干旱區(qū)鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)與重建模式下生物多樣性分析

梁靜，張鳳華，龐瑋

（新疆兵團綠洲生態(tài)農(nóng)業(yè)重點實驗室／石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院，石河子8320003）

我國干旱區(qū)綠洲化面積從20世紀50年代后期的2.5萬km2擴大到目前的10.4萬km2，沙漠化土地面積由5.3萬km2擴大到11.4萬km2，受鹽漬化危害的耕地面積達到1.5萬km2，占總耕地面積的30%［1］。綠洲化優(yōu)化了局地生態(tài)環(huán)境，擴大了人類的生存空間，但綠洲無序的開發(fā)使綠洲穩(wěn)定性下降，引發(fā)包括土地退化在內(nèi)的一系列生態(tài)環(huán)境問題，由于水資源缺乏，生態(tài)環(huán)境的脆弱性，加之農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對水土資源的不合理利用，土壤次生鹽漬化問題也日益突出，新疆現(xiàn)有鹽漬化耕地120萬hm2，占現(xiàn)有耕地面積的31.7%以上，其中強度、中度、輕度鹽漬化面積分別占18%、33%和49%。全新疆因土壤鹽漬化而棄耕的土地達13.3萬hm2，平均每年因土地鹽堿化造成的糧食損失達3億kg，棉花0.8億～1億kg［2］。

棄耕地是指原來進行農(nóng)業(yè)經(jīng)營的土地不再進行農(nóng)業(yè)耕種而撂荒的土地，棄耕是自然恢復(fù)土壤質(zhì)量的一種方式，但我國耕地十分緊張的情況下，棄耕不可取，如何利用棄耕地進行生態(tài)重建，具有一定的現(xiàn)實意義［3］。目前我國對棄耕地生態(tài)恢復(fù)以自然恢復(fù)和人工輔助措施恢復(fù)為主。棄耕地的恢復(fù)與重建過程對對土壤養(yǎng)分的生態(tài)效應(yīng)已引起了一些研究者的關(guān)注［4－5］。植被恢復(fù)過程中土壤養(yǎng)分和有機質(zhì)等含量有所提高，而土壤養(yǎng)分的改善也會促進植被的恢復(fù)，土壤和植被具有互動效應(yīng)［6］。本研究以新疆瑪納斯河流域鹽漬化棄耕地為案例，研究不同恢復(fù)重建模式下植被與土壤環(huán)境的變化，從而確定棄耕地恢復(fù)重建的最佳模式，以期為鹽漬化棄耕地的生態(tài)重建及進一步開發(fā)利用提供選擇和依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究地區(qū)概況

新疆瑪納斯河流域沖積平原典型的鹽化棄耕地，位于E 85°37.275′，N 44°33.493′，海拔378 m。研究區(qū)為典型大陸性氣候，干旱少雨，濕度小，蒸發(fā)量大，日照充足，≥10℃的活動積溫達到3570～3729℃，年日照時數(shù)為2721～2818 h，無霜期為168～171 d，年平均降水量153.1 mm，年平均蒸發(fā)量為2005 mm，超過自然降水量的13倍，易發(fā)生次生鹽漬化現(xiàn)象，土質(zhì)多系鹽堿土、荒漠灰鈣土。在地貌和氣候條件控制下，研究區(qū)自然植被以荒漠植被為主，主要群落類型有檉柳（Tamarix hispida）群落、角果藜（Ceratocarpus arenarius）群落、豬毛菜（Salsola collina）群落、花花柴（Karelinia caspica）群落、地白蒿（Seriphidium terraealbae）群落等，植物種類單調(diào)是當(dāng)?shù)刂脖坏闹饕卣鳌?/p>

1.2 研究方法

1.2.1樣地布設(shè)與調(diào)查

試驗區(qū)面積33.33 hm2，共設(shè)置4個樣地，分為人工恢復(fù)模式 （棉田，模式Ⅰ）、自然恢復(fù)模式（模式Ⅱ）、圍欄恢復(fù)模式（模式Ⅲ）、少量補水恢復(fù)模式（圍欄條件下適量補水，模式Ⅳ）。草本植物每個樣地內(nèi)設(shè)3個1 m×1 m樣方，灌木區(qū)每個樣地內(nèi)3個5 m×5 m樣方。調(diào)查并記錄樣方內(nèi)所有植物的物種組成、密度、高度、蓋度、頻度；在植物旺盛生長期，對樣方內(nèi)的植物齊地刈割，測定生物量。每個樣地內(nèi)分別選為梅花狀5點取土，樣品經(jīng)風(fēng)干研磨過篩裝袋備用。

