀以來,應用 3S技術(shù)對大空間尺度的植被退化研究成果頗多[5-9],這些研究成果把人類認識植被退化的視角從局部近距離直接介入性的研究推向區(qū)域性整體的定量模擬研究。廣泛定量化分析手段的應用,極大地提高了植被退化理論研究的深度和可預見性。植被退化的研究對象涵蓋了森林、草地和灌叢等多樣性植被類型,研究內(nèi)容包括植被退化的成因、退化過程和機理、退化植被生態(tài)特征等方面。研究理論更加系統(tǒng),研究方法日臻完善,從而為植被退化的研究提供了全面系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)[10-13]。

2 研究方法

植被退化的分異性通常是采用梯度觀測或干擾強度測定而實現(xiàn)的,如:過度放牧區(qū)可通過考察放牧強度變化,進而分析放牧區(qū)植被退化的空間格局隨放牧強度的梯度變化[14]。借助排序法確定區(qū)域植被退化梯度被認為是有效的方法,通過排序能夠反映出植被群落隨主要環(huán)境因子的變化情況,進而確定出不同退化程度植被群落的分布格局[15]。據(jù)此,可由植被退化的不同梯度定量評價退化程度。

植被退化評價包括單項因子與多項因子的評價。單項因子評價是采用植被層的指示種、標志種、生物量等指標之一對植被退化程度進行監(jiān)測評價。多項因子評價是采用植被層的多個數(shù)量指標或植被—土壤理化性質(zhì)、植被—土壤微生物、植被—土壤種子庫對植被退化程度進行監(jiān)測評價。在對植被退化程度采用植被—土壤系統(tǒng)評價時,通常對土壤因子與植被層的部分數(shù)量指標建立回歸等統(tǒng)計模型,進而確定植被退化的程度。

2.1 單項因子的植被退化評價

2.1.1 指示種或標志種評價

種類組成變化是植被演替的結(jié)果,他能夠反映植被退化的性質(zhì)和趨勢。在數(shù)量生態(tài)學方法的基礎(chǔ)上,采用統(tǒng)計學方法篩選出能反映不同退化程度的指示種或標志種,運用這些物種的數(shù)量特征可對植被退化梯度的植物群落類型做出定量評價。樊勝岳等[16]通過指示種狼毒的蓋度將植被群落劃分為不同程度的退化等級,并判定天然草原植被群落優(yōu)勢種逐漸由狼毒替代。 Lakhdar和 Daniel[17]對美國懷俄明州Thunder盆地國家草原進行主成分分析和聚類分析,篩選出能反映不同退化程度的主要植物,通過對主要植物指數(shù)判別分析,建立了不同退化系列的動態(tài)監(jiān)測模型,提出最大監(jiān)測值所對應的退化指數(shù)就是該植被當前所處的退化階段的觀點。我國內(nèi)蒙古錫林郭勒草地退化程度的等級由主成分分析和聚類分析篩選出的主要植物物種來反映,所建立的不同退化程度的動態(tài)監(jiān)測模型表明:最小監(jiān)測值所對應的退化程度可代表該區(qū)域草地當前所處退化階段[18]。

2.1.2 生物量評價

植物群落的生物量生產(chǎn)力是研究森林物質(zhì)生產(chǎn)和群落養(yǎng)分動態(tài)的基礎(chǔ)[19],然而傳統(tǒng)研究只是采用樣方收獲法或回歸模型法測定生物量,從而對不同退化系列的植被群落進行定量評價。魏興虎等[14]通過方差分析對那曲高寒草甸圍欄禁牧區(qū)和不同程度放牧區(qū)地上現(xiàn)存總生物量及建群種生物量兩兩之間進行比較,進而客觀、定量地評價出該放牧區(qū)植被退化的相異程度。近年來運用地統(tǒng)計學理論對生物量空間分布異質(zhì)性的研究也受到關(guān)注。Huenneke[20]對美國新墨西哥州 Chihuanhuan沙漠植被研究后,指出半干旱草地退化到荒漠灌叢,灌叢植被生產(chǎn)力的空間分布異質(zhì)性增強。安樹青等[21]采用地統(tǒng)計學軟件對鄂爾多斯草地荒漠化過程中的不同植物群落個體生物量建立最優(yōu)模型后,定量評價出不同退化程度植物群落的空間分布異質(zhì)性。

