北砸山沙冬青種群分布格局與群落特征

周啟龍, 王 立, 廖空太, 楊國洲, 王大為

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省林業(yè)工作站管理局, 甘肅 蘭州 730046)

北砸山沙冬青種群分布格局與群落特征

周啟龍1,2, 王 立1, 廖空太2, 楊國洲2, 王大為1

(1.甘肅省農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070; 2.甘肅省林業(yè)工作站管理局, 甘肅 蘭州 730046)

摘要：[目的] 了解石質(zhì)山不同坡向沙冬青的種群結(jié)構(gòu)、分布格局，旨在揭示沙冬青種群與環(huán)境異質(zhì)間的相互關(guān)系。[方法] 在北砸山不同坡向上采用樣線和樣方相結(jié)合的方法調(diào)查沙冬青群落特征，運(yùn)用平均擁擠度、叢生指數(shù)、聚塊性指標(biāo)、Cassie指標(biāo)、擴(kuò)散系數(shù)、負(fù)二項(xiàng)分布指標(biāo)等方法對景泰北砸山不同坡向沙冬青種群結(jié)構(gòu)和分布格局進(jìn)行了研究。[結(jié)果] (1) 北砸山陽坡沙冬青種群密度最高，是半陽坡的2.5倍，半陰坡生長狀況最好； (2) 陽坡、半陽坡、山脊處沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型，半陰坡年齡結(jié)構(gòu)為增長型； (3) 陽坡、半陽坡、半陰坡擴(kuò)散指數(shù)C均大于1，說明陽坡、半陽坡、半陰坡都服從集群分布，而山脊處擴(kuò)散指數(shù)C小于1，說明山脊處沙冬青服從均勻分布； (4) 北砸山沙冬青種群分布格局規(guī)模：陽坡為4 m×8 m，半陽坡為4 m×4 m，半陰坡為8 m×8 m，山脊部為4 m×8 m。[結(jié)論] 北砸山沙冬青生長狀況良好，年齡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，分布格局大多為集群分布，各區(qū)域分布的沙冬青種群格局規(guī)模存在差異。

關(guān)鍵詞：沙冬青； 北砸山； 分布格局； 年齡結(jié)構(gòu)； 格局規(guī)模

沙冬青(A.mongolicus)又名蒙古黃花木，豆科冬青屬植物，屬古第三紀(jì)孑遺種、亞洲中部特有物種，是我國重點(diǎn)保護(hù)的第一批珍稀瀕危物種，也是我國西北荒漠地區(qū)唯一的超旱生常綠闊葉灌木樹種[1]。近年來，眾多學(xué)者[2-9]在沙冬青生理特性、化學(xué)組成、抗旱機(jī)理、生物化學(xué)、生態(tài)學(xué)、引種栽培等方面做了大量的研究工作，并取得了一定的成果，但在研究過程中也存在許多缺失和不足，例如，在人工沙冬青建群等方面仍得不到技術(shù)和科學(xué)支撐。北砸山區(qū)自然條件惡劣，但是卻形成了一定范圍年齡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的沙冬青種群，對人工沙冬青種群建立方面的研究具有重要意義[10]。不同生境條件下瀕危植物的種群結(jié)構(gòu)可以揭示種群建立和演化過程中的某些機(jī)理，反映植物與環(huán)境之間的適合度。而針對沙冬青種群結(jié)構(gòu)和分布格局的研究，能夠定量描述種群結(jié)構(gòu)、揭示格局成因、闡述種群及群落動(dòng)態(tài)變化以及探索種群衰敗和致瀕原因[11]。本研究在野外調(diào)查及前人研究的基礎(chǔ)上，通過系統(tǒng)研究石質(zhì)山不同坡向沙冬青的種群結(jié)構(gòu)、分布格局，探討沙冬青種群與環(huán)境異質(zhì)間的相互關(guān)系，為沙冬青種質(zhì)資源保護(hù)及人工種群建立提供理論依據(jù)。

