不同沙化高寒草地植物群落結(jié)構(gòu)特征及土壤理化特性研究

聶學(xué)敏，蘆光新，魯子豫，祁佳麗，馬　燕，張妹婷

(1.青海省生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測中心，青海 西寧　810007； 2.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧　810016)

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不同沙化高寒草地植物群落結(jié)構(gòu)特征及土壤理化特性研究

聶學(xué)敏1，蘆光新2，魯子豫1，祁佳麗1，馬燕1，張妹婷1

(1.青海省生態(tài)環(huán)境遙感監(jiān)測中心，青海 西寧810007； 2.青海大學(xué) 農(nóng)牧學(xué)院，青海 西寧810016)

以青海省治多縣輕度沙化和重度沙化草地為研究對(duì)象，對(duì)其植被群落特征和土壤理化性狀進(jìn)行了調(diào)查。結(jié)果表明：隨著草地沙化程度的加劇，草地植物群落結(jié)構(gòu)(如群落優(yōu)勢(shì)種等)發(fā)生了明顯的變化，群落蓋度、生物量均明顯下降(P<0.01)，植被高度反而上升(P<0.01)。而通過保護(hù)與綜合治理，重度沙化草地物種數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)卻大于輕度沙化草地。同時(shí)，隨著草地沙化程度的加劇，土壤養(yǎng)分在0～15 cm水平上明顯下降(P<0.01)，而在15～30 cm水平上變化不明顯。

沙化草地；植被群落；生態(tài)恢復(fù)；多樣性

青藏高原高寒草地是世界海拔最高、面積廣大、類型較為獨(dú)特的草地生態(tài)系統(tǒng)，在全球氣候變化造成的干旱及人類活動(dòng)的綜合影響下，天然草地群落發(fā)生逆向演替。大面積草地退化生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)生和發(fā)展，嚴(yán)重制約了生態(tài)服務(wù)功能的正常發(fā)揮，并且已成為當(dāng)?shù)厣鐣?huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)可持續(xù)發(fā)展的巨大障礙。草地沙化是草地生態(tài)系統(tǒng)受損的極端表現(xiàn)，也是草地土壤生態(tài)系統(tǒng)退化的主要表現(xiàn)形式之一。草地沙化致高寒草地涵養(yǎng)水源功能大為降低，水土保持作用減弱，畜牧業(yè)產(chǎn)值下降，嚴(yán)重威脅著區(qū)域生態(tài)安全和制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)是保障區(qū)域生態(tài)安全的重要途徑之一[1]，其目標(biāo)是恢復(fù)或重建的系統(tǒng)能夠長期持續(xù)地自我維持[2]。沙化草地植被恢復(fù)是充分利用土壤—植被復(fù)合系統(tǒng)的功能改善局部環(huán)境，促進(jìn)生物多樣性的形成。植被恢復(fù)過程受氣候、土壤理化性狀和生化活性、植被及物種多樣性現(xiàn)狀、人類活動(dòng)、人口與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)以及恢復(fù)區(qū)域的地理區(qū)位特征等因素的綜合影響[3]。草地退化對(duì)植被生產(chǎn)力、土壤養(yǎng)分及土壤形成等產(chǎn)生較大的影響[4-6]。試驗(yàn)選擇青藏高原高寒沙化草地為研究對(duì)象，對(duì)不同沙化程度的高寒沙化草地植物群落及土壤進(jìn)行研究，以期為退化高寒沙化草地植被恢復(fù)及重建提供理論依據(jù)。