2.2 多項因子的植被退化評價

2.2.1 植被層的多個數(shù)量指標評價

將單一指標作為植被退化的分類依據(jù)往往會出現(xiàn)一定偏差,采用多指標綜合判斷植被退化程度能夠更客觀準確地反映退化現(xiàn)狀[14]。因此,采用多指標綜合評價植被退化的研究相對較多。如:劉東霞等對呼倫貝爾退化草地的高度、蓋度、密度、地上生物量、物種多樣性[22,23]、質(zhì)量指數(shù)[24]及群落結(jié)構(gòu)組成進行定量分析后,評價出該草地不同退化程度的狀況[25]。李裕元等[26]對黃土高原紫花苜蓿草地不同退化階段群落結(jié)構(gòu)組成、種群密度、重要值及總生產(chǎn)力定量分析后,評價出了各階段的退化特征。樊勝岳等[27]在甘肅省祁連山區(qū)對退化草地群落優(yōu)勢種的地上生物量、密度、蓋度、重要值及物種多樣性進行定量分析后,評價出該地區(qū)草地所處的不同退化程度。馬世震等[28]在黃河源頭比較了退化區(qū)與未退化區(qū)的植被蓋度、物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)組成,進而定量分析出該地區(qū)高寒草原退化的特征。全曉毅等[29]在青海省共和盆地比較了退化區(qū)與未退化區(qū)的群落結(jié)構(gòu)組成、植被蓋度及物種多樣性,從而定量評價了該地區(qū)溫性草原退化的特征。

2.2.2 基于土壤理化性質(zhì)的評價

20世紀 90年代初,張為政等[30-32]采用回歸分析方法對松嫩平原不同退化程度的牧草的相對蓋度、重要值及相對地上生物量與土壤電導率和堿化度之間的關(guān)系進行了研究,并得到合理的結(jié)果。近年來,曲國輝等[33]在松嫩平原通過對不同退化階段群落生物量與土壤 pH值、含鹽量、堿化度、土壤腐殖質(zhì)和全氮含量進行一元回歸分析,得到群落的生物量與土壤 pH值、含鹽量、堿化度呈負相關(guān),與土壤腐殖質(zhì)和全氮含量呈正相關(guān)的結(jié)論。文海燕等[34]在內(nèi)蒙古科爾沁退化沙質(zhì)草地采用 Spearman's次相關(guān)分析和回歸分析法描述各退化階段草本植被與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,并得出退化過程中草本植被各數(shù)量特征與土壤有機質(zhì)、全氮、全磷及有效氮含量呈極顯著正相關(guān)水平的結(jié)論。也有一些學者未采用任何統(tǒng)計學方法,但也得出較為合理的結(jié)論。如:周華坤等與張勁峰等[35,36]分別對青藏高原高寒草甸和云南西北亞高山林地退化植被—土壤系統(tǒng)進行了評價,在劃分好的各個退化程度不同的草地和林地上,分別采用植被數(shù)量指標和土壤理化指標對其進行評價,最后得到了較為客觀合理的結(jié)論。曹廣民等[37]在中國科學院海北生態(tài)定位站研究高寒草甸—土壤系統(tǒng)時,利用土壤—牧草氮素的供需情況來評價處于不同退化階段的草甸類型,表明前 3個退化程度依次加重的草甸類型的需氮總量依次增多,并且都遠遠超出其土壤氮素供給,只有退化程度最嚴重的雜類草草甸的需氮總量才低于其土壤氮素的供給。

由于植被類型是以群落優(yōu)勢種為指標的,所以,研究植被類型與土壤理化性質(zhì)關(guān)系時,只需對不同退化程度的草地類型或林地類型的土壤理化因子進行定量分析,即可達到監(jiān)測評價的目的。李貴才等[38-40]在云南哀牢山中山濕性常綠闊葉林地區(qū),采用單因素方差分析和 Duncan多重比較檢驗分析了不同退化程度林地類型土壤無機氮庫的差異,作為有效氮主要形式的銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)水平,硝態(tài)氮差異也呈極顯著水平,但硝態(tài)氮的含量遠低于銨態(tài)氮。

2.2.3 基于土壤微生物的評價

土壤微生物在土壤中的數(shù)量和分布既反映了土壤各因子對微生物的影響,也反映了微生物對植物生長發(fā)育、土壤肥力的影響和作用[41,42]。人天志指出土壤微生物指標被公認為是生態(tài)系統(tǒng)變化的預警和敏感指標[43]。國內(nèi)外對退化植被—土壤微生物系統(tǒng)的研究報道也較多。Stephan A等[44]在2000年開展了植物多樣性與草地土壤微生物關(guān)系的研究,在數(shù)據(jù)分析中采用多元逐步回歸方法對物種多樣性與土壤微生物類群菌數(shù)進行相關(guān)性分析。尚占環(huán)等[45]于 2007年在青藏高原江河源區(qū)對不同退化程度的草地的植被數(shù)量特征與土壤微生物相關(guān)分析得知細菌數(shù)量與植被蓋度呈正相關(guān),真菌數(shù)量與植被物種數(shù)呈顯著正相關(guān),放線菌數(shù)量與植被總生物量呈顯著負相關(guān)。林超峰等[46]于2007年在青海三江源通過比較不同植被類型生態(tài)區(qū)土壤微生物數(shù)量得知土壤微生物3大類群菌數(shù)隨退化程度的加重呈下降趨勢,真菌和放線菌的種類組成趨于簡單化。

