鹽池不同保護及恢復(fù)措施對植物多樣性的影響

劉 建,張克斌,孟力猛,陳 明,程中秋

(北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院,北京100083)

生物多樣性保護是當(dāng)今世界生物環(huán)境研究中的重要課題,是需要人類重視并加以很好解決的重大問題。生物多樣性是指地球上所有生物以及它們擁有的遺傳基因和它們構(gòu)成的生態(tài)系統(tǒng)之間的豐富度、多樣性、變異性和復(fù)雜性的總稱[1-2]。研究認(rèn)為,生物多樣性包括遺傳多樣性、物種多樣性和生態(tài)系統(tǒng)多樣性。物種多樣性是指物種種類與數(shù)量的豐富程度[3],是一個區(qū)域或一個生態(tài)系統(tǒng)可測定的生物學(xué)特征[4]。尤其對半干旱區(qū)來說,生態(tài)系統(tǒng)比較脆弱,生物多樣性受到包括人為活動在內(nèi)的各種因素的嚴(yán)重威脅。因此研究西北半干旱區(qū)生物尤其是植物多樣性,對于該區(qū)的生態(tài)建設(shè)及退化草地的恢復(fù)都具有重要的現(xiàn)實意義[5]。本研究以地處西北半干旱區(qū)的寧夏鹽池縣為對象,根據(jù)不同植被保護及恢復(fù)措施選擇樣地類型,進行不同樣地類型植物群落特征、植物多樣性的研究,為區(qū)域植物多樣性保護提供基礎(chǔ)研究資料;力求尋找半干旱區(qū)沙化草地植被恢復(fù)的較好措施。

1 研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部,北緯37°04′-38°10′,東經(jīng) 106°30′-107°41′。北與毛烏素沙漠相連,南靠黃土高原,地勢南高北低,海拔高度在1 295～1 951 m。該縣屬于典型中溫帶大陸性氣候,年均氣溫為8.1℃,極端最高均溫為34.9℃,極端最低溫為24.2℃,年均無霜期為165 d;年降水僅250～350 mm,且從東南向西北遞減。土壤類型以灰鈣土為主,其次是黑壚土和風(fēng)沙土,此外有黃土,少量的鹽土、白漿土等。植被類型有灌叢、草原、草甸、沙地植被和荒漠植被。其中灌叢、草原、沙地植被數(shù)量較大,分布也廣。草原分干草原和荒漠草原,常見植物種類以旱生和中旱生類型為主[6]。

2 研究方法

2.1 典型樣地設(shè)置

本研究結(jié)合“全國荒漠化定位監(jiān)測”項目,根據(jù)不同植被保護及恢復(fù)措施在鹽池縣布設(shè)典型樣地,樣地類型分為：老封育區(qū)草地、新封育區(qū)草地(2002年開始封育)、退耕地、天然草地。老封育區(qū)為20世紀(jì)90年代初封育,距今已有20 a時間,記作樣地 L;新封育區(qū)在地理位置上緊鄰老封育區(qū),自2002年開始封育,2002年之前受人為放牧活動干擾較大,記作樣地X;退耕地選擇鹽池兩塊相鄰典型退耕地,退耕時間為2001年,記作樣地T;天然草地選擇鹽池縣城南7 km無量殿附近的草地,由于地勢較高,受人為干擾較少,有輕度放牧等人為活動,記作樣地N。

2.2 外業(yè)調(diào)查

選擇植物生長季節(jié)(7-8月)進行外業(yè)調(diào)查,調(diào)查內(nèi)容包括：植物種數(shù)、株數(shù)、高度、蓋度、生物量(鮮重量)等。在不同樣地類型依據(jù)具體情況設(shè)置數(shù)量不等的樣方。由于研究區(qū)以多年生草本植物為主,樣方取1 m×1 m規(guī)格。共計調(diào)查樣方157個。

