鄂北巖溶山地石漠化植物組成及物種多樣性特征

周文昌，鄭蘭英，曹 國，王 明，劉學(xué)全

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075；2.南漳縣林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 南漳 441500；3.南漳縣林業(yè)局，湖北 南漳 441500)

鄂北巖溶山地石漠化植物組成及物種多樣性特征

周文昌1，鄭蘭英1，曹 國2，王 明3，劉學(xué)全1

(1.湖北省林業(yè)科學(xué)研究院 武漢 430075；2.南漳縣林業(yè)調(diào)查規(guī)劃設(shè)計(jì)院，湖北 南漳 441500；3.南漳縣林業(yè)局，湖北 南漳 441500)

為了恢復(fù)和重建鄂北巖溶地區(qū)石漠化土地提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，研究了鄂北南漳縣石漠化生態(tài)系統(tǒng)植物群落組成特征和物種多樣性。結(jié)果表明： ①石漠化土地物種組成簡(jiǎn)單，物種豐富度分別為14和15種；②喬木層優(yōu)勢(shì)種各不相同，輕度石漠化土地為馬尾松和栓皮櫟，強(qiáng)度石漠化土地為馬尾松和杜松；灌木層均以鐵仔、毛黃櫨和火棘為優(yōu)勢(shì)種；草本層同樣以白茅為優(yōu)勢(shì)種 ； ③輕度石漠化土地喬木層多樣性指數(shù)略高于強(qiáng)度石漠化土地，反之，灌木層和草本層則低于強(qiáng)度石漠化土地；均勻度指數(shù)除了灌木層持平外，輕度石漠化土地的喬木層和草本層均勻度指數(shù)均小于強(qiáng)度石漠化土地。

石漠化；植物多樣性；生態(tài)重建；鄂北巖溶山地

石漠化是巖溶山地土地退化的頂端形式，是指在熱帶、亞熱帶濕潤半濕潤氣候帶和巖溶發(fā)育的地區(qū)，受人為活動(dòng)干擾強(qiáng)烈，造成地表植被破壞、土壤侵蝕嚴(yán)重、基巖大面積裸露、土地生產(chǎn)力嚴(yán)重下降，地表呈現(xiàn)出荒漠化景觀的土地退化過程[1-3]。據(jù)第二次全國石漠化監(jiān)測(cè)結(jié)果：截止2011年，我國石漠化土地面積為1200.2萬hm2，石漠化主要發(fā)生在以云貴高原為中心，北起秦嶺山脈南麓，南至廣西盆地，西至橫斷山脈，東抵羅霄山脈西側(cè)的巖溶地區(qū)。該區(qū)域是珠江的源頭，長江水源的重要補(bǔ)給區(qū)，也是南水北調(diào)水源區(qū)、三峽庫區(qū)，生態(tài)區(qū)位十分重要。石漠化是該地區(qū)最為嚴(yán)重的生態(tài)問題，影響著珠江、長江的生態(tài)安全，制約著區(qū)域經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展[4]。目前，南方地區(qū)在石漠化治理過程中，篩選出耐旱耐瘠、造林成活率高和速生等特點(diǎn)的先鋒樹種，如廣西發(fā)現(xiàn)任豆(Zeniainsignis)、茶條木(Delavayatoxocarpa)、銀合歡(Leucaenaleucocephala)和青岡(Cyclobalanopsisglauca)是喀斯特石漠化地區(qū)重要的先鋒樹種或地帶性建群種和優(yōu)勢(shì)種[5-8]，以及食用油料植物——星油藤(Plukenetiavolubilis)正被云南省推廣為石漠化山地生態(tài)重建的理想植物樹種[9]。因此，研究我國南方地區(qū)巖溶山地石漠化土地退化生態(tài)系統(tǒng)植被特征具有重要意義。