1　材料和方法

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于三江源區(qū)治多縣，氣候?qū)俑咴瓉喓畮О敫珊祬^(qū)，干燥寒冷，多風(fēng)少雨，太陽輻射強(qiáng)，年均溫-0.3～-0.6℃，無絕對(duì)無霜期，年降水量150～420 mm，80%以上的降水集中在5～9月，干濕期分明，雨熱同期，境內(nèi)平均海拔4 500 m，地形呈西南高東北低。全縣草地面積為159.957 2×104hm2，其中，高寒草甸草地面積最大，占全縣草地面積的75.59%，高寒沼澤草地次之，占全縣草地面積的8.17%，高寒干草原草地和山地灌木草叢草地面積最小，分別占6.06%和0.55%。獨(dú)特的高原地理、地質(zhì)和氣候環(huán)境，形成了異質(zhì)的水熱條件和景觀格局，生態(tài)系統(tǒng)序列的多樣性顯著。自東南向西北依次形成了由高寒草甸向高寒草原、高寒荒漠過渡的以高寒草原為主的高寒生態(tài)系統(tǒng)水平帶譜，自坡腳到山頂依次分布著沼澤化草甸、高寒灌叢、高寒草甸、高山流石坡稀疏植被等，構(gòu)成一個(gè)垂直帶。試驗(yàn)在青海省治多縣加吉博洛鎮(zhèn)進(jìn)行，地理坐標(biāo)E 95.8121°，N 34.0193°，樣地海撥為4 252 m，植被類型屬于典型高寒草甸草原，主要優(yōu)勢(shì)種群為小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、針茅(Stipacapillata)。伴生種主要有二裂委陵菜(Potentillabifurca)、早熟禾(Poaannua)、苔草(Carextristachya)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)、棘豆(Oxytropisochrocephala)等。

1.2 研究方法

1.2.1植被群落結(jié)構(gòu)調(diào)查樣地在三江源生態(tài)環(huán)境保護(hù)與綜合治理工程區(qū)，2005年施工，樣地分輕度沙化草地(2005年開始季節(jié)性封育，禁牧期為6～10月)和重度沙化草地(石方格治理，2005年開始長期禁牧)，通過樣方法于2010～2012年每年8月中旬植物生長高峰期，選擇植物生長均勻、微地形差異較小的植被群落進(jìn)行觀測，樣地面積100 m×100 m，其中，隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m 的3個(gè)觀測樣方，對(duì)樣區(qū)草地群落的種類組成、數(shù)量特征和物種多樣性等進(jìn)行調(diào)查，分別測定物種蓋度、高度、頻度、地上生物量等。蓋度測定參照文獻(xiàn)[7]方法進(jìn)行；高度測定用卷尺測量每個(gè)物種的自然垂直高度5～10株，取平均值；頻度測定采用樣圓法；地上生物量測定時(shí)，沿地表分種剪取植株地上部分稱重。

1.2.2土壤樣品采集及相關(guān)指標(biāo)測定土壤取樣時(shí)間為2012年8月，用直徑5 cm的土鉆均勻取20鉆，混合成為一個(gè)土壤樣品，共分0～15 cm和15～30 cm兩層，3個(gè)重復(fù)，土樣樣品由中國科學(xué)院西北高原生物研究所化測試中心分析，測定指標(biāo)包括全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效氮、速效鉀和有機(jī)質(zhì)等。

1.2.3數(shù)據(jù)分析

①豐富度指數(shù)

R=S

② 群落多樣性指數(shù)的計(jì)算采用Shannon-Wiener指數(shù)：

③ Simpson指數(shù)：

④ 均勻度指數(shù)的計(jì)算采用(Pielou) 指數(shù):

其中：IV=(Hr+Cr+Fr+Br)/4

Pi=IVi/∑IV

式中：Pi為種i的相對(duì)重要值，S為種i群落中的物種總數(shù)，IV為物種重要值；

相對(duì)高度(Hr) =樣方內(nèi)某一物種高度/樣方內(nèi)所有物種高度和；相對(duì)蓋度(Cr)=樣方內(nèi)某一種物種蓋度/樣方內(nèi)所有物種蓋度總和；相對(duì)頻度(Fr) =樣方內(nèi)某一種物種頻度/樣方內(nèi)所有物種頻度總和；相對(duì)生物量(Br)=樣方內(nèi)某一物種地上生物量/樣方內(nèi)所有物種地上總生物量和[4]。