1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省景泰縣北砸山，地理位置103°54′48″—103°43′06″E，37°25′28″—37°35′45″N，海拔1 900 m，屬溫帶干旱荒漠氣候。光熱資源豐富，日照充足；降水稀少且分布不均，年均降水量184.8 mm，主要集中在7—9月；蒸發(fā)強(qiáng)烈，年平均蒸發(fā)量3 038 mm；風(fēng)沙活動(dòng)頻繁，年均風(fēng)速3.5 m/s，最大風(fēng)速21.7 m/s，年8級以上大風(fēng)27.9 d，年沙塵暴21.9 d；年均氣溫8.2 ℃，極端高溫36.6 ℃，極端低溫27.3 ℃；日照時(shí)數(shù)2 725.7 h，無霜期192 d。北砸山地處祁連山褶皺系東端，北抵阿拉善地塊南緣，山體主要為第四紀(jì)巖漿巖的堆積物。山勢陡峭，山大溝深。山區(qū)唯一可供植被利用的水源為大氣降水。天然植物有紅砂(Reaumuriasongarica)、霸王刺(RhizomaSmilacisChinae)、貓頭刺(Oxytropisaciphylla)、茵陳蒿(Artemisiacapillaries)、紫菀木(Asterothamnusalyssoides)、駱駝蒿(Peganumnigellastrum)、荒漠錦雞兒(Caraganaroborovskyi)、芨芨草(Achnatherumsplendens)等。

2研究方法

2.1　樣方調(diào)查

北砸山山坡上沙冬青比較均勻，陽坡、半陽坡、半陰坡和山脊處均有分布。根據(jù)該地區(qū)的地形、地貌等生境條件，主要采用樣線和樣方相結(jié)合的方法，取典型的陽坡、半陽坡、半陰坡和山脊處樣地，每個(gè)樣地上設(shè)置一個(gè)20 m×20 m的大樣方，每個(gè)大樣方劃分為100個(gè)2 m×2 m的小樣方。精確測量樣方內(nèi)沙冬青的樹高、冠幅和新枝長度。以大樣方水平方向?yàn)闄M軸，沿山坡向下方向?yàn)榭v軸，記錄每一株沙冬青的坐標(biāo)值。

2.2　數(shù)據(jù)分析

2.2.1沙冬青種群結(jié)構(gòu)研究劉虎俊等[10]認(rèn)為山地沙冬青天然種群個(gè)體的高度與其年齡的大小并無明顯的相關(guān)關(guān)系，而其冠幅基本隨年齡的變化具有明顯的差異。實(shí)地調(diào)查也發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象，按照個(gè)體冠幅劃分其年齡結(jié)構(gòu)。以10 cm為一個(gè)幅度級，劃分為Ⅰ—Ⅻ共12個(gè)級別，Ⅻ為大于110 cm沙冬青個(gè)體數(shù)。按照幅度級將冠幅在0～30 cm的個(gè)體定義為幼齡個(gè)體，冠幅在30～80 cm之間的個(gè)體定義為中齡個(gè)體，幅度大于80 cm的定義為老齡個(gè)體。

2.2.2沙冬青種群分布格局研究根據(jù)平均擁擠度、叢生指數(shù)等六項(xiàng)指標(biāo)對分布格局進(jìn)行研究[12-13]：

(1) 平均擁擠度：

m*=m+(s2/m-1)

式中：m*表示生物個(gè)體在一個(gè)樣方內(nèi)的平均鄰居數(shù)，反映樣方內(nèi)生物個(gè)體的擁擠程度。數(shù)值越大聚集強(qiáng)度越大。同時(shí)m*與m大小關(guān)系能夠反映出分布形式。

(2) 叢生指數(shù)：

I=s2/m-1

I>0時(shí)，為聚集分布；I<0時(shí)為均勻分布；I=0時(shí)為隨機(jī)分布。

(3) 聚塊性指標(biāo)：

m*/m

m*/m>1為聚集分布；m*/m<1為均勻分布；m*/m=1為隨機(jī)分布。

(4) Cassie指標(biāo)：

CA=(s2-m)/m2

CA>0時(shí)為集群分布；CA<0時(shí)為均勻分布；CA接近于0時(shí)為隨機(jī)分布。

(5) 擴(kuò)散系數(shù)：

C=s2/m

C>1時(shí)為集群分布；C<1時(shí)為均勻分布；C=1時(shí)為隨機(jī)分布。

(6) 負(fù)二項(xiàng)參數(shù)：

K=m2/(s-m)

K值用于度量聚集程度，K值越小聚集強(qiáng)度越高；當(dāng)K>8時(shí)，逼近Pisson分布。K>0為聚集分布；K<0為均勻分布。

2.2.3沙冬青分布規(guī)模分析根據(jù)相鄰格子法劃分區(qū)組[14]，每個(gè)樣地劃分為：2m×2m(Ⅰ)，2m×4m(Ⅱ)，4m×4m(Ⅲ)，4m×8m(Ⅳ)，8m×8m(Ⅴ)，8m×16m(Ⅵ)，16m×16m(Ⅶ)共7個(gè)區(qū)組。運(yùn)用區(qū)組樣方方差法計(jì)算每一個(gè)區(qū)組的均值，利用均值分析分布規(guī)模。

