渾善達(dá)克沙地飛播區(qū)植物多樣性的變化——以內(nèi)蒙古正藍(lán)旗為例

田海晨， 劉果厚

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

渾善達(dá)克沙地飛播區(qū)植物多樣性的變化——以內(nèi)蒙古正藍(lán)旗為例

田海晨， 劉果厚

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

摘要：[目的] 對(duì)內(nèi)蒙古境內(nèi)渾善達(dá)克沙地植被恢復(fù)過(guò)程中植物群落的物種組成以及多樣性的變化規(guī)律進(jìn)行分析，為該地區(qū)的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。[方法] 采用樣帶法對(duì)植物群落進(jìn)行調(diào)查。[結(jié)果] (1) 沙地植被恢復(fù)5年后群落內(nèi)共有33種植物，分屬于10科27屬； (2) 隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，物種豐富度指數(shù)、物種多樣性指數(shù)、物種均勻度指數(shù)和群落蓋度均逐漸增大，而生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)則逐漸減小。植物群落物種由6種(未治理)增加到21種(治理5 a)，物種多樣性指數(shù)由1.20增加至2.77，物種均勻度指數(shù)由0.67升高至0.91，群落蓋度從2.06%增加到75.58%，生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)由0.57減少至0.32。[結(jié)論] 渾善達(dá)克沙地飛播區(qū)植被得到明顯恢復(fù)，沙地恢復(fù)到一定階段后群落趨于穩(wěn)定，風(fēng)沙化得到一定程度的遏制。

關(guān)鍵詞：渾善達(dá)克沙地； 飛播； 物種多樣性； 植被恢復(fù)

渾善達(dá)克沙地是我國(guó)北方典型的生態(tài)脆弱區(qū)和生態(tài)屏障區(qū)，歷史上記載這里是優(yōu)良的天然牧場(chǎng)，長(zhǎng)期散牧[1]。近些年，由于牲畜數(shù)量成倍增加，人類活動(dòng)頻繁，全球變暖等因素，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)退化[2-3]，沙漠化擴(kuò)張[4-6]，這不僅影響該區(qū)的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)可持續(xù)發(fā)展，更影響到京津地區(qū)的環(huán)境質(zhì)量[7]。因此，迅速恢復(fù)該地區(qū)已退化生態(tài)系統(tǒng)是我國(guó)生態(tài)建設(shè)中的重要任務(wù)。植被恢復(fù)是生態(tài)環(huán)境治理的重要措施之一，其中物種多樣性是恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)的核心指標(biāo)[8-9]。近年來(lái)，專家學(xué)者[10-14]對(duì)于渾善達(dá)克沙地治理方面的研究較多，沙漠化趨勢(shì)得到整體扭轉(zhuǎn)[15]，但對(duì)沙地飛播區(qū)不同植物群落方面的研究鮮見(jiàn)報(bào)道。本研究通過(guò)對(duì)沙地不同恢復(fù)年限的植物群落進(jìn)行調(diào)查，分析沙地植被恢復(fù)過(guò)程中植物群落組成及物種多樣性的變化特征，為該地區(qū)的植被恢復(fù)提供理論依據(jù)和科學(xué)指導(dǎo)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)正藍(lán)旗境內(nèi)渾善達(dá)克沙地腹地的飛播區(qū)，地理坐標(biāo)115°43′29″—116°22′15″E，42°25′19″—43°07′46″N，海拔1 100～1 400 m。屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫為1.5 ℃，無(wú)霜期104 d，年平均風(fēng)速4.3～5.2 m/s。年平均降水量為378 mm，主要集中在7—9月份，占全年降雨量的80%～90%。土壤類型以風(fēng)沙土、沙質(zhì)栗鈣土為主。該區(qū)地貌類型多為流動(dòng)沙丘、半固定沙丘和固定沙丘，沙丘形狀大部分為壟狀、鏈狀，少部分為新月?tīng)睿晌鞅毕驏|南方向展布。流動(dòng)沙丘上的主要植物為沙蓬(Agriophyllumsquarrosum)等；半固定沙丘上的主要植物為塔落巖黃芪(Hedysaruwmfruticcsumvar.laeve)、狗尾草(Setariaviridis)和蟲實(shí)屬(Corispermum)等；固定沙丘上的植物為沙打旺(Astragalusadsurgens)、羊草(Leymuschinensis)、花苜蓿(Melilotoidesruthenica)、大針茅(Stipagrandis)和礫苔草(Carexstenophylloides)等多年生草本植物及大籽蒿(Artemisiasieversiana)、止血馬唐(Digitariaischaemum)、狗尾草、豬毛菜(Salsolacollina)和砂藍(lán)刺頭(Echinopsgmelini)等一、二年生草本植物。