2.2.4 基于土壤種子庫的評價

土壤種子庫是一個潛在的植物群落體系,是退化植被恢復發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),可以在一定程度上反映植被的未來發(fā)展方向,對植被的演替和更新具有重要的意義[48]。鑒于此,通過植被—土壤種子庫來評價植被退化程度具有非常重要的意義。但是,對土壤種子庫的調(diào)查相對繁瑣,因為土壤中的種子要采用萌發(fā)試驗才能研究其數(shù)量特征,進而與地表植被的數(shù)量特征進行比較分析。 Touzard B等[47]在法國西部研究過濕地退化對土壤種子庫和地表植被的影響[48]。國內(nèi)于 21世紀初開展過此類研究,如:徐海量等[49,50]在塔里木河下游選出不同程度的退化區(qū)作為研究對象,調(diào)查各個退化區(qū)樣地內(nèi)的植物種類、各種個體數(shù)、各種蓋度和各種頻度,并計算其生物多樣性。種子庫與地表植被的相似性采用Sorensen相似性系數(shù)計算,結(jié)果表明:隨著退化程度的加重,地上植被密度和蓋度普遍降低;土壤種子庫密度呈下降趨勢,物種減少,多樣性指數(shù)降低,優(yōu)勢種組成趨于單一;土壤種子庫物種組成與地表植被物種組成的相似性呈遞減趨勢。沈有信等[51]在云南東南部典型巖溶地點調(diào)查并計算了不同退化植被類型土壤種子庫的數(shù)量、密度、垂直分布,以及各生活型的主要物種及其種子儲量占總儲量的比例,總結(jié)出各退化區(qū)域種子密度都隨土層的加深而逐漸減少,且隨著退化程度的加重,減少的趨勢也會加重。歐祖蘭等[52]在廣西西南峰叢洼地對不同退化階段植被土壤種子庫的密度、物種類型及豐富度、種子垂直分布格局進行調(diào)查,并分析了草叢階段到喬灌林階段地上植被與土壤種子庫的相關(guān)性,得知二者間的相關(guān)性呈降低趨勢。

3 問題與展望

植被退化研究的方法缺乏綜合與集成,雖然部分研究已逐步注重定量化,但多數(shù)研究仍局限在單項技術(shù)或方法上,并且方法也千差萬別,如:對不同區(qū)域植被層的物種評價結(jié)果與生物量評價結(jié)果根本無法比較,某一區(qū)域中植被與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系與另外區(qū)域植被與土壤微生物的關(guān)系也同樣無法比較。因此對各評價方法的優(yōu)化集成和綜合化是當務之急。另外,研究方法仍然多以定性分析為主,缺乏更深入的定量研究,也缺乏多學科、多角度、全面研究植被退化的視野[53]。目前由 Ludwig JA等[54]針對牧場和礦區(qū)編寫的景觀功能監(jiān)測與評價方法(Landscape Function Analysis LFA)已經(jīng)引入我國,他是一種全面系統(tǒng)、快速簡單的監(jiān)測評價方法,預計未來將會在我國乃至世界的植被退化監(jiān)測評價中發(fā)揮很大的作用。

[1] 陳靈芝.中國的生物多樣性現(xiàn)狀及其保護對策[M].北京:科學出版杜,1993.

[2] 包維楷,陳慶恒.岷江上游山地生態(tài)系統(tǒng)的退化及其恢復與重建對策[J].長江流域資源與環(huán)境,1995,4(3):277-282.

[3] 包維楷,劉照光.岷江上游大溝流域驅(qū)動植被退化的人為干擾體研究[J].應用與環(huán)境生物學報,1995,5(3):233-239.

[4] 李 博.中國北方草地退化及其防治對策[J].中國農(nóng)業(yè)科學,1997,30(6):1-9.

[5] AK Birky.NDV Iand a simp ly model of deciduous forest seasonal dynam ics[J].Ecological Modelling,2001(143):43-58.

[6] MM Boer,JPuigdefàbregas.Assessment of dry land condition using remotely sensed anomalies o f vegetion index[J].International Journal o f Remote Sensing,2005,26(20):4 045-4 046.

