短期封育對(duì)伊犁絹蒿荒漠群落特征的影響

李 坤，董乙強(qiáng)，安沙舟，孔曉晶，楊 嬌，阿依敏·波拉提，關(guān) 欣

(新疆草地資源與生態(tài)自治區(qū)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052)

新疆是我國主要草原牧區(qū)之一，天然草地面積遼闊，同時(shí)也是最重要的春秋牧場(chǎng)。其中，蒿類荒漠是荒漠草地的重要類型[1]。長(zhǎng)期的過牧導(dǎo)致草地退化現(xiàn)象十分普遍，局部地區(qū)已經(jīng)極度退化或完全被破壞[2]。如何恢復(fù)退化蒿類荒漠成為亟待解決的問題。

自20世紀(jì)80年代起，封育減少了放牧壓力，使得退化草地?fù)碛行蒺B(yǎng)生息的機(jī)會(huì)，為植被恢復(fù)和重建提供條件[3-6]，能夠大幅度增加植被的蓋度、平均高度、草群密度、地上生物量和草根含量等[7]，是一種有效而且簡(jiǎn)便易行的促進(jìn)草原恢復(fù)的策略[8-9]。封育是草地修復(fù)和重建的重要措施，被世界各國廣泛采用[10-13]。

迄今為止，有關(guān)研究大多集中在同一地區(qū)圍欄內(nèi)外草地群落構(gòu)成、物種生物多樣性、地上、地下生物量、不同禁牧年限、土壤理化性質(zhì)、動(dòng)物群落結(jié)構(gòu)及多樣性等對(duì)圍封產(chǎn)生的效應(yīng)[14-16]，缺少對(duì)相同草地類型在不同氣候區(qū)的禁牧效果的研究，尤其在蒿類荒漠采取的短期封育手段的研究[17]。

為此，2017年5月起，開展了在不同氣候區(qū)(新源縣和呼圖壁縣)春牧場(chǎng)圍欄內(nèi)外伊犁絹蒿種群特征、生態(tài)經(jīng)濟(jì)類群特征及其群落多樣性的研究，探討圍欄封育對(duì)該類草原的影響，為草地資源的合理利用提供一定的基礎(chǔ)資料和科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)分別位于天山北坡西段的新源縣(43°22′ N，82°35′ E)和天山中段的呼圖壁縣(43°57′ N，86°32′ E)，海拔在900～1 000 m。兩地均屬于典型伊犁絹蒿荒漠。新源縣屬大陸性半干旱氣候，冬暖夏涼，降水多，氣候溫涼，年降水量400～467 mm。呼圖壁縣屬溫帶大陸性干旱半干旱氣候，年降水量101～167 mm，年均溫6.0 ℃，≥10 ℃年有效積溫3 553 ℃·d。兩地年均日照時(shí)數(shù)相差793.5 h，無霜期140～180 d，土壤為荒漠灰鈣土。植被均以伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)為建群種，伴生種有彎果葫蘆巴(Trigonellaarcuata)、早熟禾(Poaannua)、豬毛菜(Salsolacollina)、角果藜(Ceratocarpusarenarius)、角果毛茛(C.orthoceras)、鶴虱(Carpesiumabrotanoides)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、黃芪(Fischbunge)、鳶尾(Iristectorum)、老鸛草(Geraniumwilfordii)、草原苔草(Carexlioarocrpos)、莎草(Cyperusrotundus)、委陵菜(Potentillachinensis)、木地膚(Kochiaprostrata)等。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，分別在天山北坡西段(新源縣)和中段(呼圖壁縣)典型的伊犁絹蒿荒漠區(qū)設(shè)置兩個(gè)處理，即封育圍欄內(nèi)(enclosure,EN)和自由放牧區(qū)(freely grazing,FG)。于2012年和2015年對(duì)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行圍欄封育，至2017年分別封育了6和3 年，即新源封育區(qū)封育6年，呼圖壁封育區(qū)封育3年，均為相對(duì)短期封育，封育面積30 000 m2。新源放牧區(qū)和呼圖壁的放牧區(qū)在封育前后自由放牧區(qū)放牧強(qiáng)度保持不變，且放牧率水平基本一致。

1.3 測(cè)定內(nèi)容

1.3.1樣地設(shè)置與野外調(diào)查 于2017年5月分別在新源和呼圖壁伊犁絹蒿荒漠區(qū)進(jìn)行野外調(diào)查取樣。封育區(qū)和自由放牧區(qū)各設(shè)定3條樣帶，每條樣帶間隔大于10 m，在每條樣帶上設(shè)置10個(gè)1 m×1 m的樣方，樣方間距均為10 m，共計(jì)樣方120個(gè)，測(cè)定指標(biāo)包括每個(gè)樣方中出現(xiàn)的植被密度、植物種高度、植物種類、地上生物量等。

蓋度(%)：采取針刺法測(cè)定。

密度(株·m-2)：直接計(jì)數(shù)法記錄物種株叢數(shù)。

植物種高度(cm)：采用直尺測(cè)定植株的自然高度。

地上生物量(g·m-2)：采用齊地面刈割法，分種齊地刈割后裝入帶有標(biāo)簽的信封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室65 ℃烘至恒重后稱重。