2.3 數(shù)據(jù)處理

2.3.1 重要值計算

2.3.2 植物群落聚類分析 本文嘗試?yán)媒y(tǒng)計分析軟件SPSS的分層聚類(Hierarchical Cluster)方法,以各樣地植物的重要值為要素進行聚類分析,從而確定各個群落的主要植物組成。

2.3.3 植物多樣性指數(shù)計算

豐富度指數(shù)(R) R1=S (2)

綜合多樣性指數(shù)(Y)

Simpson多樣性指數(shù) D=1/∑P2i (4)Shannon-Wiener指數(shù) H=-∑Pi ln Pi (5)其中： Pi=Ni/N

均勻度指數(shù)(E) E1=H/ln(S) (6)

式中：S——樣地的植物物種數(shù);N——樣地中各種植物個數(shù)的總和;Ni——樣地中第 i種植物的個數(shù);Pi——樣地中第i種植物的個數(shù)占樣地中各種植物個數(shù)總和的百分比;R1,R2——植物豐富度指數(shù);D ——Simpson多樣性指數(shù);H——Shannon-Wiener指數(shù);E1,E2——植物均勻度指數(shù)。

另外,有關(guān)植物多樣性計量指標(biāo)的選擇,可參考相關(guān)文獻[7-8]。

3 結(jié)果分析

3.1 不同樣地類型植物群落結(jié)構(gòu)分析

結(jié)合植物重要值,對不同樣地的植物群落利用SPSS軟件的分層聚類(Hierarchical Cluster)方法進行分析。結(jié)果表明：老封育區(qū)共出現(xiàn)16種植物,其中以豆科和菊科為主。其中菊科占 37.5%,豆科占31.25%。此外,大戟科、禾本科、藜科、蘿藦科、紫葳科各占6.25%。主要群落類型分別是：(1)阿爾泰狗娃花(Heteropap pus altaicus)+叉枝鴉蔥(Scorzonera divaricata)+黑沙蒿(Artemisia ordosica)群落;(2)絲葉山苦荬(Ixeris chinensis)+楊柴(Hedyasrum mongolicum)群落;(3)角蒿(Incarvillea sinensis)+苦豆子(Sophora alopecuroides)群落。

新封育區(qū)共出現(xiàn)20種植物,和老封育區(qū)情況類似,同樣以豆科和菊科為主。其中,豆科占35%,菊科占30%。此外,禾本科占15%,藜科、蘿藦科、遠(yuǎn)志科、紫葳科各占5%。主要群落類型分別是：(1)豬毛蒿(Artemisia Scoparia)+賴草(Leymus secalinus)群落;(2)阿爾泰狗娃花+黑沙蒿群落;(3)角蒿+苦豆子群落。

退耕地共出現(xiàn)植物16種,其中豆科、菊科、禾本科植物各占18.75%,藜科占12.5%,大戟科、蒺藜科、蘿藦科、旋花科、遠(yuǎn)志科各占6.25%;主要群落類型分別是：(1)沙鞭(Psammochloa villosa)+叉枝鴉蔥(Scorzonera divaricata)群落;(2)賴草+老瓜頭(Cynanchum komarovii)群落;(3)乳漿大戟(Euphorbia esula Linn.)+絲葉山苦荬+多裂駱駝蓬(Peganum multisectum)+達烏里胡枝子(Lespedeza davurica)群落。

天然草地共出現(xiàn)植物29種,植物種類較豐富,其中豆科、菊科植物各占27.59%、禾本科占17.24%,石竹科占6.90%,此外,百合科、蘿藦科、十字花科、旋花科、遠(yuǎn)志科、藜科各占3.45%。主要群落類型分別是：(1)老瓜頭+達烏里胡枝子-阿爾泰狗娃花群落;(2)尖葉細(xì)石竹(Dianthrus spiculif olius)-賴草+貓頭刺(Oxytropis aciphy lla)-豬毛蒿群落;(3)黑沙蒿-苦豆子+狹葉草原霞草(Gypsophila oldhamiana)群落;Ⅳ.沙鞭-草木樨狀黃芪(As-tragalusmelilotoides)+叉枝鴉蔥群落。