2研究方法

2.1　樣地的選擇

自2008年，正藍(lán)旗林業(yè)局組織對(duì)境內(nèi)部分流動(dòng)沙丘進(jìn)行植被恢復(fù)，選用飛播造林方式。根據(jù)國(guó)標(biāo)的要求，飛播前先建植沙障，選用耐干旱、耐沙埋且生長(zhǎng)速度快的黃柳做材料，隨后的不同年份采用同樣的方法進(jìn)行植被恢復(fù)。本試驗(yàn)共選取5塊樣地，分別為飛播年限5 a(2008年)、4 a(2009年)、2 a(2011年)、1 a(2012年)的樣地及未飛播的流動(dòng)沙地(CK)作為參照樣地。飛播的物種為塔落巖黃芪(Hedysaruwmlaeve)、沙地榆(Ulmuspumilavar.sabulosa)、褐沙蒿(Artemisiaintramongolica)、沙打旺(Astragalusadsurgens)，混播比例為5∶2∶2∶1。沙地每個(gè)年份的播種量均為350 kg/m2，飛播期為每年5月末至6月中旬。

2.2　群落調(diào)查

2013年8月上旬，采用樣帶法進(jìn)行植物群落調(diào)查。在每個(gè)樣地內(nèi)選擇典型群落設(shè)置3條樣帶，樣帶長(zhǎng)度為100 m。在每條樣帶上每隔20 m設(shè)置一個(gè)10 m×10 m的樣方，調(diào)查灌木層；再在每個(gè)10 m×10 m樣方的4個(gè)對(duì)角線及中點(diǎn)上分別設(shè)置1 m×1 m的樣方，調(diào)查草本層。共設(shè)450個(gè)樣方。目測(cè)各層的總蓋度，詳細(xì)記錄每個(gè)樣方內(nèi)的植物種類、自然高度、多度、分蓋度、頻度、生活型和立枯物。同時(shí)利用GPS，記錄每條樣帶的航跡及各樣方的經(jīng)緯度坐標(biāo)和海拔高度。

2.3　計(jì)算方法

2.3.1物種重要值(Ⅳ)

Ⅳ=(相對(duì)蓋度+相對(duì)密度+相對(duì)頻度)/3

相對(duì)密度=(單個(gè)植物種密度/所有植物總密度)×100%

相對(duì)蓋度=(單個(gè)植物種的蓋度/所有植物總蓋度)×100%

相對(duì)頻度=(某種植物的頻度/所有植物頻度之和)×100%

2.3.2α多樣性目前，α多樣性的測(cè)定方法有多種，常用的有物種豐富度Margalef指數(shù)(R)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度Simpson指數(shù)(D)、物種多樣性Shannon—Wiener指數(shù)(H)和物種均勻度Pielou指數(shù)(E)[16-17]，具體計(jì)算公式為：

E=-∑PilnPi/lnS(i=1，2，…，S)

式中：S——樣地植物種數(shù)；N——總體個(gè)數(shù)；Pi=ni/N，ni——第i個(gè)種的個(gè)數(shù)。

3結(jié)果與分析

3.1　群落組成及物種重要值

3.1.1群落物種組成結(jié)構(gòu)依據(jù)樣方調(diào)查結(jié)果(表1)，所有樣方中共出現(xiàn)33種植物，隸屬于10科，27屬。CK的植物群落物種組成相對(duì)簡(jiǎn)單，共3科6屬6種，均為當(dāng)?shù)啬透珊?、耐沙埋的沙生先鋒植物，可為其它物種的種子或繁殖體的入侵提供庇護(hù)作用?；謴?fù)年限為1 a的植物群落為5科7屬7種，與CK的植物群落相比，植物種數(shù)在數(shù)量上增加不甚明顯?；謴?fù)2 a的植物群落為5科13屬15種?；謴?fù)4 a的植物群落為7科18屬20種。恢復(fù)5 a的植物群落為7科18屬21種。從整體上看，在植被恢復(fù)5 a內(nèi)，各群落的科、屬和種數(shù)均比對(duì)照樣地有所增加，且隨著沙地植被恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，植物種類不斷增加。