2　結(jié)果與分析

2.1植被群落優(yōu)級(jí)勢(shì)種及優(yōu)勢(shì)度

輕度沙化草地和重度沙化草地群落的物種組成有明顯的不同。輕度沙化草地以小嵩草和針茅為主，主要伴生種有矮生嵩草、藍(lán)花棘豆、二裂委陵菜、雪白委陵菜、蒲公英和伏毛山莓草。而重度沙化草地以青甘韭、藍(lán)花棘豆和早熟禾為主，主要伴生種有藏蒿草、細(xì)葉亞菊、密花角蒿、獐牙菜和墊狀蚤綴(表1)。

表1　高寒沙化草地群落主要物種重要值

2.2植物群落特種豐富度、多樣性差異

群落物種豐富度指數(shù)的變化為重度沙化草地>輕度沙化草地。從多樣性指數(shù)的變化分析，重度沙化草地的多樣性指數(shù)高于輕度沙化草地(表2)。

表2　高寒沙化草地植物群落豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)變化

2.3植物群落結(jié)構(gòu)特征及年際變化

植物與植物之間、植物與環(huán)境間的相互關(guān)系決定了植物群落的基本結(jié)構(gòu)特征，主要表現(xiàn)為群落一定的種類組成、外貌和結(jié)構(gòu)等。試驗(yàn)結(jié)果表明，通過沙化治理，重度沙化草地植被覆蓋度、群落生物量明顯低于輕度沙化草地覆蓋度(P<0.01)(表3)，而植被高度重度沙化草地2010年群落高度4.48 cm，明顯高于輕度沙化草地(2.14 cm)(P<0.01)。從不同年際間比較分析，無論是輕度沙化封育草地、還是重度沙化石方格治理草地其植被覆蓋度、群落平均高度、地上生物量均明顯增加，顯然生態(tài)保護(hù)工程對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)植物群落穩(wěn)定具有較好的促進(jìn)作用。

表3　沙化治理草地植物群落特征的年際變化

2.4植物群落土壤理化性狀差異分析

在0～15 cm水平上，除了重度沙化石方格治理草地土壤全磷含量較高外，其余6項(xiàng)指標(biāo)輕度沙化封育草地土壤養(yǎng)分含量均大于重度沙化石方格治理草地(P<0.01)。在15～30 cm水平上，輕度沙化封育草地土壤全氮含量顯著大于重度沙化石方格治理草地(P<0.05)，而速效氮、全磷含量顯著小于重度沙化石方格治理草地(P<0.05)，其余含量變化不明顯。兩種不同沙化程度草地在地表層0～15 cm上，土壤養(yǎng)分差異較大，且輕度沙化封育草地土壤養(yǎng)分含量明顯好于重度沙化石方格治理草地，而在15～30 cm水平上，兩種草地類型之間變化明顯(表4)。

