土石山區(qū)人工補(bǔ)充種源對(duì)植物群落空間結(jié)構(gòu)的影響

王小軍

(忻州市水土保持科學(xué)研究所)

忻州市地處黃土高原的東部邊緣，是黃土高原向華北平原過渡的地帶，丘陵與土石山地貌插花分布，其土石山區(qū)面積占總土地面積的15.8%。該區(qū)地面坡度陡峻，土層較薄，雨水入滲不易，產(chǎn)流較快，部分滲入土壤的水分也在巖層與土層交界面形成溪流下泄，土壤中水分僅可維持灌草植被生長(zhǎng)，多數(shù)區(qū)域喬木林生存較為困難。該區(qū)植被有一定基礎(chǔ)，可以實(shí)現(xiàn)自然恢復(fù)，但喬木林分布較少，加上多年來人為(如火災(zāi)、過度放牧等)破壞，多數(shù)區(qū)域植被已經(jīng)退化為灌草型，涵養(yǎng)水源和保持水土的功能大幅度減退。如不采取切實(shí)可行的措施，必然導(dǎo)致植被持續(xù)退化，水土流失進(jìn)一步加劇，生態(tài)系統(tǒng)出現(xiàn)不可逆轉(zhuǎn)的惡化。

多年來在生態(tài)建設(shè)中偏重植被重建，忽視了生態(tài)系統(tǒng)的自然修復(fù)功能，人工措施過多地干預(yù)自然進(jìn)程，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成了不必要的擾動(dòng)，結(jié)果加劇了生態(tài)環(huán)境惡化。如造林中要產(chǎn)生30%－40%的林地創(chuàng)面，破壞了原來下墊面的枯落物和灌草植被以及種子賴以自然萌發(fā)更新的環(huán)境;較低的造林保存率又使補(bǔ)植過程產(chǎn)生對(duì)下墊面重復(fù)擾動(dòng)，導(dǎo)致植被生存環(huán)境不斷受損，影響了原生植被的自然更新。然而，僅靠自然演替實(shí)現(xiàn)復(fù)層植被，需要太長(zhǎng)時(shí)間。因此，我所于2003－2007年間承擔(dān)了山西省科技攻關(guān)項(xiàng)目科研課題，在寧武縣土石山區(qū)開展了人工補(bǔ)充種源、輕擾動(dòng)修復(fù)植被、加速植被恢復(fù)的試驗(yàn)研究?，F(xiàn)從水平和垂直兩個(gè)維度，分析有關(guān)試驗(yàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，初步探討人工補(bǔ)充種源對(duì)植被群落結(jié)構(gòu)演化的作用。

1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)示范區(qū)設(shè)在寧武縣汾河上游左岸的張家山流域，地理坐標(biāo)為北緯 38°35'36″－38°38'35″，東經(jīng)112°03'02″～ 112°06'46″?？偯娣e 15.03 km2，地貌類型為土石山區(qū)，屬生態(tài)修復(fù)全面封禁區(qū)。海拔高程1300－1600 m，為暖溫帶半干旱季風(fēng)氣候區(qū)，年平均氣溫6.5℃，極端最高氣溫36.7℃，極端最低氣溫－27.2℃，≧10℃積溫2430℃，多年平均降水量447.1 mm，年蒸發(fā)量 1951.2 mm，無霜期 123 d，年日照時(shí)數(shù)2849.5 h。土壤為山地灰褐土，平均土層厚度2－4 m，林草覆蓋率24.47%。植被類型以灌草植被為主，主要有沙棘、虎榛子、黃薔薇(馬茹茹)灌叢和長(zhǎng)芒草(狼刷)、艾蒿、白羊草混生黃薔薇灌草叢。喬木主要有油松、落葉松、山楊、白樺、旱柳等，零星分布在溝底和陰坡。地形破碎，水土流失嚴(yán)重，平均土壤侵蝕模數(shù)為3392.5 t/km2·a。

