黨河流域駱駝刺群落特征與土壤因子的相關(guān)性

金曉穎, 安 蓉, 屈建軍, 李 毅

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠研究站,

甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 3.蘭州理工大學(xué)

經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 甘肅 蘭州730050; 4.甘肅省風(fēng)沙災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,

甘肅 蘭州730000; 5.中國科學(xué)院 沙漠與沙漠化重點實驗室, 甘肅 蘭州730000)

黨河流域駱駝刺群落特征與土壤因子的相關(guān)性

金曉穎1,2, 安 蓉3, 屈建軍1,4,5, 李 毅1,4,5

(1.中國科學(xué)院 寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠研究站,

甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學(xué)院大學(xué), 北京100049; 3.蘭州理工大學(xué)

經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 甘肅 蘭州730050; 4.甘肅省風(fēng)沙災(zāi)害防治工程技術(shù)研究中心,

甘肅 蘭州730000; 5.中國科學(xué)院 沙漠與沙漠化重點實驗室, 甘肅 蘭州730000)

摘要：[目的] 分析黨河流域駱駝刺群落特征與土壤因子相關(guān)性, 為有效管理該流域天然駱駝刺群落及退化駱駝刺群落的恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。 [方法] 利用“樣方”法，于2012年6—10月調(diào)查群落特征及土壤樣品數(shù)據(jù)，進(jìn)行回歸分析。 [結(jié)果] 在6—10月，生物量表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)季節(jié)變化趨勢幾乎一致，Shannon—Wiener多樣性指數(shù)變化趨勢相反。在0—50 cm土壤層內(nèi)，隨土壤深度的增加，土壤電導(dǎo)率、土壤pH值呈現(xiàn)出先增加再減小的變化過程，土壤容重表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢，土壤含水量在土壤深度達(dá)到30 cm以后增加不明顯。 [結(jié)論] 土壤環(huán)境因子是影響駱駝刺群落特征、生物多樣性和生物量的主要因素。較高的土壤含水量可以增加駱駝刺群落的生物多樣性，較高的土壤容重抑制駱駝刺群落根系的生長。

關(guān)鍵詞：駱駝刺; 生物多樣性; 土壤因子; 黨河流域

植物群落分布與土壤環(huán)境因子的相互作用是生態(tài)學(xué)研究的熱點問題之一，土壤鹽分和水分制約植物群落的形成和演替[1]，土壤環(huán)境條件的變化可在不同尺度上顯著影響植物群落的結(jié)構(gòu)和功能[2-4]。在極端干旱區(qū)河流區(qū)域土壤環(huán)境條件變化對沿岸植被群落生態(tài)結(jié)構(gòu)和功能影響的研究缺乏。黨河位于中國河西走廊西端，發(fā)源于祁連山，流經(jīng)甘肅省肅北蒙古族自治縣和敦煌兩縣市，是疏勒河的一級支流。黨河養(yǎng)育了敦煌綠洲，是敦煌人民的母親河。隨著流域內(nèi)社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對水資源需求量的增加，黨河流域生態(tài)問題也日趨突出[5]。駱駝刺(Alhagi)是一種多年生豆科植物，因駱駝喜歡食用而得名，是敦煌黨河流域地區(qū)分布最廣的地帶性植被類型之一，同時也是該流域地區(qū)的典型建群種和優(yōu)勢種，具有極強(qiáng)的抗干旱，耐鹽堿特性[6]，對黨河流域水土保持，土壤鹽堿化改良，植被恢復(fù)以及維持荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義。駱駝刺植被群落的建成除受到植物本身各種生物學(xué)特性影響外，同時深受環(huán)境因子的影響，水分條件是影響駱駝刺群落生長發(fā)育、發(fā)生發(fā)展和演化的決定因素[7-8]。土壤理化性質(zhì)影響影響駱駝刺群落組成及豐富度、多樣性[9-10]。本研究通過野外調(diào)查和室內(nèi)實驗，分析駱駝刺群落的結(jié)構(gòu)、功能及其相對應(yīng)的環(huán)境因子，深入理解駱駝刺群落與環(huán)境的關(guān)系，以及微環(huán)境變化對駱駝刺群落的影響機(jī)制，旨在為有效管理黨河流域天然駱駝刺群落及退化駱駝刺群落的恢復(fù)提供相關(guān)科學(xué)依據(jù)。