《中國石漠化狀況公報(bào)》報(bào)道，湖北省石漠化土地面積為109.1萬hm2，占全國石漠化土地面積的9.1%[4]。南漳作為湖北省石漠化土地的主要分布區(qū)，石漠化土地面積3759.1 hm2。因此，以國家林業(yè)局防治荒漠化管理中心石漠化定位站——湖北南漳石漠化定位站為依托，開展了鄂北巖溶地區(qū)石漠化生態(tài)系統(tǒng)定位站植被特征研究，為鄂北巖溶地區(qū)石漠化治理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 研究地區(qū)與方法

1.1 研究地區(qū)

鄂北南漳縣地理坐標(biāo)為111°26′—112°09′E，31°13′—32°01′N，最高海拔為1570 m，最低海拔為64 m，位于鄂北山地至漢江中游丘陵崗地的過渡地帶，地勢(shì)呈西高東低，階梯分布，是荊山山脈向東延伸的坡腳，屬下二疊系馬鞍組地質(zhì)結(jié)構(gòu)，處于地殼運(yùn)動(dòng)頻繁、地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)地區(qū)。屬于北亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，根據(jù)縣歷年氣象局資料統(tǒng)計(jì)，年均氣溫15.6 ℃，1月份平均氣溫3.3 ℃，7月份平均氣溫27.2 ℃，無霜期為254 d，年均日照時(shí)數(shù)為1796.5 h，年均降水量800～1200 mm，4至9月降雨量占全年的67.5 %，平均相對(duì)濕度76.3%。成土母巖主要為石灰?guī)r，土壤腐殖質(zhì)含量約為1.34%，pH值為6.5～7.5。

2011年湖北省南漳縣巖溶山地第二次石漠化監(jiān)測(cè)報(bào)告表明，全縣巖溶山地總面積17.24 萬hm2，占全縣國土總面積的44.7 %，全縣石漠化土地總面積3759.1 hm2。因此選擇以鄂北南漳縣作為巖溶山地石漠化土地植被物種組成調(diào)查具有代表性和典型性。本研究根據(jù)熊康寧等[10]、胡業(yè)翠等[11]和張盼盼等[12]的研究成果，結(jié)合研究點(diǎn)的實(shí)際情況，以坡度、植被覆蓋度、基巖裸露、土壤平均厚度作為石漠化等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，選擇了兩種石漠化土地作為研究對(duì)象(表1)，該區(qū)石漠化土地的撫育措施全部為封山育林。

表1 本研究點(diǎn)的巖溶山地石漠化特征石漠化類型地理坐標(biāo)東經(jīng)(E)北偉(N)海拔/m坡度/(°)植被覆蓋率/%基巖裸露/%表層土壤厚度/cm輕度石漠化11166°3146°445>1865>60≤15強(qiáng)度石漠化11165°3146°457>2520≥80≤5

1.2 研究方法

1.2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2016年9月底，選擇輕度石漠化和強(qiáng)度石漠化建立20 m×20 m的標(biāo)準(zhǔn)樣地，對(duì)樣地內(nèi)植物進(jìn)行全面調(diào)查：?jiǎn)棠菊{(diào)查按照胸徑(DBH)>2.0 cm進(jìn)行記錄(喬木種DBH<2 cm記作灌木物種)，用紅色油漆標(biāo)記；灌木(包含藤本)樣地調(diào)查，沿著標(biāo)準(zhǔn)樣地對(duì)角線上分別建立3個(gè)5 m×5 m灌木樣方，分別記錄灌木種類、株數(shù)(或叢數(shù))、高度和蓋度；草本植物調(diào)查，因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)基巖大面積裸露，所以草本植物調(diào)查采用3個(gè)灌叢樣方(5 m×5 m)記錄草本植物種類、數(shù)量、高度和蓋度。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

用Excel 2010對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。計(jì)算物種豐富度指數(shù)S、多樣性指數(shù)H、均勻度指數(shù)E[13-14]。計(jì)算公式如下：

S=標(biāo)準(zhǔn)樣地內(nèi)所有物種數(shù)之和

式中：Pi為第i個(gè)物種的個(gè)體數(shù)占群落中的總個(gè)體數(shù)的比例，S為樣地群落中的物種總數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物群落組成和重要值