植物群落是環(huán)境因子的綜合結(jié)果,不同自然和人為因素造成了不同的植物群落特征[9]。從植被聚類結(jié)果可以看出,各種植物的生活型及生長型表現(xiàn)出一定程度的差異性。分別結(jié)合各個樣地植物物種重要值進行分析,可以得出如下結(jié)果：老封育區(qū)形成了以菊科阿爾泰狗娃花為優(yōu)勢種的植物群落,新封育區(qū)形成了以菊科豬毛蒿為優(yōu)勢種的植物群落,退耕地形成了以禾本科沙鞭為優(yōu)勢種的植物群落,天然草地則形成了以菊科阿爾泰狗娃花、豆科達烏里胡枝子、蘿藦科老瓜頭共為優(yōu)勢種的植物群落。

植被的恢復(fù)過程就是植物群落演替的過程。大多數(shù)情況下,植物演替都是按照由簡單到復(fù)雜,由低級到高級的方向順行發(fā)展的。順行演替的植物群落主要有以下表現(xiàn)[10]：植物群落的高度、質(zhì)量和層次分化的增加;種類成分越來越豐富;長命的植物占優(yōu)勢,群落的相對穩(wěn)定性提高。結(jié)合本研究內(nèi)容分析,阿爾泰狗娃花、豬毛蒿、沙鞭為多年生草本植物,達烏里胡枝子為草本狀半灌木,老瓜頭為直立半灌木?？梢?老封育區(qū)、新封育區(qū)以及退耕地植被群落的優(yōu)勢種均為多年生草本,而天然草地的優(yōu)勢種主要為半灌木,并且形成了以3種植物共為優(yōu)勢種的植物群落,加之天然草地的植物種類更加豐富,顯然天然草地比其他3類樣地植被群落更加穩(wěn)定。