Patrick豐富度指數(shù)(P)：P=S；

Shannon-Wiener指數(shù)(H)：H=-∑PilnPi；

Pielou均勻度指數(shù)(E)：E=(-∑PilnPi)/lnS；

Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)：D=1-∑Pi2。

式中:S為樣地總物種數(shù)量；Pi為第i個(gè)物種的重要值。

1.3.2生態(tài)經(jīng)濟(jì)類群的區(qū)分 按照草地植物生態(tài)經(jīng)濟(jì)類群的劃分方法[18]，統(tǒng)計(jì)伊犁絹蒿荒漠植物組成情況，將其劃分為一、二年生草本和多年生草本、半灌木、短生類短生植物。

1.3.3數(shù)據(jù)分析 采用SPSS 20.0中的One-way ANOVA對(duì)不同處理的種群和群落數(shù)量特征進(jìn)行差異性分析，采用Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，運(yùn)用Origin 8.0進(jìn)行圖形的繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍欄內(nèi)外植物經(jīng)濟(jì)類群變化

蒿類荒漠草地經(jīng)封育后，經(jīng)濟(jì)類群數(shù)量有所增加(表1)。新源縣短期封育區(qū)內(nèi)和自由放牧區(qū)內(nèi)，二者均出現(xiàn)4種菊科植物，分別為伊犁絹蒿、鶴虱、狗娃花(Heteropappushispidus)和蒲公英；2種豆科植物，分別為彎果葫蘆巴、黃芪。封育區(qū)較放牧區(qū)多了1種菊科植物(蒲公英)、1種藜科植物(角果藜)和1種雜類草(莎草)。呼圖壁縣短期封育區(qū)內(nèi)和自由放牧區(qū)相比較，二者均出現(xiàn)2種豆科植物，分別為彎果葫蘆巴、黃芪；1種禾本科植物(早熟禾)；封育區(qū)內(nèi)比自由放牧區(qū)少1種菊科植物(狗娃花)，增加了3種雜類草，分別為莎草科(草原苔草、莎草)、百合科[郁金香(Tulipagesneriana)]；自由放牧區(qū)增加了1種藜科植物(角果藜)。

兩個(gè)不同氣候區(qū)，新源出現(xiàn)藜科[木地膚、灰藜(Chenopodiumalbum)]，菊科(狗娃花、蒲公英)和薔薇科(委陵菜)。呼圖壁出現(xiàn)藜科(豬毛菜)、十字花科[葶藶(Drabanemorosa)]、百合科(郁金香)。

表1 圍欄內(nèi)外植物經(jīng)濟(jì)類群組成Table 1 Composition of economic groups of plants inside and outside the enclosure

EN，短期封育區(qū)；FG，自由放牧區(qū)。下表同。

EN，enclosure；FG，freely grazing; similarly for the following tables.

2.2 圍欄對(duì)植被群落結(jié)構(gòu)特征的影響

優(yōu)勢(shì)度表示一個(gè)種在群落中的地位與作用，植物種群優(yōu)勢(shì)度的大小表明植物在群落中地位的高低。封育區(qū)植物群落主要植物優(yōu)勢(shì)度發(fā)生明顯變化，其中苔草、莎草、鳶尾優(yōu)勢(shì)度明顯增加，而葫蘆巴、鶴虱、早熟禾、黃芪相對(duì)下降(表2)。不管在圍封區(qū)還是在放牧區(qū)，伊犁絹蒿占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)地位，新源和呼圖壁封育區(qū)內(nèi)優(yōu)勢(shì)度比放牧區(qū)分別增長(zhǎng)了40.91%、24.57%。

2.3 圍欄內(nèi)外伊犁絹蒿種群數(shù)量特征的變化

與圍欄外相比，圍欄內(nèi)新源的伊犁絹蒿高度、蓋度、密度和生物量分別顯著增加了31.79%、30.59%、12.19%和13.93%(P<0.05)(圖1)，呼圖壁分別顯著增加了40.59%、73.12%、55.3%、57.69%(P<0.05)，其中呼圖壁伊犁絹蒿高度、生物量增加尤為明顯。在降水量低的呼圖壁圍欄內(nèi)伊犁絹蒿高度、蓋度、生物量較降水量高的新源分別增加了335.00%、215.50%和277.02%，密度降低了19.33%。

優(yōu)勢(shì)度=(相對(duì)蓋度+相對(duì)干重)/2。

Dominance=(relative coverag+relative dry weight)/2.