CK的植物群落種類組成主要以藜科的物種為主。隨著群落的發(fā)展，植物群落物種組成數(shù)量不斷增多，但不同的科中植物種增加的速率不同，使植物群落組成結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。群落總的發(fā)展趨勢(shì)是藜科植物在流動(dòng)沙丘占優(yōu)勢(shì)地位，其它科所占的比例很小，群落物種組成簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性差。隨著沙丘固定及恢復(fù)年限的增長(zhǎng)，群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大的變化，藜科植物的重要值逐漸減小，由CK的78.9%降為5 a的6.53%，而其它科豆科、菊科、禾本科等植物的重要值逐漸增加，群落組成結(jié)構(gòu)逐漸變得復(fù)雜。

表1　樣地群落組成

3.1.2群落物種重要值重要值是一種綜合性數(shù)量指標(biāo)，反映了物種在群落中所起的作用及所占地位的重要程度。不同群落中物種重要值的變化(表2)。由表2可知，CK上重要值占前3位的植物種為沙蓬、狗尾草和華蟲實(shí)(Corispermumstauntonii)，其重要值分別為61.32%，11.02%，10.68%?；謴?fù)1 a的群落與CK的相比，混播種塔落巖黃芪、沙地榆以及褐沙蒿成功的發(fā)芽、生長(zhǎng)，它們均為當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土植物種。群落中物種重要值占前3位的為沙蓬、沙地榆和塔落巖黃芪，其重要值分別為41%，20.29%，13.48%?；謴?fù)2 a的群落物種重要值在前3位的為塔落巖黃芪、華蟲實(shí)和狗尾草，其重要值分別為22.08%，21.17%，13.40%?；謴?fù)4 a的群落物種重要值在前3位的為塔落巖黃芪、繩蟲實(shí)和止血馬唐，其重要值分別為37.19%，21.20%，15.12%?；謴?fù)5 a的群落物種重要值在前3位的為沙打旺、塔落巖黃芪和大籽蒿，其重要值分別為26.28%，17.28%，12.50%?？傮w來(lái)看，沙地植物種不僅隨著恢復(fù)年限的增加而增加，而且群落中物種的重要值也發(fā)生了規(guī)律性變化。沙地治理之前，沙蓬作為先鋒植物迅速占據(jù)了植物群落的主要地位，成為流動(dòng)沙丘地的主要優(yōu)勢(shì)種。隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)及流沙的固定，物種豐富，沙蓬等一年生先鋒植物陸續(xù)退化；狗尾草和蟲實(shí)屬等一年生植物開(kāi)始增加，并逐漸占優(yōu)勢(shì)地位，成為恢復(fù)2 a的群落和4 a的群落中的主要優(yōu)勢(shì)種；同時(shí)伴隨生境條件的改善，多年生植物開(kāi)始入侵，恢復(fù)5 a后大籽蒿和羊草等多年生植物成為群落中的主要優(yōu)勢(shì)種。

3.2　α多樣性指數(shù)

物種多樣性作為植物群落的重要特征之一，反映群落系統(tǒng)內(nèi)部及其與周圍環(huán)境關(guān)系的變化[18]。根據(jù)野外調(diào)查數(shù)據(jù)，對(duì)不同群落物種多樣性指數(shù)、物種均勻度指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)等幾個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了計(jì)算。由圖1可知，在植被恢復(fù)5 a內(nèi)，Shannon—Wiener指數(shù)和Pielou指數(shù)的變化趨勢(shì)相似，呈上升趨勢(shì)。Shannon—Wiener指數(shù)變化幅度較大，由CK的1.20上升至5 a的2.77；Pielou指數(shù)增加幅度不大，由0.67升高至0.91。而Simpson指數(shù)隨著恢復(fù)年限的增長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，由CK的0.57減少至5 a的0.32。由圖1中曲線還可以看出，群落物種多樣性并不是無(wú)限制的呈增加趨勢(shì)，由4~5 a間群落物種多樣性增幅減小，逐漸向穩(wěn)定方向發(fā)展。