2 研究方法

2.1 種源補(bǔ)充方法

背景調(diào)查結(jié)果表明，該流域植被與大多數(shù)土石山區(qū)有著相同的特點(diǎn)，即草種豐富，多達(dá)48種，分布基本均勻，飽和度高;灌木種相對(duì)較少，有12種，呈片狀密集分布;喬木分布很不均勻，多數(shù)坡面及平地?zé)o喬木，零星分布的僅有5種。針對(duì)這些特征，確定人工補(bǔ)充種源的重點(diǎn)放在喬木和灌木上，灌木補(bǔ)充種源集中在分布稀疏之處，以便調(diào)整其水平分布格局;喬木則需因地制宜地大面積補(bǔ)充;草種可依靠其種籽和根系的自然擴(kuò)散恢復(fù)群落，不必人工補(bǔ)充。補(bǔ)充種源的強(qiáng)度，通過調(diào)查流域現(xiàn)有的天然喬灌樹種的種籽、根系的擴(kuò)散距離確定，以二代新植株與其母株的平均距離推算補(bǔ)充密度。其中，針葉樹補(bǔ)植密度控制在500－800株/hm2，灌木補(bǔ)植密度為2000－2500株/hm2。采用局部魚鱗坑整地，大營(yíng)養(yǎng)袋育苗栽植，以減少林地創(chuàng)面，提高成活率。喬木選擇油松與落葉松，灌木選擇檸條和沙棘，均為鄉(xiāng)土樹種。

2.2 樣地與樣方設(shè)置

在流域內(nèi)，選擇代表性地段建立了四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)地，分別代表退耕坡地、灌草坡、裸地和裸巖四種區(qū)域。補(bǔ)充種源前做一次背景調(diào)查。標(biāo)準(zhǔn)地大小采用水土保持試驗(yàn)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置，面積為10 m×20 m。在樣地內(nèi)分坡面上、中、下三個(gè)坡位設(shè)置樣方，在各坡位隨機(jī)設(shè)置一個(gè)2 m×2 m的植被樣方(每年重新設(shè)置)。各地類樣地情況見表1。

表1 流域片樣地基本情況

2.3 觀測(cè)內(nèi)容和方法

每年秋末分植物種統(tǒng)計(jì)各樣地內(nèi)每個(gè)樣方的植株(叢)數(shù)量，測(cè)定自然叢高。株(叢)數(shù)以地面根莖為統(tǒng)計(jì)單元，株(叢)高度用普通鋼卷尺測(cè)量，單位精度為mm。垂直結(jié)構(gòu)高度，喬木、灌木、草劃分的標(biāo)準(zhǔn)依次分別以80 cm、50 cm、30 cm，每類都劃分為兩個(gè)級(jí)。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 物種飽和度

這里說的植物種飽和度并不能代表各地類上物種的數(shù)量總和發(fā)生變化，只是說明物種的水平分布均勻化程度。比如，進(jìn)入樣方的物種增加，多數(shù)情況是本地類物種就近遷移所致，僅表明物種的水平分布更加均勻。表2為扣除了各亞層之間的重復(fù)種后每個(gè)地類的物種數(shù)量匯總結(jié)果。

從表2可以看出，通過封禁和補(bǔ)充種源，各地類樣地內(nèi)的植物種飽和度均有不同程度的增加，其中退耕地增加最多達(dá)5種，該地類的喬木和灌木均為人工補(bǔ)充，草種為天然增加;陽坡灌草區(qū)只有草種增加，灌木種未變，既有人工種也有自然種;其他兩區(qū)增加的均為灌木，為自然種，草種維持原狀。由此可見，由于自然選擇的原因，在植被自然恢復(fù)過程中，增加的物種往往是那些原來具有優(yōu)勢(shì)的植物。如在裸巖區(qū)，因立地條件較差，優(yōu)勢(shì)種類為灌木，因此封禁后灌木樹種飽和度增加，而草種數(shù)量未增減。而立地條件好的地類，如陽坡灌草坡，則自然新增加的為草種。此外，在立地條件好的區(qū)域，如退耕地和陽坡灌草坡，人工補(bǔ)充喬木、灌木后，短期內(nèi)并無新的自然種增加，可見人工補(bǔ)充植物種可以有效地豐富林地物種。

3.2 垂直空間結(jié)構(gòu)