3.2 不同樣地類型植物多樣性分析

2009年不同樣地類型植物多樣性指數(shù)見表1。豐富度指數(shù)反映了樣地植物物種的豐富程度,即物種種類的多少。而物種豐富度主要取決于各種生態(tài)因子以及非生態(tài)因子,如土壤含水量、土壤養(yǎng)分、地形地貌以及人為活動等?？梢钥闯?不同樣地類型植物多樣性存在較大差異。天然草地的植物物種豐富度最高,植物種類達到29種,豐富度指數(shù)R2為 3.684;其次為新封育區(qū),植物種類為20種,豐富度指數(shù)R2為2.517;再次為退耕地,植物種類為16種,豐富度指數(shù)R2為2.504;老封育區(qū)植物種類為 16種,其R2為2.171,為4類樣地類型中最小。天然草地雖未采取人工保護措施,可是由于其所處的地勢較高,人為干擾活動較少,植被生長良好,植物種類較多;新封育區(qū)的植物物種豐富度指數(shù)高于老封育區(qū),同時低于天然草地,這表明封育時間的長短會影響植物物種的豐富程度;老封育區(qū)草地自20世紀(jì)90年代初封育以來,實行嚴(yán)格的保護,幾乎不受人為活動的干擾,以往歷年的野外調(diào)查數(shù)據(jù)及研究成果表明[11],在封育后的最初4～5 a內(nèi),植被恢復(fù)迅速,植物物種數(shù)迅速增加,可之后又呈下降態(tài)勢。長期以來,干擾的生態(tài)學(xué)意義一直未引起足夠的重視。隨著研究的深入,發(fā)現(xiàn)干擾在物種多樣性形成和保護中起著重要的作用。中度干擾不僅對植物生長無害,而且可以促進植被的恢復(fù)。老封育區(qū)草地在封育之前受到重度干擾,植被遭到嚴(yán)重破壞。由于人工封育措施的實施,植物不再受重度干擾的影響,從而能迅速的恢復(fù)。但是,在完全封育及缺少干擾的情況下,植被同樣不能良好的恢復(fù)和生長。植被恢復(fù)的過程就是群落的建立和演替過程,核心是物種的更替。物種更替是群落環(huán)境演變、物種的環(huán)境適應(yīng)性、競爭作用等種間關(guān)系幾方面共同作用的結(jié)果和集中表現(xiàn),這幾方面的變化是互動的[12]。2007-2009年老封育區(qū)草地的植物多樣性指數(shù)見表2,從中可以看出,3 a間老封育區(qū)各項植物多樣性指數(shù)包括豐富度指數(shù)呈逐年下降趨勢。2007年外業(yè)調(diào)查出現(xiàn)31種植物,2009年僅為16種,種類幾乎減少一半。短短3 a內(nèi)植物物種數(shù)大幅度減少。這和上文中的群落分析結(jié)果相吻合,都說明了老封育區(qū)草地植被群落處于不穩(wěn)定狀態(tài),很容易受外界環(huán)境因素的影響。半干旱區(qū)內(nèi)降雨是影響植物物種數(shù)量的主要環(huán)境因素。因為半干旱區(qū)植物生活型主要以草本為主,其中一年生草本植物數(shù)量占有一定比例,如小畫眉草、狗尾草等,這類植物受降雨量的影響大。本研究野外調(diào)查開始時間為每年7月中旬,所以每年上半年的降雨量對調(diào)查時植物的生長狀況起到重要影響作用。由于老封育區(qū)草地從20世紀(jì)90年代初就開始封育,至今已有20 a時間,這期間幾乎沒有受到人為干擾,導(dǎo)致土壤結(jié)皮比其他樣地要厚很多。并且隨著封育時間的延伸,沙質(zhì)土壤生物結(jié)皮不斷加厚,入滲土壤的有效降雨以及被植物利用的有效降雨減少,從而使得老封育區(qū)的植物相對于其他樣地的植物更加受到降雨因素的限制。2007-2009每年上半年的降雨量分別為：120.6,30.0,40.7 mm?？梢悦黠@看出,由于2008年、2009年上半年的降雨量極為稀少,導(dǎo)致某些本來就數(shù)量稀少的植物進一步減少甚至消失。又由于老封育區(qū)草地植物群落的不穩(wěn)定性,從而導(dǎo)致外業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)所顯示的物種數(shù)量大幅度減少。

表1 不同樣地類型植物多樣性指數(shù)

表2 老封育區(qū)2007-2009年植物多樣性指數(shù)

均勻性指數(shù)反應(yīng)了植物空間分布的均勻程度,植物在空間分布越均勻,其均勻性指數(shù)也就越大。如果均勻性指數(shù)較小,則說明植物分布較集中。從表1中可以看出,退耕地均勻性指數(shù)最大：E1、E2分別為0.843,0.623,這說明退耕還草對植物恢復(fù)起到了重要的作用;其次為天然草地：E1、E2分別為0.835,0.558,由于天然草地地勢較高,人為干擾較少,加之天然草地植物群落已發(fā)展成較為穩(wěn)定的狀態(tài),其均勻性指數(shù)同樣較大;再次為新封育草地,其均勻性指數(shù)E1、E2分別為0.797,0.521,新封育區(qū)相對于老封育區(qū)而言,封育年限相對較短,生物結(jié)皮對水分下滲的影響較之老封育區(qū)小,因而降雨相對地能更好的被利用,更有利于植物的生長,所以在一定程度上使得其均勻性指數(shù)相對于老封育更大;均勻性最小的是老封育區(qū)草地,其E1、E2分別為 0.663,0.353。因此有理由認(rèn)為較長時間的封育使得植物缺少人為的適度干擾,而且過厚的土壤結(jié)皮使得植物灌叢化生長,最終導(dǎo)致植物在空間上很難達到較均勻的分布。