1材料與方法

1.1　研究區(qū)概況

研究地點位于敦煌黨河中游流域三道泉，地理坐標(biāo)為40°17′04.5″N，94°37′43.8″E。研究區(qū)域為典型的大陸性干旱氣候，夏季干熱而冬季寒冷，降水稀少，蒸發(fā)量較大。年降水量40 mm，年蒸發(fā)量2 640 mm。土壤類型為荒漠鹽堿土，土壤生物過程較弱，有機(jī)碳含量較低，植被為荒漠植被，主要植被建群種有駱駝刺屬(Alhagisparsifolia)、檉柳屬(Tamarix)、梭梭屬(Haloxylon)、白刺屬(Nitraria)，其中，駱駝刺是最典型的優(yōu)勢種群。

1.2　樣地設(shè)置與取樣方法

在研究區(qū)設(shè)置3個20 m×20 m的駱駝刺群落樣方，于2012年主要生長季(6—10月)每月月初，記錄樣方內(nèi)的物種數(shù)目及每個物種的個體數(shù)、冠幅、多度、高度、蓋度等。室內(nèi)測定取樣內(nèi)容為：在每個樣方內(nèi)設(shè)置3個5 m×5 m的樣方，刈割植物地上部分，測定地上生物量。采用土柱法測定細(xì)根生物量，在每個5 m×5 m的樣方內(nèi)設(shè)置3個1 m×1 m的采樣點，每隔10 cm挖取土樣，直到鮮有根系為止。將土壤樣品帶回實驗室，置于細(xì)篩之上用水沖洗，同時去除其他雜質(zhì)，僅留直徑小于2 mm的細(xì)根。在每個20 m×20 m的樣方內(nèi)，隨機(jī)選取3個樣點進(jìn)行土壤樣品采集，采樣時去掉地表凋落物，用土鉆依次鉆取0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm和40—50 cm處的土壤樣品各約400 g，用于分析土壤pH值、電導(dǎo)率等指標(biāo)。在每個樣點內(nèi)挖掘土壤剖面，用土壤環(huán)刀每隔10 cm分層采集用于測定土壤容重和含水量的樣品。

1.3　室內(nèi)分析

用于測定土壤容重的樣品在110 ℃烘干至恒重，同時測定土壤含水量。用于測定其他指標(biāo)的土壤樣品，置于干燥陰涼處風(fēng)干，挑去其中根系未分解的有機(jī)質(zhì)，過100目土壤篩分別采用pH計和DDSJ-418型電導(dǎo)儀測定土壤pH值和電導(dǎo)率，將駱駝刺地上生物量和細(xì)根生物量于75 ℃條件下烘干至恒重，測定干重。

1.4　數(shù)據(jù)分析

采用以下參數(shù)指標(biāo)計算駱駝刺群落的物種多樣性[4,10]：物種數(shù)目S，Shannon—Wiener多樣性指數(shù)，Simpson指數(shù)，Pielou均勻度指數(shù)，數(shù)據(jù)分析檢驗均在SPSS 16.0軟件中完成。

2結(jié)果與分析

2.1　駱駝刺群落特征

由調(diào)查結(jié)果可知，駱駝刺群落物種數(shù)較少，在調(diào)查期內(nèi)，群落的植物種數(shù)為3種，即駱駝刺、蘇枸杞2種基本種，旱生蘆葦1種短命植物，群落結(jié)構(gòu)簡單，僅有灌木層，蓋度較小，調(diào)查群落蓋度為36%。在主要生長季節(jié)駱駝刺群落的冠幅、蓋度、高度隨駱駝刺的生長時間呈遞增趨勢，多度無明顯差異(圖1—2)。