3　討論

草地退化是草地生態(tài)系統(tǒng)在演化過程中其結(jié)構(gòu)特征和能流與物質(zhì)循環(huán)等功能過程的惡化，是生物群落及其賴以生存環(huán)境的惡化，它既包括“草”的退化也包括“地”的退化。任何群落都是由一定生物種所組成，每種生物都具有其結(jié)構(gòu)和功能的獨(dú)特性。組成生物群落的種類成分是形成群落的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，群落中的種類組成是一個(gè)群落的重要特征。重要值是表示植物種群在群落中優(yōu)勢(shì)地位的重要指標(biāo)。植物種群的重要值越大，說明其在群落中地位越高，反之則越低。從輕度沙化草地和重度沙化草地植物群落的組成和重要植的變化來看，輕度沙化封育草地主要以小嵩草、針茅、矮嵩草、藍(lán)花棘豆等為優(yōu)勢(shì)物種，且小嵩草在群落中在優(yōu)勢(shì)度明顯大于其它物種，該草地型以小嵩草為優(yōu)勢(shì)種群，且小蒿草是多年生莎草科植物，是該地區(qū)較常見的優(yōu)勢(shì)種。對(duì)于重度沙化草地植物群落而言，群落中以青甘韭、藍(lán)花棘豆、早熟禾、藏嵩草等為優(yōu)勢(shì)種，且青甘韭的優(yōu)勢(shì)度為最大，但優(yōu)勢(shì)度沒有輕度沙化草地中的小嵩草優(yōu)勢(shì)度明顯，且青甘韭是一年生雜類草，是該地區(qū)草地植物群落中常見的伴生種。顯然，輕度沙化封育草地植物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定，而重度沙化草地以當(dāng)?shù)爻Ｒ姷陌樯锓N為優(yōu)勢(shì)種，而適宜的優(yōu)勢(shì)物種生態(tài)優(yōu)勢(shì)度相對(duì)較低，植物群落處于快速動(dòng)態(tài)演替階段。此外，封育措施是沙化草地治理最有效、最經(jīng)濟(jì)的植被恢復(fù)措施之一。對(duì)于輕度沙化草地言，當(dāng)?shù)貎?yōu)勢(shì)植物種群依然存在，通過圍欄封育措施可自行恢復(fù)，而對(duì)于重度退化的草地，只有通過石方格等人工措施防止土壤流失，長期封育才能達(dá)到植被恢復(fù)的目的。

生物多樣性是指一個(gè)區(qū)域內(nèi)所有的植物、動(dòng)物、微生物以及各個(gè)物種生物與環(huán)境相互作用而形成的生態(tài)系統(tǒng)，是生命系統(tǒng)的基本特征[5]，也是草地生態(tài)系統(tǒng)健康診斷的主要依據(jù)。草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性發(fā)展和生產(chǎn)力的維持在很大程度上依賴于草地植物群落的生物多樣性，生物多樣性是草地生態(tài)系統(tǒng)維持穩(wěn)定和生產(chǎn)的基礎(chǔ)[6]。生物有機(jī)體對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有決定作用，而各個(gè)物種性質(zhì)各異，它們?cè)趥€(gè)體大小、營養(yǎng)利用等方面的差異都會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)功能[7-9]，生物有機(jī)體對(duì)生態(tài)系統(tǒng)有決定作用，而各個(gè)物種性質(zhì)各異，它們?cè)趥€(gè)體大小、營養(yǎng)利用等方面的差異都會(huì)影響生態(tài)系統(tǒng)功生態(tài)系統(tǒng)功能更多地受到物種組成( 物種的生物學(xué)特征) 等因素的控制。物種組成被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產(chǎn)力、營養(yǎng)動(dòng)態(tài)等功能的重要決定因子。調(diào)查結(jié)果表明，重度沙化草地物種數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)據(jù)均大于輕度沙化草地，實(shí)驗(yàn)結(jié)果反映了該研究區(qū)域重度沙化草地處于快速恢復(fù)階段，生態(tài)保護(hù)工程使高寒草地植被得以恢復(fù)，草地生態(tài)系統(tǒng)趨于穩(wěn)定。

植物與植物之間、植物與環(huán)境間的相互關(guān)系決定了植物群落的基本結(jié)構(gòu)特征，主要表現(xiàn)為群落一定的種類組成、外貌和結(jié)構(gòu)等。試驗(yàn)結(jié)果表明通過沙化治理，重度沙化草地植被覆蓋度、群落生物量明顯低于輕度沙化草地覆蓋度(P<0.01)，而植被高度重度沙化草地明顯高于輕度沙化草地(P<0.01)，其原因，輕度沙化草地群落仍然以小蒿草、矮蒿草、針茅、二裂委陵菜等物種為主，植被相對(duì)高度比較較低，而重度退化草地主要以青甘韭、藍(lán)花棘豆、早熟禾、藏蒿草等物種，植被平均高度比較高且稀疏，植被覆蓋度、生物量均較低。從不同年際間比較，無論是輕度沙化封育草地、還是重度沙化石方格治理草地其植被覆蓋度、群落平均高度、地上生物量均明顯增加，顯然生態(tài)保護(hù)工程對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)植物群落穩(wěn)定具有較好的促進(jìn)作用[10-13]。