綜合多樣性指數(shù)受豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)的雙重影響,綜合反映了植物的多樣性和植物在空間的分布情況。同時,綜合多樣性指數(shù)也在一定程度上反映了植物群落組成的結(jié)構(gòu)水平和群落的穩(wěn)定性,綜合多樣性指數(shù)越高,群落組成相應(yīng)地就越復(fù)雜,穩(wěn)定性也越高。本研究結(jié)果也印證了這一點。從計量結(jié)果來看,天然草地的綜合多樣性指數(shù)最大,D、H分別為12.593,2.810;其次為退耕地,D、H分別為7.994,2.336;再次為新封育區(qū)草地,D、H分別為7.668,2.389;最小的是老封育區(qū)草地,D、H分別為3.847,1.839。天然草地在人為活動比較適度的情況下,植物生長狀況較好,表明在輕度干擾的情況下,半干旱區(qū)植被具有較好的自我恢復(fù)能力;退耕地的綜合多樣性指數(shù)也較高,說明退耕還草在西北半干旱區(qū)確實是一種比較良好的植被恢復(fù)措施,適合全面推廣;而老封育區(qū)的各項多樣性指數(shù)在這幾種樣地類型當(dāng)中均是最小的,說明長期的完全封育并不能收到較好的植被恢復(fù)效果。

4 結(jié)論與討論

4.1 結(jié) 論

不同生境類型植物種類、群落結(jié)構(gòu)、優(yōu)勢種都表現(xiàn)出了不同特點。老封育區(qū)草地以菊科阿爾泰狗娃花群落為主;新封育區(qū)以菊科豬毛蒿群落為主;退耕地以禾本科沙鞭群落為主;天然草地以豆科達烏里胡枝子群落為主。

不同植被保護及恢復(fù)措施下植物物種多樣性存在較大的差異。天然草地?zé)o論是豐富度指數(shù)還是綜合多樣性指數(shù)均為這4類樣地類型中最高。以綜合多樣性指數(shù)D、H為例,天然草地為12.593,2.810;而老封育區(qū)草地的各項多樣性指數(shù)均最低,D、H分別僅為3.847,1.839,可以明顯看出二者之間存在著較大的差距。不過,這也說明只要采取合適的保護和封育措施,西北半干旱區(qū)被人為破壞的草地同樣可以恢復(fù)到和本研究中天然草地同樣生長良好的植被狀況。

4.2 討 論

在不同樣地類型中,天然草地由于受人類干擾活動適度,從而使得植被生長態(tài)勢良好。其相對于老封育區(qū)及新封育區(qū)較高的綜合多樣性指數(shù)說明：在人類和動物適度的干擾情況下,植物才能較好的恢復(fù)和生長。在鹽池縣,這種植被覆蓋度較高、長勢良好、植被群落相對穩(wěn)定的草地已不多見,其對當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)平衡起著比較重要的作用。因此,天然草地需要得到更好的保護,并可以進行適當(dāng)?shù)拈_發(fā)利用,以提高天然植被的利用效率。

退耕地的綜合多樣性指數(shù)僅次于天然草地,而且均勻性指數(shù)是幾類樣地類型中最高的。自國家實行退耕還林還草措施以來,退耕還林還草對植被恢復(fù)起到了重要作用。說明退耕還林還草確是行之有效的植被恢復(fù)措施,是西部大開發(fā)戰(zhàn)略中農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)建設(shè)和植被恢復(fù)中的一項重大的正確舉措。在不同植被恢復(fù)措施中,退耕還草較為有效。因此,我國的退耕還林還草政策,尤其對于西北半干旱地區(qū)而言,應(yīng)該繼續(xù)深入推行。

結(jié)合以往的研究和實際情況可知,人工封育在初期是一種效果非常明顯的植被恢復(fù)措施。但是,并不是封育年限越長,植被恢復(fù)的效果就越好。這主要是地表生物結(jié)皮造成的。隨著封育年限的增加,土壤表面由于枯落物和微生物的共同作用逐漸形成結(jié)皮,結(jié)皮中產(chǎn)生大量的水穩(wěn)性團聚體,有機質(zhì)增加,土壤的吸濕性、可塑性明顯提高,這在很大程度上改善了土壤結(jié)構(gòu),提高了土壤的持水性,并且減少了水分的蒸發(fā)。這在初期有利于植被的生長?？墒请S著植被覆蓋度的增加,越是植物下方結(jié)皮厚度就越大。結(jié)皮厚度過大,反而不利于水分的下滲,植被得不到充分的水分,從而影響了植被的持續(xù)恢復(fù)。