從表2可看出，兩種石漠化土地植物群落組成簡(jiǎn)單，物種豐富度低，輕度石漠化樣點(diǎn)植物有13科14屬14種，強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)植物有12科15屬15種。喬木層：輕度石漠化土地喬木以馬尾松(Pinusmas-soniana)和栓皮櫟(Quercusvariabilis)為優(yōu)勢(shì)種或建群種，而強(qiáng)度石漠化土地以馬尾松和杜松(Juniperusrigida)為優(yōu)勢(shì)種或建群種，強(qiáng)度石漠化土地喬木層物種數(shù)量低于輕度石漠化土地，且植株密度較小；灌木層：輕度石漠化樣點(diǎn)植物種類的重要值范圍中，灌木層植物中鐵仔(Myrsineafricana)、毛黃櫨(Cotinuscoggygriavar.pubescens)和火棘(Pyracanthafortuneana)重要值相對(duì)較高，而強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)物種的重要值范圍中，也是以鐵仔、毛黃櫨和火棘相對(duì)較高，顯示這幾種植物為灌木層的優(yōu)勢(shì)種或建群種。草本層：輕度石漠化樣點(diǎn)以白茅(Imperatacylindrica)為優(yōu)勢(shì)種，而強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)物種也是以白茅為優(yōu)勢(shì)種或建群種，但伴生稀疏的薹草(Carexsp.)、黃背草(Themedatriandra)和藎草(Arthraxonhispidus)。

2.2 兩種石漠化土地的物種多樣性

輕度石漠化土地的喬木層多樣性指數(shù)(1.17)略高于強(qiáng)度石漠化土地喬木層多樣性指數(shù)(1.06)，反之灌木層(1.80)和草本層(0.47)的多樣性指數(shù)低于強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)相應(yīng)的灌木層(1.84)和草本層(1.36)的多樣性指數(shù)(圖1)。

表2 輕度石漠化樣點(diǎn)植物群落密度、胸徑、高度和重要值類型種名密度/(株/hm2)胸徑/cm高度/m重要值輕度強(qiáng)度輕度強(qiáng)度輕度強(qiáng)度輕度強(qiáng)度馬尾松30015026～803．1～7．120～502．2～4．5栓皮櫟3507520～412．3～3．120～502．1～3．1喬木化香樹(Platycaryastrobi?lacea)2532 28杜松7512520～302．0～3．122～352．0～3．0馬桑(Coriarianepalensis)2539 35鐵仔 060．6257131．48毛黃櫨 091．1213717．61栓皮櫟 171．216532．79火棘 2．01．8113313．94灌木菝葜(Smilaxchina) 1．00．62589．56牡荊(Vitexnegundo) 050．82319．29杜松 172．06342．07馬尾松 2179黃連木(Pistaciachinensis) 251．43325．08莢蒾(Viburnumdilatatum) 12262天門冬(Asparagusco?chinchinensis)0．91．99象鼻藤(Dalbergiamimosoides)1．26．19白茅70．00．6726229．82草本薹草40．00．3273827．61黃背草(Themedatriandra)0．421．31藎草(Arthraxonhispidus)0．318．23

輕度石漠化樣點(diǎn)喬木層(0.73)和草本層(0.68)均勻度指數(shù)略低于強(qiáng)度石漠化土地的喬木層(0.97)和草本層(0.98)，而它們的灌木層均勻度指數(shù)持平(強(qiáng)度和輕度分別為0.80和0.78)(圖2)。

圖1 石漠化土地植物多樣性指數(shù)

圖2 石漠化土地植物均勻度指數(shù)