3結(jié)果與分析

3.1　沙冬青的生長狀況

由于空間異質(zhì)性，北砸山不同坡向的沙冬青生長狀況明顯不同。調(diào)查結(jié)果顯示，不同生境下的沙冬青種群密度有顯著差異，密度最高的陽坡是密度最小的半陽坡的2.54倍。沙冬青密度從大到小依次為：陽坡>半陰坡>山脊>半陽坡。

陽坡和半陰坡沙冬青密度明顯高于半陽坡和山脊。而半陰坡沙冬青的高度和冠幅與陽坡、半陰坡、山脊相比存在顯著差異，半陰坡沙冬青生長狀況最好，說明半陰坡環(huán)境最適合沙冬青生長。從方差分析結(jié)果來看(表1)，陽坡、半陽坡和山脊之間的各項(xiàng)指標(biāo)都沒有顯著差異，但從平均值來看，半陽坡的各項(xiàng)指標(biāo)均略高于陽坡和山脊。這是因?yàn)榘腙柶律扯嗝芏刃∏夜采N只有少量紅砂，種內(nèi)競爭和種間競爭相對較小，從而沙冬青有較好的生長空間。變異系數(shù)(方差/平均值)從大到小依次為：冠幅(3.90～20.29)>高度(1.21～2.42)>新枝長度(0.43～1.39)>分枝數(shù)(0.24～0.64)。說明種群間最大的差異表現(xiàn)在冠幅的大小。

表1　不同坡向沙冬青個(gè)體生長狀況

注：表中字母為LSD差異性比較，相同字母為差異不顯著，不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.2　沙冬青的年齡結(jié)構(gòu)

調(diào)查結(jié)果顯示，陽坡沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型，半陽坡沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型，半陰坡沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為增長性，山脊處沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型。

由圖1可以看出，陽坡的沙冬青各幅度級中，10～20 cm和120 cm以上的部分缺失，其他冠幅級大致均勻分布。種群存在一定數(shù)量的沙冬青幼齡個(gè)體，約占總數(shù)的23.08%，能夠保證種群的穩(wěn)定。但是沙冬青本身更新苗成活率很低，如10～20 cm部分已經(jīng)缺失，說明陽坡沙冬青種群有斷代的風(fēng)險(xiǎn)，會(huì)引起沙冬青種群結(jié)構(gòu)斷層。中齡個(gè)體占總數(shù)的46.15%，老齡沙冬青個(gè)體占總數(shù)的38.46%，中齡個(gè)體占有明顯優(yōu)勢，所以陽坡的沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型。

半陽坡沙冬青的種群結(jié)構(gòu)斷層嚴(yán)重，各幅度級間嚴(yán)重缺失。幼齡、中齡和老齡沙冬青比例為：1∶6.5∶1?？梢酝茢嗌扯嗌L環(huán)境惡劣，受外界干擾嚴(yán)重，沙冬青幼苗成活率過低，導(dǎo)致種群沒有10～30 cm的幼齡沙冬青。并且在過去一段時(shí)間里成年沙冬青死亡率高，導(dǎo)致目前老齡沙冬青比例過少。但此坡沙冬青目前的種群年齡結(jié)構(gòu)呈穩(wěn)定型。

半陰坡沙冬青各幅度級雖有部分缺失，但是沙冬青幼齡個(gè)體比例較高，約占總數(shù)的28.21%，可以保證沙冬青的更新?lián)Q代。種群結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，各冠幅級比例相差不大，老齡沙冬青數(shù)量多。隨著時(shí)間的推移，老齡沙冬青會(huì)增多，幼苗基數(shù)大，能夠保證中齡沙冬青的比例，年齡結(jié)構(gòu)呈增長型。實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，坡向?yàn)楸筹L(fēng)向，避免沙冬青被正面直吹，坡面表層一般具有多年風(fēng)積黃土或風(fēng)沙土，黏性較大，土壤養(yǎng)分含量豐富，陽光照射也可以滿足沙冬青的生長，是沙冬青年齡結(jié)構(gòu)呈增長型的原因。山脊處的沙冬青種群結(jié)構(gòu)不完整，沙冬青的幼齡和老齡都過少。沙冬青幼齡個(gè)體數(shù)只占總數(shù)的4.76%，30 cm以下沙冬青幾乎沒有，老齡沙冬青個(gè)體數(shù)約為14.29%，這樣必然導(dǎo)致中齡沙冬青比例過高。事實(shí)也是如此，統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，中齡沙冬青的比例高達(dá)80%。因?yàn)橹旋g沙冬青比例大，所以山脊處沙冬青種群年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型。