圖1　研究區(qū)駱駝刺蓋度、多度、高度月變化

圖2　研究區(qū)駱駝刺冠幅月變化

駱駝刺平均地上生物量為114.3 g/m2，平均細(xì)根生物量為16.88 g/m2，2種生物量同時表現(xiàn)出顯著的季節(jié)變化。駱駝刺群落2種生物量6月份較低，隨后逐漸升高，在9月初達(dá)到最高值，隨后下降明顯(圖3)。

圖3　駱駝刺群落地上生物量、細(xì)根生物量季節(jié)變化

駱駝刺群落的物種數(shù)目相對較低，群落的物種數(shù)目6月為2種，隨后逐漸升高，7—9月達(dá)到3種，10月下降到2種。駱駝刺群落的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)季節(jié)變化趨勢幾乎一致，8月有所增加，之后變化趨勢平緩。Shannon—Wiener多樣性指數(shù)變化趨勢相反(圖4)。

圖4　駱駝刺群落特征值的季節(jié)變化

2.2　土壤理化性質(zhì)分析

由分析結(jié)果可知，在0.5 m深度內(nèi)，駱駝刺群落的土壤平均電導(dǎo)率為2.65 mS/cm，且隨土壤深度的增加，呈現(xiàn)出先增加再減小的變化過程。在0.5 m深度內(nèi)的土壤pH值隨深度的增加表現(xiàn)為先增大后減小的趨勢，pH值變化范圍為8.54～9.70，平均大小為8.59。土壤容重表層(0—5 cm)較小，隨土壤深度增加，表現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。表層土壤含水量較低，約為2.3%，超過10 cm后逐漸達(dá)到8%左右，30 cm以后增加不明顯(圖5)。

圖5　駱駝刺群落不同土層土壤電導(dǎo)率、

2.3　群落特征與土壤因子的關(guān)系分析

分析結(jié)果表明(表1)，駱駝刺群落多樣性指數(shù)與土壤因子的關(guān)系為：Shannon—Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均隨土壤含水量增加而增加，隨土壤電導(dǎo)率和土壤pH值的增大而減小，Simpson指數(shù)表現(xiàn)出相反的變化趨勢，Simpson指數(shù)與土壤含水量的擬合達(dá)到了顯著水平。

2.4　生物量與土壤因子分析

分析結(jié)果表明(表2)，駱駝刺群落地上生物量與土壤含水量、土壤容重關(guān)系顯著，與土壤pH值、電導(dǎo)率關(guān)系不顯著，細(xì)根生物量與土壤容重關(guān)系顯著，與土壤含水量、土壤pH值、電導(dǎo)率關(guān)系不顯著。