圖1　沙地植被恢復(fù)過(guò)程中α多樣性指數(shù)的變化

3.3　群落蓋度

群落蓋度是植被恢復(fù)的一個(gè)重要參數(shù)指標(biāo)，也是指示生態(tài)系統(tǒng)變化的重要指標(biāo)。由不同恢復(fù)年限的群落總蓋度測(cè)定結(jié)果可知，在植被恢復(fù)5 a內(nèi)，群落蓋度隨著恢復(fù)年限的增加而呈線性顯著增加(R2=0.985 3)。CK的群落蓋度為2.06%，恢復(fù)1，2，4，5 a的群落蓋度分別為3.81%，20.18%，53.11%，75.58%?；謴?fù)1 a的群落蓋度約為CK的2倍，這與人工飛播有關(guān)。

表2　沙地植被恢復(fù)過(guò)程中物種重要值的變化　%

4結(jié)果討論

研究區(qū)土地資源豐富，有大量的荒山、荒地。近年來(lái)，植樹(shù)造林取得了不少成績(jī)，但是綠化速度還不夠快，特別是山勢(shì)較陡的地方，無(wú)法進(jìn)行人工造林。實(shí)踐證明，飛機(jī)播種造林是大面積綠化荒山最有經(jīng)濟(jì)、有效的治理措施，具有推廣價(jià)值意義。飛播造林是一種新型、快速、高效、優(yōu)質(zhì)的科學(xué)造林方法，是植被恢復(fù)與重建的重要手段[19]。特別是在高山、遠(yuǎn)山人工造林無(wú)法開(kāi)展的地區(qū)，有獨(dú)特的不可替代的作用。

渾善達(dá)克沙地面積大、人工造林治沙比較困難，適宜飛播造林。沙地類型復(fù)雜、氣候多變、立地條件不同，每個(gè)植物種對(duì)環(huán)境條件有特殊的要求，因此，正確的選擇固沙植物種是飛播治沙的關(guān)鍵。許多研究者[20]認(rèn)為，用于流動(dòng)沙地飛播的植物種除了具有抗旱、風(fēng)蝕、耐沙埋、發(fā)芽快、生長(zhǎng)迅速、繁殖能力強(qiáng)的特點(diǎn)以外，還應(yīng)具有種子易于覆沙、經(jīng)濟(jì)價(jià)值高和固沙能力強(qiáng)等生物學(xué)特性。研究者[21]前幾年通過(guò)渾善達(dá)克沙地飛播治沙試驗(yàn)及沙地自然植物種的分布已證明，最適宜渾善達(dá)克沙地飛播成功的植物種為：褐沙蒿、塔落巖黃芪、沙打旺、沙地榆等。

植物群落的發(fā)展是由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的過(guò)程。物種組成、物種多樣性和群落蓋度作為植物群落特征的重要指標(biāo)，其變化是植被恢復(fù)過(guò)程的重要標(biāo)志。本研究結(jié)果表明，在一定時(shí)間內(nèi)，植物群落的物種多樣性指數(shù)呈現(xiàn)增加的變化趨勢(shì)，這一結(jié)果與劉美珍等[10]和張繼義等[22]的研究結(jié)果基本一致。而植被恢復(fù)符合自然演變規(guī)律，隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，物種多樣性并不是無(wú)限制地增加，群落最終會(huì)達(dá)到一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。在本研究中，植被恢復(fù)5 a后的群落趨于穩(wěn)定(圖1)。