1.2.2植被多樣性測度

α多樣性測度方法［7］。將反映群落中物種豐富和個體在各物種中分布均勻程度的指標(biāo)，稱為α多樣性。文中采用最常用的豐富度指數(shù)、Simpson多樣性、Shannon－Wianer多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)進行α多樣性，其計算公式如下：

式（1）中：S為樣地的植物物種數(shù)，N為樣地植物重要值總和（重要值＝相對生物量＋相對蓋度＋相對多度＋相對頻度＋相對高度）。

Simpson多樣性指數(shù)：

Shannon－Wianer多樣性指數(shù)：

式（2）、（3）中：Pi＝Ni／N，N 為樣地植物重要值總和；Ni樣方中第i中植物的重要值，Pi為重要值比例。

式（4）中：H 同式（3），S為樣地的植物物種數(shù)。

β多樣性測度方法［8］。一般將隨群落內(nèi)環(huán)境異質(zhì)性變化，或隨群落間環(huán)境變化，而導(dǎo)致的物種豐富度和均勻度程度變化的指標(biāo)，稱為β多樣性。相似性系數(shù)，是測度群落或生境β多樣性的最簡便方法。本文采用Jaccard指數(shù)（Cj），其計算公式如下：

式（5）中：j為2個樣地共有的物種數(shù)；a和b分別為樣地A和樣地B的物種數(shù)。

1.2.3土壤微生物計數(shù)方法

取新鮮表層土樣采用平板涂布培養(yǎng)計數(shù)法。細菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；真菌用馬丁－孟加拉紅培養(yǎng)基；放線菌用改良高氏一號＋2%重鉻酸鉀培養(yǎng)基［9］。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同恢復(fù)模式下土壤水鹽分變化

棄耕地不同恢復(fù)模式土壤物理性質(zhì)見表1。

表1 棄耕地不同恢復(fù)模式土壤物理性質(zhì)Tab.1 Soil physical properties under different recovery modes

由表1可見：鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)模式下土壤含水量的差異明顯，模式Ⅰ與模式Ⅳ由于通過人為補充灌水，土壤含水量明顯大于模式Ⅱ與模式Ⅲ，其中人工復(fù)墾為農(nóng)田（模式Ⅰ）后土壤含水量分別比模式Ⅱ、模式Ⅲ、模式Ⅳ增加了110.6%、113.3%和58.0%。與土壤含水量相反，土壤鹽分差異表現(xiàn)為模式Ⅱ、模式Ⅲ的電導(dǎo)率較大，模式Ⅰ最低，電導(dǎo)率為896μS／cm。模式Ⅰ分別比模式Ⅱ、模式Ⅲ、模式Ⅳ降低了38.6%、54.0%和29.6%。這是由于模式Ⅱ和模式Ⅲ缺少灌溉對鹽分的淋洗，同時地下水中的鹽分通過強烈的蒸發(fā)作用在土壤表層累積的作用。

2.2 棄耕地不同恢復(fù)模式下地上植被多樣性變化

由表2可見，一年生旱生、耐鹽堿草本植物擴散力強，對環(huán)境條件要求低，抗逆性強，生理期只需利用淺層土壤水，因此在鹽漬化棄耕地初期恢復(fù)中，能夠迅速占領(lǐng)生境成為群落的物種主要以一年生旱生、耐鹽堿草本植物尖頭葉藜和堿蓬為主［10］。由于采取不同恢復(fù)措施，植物種類及數(shù)量不同，其中模式Ⅲ與模式Ⅳ的植被種類較多；模式Ⅰ生物量最大，為812.23 g／m2，模式Ⅱ生物量最低，為547.78 g／m2。圍欄處理減少牲畜踐踏和人為干擾，種子萌發(fā)條件較好，生理期利用淺層土壤水，有利于植被種類與數(shù)量的迅速恢復(fù)。圍欄并補水處理后，植被種類與生物量并沒得到明顯提高。我們推測，棄耕地短期恢復(fù)過程中通過圍欄禁牧保護種子庫，植被即可起到明顯恢復(fù)效果。