圖1　不同坡向沙冬青依冠幅直徑分級(0.01株/m2)

3.3　沙冬青種群空間分布格局

調(diào)查結(jié)果顯示，陽坡、半陽坡和半陰坡的沙冬青種群分布格局為集群分布，山脊處的沙冬青種群分布格局為均勻分布。由表2可知，陽坡、半陽坡、半陰坡擴(kuò)散指數(shù)C都大于1，說明陽坡、半陽坡、半陰坡都服從集群分布，而山脊處擴(kuò)散指數(shù)C小于1，說明山脊處沙冬青服從均勻分布。叢生指數(shù)I也表明了這一點(diǎn)。雖然陽坡、半陽坡、半陰坡均為集群分布，但是聚集強(qiáng)度和擁擠度存在差異。負(fù)二項(xiàng)參數(shù)K可用于定性分析聚集程度[14]。K值越小，說明聚集強(qiáng)度越高。結(jié)果表明半陽坡聚集強(qiáng)度大于陽坡和半陰坡。半陰坡的K值很高，從聚集強(qiáng)度分析，此坡分布類型接近Poisson分布。平均擁擠度m*表示生物個(gè)體在一個(gè)樣方中的平均鄰居數(shù)，它反應(yīng)出樣方內(nèi)生物個(gè)體的擁擠程度。陽坡?lián)頂D度為1.576。m*值最大，說明陽坡上的個(gè)體受其它個(gè)體的擁擠效應(yīng)最大，山脊處的擁擠度為0.738，擁擠度最小。m*/m是聚塊性指數(shù)，聚塊性指數(shù)考慮了空間格局本身的性質(zhì),并不涉及密度,其值越大,集聚性越強(qiáng)。由表2可知，半陽坡m*/m的值為2.514，聚集性最強(qiáng)，與K指標(biāo)的結(jié)果是一致的。

表2　不同樣地類型沙冬青分布格局

3.4　不同樣地沙冬青空間格局規(guī)模

分布格局中集群分布的種群個(gè)體通常是聚集成大小不等的斑塊鑲嵌在一起，這種斑塊的大小即為格局的規(guī)模[15]。圖2為沙冬青種群分布格局規(guī)模，橫坐標(biāo)為區(qū)組冠幅分別大小，縱坐標(biāo)為均方值。

圖2　沙冬青種群格局規(guī)模

圖2中曲線的峰值所對應(yīng)的區(qū)組大小代表著種群的分布格局規(guī)模。陽坡的均方值分別在區(qū)組Ⅱ和區(qū)組Ⅳ出現(xiàn)峰值，半陽坡的均方值在區(qū)組Ⅲ出現(xiàn)峰值，半陰坡均方值在區(qū)組Ⅴ出現(xiàn)峰值，山脊的均方值在區(qū)組Ⅱ和區(qū)組Ⅳ出現(xiàn)雙峰。出現(xiàn)峰值反映格局存在一個(gè)明顯的聚塊，說明服從集群分布。峰值較陡峭，表明集群分布強(qiáng)度較高。從圖2可以看出，半陰坡明顯有峰值，說明半陰坡的分布強(qiáng)度最高。山脊處峰值不明顯，表明其聚集強(qiáng)度低，進(jìn)一步表明了各樣地的分布情況。從聚集的斑塊性來看，雖然在沙冬青不同的分布區(qū)域其均方值有單峰或者雙峰的差別，但均方值峰值出現(xiàn)在區(qū)組Ⅱ以后可以清楚地顯示種群的斑塊性，因此在北砸山沙冬青種群分布格局規(guī)模應(yīng)該是：陽坡為4 m×8 m，半陽坡為4 m×4 m，半陰坡為8 m×8 m，山脊部為4 m×8 m，各區(qū)域分布的沙冬青種群格局規(guī)模存在差異。