根據(jù)生態(tài)位原理，良好的空間結(jié)構(gòu)有利于植被有效地利用空間資源，提高生態(tài)系統(tǒng)適應(yīng)環(huán)境的能力，進(jìn)而提高其生產(chǎn)能力。植物地上部分與地下部分一般呈正相關(guān)，那些地上部分分布層高的植被層其根系在土層中的分布也相對(duì)較深，因此，地上部分空間結(jié)構(gòu)的分化，利于土壤中植物生態(tài)位的合理化。表3為兩個(gè)年份植被層次高度的變化情況。

表2 2003－2006年樣地植物群落結(jié)構(gòu)(物種數(shù)量)分析表

從表3可知，通過人工補(bǔ)充種源，使流域退耕地的植被形成復(fù)層，包括了喬木層、灌木層和草本層，其中喬木出現(xiàn)高度升級(jí)，上級(jí)植株高扣除下級(jí)(原有)苗高即為群落的上層高增幅，凈增長(zhǎng)66.5 cm，年均增加22.17 cm。陽坡灌草坡雖然只形成了灌、草層次，但上層高度明顯增加，達(dá)45.5 cm，增長(zhǎng)了81.25%，年均增加15.17 cm;其他兩區(qū)都形成了灌、草層次，補(bǔ)種的喬木在自然選擇中沒有存活。通過封禁和植被自然恢復(fù)，減少了牲畜的啃食和踐踏，植株平均高度發(fā)生了層次的分化。表現(xiàn)在上層植被均高增加，而下層植被平均高度有所減小。表3中標(biāo)有“－”者為負(fù)增長(zhǎng)，表明本層中的亞層發(fā)生了小幅空間高度分化，通過采光空間競(jìng)爭(zhēng)，較低層的植物生長(zhǎng)更加困難，而中上層物種得到迅速生長(zhǎng)。如退耕坡地區(qū)，草本層中，上層灌木 2003年均高47.0 cm，而經(jīng)過3 a封禁和自然恢復(fù)，均高達(dá)到了60.2 cm，凈增加 13.2 cm，年均增加 4.3 cm。陽坡灌草區(qū)因灌木的遮蔭作用，在灌木層發(fā)生分化的同時(shí)，草本層內(nèi)也發(fā)生了相應(yīng)的分化，草本層中，上層草2003年均高36.6 cm，而經(jīng)過3 a封禁和自然恢復(fù)，均高達(dá)到了53.2 cm，凈增加16.6 cm，年均增加8.3 cm，向多層次結(jié)構(gòu)變化。

從上述分析可知，在物種水平分布和垂直空間結(jié)構(gòu)兩個(gè)方面，通過自然恢復(fù)和適度的補(bǔ)充種源，在3 a之后，生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)都向優(yōu)化方面演化。而立地條件的不同，群落結(jié)構(gòu)的演化又表現(xiàn)出較多差異:立地條件較好的地方，適宜補(bǔ)充喬木樹種，不僅可以增加植物種，形成頂級(jí)復(fù)層植被群落，而且其上層植被的生長(zhǎng)所產(chǎn)生的遮蔭作用，有利于地面土壤水分的保持和低層植被的恢復(fù)。立地條件較差的地方，只適宜補(bǔ)充灌木，同樣可起到豐富物種，促進(jìn)植被群落垂直空間結(jié)構(gòu)分化，使林地生態(tài)位合理化的作用。

4 研究結(jié)論

(1)通過輕擾動(dòng)的方式，用鄉(xiāng)土植物種人工補(bǔ)充種源可以豐富物種，提高其飽和度，改善其水平分布格局。補(bǔ)充喬灌木可以提高群落的上層高度，加速下層植被的層次分化，優(yōu)化植物群落的生態(tài)位結(jié)構(gòu)。

表3 2003－2006年樣地植物群落結(jié)構(gòu)(高度)分析表

(2)植物群落物種數(shù)在不同地類可凈增加1－5種。

(3)植物群落分層層高增長(zhǎng)隨地類而不同，草本層年均凈增加可達(dá)8.3 cm，灌木層可達(dá)15.17cm，喬木層可達(dá)22.17 cm。