表2 不同恢復(fù)模式下植被種類及生物量Tab.2 Vegetation species and biomass in the experimental fields

群落物種多樣性作為生物多樣性的重要組成部分，不僅是反映生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)物種組成、結(jié)構(gòu)多樣性和復(fù)雜化程度的客觀指標(biāo)，還是生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)生物群落對生物和非生物環(huán)境綜合作用的外在反映。從分析結(jié)果（表3）來看，不同恢復(fù)模式多樣性指數(shù)具體表現(xiàn)為模式Ⅲ＞模式Ⅳ＞模式Ⅱ，可見半人工恢復(fù)具有較好的植被恢復(fù)效果，其中圍欄恢復(fù)模式的多樣性指數(shù)分別為0.827、0.861；少量補水恢復(fù)模式的多樣性指數(shù)分別為0.816、0.846。豐富度指數(shù)是反映群落物種種類和數(shù)量多少的度量指標(biāo)，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)分以及人為活動等。由表3可見，圍欄補水模式下植被種類較多，豐富度指數(shù)R2為1.260，而自然恢復(fù)方式下R2為0.909。模式Ⅳ分別比模式Ⅲ、模式Ⅱ增加了16.0%和38.6%。不同恢復(fù)模式下均勻度指數(shù)差異不大，表現(xiàn)為模式Ⅲ＞模式Ⅳ＞模式Ⅱ，其中均勻度最大的是圍欄恢復(fù)模式為0.392，分別比模式Ⅱ、模式Ⅳ增加了7.1%和6.5%。

表3 不同恢復(fù)模式植物群落α－多樣性Tab.3 Speciesα－diversity under different recovery modes

β－多樣性的生態(tài)學(xué)意義可以指示生境被物種分割的程度，可用來比較不同地段上生境的多樣性。由表4可見，在研究區(qū)內(nèi)，模式Ⅱ與模式Ⅳ的相似性系數(shù)最小0.31，說明兩個群落間共有物種最少。模式Ⅲ與模式Ⅳ的相似性系數(shù)最大0.53，相異性系數(shù)最小0.47，說明兩個群落間共有物種最多，環(huán)境的異質(zhì)性最小。說明模式Ⅲ與模式Ⅳ兩種措施在恢復(fù)初期對地上植被種類及多樣性表現(xiàn)較為一致。

表4 不同恢復(fù)模式植物群落β－多樣性Tab.4 Speciesβ－diversity under different recovery modes

2.3 棄耕地不同恢復(fù)模式對土壤微生物多樣性的影響

土壤微生物區(qū)系及數(shù)量分布是土壤生物分布的具體表現(xiàn)，可以敏感反應(yīng)乃至預(yù)測土壤有機質(zhì)以及土壤環(huán)境的變化過程具有重要作用。

本研究對棄耕地4種不同恢復(fù)模式下土壤微生物及其組成進行了測定，研究結(jié)果（表5）表明：三大類微生物類群組成比例大體一致，其中細菌數(shù)量最多，占微生物總數(shù)的88.24%～93.42%，在土壤微生物中占絕對優(yōu)勢，放線菌數(shù)量次之，真菌最少，在微生物總數(shù)中分別占5.81%～8.56%和0.77%～3.20%。

從微生物總數(shù)來看，鹽漬化棄耕地4種不同利用方式土壤微生物數(shù)量存在一定差異，具體表現(xiàn)為模式Ⅰ＞模式Ⅳ＞模式Ⅲ＞模式Ⅱ。其中人工恢復(fù)方式下微生物數(shù)量最多，高達119.21萬個／g土，自然恢復(fù)方式下最低，僅為35.63萬個／g土。由于土地的利用方式不同，使其土壤屬性發(fā)生了改變，從而影響土壤微生物數(shù)量。

表5 不同恢復(fù)模式對土壤微生物多樣性的影響Tab.5 The influence of different recovery modes on the amount of soil microorganism