3 討論與結(jié)論

3.1 鄂北巖溶地區(qū)石漠化植物組成及其恢復(fù)與重建

本研究的兩種石漠化生態(tài)系統(tǒng)喬木層優(yōu)勢(shì)種或建群種均有馬尾松，其次分別以栓皮櫟(輕度石漠化)和杜松(重度石漠化)作為群落共建種；灌木層植物以鐵仔、毛黃櫨和火棘的重要值較高，顯示了這兩種石漠化等級(jí)具有類似的優(yōu)勢(shì)種或建群種；草本層以白茅為優(yōu)勢(shì)種。表明這些植物能夠較強(qiáng)地適應(yīng)鄂北石漠化生態(tài)環(huán)境，這為我國鄂北巖溶地區(qū)石漠化治理植被修復(fù)技術(shù)選擇優(yōu)良鄉(xiāng)土樹種，模擬天然植被構(gòu)建先鋒植物群落，促進(jìn)巖溶地區(qū)石漠化退化土地生態(tài)恢復(fù)與重建提供重要參考價(jià)值。然而，其他研究人員研究南方喀斯特石漠化生態(tài)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，以芒(Saccharumarundinaceum)、刺槐(Robiniapseudoacaia)、狗尾草(Setariaviridis)、藎草、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、金絲桃(Hypericummonogynum)、鐵仔和白櫟(Quercusfabri)等物種為優(yōu)勢(shì)種或建群種[14-15]，說明不同地區(qū)石漠化土地優(yōu)勢(shì)種或建群種存在差異，從而揭示了石漠化生態(tài)系統(tǒng)在恢復(fù)與重建過程中，存在著植被恢復(fù)技術(shù)差異。盛茂銀等[14]研究指出在喀斯特石漠化治理植物修復(fù)技術(shù)過程中，不僅要篩選出石漠化環(huán)境的適應(yīng)植物種，而且要篩選出適應(yīng)不同石漠化等級(jí)的先鋒物種，方能達(dá)到石漠化治理植被修復(fù)預(yù)期目標(biāo)。

3.2 鄂北巖溶地區(qū)石漠化植物多樣性

本研究的植物種類不超過20種，表明植物群落組成簡(jiǎn)單，物種豐富度很低。這可能是由于石漠化環(huán)境對(duì)其分布的植物具有顯著的脅迫作用，石漠化生境具有基巖裸露、土壤淺薄、水分下滲嚴(yán)重、生境保水性能差和基質(zhì)及土壤等環(huán)境富集鈣的生態(tài)特征，并對(duì)植物成分具有強(qiáng)烈的選擇性，如適應(yīng)喜鈣性、耐旱性及石生性的植物種群[1,14,16-17]；另外，適應(yīng)生長的植物必須具備發(fā)達(dá)的強(qiáng)壯根系，方能扎根和生長[14,17]。

輕度石漠化土地的喬木層多樣性指數(shù)略高，這是由于輕度石漠化的基巖裸露率較低，土壤厚度較大，適應(yīng)輕度石漠化土地的喬木物種生存幾率較高，同時(shí)也可以從輕度石漠化植物覆蓋度高于強(qiáng)度石漠化得以證實(shí)。

輕度石漠化樣點(diǎn)灌木層和草本層多樣性指數(shù)小于強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)，這種結(jié)果可能是強(qiáng)度石漠化植被覆蓋度低，易于獲得外來種子源，且在光照充足和雨量適宜的條件下，使得強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)獲得的外來種子源和使得地下種子庫恢復(fù)較快。如張傳余等[18]研究表明，喀斯特石漠化地區(qū)石漠化不同演替階段植物群落天然更新能力受到更新庫和環(huán)境因子的嚴(yán)重影響。例如，我國西南喀斯特石漠化地區(qū)，隨著石漠化程度的增加，土壤理化性質(zhì)出現(xiàn)先退化后改善的相應(yīng)過程，從而為改善土壤理化性質(zhì)和促進(jìn)植物多樣性恢復(fù)方面起著關(guān)鍵作用[14,19]。再輕度石漠化土地覆蓋度高(類似郁閉度)，起到一定的遮陰作用，也會(huì)導(dǎo)致某些陽性植物難以生存和使得優(yōu)勢(shì)群落明顯，降低均勻度指數(shù)和致使物種多樣性差[15]。