表1　群落特征與土壤電導(dǎo)率、pH值、容重、含水量回歸方程

注：*表示在p<0.05水平關(guān)系顯著。下同。

表2　生物量與土壤電導(dǎo)率、pH值、容重、含水量回歸方程

3討論與結(jié)論

衡量生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能的主要指標(biāo)之一就是物種多樣性[4,11]，它的大小影響著群落的生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[12]。植物群落組成及其多樣性變化由全球氣候、人類干擾、極端環(huán)境和生物間的相互作用決定[13]。本研究中駱駝刺群落的多樣性指標(biāo)在時間尺度上表現(xiàn)出較大的差異，7—9月份有降雨，故有草本植物出現(xiàn)，導(dǎo)致群落的物種數(shù)目、Simpson指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)增加，Shannon—Wiener指數(shù)在8月份降低，隨后呈上升趨勢。研究區(qū)域的土壤環(huán)境條件對物種生存具有限制作用，駱駝刺群落Shannon—Wiener指數(shù)Pielou均勻度指數(shù)均隨土壤含水量增加而增加，隨土壤電導(dǎo)率和土壤pH值的增大而減小，這與以往的研究取得了相似的結(jié)論[4,14]。由此，可以推斷土壤鹽分含量和土壤pH值限制了黨河流域駱駝刺群落生物多樣性的發(fā)展，制約著種群繁衍和群落演替。生物量對研究生態(tài)系統(tǒng)的碳循環(huán)和營養(yǎng)物質(zhì)分配具有重要意義[15]，研究區(qū)由于受極端環(huán)境的影響，駱駝刺群落物種多樣性小，且植被分布稀疏，蓋度較低，生物量較低。研究中駱駝刺群落平均地上生物量值為114.3 g/m2，平均細(xì)根生物量值為16.88 g/m2，在9月初達(dá)到最高值，這可能與駱駝刺群落分布于極端干旱區(qū)有關(guān)[16]。在環(huán)境因子基本一致的情況下，土壤因子是影響駱駝刺群落地上生物量和細(xì)根生物量的主要原因。細(xì)根生物量是生物量的重要組成部分，對土壤因子的變化響應(yīng)靈敏[4]。結(jié)果表明，駱駝刺群落地上生物量與土壤含水量、土壤容重關(guān)系顯著，細(xì)根生物量與土壤容重關(guān)系顯著，較大的土壤容重，降低了土壤孔隙度和氧氣含量，導(dǎo)致土壤微生物有機(jī)質(zhì)等含量減少，因而限制了植物根系的伸展，降低了植物對水分和養(yǎng)分的利用效率。

綜上所述，處于極端干旱區(qū)黨河流域的駱駝刺群落受土壤環(huán)境條件的影響，物種種類少、結(jié)構(gòu)簡單，生物多樣性低，較高的土壤含水量可以增加駱駝刺群落生物多樣性，土壤鹽分含量和土壤pH值是影響駱駝刺群落生物多樣性發(fā)展的主要因素，較高的土壤容重抑制了駱駝刺群落根系的生長。

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Correlations Between Characteristics ofAlhagiCommunities and

Soil Factors in Danghe River Basin

JIN Xiaoying1,2, AN Rong3, QU Jianjun1,4,5, LI Yi1,4,5

(1.DunhuangGobiandDesertResearchStation,ColdandAridRegionEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,CAS,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.SchoolofEconomicsandManagement,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China; 4.GansuCenterforSandHazardReductionEngineeringandTechnology,Lanzhou,Gansu730000,China; 5.KeyLaboratoryofDesertandDesertification,CAS,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] The correlations between characteristics of Alhagi community and soil factors in Danghe River basin were analyzed in order to provide a scientific basis for the effective management of natural Alhagi community and the restoration of degraded Alhagi community in this basin. [Methods] By means of quadrat method, the data of community characteristics and soil samples were surveyed and collected from June to October in 2012. Regression analysis was carried out. [Results] From June to October, the biomass exhibited significant seasonal variation, and the seasonal variations of Simpson’s dominance index and Pielou’s evenness index were almost accordant, while the Shannon—Wiener diversity index varied differently. In layers of 0—50 cm, with the increase of soil depth, soil electrical conductivity and pH value both increased firstly and then decreased; while soil bulk density increased gradually. In addition, soil water content was observed no increase at 30 cm or deeper layers. [Conclusion] Soil environmental factors showed the major influence upon the characteristics, biodiversity and biomass of Alhagi community. High soil water content could increase the biodiversity of Alhagi community, and high soil bulk density might inhibit the root proliferation of Alhagi.

Keywords:Alhagi; biodiversity; soil factors; Danghe River basin

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0306-05

中圖分類號：Q948.1

通信作者：李毅(1978—),男(漢族),甘肅省蘭州市人,博士，副研究員,主要從事植物生理生態(tài)方面的研究。E-mail:liyi@lzb.ac.cn。

收稿日期：2014-10-09修回日期：2014-11-24

資助項目：國家自然科學(xué)基金項目“極端干旱區(qū)荒漠植被種群繁殖對策的研究”(31000180); 國家科技支撐計劃項目“敦煌生態(tài)修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2012BAC08B07)

第一作者：金曉穎(1989—),女(漢族),遼寧省朝陽市人,碩士研究生,主要研究方向為風(fēng)沙防治及綜合治理。E-mail:nihaojinxiaoying@126.com。