[7] 索安寧,周 睿,洪 軍,等.基于遙感和 GIS的黃土高原小流域植被退化研究 [J].北京師范大學學報,2005,41(2):181-184.

[8] 孫根年,王美紅.內(nèi)蒙古植被覆蓋與土地退化關(guān)系及空間結(jié)構(gòu)研究 [J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(2):140-144.

[9] 薛存芳,張 瑋.基于MODIS數(shù)據(jù)的內(nèi)蒙古草地植被退化動態(tài)監(jiān)測研究 [J].國土資源遙感,2009,80(2):97-101.

[10] 白 福,李文鵬,黎志恒.黑河流域植被退化的主要原因分析[J].干旱區(qū)研究,2008,25(2):219-224.

[11] 汪詩平.青海省三江源地區(qū)植被退化原因及其保護對策 [J].草業(yè)學報,2003,12(6):1-9.

[12] 陳 維,段生燕,彭愛加.瓜州綠洲植被退化原因及保護對策[J].甘肅林業(yè)科技,2008,33(2):46-50.

[13] 拉 旦.青海省高寒草甸植被退化因素分析及對策[J].四川草原,2005,115(6):47-50.

[14] 魏興虎,楊 萍,李 森,等.超載放牧與那曲地區(qū)高山嵩草草甸植被退化及其退化指標的探討[J].草業(yè)學報,2005,14(3):41-49.

[15] 章異平,江 源,劉全儒,等.放牧壓力下五臺山高山、亞高山草甸的退化特征[J].資源科學,2008,30(10):1 555-1 563.

[16] 趙成章,樊勝岳 ,殷翠琴,等.毒雜草型退化草地植被群落特征的研究 [J].中國沙漠,2004,24(4):507-512.

[17] Benkobi L,U resk DW,Schenbeck G,et al.Protocol formonitoring stanging crop in grasslands using visual obstruction[J].Journal o f Rangeland M anagement,2000(53):627-633.

[18] 鄭淑華,蔡睿類 ,趙萌莉,等.貝加爾針茅+線葉菊草地退化系列的定量劃分和動態(tài)模型的建立[J].干旱區(qū)研究,2008,25(6):766-771.

[19] 孔維靜,鄭 征.岷江上游茂縣退化生態(tài)系統(tǒng)及人工恢復植被地上生物量及凈初級生產(chǎn)力 [J].山地學報,2004,22(4):445-450.

[20] Huenneke LF,Anderson JP,Remmenga M,et al.Desertification alters patterns of aboveground net p rimary production in Chihuanhuan ecosystem s[J].Global Change Biology,2002,8(3):247-264.

[21] 程曉莉,安樹青 ,欽 佩,等.鄂爾多斯草地退化過程中植被地上生物量空間分布的異質(zhì)性 [J].生態(tài)學報,2003,23(8):1 526-1 532.

[22] 馬克平.生物群落多樣性的測度方法:α多樣性的測度方法(上)[J].生物多樣性,1994,2(3):162-168.

[23] 馬克平.生物群落多樣性的測度方法:α多樣性的測度方法(下)[J].生物多樣性,1994,2(4):231-239.

[24] 張大勇,王 剛,杜國禎.甘南山地草原人工草場的演替[J].植物生態(tài)學報,1990,14(2):103-109.

[25] 劉東霞,盧欣石,李文紅.呼倫貝爾退化草地植被演替特征研究 [J].干旱區(qū)資源與環(huán)境,2008,22(8):103-110.

[26] 李裕元,邵明安 ,上官周平,等.黃土高原北部紫花苜蓿草地退化過程與植被演替研究 [J].草業(yè)學報,2006,15(2):85-92.

[27] 趙成章,樊勝岳 ,殷翠琴,等.祁連山區(qū)退化草地植被群落結(jié)構(gòu)特征的研究[J].中國草地,2004,26(2):26-30.

[28] 馬世震,彭 敏 ,陳桂琛,等.黃河源頭高寒草原植被退化特征分析[J].草業(yè)科學,2004,21(10):19-22.

[29] 全曉毅,拉元林 ,周 先,等.共和盆地溫性草原植被退化特征分析[J].四川草原,2005,119(10):41-44.

[30] 張為政.松嫩平原羊草草地植被退化與土壤鹽漬化關(guān)系[J].植物生態(tài)學報,1994,18(1):50-55.

[31] 郭繼勛,張為政,肖洪興.羊草草原的植被退化與土壤的鹽堿化[J].農(nóng)業(yè)與技術(shù),1994,812(2):39-43.