2.4 棄耕地不同恢復(fù)模式下土壤因子、植被多樣性與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析

由表5可見，土壤含水量與土壤微生物數(shù)量呈極顯著相關(guān)，與地上植被多樣性呈顯著相關(guān)，說明土壤水分含量是影響土壤微生物數(shù)量及地表植被多樣性的敏感因素，但土壤含水量與地表生物量無相關(guān)性。土壤微生物數(shù)量與地表植物生物量呈現(xiàn)顯著相關(guān)性，說明地上部植被生物量與土壤中微生物數(shù)量有密切關(guān)系，地上部植被生物量越大，土壤微生物數(shù)量越多。

表6 不同恢復(fù)模式下土壤因子、植被多樣性與微生物數(shù)量的相關(guān)性分析Tab.6 Correlation analysis among soil factors，vegetation diversity and soil microorganism quantity

3 結(jié)論

1）鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)模式下土壤含水量、鹽分差異明顯，人工種植模式與圍欄補水模式條件下，含水量明顯大于其它模式。人工恢復(fù)模式下土壤鹽分最低，電導(dǎo)率為896μS／cm。由于人為增加灌溉，提高土壤含水量，同時對土壤鹽分的淋洗作用，降低土壤表層鹽分含量。這與前人的研究一致。

2）鹽漬化棄耕地不同恢復(fù)模式下植物物種多樣性及生物量均存在差異。半人工恢復(fù)模式條件下植被的豐富度指數(shù)及綜合多樣性指數(shù)均較高。說明只要采取合適的封育與保護措施，棄耕地植被可以得到一定的恢復(fù)。其中半人工恢復(fù)中圍欄模式和圍欄補水模式對植被恢復(fù)中多樣性及生物量的影響不明顯，短期實驗為2009－2010年，但2種恢復(fù)模式的結(jié)果差異不明顯。

3）不同恢復(fù)方式下土壤微生物數(shù)量存在一定差異，表現(xiàn)為模式Ⅰ＞模式Ⅳ＞模式Ⅲ＞模式Ⅱ。其中人工恢復(fù)方式下微生物數(shù)量最多，高達119.21萬個／g土，自然恢復(fù)方式下最低，僅為35.63萬個／g土。微生物作為反映土壤特性的敏感指標(biāo)，可體現(xiàn)土壤水分的影響作用。

4）土壤微生物數(shù)量與地上生物量呈顯著正相關(guān)，土壤含水量與其地上植被多樣性和土壤微生物數(shù)量呈顯著相關(guān)和極顯著相關(guān)。土壤水分的增加可以增強地表植被群落穩(wěn)定，從而增加地上生物量。關(guān)于地表植被多樣性與土壤微生物多樣性之間是否具有顯著相關(guān)性，有待于今后的進一步研究。

4 討論

本研究的調(diào)查結(jié)果表明，研究樣地植被種類稀少，植被群落發(fā)育初期基本依賴于土壤種子庫植被更新潛力［11］。因此試驗中不同棄耕地恢復(fù)模式下植被種類及多樣性特征取決于棄耕期間土壤中種子庫的組成、可萌發(fā)種子多樣性及種子幼苗建成能力［12］。本研究通過開墾農(nóng)田、圍欄禁牧、圍欄補水幾種措施處理，對種子庫影響不同，植被數(shù)量無論從種類和數(shù)量都有較大差異。人工開墾對種子庫損失最大，圍欄處理減少牲畜踐踏和人為干擾，種子萌發(fā)條件較好，因而植被的種類和數(shù)量也較多。因為實驗僅2年時間，在圍欄與圍欄少量補水2種措施間植被種類無太大差異。但是土壤微生物數(shù)量在二者間差異明顯。我們推測，短期來看，棄耕地恢復(fù)過程中圍欄禁牧、減少人為破壞對植被群落重建起著關(guān)鍵作用，而干旱區(qū)棄耕地長期恢復(fù)過程中土壤水分仍然是關(guān)鍵因素。加強對干旱荒漠區(qū)土壤種子庫的研究，掌握干旱荒漠區(qū)土壤種子庫的特點和規(guī)律，對于干旱荒漠區(qū)植被的保護和恢復(fù)起著重要的作用［13］。

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