圖1 封育對(duì)伊犁絹蒿種群特征的影響Fig. 1 Effect of enclosure on the diversity of Seriphidium transiliense population

不同小寫字母表示同一地點(diǎn)封育區(qū)和自由放牧區(qū)間差異顯著(P<0.05)。下同。

Different lowercase letters indicate significant difference in the same place at the 0.05 level; similarly for Table 3 and Fig. 2。

2.4 圍欄對(duì)伊犁絹蒿荒漠草地群落特征的影響

新源自由放牧區(qū)比短期封育區(qū)高度顯著降低了24.07%(P<0.05)，與短期封育區(qū)相比，自由放牧區(qū)生物量降低了6.3%(P<0.05)，但群落密度和蓋度比圍欄內(nèi)顯著增加了30.97%和22.19%(P<0.05)(表3)。呼圖壁自由放牧區(qū)比短期封育區(qū)高度降低了53.23%(P<0.05)，生物量降低了45.62%，蓋度降低了60.62%(P<0.05)，密度增加了19.84%(P<0.05)。

兩地區(qū)短期封育和自由放牧區(qū)Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)和Patrick指數(shù)的變化如圖2所示。新源短期封育區(qū)比自由放牧區(qū)Shannon-Wiener指數(shù)增加了21.95%，Pielou指數(shù)增加了16.65%，Partick指數(shù)增加了12.06%(P<0.05)。呼圖壁地區(qū)封育區(qū)比自由放牧區(qū)Shannon-Wiener指數(shù)增加了7.16%，Pielou指數(shù)增加了9.23%，Partick指數(shù)降低了3.44%(P<0.05)。新源封育區(qū)內(nèi)比呼圖壁，草地群落Pielou均勻度指數(shù)增加了2.7%，Shannon-Wiener指數(shù)和Patrick指數(shù)分別減少了28.53%、30.95%。

3 討論與結(jié)論

圍欄封育作為退化草地恢復(fù)治理的手段之一，由于阻斷了家畜對(duì)草原植物的采食干擾，導(dǎo)致圍欄內(nèi)草地植物地上蓋度、高度、密度和生物量顯著高于圍欄外，就同一地區(qū)而言，本研究結(jié)果也進(jìn)一步驗(yàn)證了部分學(xué)者的報(bào)道。孫宗玖等[19]研究表明，群落總蓋度、總產(chǎn)量的增加主要由藜科草類(木地膚、角果藜)的增加所引起，而密度則主要由藜科草類的角果藜及伊犁絹蒿的實(shí)生苗增加所引起。但本研究結(jié)果表明，不同降水量的兩個(gè)地區(qū)，降水量高的地區(qū)藜科植物增加比例大，但是群落的高度、蓋度、密度和生物量均低于降水量低的地區(qū)，這可能是荒漠植被群落中封育時(shí)間長(zhǎng)短以及放牧強(qiáng)度和地表枯落物的現(xiàn)存量的影響所致。在自由放牧區(qū)草地由于動(dòng)物采食喜好，導(dǎo)致優(yōu)良牧草生長(zhǎng)受抑制，而動(dòng)物不喜好牧草受到的影響相對(duì)較小，最終其優(yōu)勢(shì)度在群落中升高，而優(yōu)良牧草(伊犁絹蒿、灰藜)優(yōu)勢(shì)度下降。其中，角果藜作為指示性植物出現(xiàn)在新源縣圍欄內(nèi)和呼圖壁圍欄外。角果藜出現(xiàn)說明該處草地已開始退化，這與自由放牧區(qū)的放牧壓力息息相關(guān)。劉雪明和聶學(xué)敏[20]研究圍欄封育措施改變退化草地群落的種類組成，與本研究結(jié)果不盡相同。封育提高優(yōu)良牧草(伊犁絹蒿、灰藜)競(jìng)爭(zhēng)力，影響群落生長(zhǎng)方向，指導(dǎo)群落內(nèi)部間、種群間物種轉(zhuǎn)變。

表3 不同地區(qū)伊犁絹蒿荒漠草地群落特征Table 3 Community characteristics of desert grassland of Seriphidium transiliense in different areas

圖2 圍欄對(duì)伊犁絹蒿群落特征的影響Fig. 2 Effects of enclosure on the diversity of Seriphidium japonicus community

α多樣性是群落物種多樣性、均勻度以及豐富度的測(cè)量指標(biāo)，可以反映物種間通過競(jìng)爭(zhēng)而產(chǎn)生對(duì)外界環(huán)境的適應(yīng)能力及群落受干擾的程度[21]。本研究表明，隨著降水量的增加，草地群落Pielou均勻度指數(shù)增加，Shannon-Wiener指數(shù)和Pratick指數(shù)減少。趙哈林等[22]對(duì)科爾沁沙質(zhì)草地植物的研究認(rèn)為，放牧強(qiáng)度對(duì)草地群落Shannon-Wiener指數(shù)和Pratick指數(shù)呈下降趨勢(shì)，與本研究結(jié)果一致。另一方面，降水量的增加在一定程度上增加了物種Pielou均勻度，這與群落物種多樣性、豐富度不一致，而具有相反趨勢(shì)。主要原因是，群落物種的多樣性和豐富度程度越低，物種對(duì)生境的分割程度就越低[23-24]，所以導(dǎo)致群落物種Pielou均勻度的越高。

本研究表明，不同氣候區(qū)草原經(jīng)過圍欄封育后，降水量增高不一定是主導(dǎo)物種豐富度和植被多樣性增加的主要因素，還可能是土壤質(zhì)地以及封育效果等其他因素的影響。

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