土壤是草地生態(tài)系統(tǒng)的基礎(chǔ)環(huán)境，土壤退化與草地退化關(guān)系十分密切。土壤有機(jī)質(zhì)、氮素和磷素等是土壤主要的養(yǎng)分指標(biāo)，同時(shí)有機(jī)質(zhì)還是形成土壤結(jié)構(gòu)的重要因素，直接影響土壤肥力、持水能力、土壤抗侵蝕能力和土壤容重等，是土壤特性的重要指標(biāo)之一，其變化狀況可以指示土壤退化與否，本研究的結(jié)果顯示，隨著草地退化程度的加劇，除全磷含量外，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀均流失嚴(yán)重，這與周華坤[14]、干友民等[15]研究結(jié)果基本一致。顯然，在0～15 cm水平上，輕度沙化草地保留了較多的原始土壤，使土壤養(yǎng)份含量優(yōu)于重度沙化草地，而在0～30 cm水平上輕度沙化草地與重度沙化草地土壤養(yǎng)分差異不明顯，說明該地區(qū)草地土壤層較薄，易受人類生產(chǎn)活動(dòng)影響。

4　結(jié)論

(1)試驗(yàn)結(jié)果中隨著草地沙化程度的加劇，草地植物群落結(jié)構(gòu)如群落優(yōu)勢(shì)種等發(fā)生了明顯的變化，群落蓋度、生物量均明顯下降(P<0.01)，植被高度反而上升(P<0.01)。

(2)重度沙化草地物種數(shù)、多樣性指數(shù)、均勻性指數(shù)卻大于輕度沙化草地。

(3)隨著草地沙化程度的加劇，除全磷含量外，土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀均流失嚴(yán)重。

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Study on plant community structure and soil physical and chemical characteristics in different desertification Alpine Steppe

NIE Xue-min1，LU Guang-xin2，LU Zi-yu1，QI Jia-li1，MA Yan1，ZHANG Mei-ting1

(1.QinghaiEcosystemRemoteSensingMonitoringCenter,QinghaiXining,810001,China； 2.AgricultureandAnimalhusbandryCollege,QinghaiUniversity,QinghaiXining,810016,China)

Structure characteristics of plant community and soil physical and chemical properties were investigated in mild desertificated and severe desertificated grassland of Zhiduo County.The result showed that the dominant species in vegetation community had significantly changed with the increase of desertification,the cover and aboveground biomass decreased with the increase of desertification(P<0.01),however,the plant height increased.The species number,diversity index and the evenness index in severe desertificated grassland were higher than that of light desertificated grassland.Meanwhile,the soil nutrient at the 0～15 cm significantly decreased with increase of grassland desertification (P<0.01),while it did not obviously changed at 15～30 cm.

desertification grassland;plant community;ecology restoration;diversity

2015-09-04；

2016-05-05

科技促進(jìn)新農(nóng)村計(jì)劃項(xiàng)目“三江源生態(tài)監(jiān)測與評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究與示范”(2013-N-534)；國家自然科學(xué)基金“青藏高原草地耐低溫纖維素分解真菌多樣性研究”(41261064)資助

聶學(xué)敏(1980-)，男，青海民和縣人，高級(jí)工程師，主要從事生態(tài)監(jiān)測與評(píng)估工作。

E-mail：qhnxm2008@163.com

S 812

A

1009-5500(2016)04-0073-05