[32] 張為政,任 怡.羊草草地植被退化和土壤鹽漬化諸因子分析[J].牧草與飼料,1993,812(2):1-6.

[33] 曲國輝,郭繼勛.松嫩平原不同演替階段植物群落和土壤特性的關(guān)系[J].草業(yè)學報,2003,12(1):18-22.

[34] 文海燕,趙哈林.退化沙質(zhì)草地植被與土壤分布特征及相關(guān)分析[J].干旱區(qū)研究,2004,21(1):76-80.

[35] 周華坤,趙新全,周 立,等.青藏高原高寒草甸的植被退化與土壤退化特征研究[J].草業(yè)學報,2005,14(3):31-40.

[36] 張靜峰,宋洪濤,耿云芬,等.滇西北高山不同退化林地植被與土壤養(yǎng)分特征 [J].生態(tài)學雜志,2008,27(7):1 064-1 070.

[37] 曹廣民,吳 琴,李 東,等.土壤—牧草氮素供需狀況變化對干旱草甸植被演替與草地退化的影響[J].生態(tài)學雜志,2004,23(6):25-28.

[38] 李貴才,韓興國,黃建輝,等.哀牢山中山濕性常綠闊葉林不同干擾強度下土壤無機氮庫的變化 [J].應用生態(tài)學報,2003,14(8):1 251-1 256.

[39] LIGC,HAN XG,HUANG JH.N Mineralization and N itrification in a Primary Lithocarpus Xy locarpus Forest and Degraded Vegetation in the Ailao Mountain,Yunnan Province[J].Acta botanica sinica,2004,46(2):194-201.

[40] 李貴才,韓興國,黃建輝,等.哀牢山木果柯林及其退化植被下土壤無機氮庫的干季動態(tài)特征 [J].植物生態(tài)學報,2001,21(5):210-217.

[41] 吳建峰,林先貴.土壤微生物在促進植物生長方面的作用 [J].土壤 ,2003,(1):18-21.

[42] 陳聲明,林海萍,張立欽.微生物生態(tài)學導論 [M].北京:高等教育出版社,2007.

[43] 人天志.持續(xù)農(nóng)業(yè)研究中的土壤微生物指標 [J].中國農(nóng)業(yè)科學,2000,33(1):68-75.

[44] Stephan A.Sehmid B,Meyer A H.Plant diversity affec ts culturable soil bacteria in experimental grassland communities[J].Journal of Eco logy,2000(22):988-998.

[45] 尚占環(huán),丁玲玲 ,龍瑞軍,等.江河源區(qū)退化高寒草地土壤微生物與地上植被及土壤環(huán)境的關(guān)系[J].草業(yè)學報,2007,16(1):34-40.

[46] 林超峰,陳占全 ,薛泉宏,等.青海三江源區(qū)植被退化對土壤養(yǎng)分和微生物區(qū)系的影響[J].應用與環(huán)境生物學報,2007,13(6):788-793.

[47] Touzard B,Am iaud B,Lang lois E,et a l.The relationships between soil seed bank,aboveground vegetation and disturbances in an eutrophic a lluvial w etland of W estern France[J].Flora-Morpho logy,Distribution,Functional Ecology of Plant,2002,197(3):175-185.

[48] Osem Y,Perevolotsky A,Kigel J.Sim ilarity between seed bank and vegetation in a semi-arid annual p lant community: The role of productivity and grazing[J].Journal of Vegetation Science,2006,17(1):29-36.

[49] 徐海量,李吉玫 ,張占江,等.塔里木河下游退化荒漠河岸林地上植被與土壤種子庫關(guān)系初探[J].中國沙漠,2008,28(4):657-664.

[50] 李吉玫,徐海量 ,張占江,等.塔里木河下游不同退化區(qū)地表植被和土壤種子庫特征[J].生態(tài)學報,2008,28(8):3 626-3 636.

[51] 沈有信,江 潔 ,陳勝國,等.滇東南巖溶山地退化植被土壤種子庫的儲量與組成 [J].植物生態(tài)學報,2004,28(1):101-106.

[52] 歐祖蘭,呂仕洪 ,陸樹華,等.桂西南峰叢地洼地退化植被土壤種子庫的初步研究 [J].廣西植物,2006(26):643-649.

[53] 劉亞玲,潘志華,鄭大瑋.北方農(nóng)牧交錯帶植被退化與恢復研究[J].生態(tài)經(jīng)濟,2004(9):51-53.

[54] Ludwig JA,Tongw ay DJ,Bastin GN,et al.Monitoring eco logical indicators o f rangeland functional integrity and their relation to biodiversity at local to regional scales[J].Austral Eco logy,2004(29):108-120.