流動(dòng)沙丘是植被退化的極端狀況，其生境條件比較惡劣，不利于植物繁殖體的傳播和定居[23]。流動(dòng)沙丘上主要有一些喜沙的一年生先鋒植物，物種間競(jìng)爭(zhēng)較小。喜沙的先鋒植物在雨季來(lái)臨時(shí)能夠快速萌發(fā)、定居，但其生命周期短，枯死的植株可以阻止沙丘表面的沙粒流動(dòng)[24]。因此，沙地先鋒植物對(duì)流動(dòng)沙丘的穩(wěn)固起關(guān)鍵作用，同時(shí)對(duì)飛播物種起到保護(hù)作用，為其他植物的定居創(chuàng)造了穩(wěn)定的土壤環(huán)境。隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，更多物種侵入到群落，群落蓋度提高，生境條件發(fā)生改變，而耐沙埋的飛播物種(如褐沙蒿)不適應(yīng)改變后的沙地環(huán)境逐漸退出群落；多年生草本逐漸取代一年生草本，占優(yōu)勢(shì)地位，群落組成結(jié)構(gòu)趨于復(fù)雜化和多樣化，沙地逐步穩(wěn)定。

5結(jié) 論

(1) 植物群落物種組成結(jié)果表明，渾善達(dá)克沙地植被恢復(fù)5 a后，群落內(nèi)共出現(xiàn)33種植物，分屬于10科27屬，其中，藜科植物在流動(dòng)沙丘中占優(yōu)勢(shì)地位，是植被恢復(fù)的起點(diǎn)。隨著恢復(fù)年限的延長(zhǎng)，植物群落種類發(fā)生明顯的變化，植物群落物種組成由6種(未治理)增加到21種(治理5 a)；物種多樣性指數(shù)由1.20增加至2.77；物種均勻度指數(shù)由0.67升高至0.91；生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)由0.57減少至0.32。群落物種多樣性總體呈上升趨勢(shì)。據(jù)此說(shuō)明渾善達(dá)克沙地飛播后的植被得到明顯恢復(fù)，植物群落物種組成結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜化和多樣化，群落趨于穩(wěn)定。

(2) 通過(guò)對(duì)不同飛播年限的群落蓋度分析結(jié)果表明，在沙地飛播后的植物群落蓋度明顯高于對(duì)照地的群落蓋度，并且群落蓋度隨著植被恢復(fù)年限增加而增加，由2.06%(未治理)增加至75.58%(治理5 a)，沙地逐步穩(wěn)定，說(shuō)明飛播對(duì)沙地退化植被具有明顯的恢復(fù)和改善作用。

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Changes of Plant Diversity After Aerial Seeding in Hunshandake Sandy Land A Case Study in Zhenglan Banner of Inner Mongolia

TIAN Haichen, LIU Guohou

(CollegeofEcologyandEnvironment,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot,InnerMongolia010019,China)

Abstract：[Objective] To understand the variation of species composition and species diversity of plant community in Hunshandake sandy land with different recovery ages in the process of vegetation restoration， and to provide theoretical basis and scientific guidance for the vegetation restoration in the area. [Methods] Plant community was investigated by transect sampling method. [Results] (1) There were 33 species of 10 genera in 27 families after five years restoration; (2) Species richness, diversity, evenness and community coverage increased gradually with the increase of vegetation recovery period, while the ecological dominance index reduced yearly. After five years recovery, the species number increased from 6 to 21; The species diversity increased from 1.20 to 2.77; Species evenness raised from 0.67 to 0.91; Community coverage was improved obviously(from 2.06% to 75.58%); Ecological dominance index degraded from 0.57 to 0.32. [Conclusion] Vegetation recovered obviously, plant community tended to be stable after the sandy restored to a certain stage, and the wind drifted desertification in Hunshandake sandy land was repressed to some extent.

Keywords:Hunshandake sand; aerial seeding; species diversity; vegetation restoration

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-288X(2015)02-0269-05

中圖分類號(hào)：S718.5

通信作者：劉果厚(1956—)，男(漢族)，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼和浩特市人，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事植物多樣性保護(hù)與利用方面的研究。E-mail:guohouliu@163.com。

收稿日期：2014-03-21修回日期：2014-03-28
資助項(xiàng)目：內(nèi)蒙古自治區(qū)科技創(chuàng)新引導(dǎo)獎(jiǎng)勵(lì)資金項(xiàng)目“渾善達(dá)克沙地植被恢復(fù)與風(fēng)沙環(huán)境綜合治理關(guān)鍵技術(shù)集成示范”(20121607)
第一作者：田海晨(1987—)，女(漢族)，內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹参锒鄻有员Ｗo(hù)與利用。E-mail:tianhaichen123@126.com。