本研究中2007-2009年間老封育區(qū)的綜合多樣性指數(shù)呈不斷下降的趨勢,說明了封育效果并不是和封育時間呈線性增長關(guān)系。這和實際情況以及以往的研究結(jié)論是一致的。當(dāng)然,這其中降雨因素的影響是不可忽略的,西北半干旱區(qū)降雨量歷來較少,如再遇到干旱年份,自然會在很大的程度上影響植被的生長。但是在相同降雨條件下,新封育區(qū)多樣性指數(shù)卻維持基本穩(wěn)定。說明封育年限的長短對植物影響很大。國內(nèi)外對干旱區(qū)草場長期動態(tài)監(jiān)測的結(jié)果同樣表明,長期封育并不能提高草場的植被覆蓋度及生物量[13-15]。因此,人工封育區(qū)應(yīng)間隔一定周期(3～5 a)進行輪牧或刈割,這樣一方面可以使地面結(jié)皮松散,有利于降水下滲,從而為植被充分利用;另一方面可以抑制優(yōu)勢種的進一步擴張,使得伴生種等其他生存能力相對較弱的植物獲得生存空間和資源,從而增加物種多樣性,提高植被生產(chǎn)力。

[1] 王荷生,張鐿鋰.中國種子植物特有屬的生物多樣性和特征[J].云南植物研究,1994,16(3)：209-220.

[2] 陳炳浩.世界生物多樣性面臨危機及其保護的重要性[J].世界林業(yè)研究,1993,6(4)：1-6.

[3] 王伯蓀,彭少麟.植被生態(tài)學(xué)：群落與生態(tài)系統(tǒng)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)技術(shù)出版社,1997：5-12.

[4] 邱波,任青吉,羅燕江,等.高寒草甸不同生境類型植物群落的a及b多樣性研究[J].西北植物學(xué)報,2004,24(4)：655-661.

[5] 牛麗麗,張學(xué)培,曹奇光.西北干旱區(qū)生物多樣性研究[J].水土保持研究,2007,14(1)：223-225.

[6] 張克斌,李瑞,侯瑞萍,等.寧夏鹽池縣不同荒漠化治理措施植物多樣性研究[J].中國水土保持科學(xué),2004,2(4)：66-72.

[7] 王琳,張金屯,上官鐵梁,等.歷山山地草甸的物種多樣性及其與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系[J].應(yīng)用與環(huán)境生物學(xué)報,2004,10(1)：18-22.

[8] 常學(xué)禮,鄔建國.科爾沁沙地沙漠化過程中的物種多樣性[J].應(yīng)用生態(tài)報,1997,8(2)：151-156.

[9] 林鵬.植物生態(tài)學(xué)[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1986：113-114.

[10] 趙儒林,洪必恭,高兆杉,等.植物生態(tài)學(xué)概要[M].南京：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社,1983：245-248.

[11] 李瑞,張克斌,王百田,等.北方農(nóng)牧交錯帶不同植被保護及恢復(fù)措施物種多樣性研究[J].生態(tài)環(huán)境,2006,15(5)：1035-1041.

[12] Hiernaux P.Effects of grazing on plant species composition and spatial distribution in rangelands of the Sahel[J].Plant Ecology,1998,138：191-202.

[13] Greig-smith P.Quantitative Plant Ecology[M].Oxford：Blackwell Science Publications,1983：105-112.

[14] Omar S.Dynamics of range plants following 10 years of protection in arid rangelands of Kuwait[J].Journal of Arid Environments,1991,21：99-111.

[15] 楊曉暉,張克斌,侯瑞萍,等.封育措施對半干旱沙地草場植被群落特征及地上生物量的影響[J].生態(tài)環(huán)境,2005,14(5)：730-734.