4結(jié) 論

(1) 在調(diào)查區(qū)明顯存在環(huán)境的異質(zhì)性差異，主要表現(xiàn)為陽坡、半陽坡、半陰坡和山脊的土壤質(zhì)地、地理?xiàng)l件和地形的差異。由于生境的異域性，沙冬青生長狀況、年齡結(jié)構(gòu)和分布格局具有明顯的區(qū)域特征。半陰坡因?yàn)榈乩項(xiàng)l件和土壤條件良好，沙冬青生長狀況最好，年齡結(jié)構(gòu)為增長型。山脊處因山風(fēng)大，基巖裸露，自然條件差等原因造成沙冬青生長狀況較差，更新苗不易存活，冠幅在30 cm以下的沙冬青株數(shù)很少。沙冬青種群在北砸山的分布格局也充分體現(xiàn)了空間異質(zhì)性的作用。在坡度較大的陽坡、半陽坡和半陰坡上沙冬青分布格局為集群分布，坡度較小的山脊上沙冬青分布格局為均勻分布。并且各分布的斑塊大小和聚集強(qiáng)度均有顯著差異。沙冬青的繁殖和擴(kuò)散靠種子傳播，由于山坡坡度較大，種子受重力和季節(jié)性洪水的作用向下沖積，使坡度較大的山坡處的沙冬青沿著母體向下擴(kuò)散，導(dǎo)致集群分布。坡度的不同以及地質(zhì)條件的差異都會(huì)導(dǎo)致聚集強(qiáng)度大小的不同。而山脊處沖積力和重力的作用不明顯，隨著種群的擴(kuò)大，生存壓力主要來自內(nèi)部競爭,導(dǎo)致自疏現(xiàn)象，最終形成均勻分布的特征。

(2) 陽坡沙冬青密度最高。北砸山半陰坡沙冬青種群生長狀況最好，冠幅、高度顯著高于陽坡、半陽坡、山脊。半陽坡沙冬青各生長指標(biāo)略高于陽坡和山脊。變異系數(shù)從大到小依次為：冠幅>高度>新枝長度>分枝數(shù)。

(3)陽坡沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型，半陽坡沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型，半陰坡沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為增長型，山脊處沙冬青年齡結(jié)構(gòu)為穩(wěn)定型。

(4) 不同坡向沙冬青分布格局不同，陽坡、半陽坡和半陰坡的沙冬青種群為集群分布，山脊處的沙冬青種群為均勻分布。格局規(guī)模分別為：陽坡為4 m×8 m，半陽坡為4 m×4 m，半陰坡為8 m×8 m，山脊為4 m×8 m。

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Distribution Pattern and Characteristics ofAmmopiptanthusMongolicusPopulation in Beiza Mountain

ZHOU Qilong1,2, WANG Li1, LIAO Kongtai2, YANG Guozhou2, WANG Dawei1

(1.CollegeofForestry,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou，Gansu730070,China;2.AdministrationforForestryStationofGansuProvince,Lanzhou，Gansu730046,China)

Abstract：[Objective] The population structure and distribution pattern of Aminopiptanthus mongolicus in different slope aspects of Beiza Mountain were demonstrated and the relations between A.mongolicus population and the surroundings were analyized. [Methods] Population structure and distribution pattern of A.mongolicus population in different slope aspects of Beiza Mountain were studied by using mean crowding, clumping index I, patchiness index, Cassie index, dispersal index(C) and parameter of negative binominal(K).[Results] (1) The highest population density of A.mongolicus was at sunny slope, which was 2.5 times of the half-sunny slope; and the population grew best at half-shaded slope. (2) The age structure at sunny slope, half-sunny slope and ridge were stable, the half-shaded slope was increasing; (3) The dispersal index at sunny slope, half-sunny slope and half-shaded was clump distribution, and the ridge was uniform distribution; (4) The pattern scales were as follows: sunny slope, 4 m×8 m; half-sunny slope, 4 m×4 m; half-shadedslope, 8 m×8 m; ridge, 4 m×8 m.[ Conclusion] The growth status was well, the age structure was stable, and the most distribution patterns were clump distribution, the pattern scale was different in imparity distribution.

Keywords:A.mongolicus; Beiza Mountain; distribution pattern; age structure; pattern scale

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)02-0302-04

中圖分類號：Q948

通信作者：王立(1963—),男(漢族),甘肅省甘谷縣人，副教授,碩士生導(dǎo)師,主要從事水土保持、荒漠化防治等研究方向。E-mail:wangli@gsau.edu.cn。

收稿日期：2014-03-03修回日期：2014-03-25
資助項(xiàng)目：中央財(cái)政林業(yè)科技推廣跨區(qū)域重點(diǎn)推廣示范項(xiàng)目“干旱沙區(qū)沙冬青種群營建技術(shù)示范推廣”(2010TK69)
第一作者：周啟龍(1988—),男(漢族),吉林省省榆樹市人，碩士研究生,研究方向?yàn)榛哪乐?。E-mail:qilong_zhou@163.com。