除了輕度石漠化和強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)灌木層均勻度指數(shù)持平例外，輕度石漠化樣點(diǎn)的喬木層和草本層均勻度指數(shù)略低于強(qiáng)度石漠化樣點(diǎn)，這與盛茂銀等[14]研究西南喀斯特石漠化均勻度指數(shù)與石漠化程度演替存在明顯耦合關(guān)系相反，即石漠化等級(jí)增加，均勻度指數(shù)呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)；但同時(shí)他們也指出了強(qiáng)度石漠化環(huán)境多樣性指數(shù)顯著高于無石漠化、潛在石漠化和輕度石漠化[14]，這可能也為強(qiáng)度石漠化生境提供了其它物種發(fā)育的幾率，豐富了物種多樣性，增加均勻度指數(shù)。

本研究區(qū)域的石漠化管理采用封山育林管護(hù)措施，有研究表明更新庫對(duì)石漠化生態(tài)系統(tǒng)群落天然更新能力的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于環(huán)境因子，尤其是灌木群落階段和喬木群落階段，而環(huán)境因子對(duì)草本群落階段更新能力影響較大[18]，再加上由于過去人類活動(dòng)干擾的疊加，增加了石漠化不同演替階段植被物種多樣性和均勻度指數(shù)差異性，本研究的石漠化樣點(diǎn)僅僅演替到灌木群落階段或草本群落階段，喬灌草穩(wěn)定性階段未達(dá)到，進(jìn)而這種演替可能導(dǎo)致石漠化不同等級(jí)物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)偶有波動(dòng)[15]。

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CharacteristicsoftheCompositionandDiversityofPlantsinthe
RockyDesertificationKarstlandinNorthernHubei

ZHOU Wenchang1, ZHENG Lanying1, CAO Guo2, WANG Ming3, LIU Xuequan1

(1.Hubei Academy of Forestry, Wuhan 430075,Hubei, China；2.Nanzhang Forest Inventory and Planning, Nanzhang 441500, Hubei, China；3.Nanzhang Forestry Administration, Nanzhang 441500，Hubei, China)

In order to provide the basis data for recovery and reconstruction of degraded rocky desertification karst land in northern Hubei Province, this paper studied the plant community characteristics and species diversity from two types of rocky desertification karst mountain ecosystems in Nanzhang county, northern Hubei Province. The results showed that: ① The plant compositions were not complicated in two types of rocky desertification ecosystems, which were 14 and 15 kinds; ②The vegetation of tree layer from the slight rocky desertification area dominated byPinusmassonianaandQuercusvariabilis, and from the serious rocky desertification area dominated byPinusmassonianaandJuniperusrigida; The vegetation of shrub layer in both types of rocky desertification areas that consisted primarily ofMyrsineafricana,Cotinuscoggygriavar.pubescens, andPyracanthafortuneana; The dominant species in the herb layer wasImperatacylindrical.③ The Shannon-Wiener index on the tree layer in the slight rocky desertification area was slightly higher than which in the serious rocky desertification area, while the shrub layer and herb layer occurring reversal; except the shrub layer’s Pielou index of each area were equal, the Pielou index on the tree layer and herb layer in the slight rocky desertification area was less than the serious rocky desertification area.

rocky desertification;plant diversity;ecological restoration;karst land of northern Hubei

2016 — 11 — 09

國家林業(yè)局防治荒漠化管理中心石漠化定位站(湖北南漳石漠化定位站)委托項(xiàng)目資助。

周文昌(1983-)，男，貴州鎮(zhèn)遠(yuǎn)人，博士，助理研究員，主要從事濕地生態(tài)學(xué)和森林生態(tài)學(xué)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文10余篇。通訊作者：劉學(xué)全(1966-)，男，湖北黃梅人，研究員，學(xué)士，主要從事森林生態(tài)學(xué)。

X 171.4

B

1003 — 6075(2017)01 — 0021 — 05

10.16166/j.cnki.cn43 — 1095.2017.01.006