河西走廊民勤人工梭梭林群落的物種多樣性研究

滕玉風(fēng)，馬 力，占玉芳，甄偉玲，錢萬建，穆 剛，魯延芳，田曉萍

(張掖市林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 張掖 734000)

荒漠化是干旱地區(qū)重大的生態(tài)環(huán)境問題，土壤荒漠化致使荒漠化地區(qū)的植被和地表形態(tài)在風(fēng)沙等外力作用下偏離健康的演替軌跡，造成大量可利用土地被風(fēng)沙淹沒[1]，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，人類的生存空間受到威脅[2]。河西生態(tài)環(huán)境十分脆弱，是中國土地沙化發(fā)展趨勢最快的地區(qū)之一，在綠洲向荒漠環(huán)境退化的過程中具有非常典型的代表性[3]。多年來由于人類不合理的開發(fā)和過度利用，以風(fēng)力侵蝕作用為主而形成的土地沙化逐步加重，土地的沙化不斷蠶食耕地面積，使耕地的地力衰退，農(nóng)作物產(chǎn)量下降，生態(tài)環(huán)境急劇惡化。民勤地處石羊河中下游，被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，是全國干旱和土地荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是全國沙塵暴源區(qū)和輸送路徑之一[4-5]，已對所在地區(qū)的公眾生活、生產(chǎn)和發(fā)展造成十分不利的影響[6]，在很大程度上阻礙了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、社會發(fā)展[7]。通過對民勤沙漠人工梭梭林群落的物種多樣性進(jìn)行研究，可以為河西走廊人工沙漠植被的物種多樣性保護(hù)和恢復(fù)利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省民勤縣，河西走廊東北部，石羊河流域下游，地理位置102°02′～104°02′E、38°05′～39°06′N，東西長206 km，南北寬156 km，總面積1.59萬km2，東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林大沙漠包圍，是一個半封閉的內(nèi)陸荒漠區(qū)。氣候?qū)俚湫偷拇箨懶曰哪畾夂?，其特點為：氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強烈，風(fēng)大沙多。多年平均氣溫7.6 ℃，年平均氣溫日較差為15.2 ℃，≥10 ℃年積溫為3 036.4 ℃，日照時數(shù)為3 073.5 h，無霜期176 d。多年平均降水量115.41 mm，主要集中在每年的7—9月，占年均降水量的60%以上，多年平均蒸發(fā)量2 664 mm，是降水量的23倍之多。多年平均風(fēng)速2.5 m/s，年≥8級大風(fēng)日數(shù)為27.8 d，全年盛行西北風(fēng)、西北偏西風(fēng)，是全國浮塵、揚沙、沙塵暴發(fā)生最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是我國沙塵暴的主要源地之一[8]。自然植被主要是荒漠植被，組成種類少、層片結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)力低[9]。民勤人工梭梭林面積約為9.00萬hm2，主要分布在民勤綠洲邊緣的泉山林場、勤峰灘、東湖鎮(zhèn)、三角城林場、大灘、西沙窩等地[10]。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

2.1.1 樣地調(diào)查

2016年9月在民勤治沙綜合試驗站、紅崖山水庫保護(hù)站、勤鋒灘沙生植物自然保護(hù)區(qū)管理站、老虎口防沙治沙示范區(qū)、三角城機(jī)械林場5個區(qū)域各選1個人工梭梭林樣地，采用樣方法進(jìn)行調(diào)查，每個樣地面積為50 m×50 m，采用典型取樣方法在每個樣地選取3個4 m×4 m的灌木樣方和3個1 m×1 m的草本樣方，分層記錄樣方內(nèi)植物的種類、株數(shù)、株高、冠幅、蓋度等。

2.1.2 土壤水分測定

在每個樣地內(nèi)沿對角線法設(shè)5個點，采用土壤水分分析儀測定每個點的土壤含水量，測定深度分0～20、20～40、40～60 cm三個層次，該樣地各層土壤含水量取5個點的平均值。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 重要值的計算

植物物種在群落中的相對重要性采用重要值(IV)來測度，公式為

IV=(相對密度+相對蓋度+相對頻度)/3

(1)

式中：相對密度=某個種的密度/所有種的密度之和×100%；相對蓋度=某個種的蓋度/所有種蓋度之和×100%；相對頻度=某個種的頻度/所有種的頻度之和×100%。

2.2.2 物種多樣性測定方法[11-14]

物種多樣性采用多度(調(diào)查樣地內(nèi)某個植物種的個體數(shù))、物種豐富度(群落中所有物種的數(shù)量S)、Margalef物種豐富度指數(shù)(F)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Simpson指數(shù)(D)等來測定。計算式分別為

F=(S-1)/lnN

(2)

(3)

J=H/lnS

(4)

(5)

上四式中：S為樣方內(nèi)所有物種的數(shù)量；N為個體總數(shù)；Pi為第i種的個體數(shù)ni占總個體數(shù)N的比例，即Pi=ni/N。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 17.0數(shù)據(jù)分析軟件分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 民勤人工梭梭林物種組成及重要值分析

物種的重要值可以反映該種植物在群落中的地位和作用，重要值越大，表明該種植物在群落中的地位越重要，對群落的影響越大。在調(diào)查的5個人工梭梭林樣地中，共有植物16種，分屬8科14屬。其中，雙子葉植物有7科13屬15種，分別占總的科、屬、種的87.5%、92.9%和93.3%，僅1種植物是單子葉植物(禾本科)。雙子葉植物主要是藜科，共有9種植物，隸屬于7個屬。物種重要值結(jié)果見表1。

民勤人工梭梭林群落灌木層植物有6種，草本層植物有10種。灌木層植物優(yōu)勢種是梭梭，其重要值為56.82%，亞優(yōu)勢種為駱駝刺，其重要值為19.39%；草本層植物優(yōu)勢種是霧冰藜，重要值為35.78%，亞優(yōu)勢種為沙蓬、刺沙蓬、長刺豬毛菜，重要值分別為13.80%、10.70%和10.43%。灌木層植物種類按科統(tǒng)計，藜科、豆科、蓼科、蒺藜科、菊科、檉柳科各1種。草本層植物種類按科統(tǒng)計，藜科8種、白花丹科1種、禾本科1種；該層中藜科植物種最為豐富，共有8種，重要值均較高，在該群落中占有重要地位，其他科的植物在群落中均居次要地位。

表1 民勤人工梭梭林物種組成及重要值

可以看出，民勤人工梭梭林群落物種多樣性主要取決于草本層植物種類，主要是通過草本植物多樣性來影響整個群落的物種多樣性。由于民勤沙漠氣候干燥，蒸發(fā)量大，人工梭梭林群落中植物種較少，梭梭、駱駝刺在灌木層片中為優(yōu)勢種，霧冰藜、沙蓬在草本層片中為優(yōu)勢種，均反映了沙漠植被的特征。

3.2 群落的物種多樣性特征

群落的物種多樣性指數(shù)可直接反映出群落的結(jié)構(gòu)特征。民勤人工梭梭林群落主要由灌木和草本組成，其群落結(jié)構(gòu)分為灌木層和草本層。通過對民勤人工梭梭林5個樣地30個樣方物種多樣性指數(shù)計算可知(表2)：總體上看，研究區(qū)荒漠植物群落物種多樣性水平較低，植物群落結(jié)構(gòu)簡單，物種組成稀少。

表2 物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)

由表2還可看出，人工梭梭林群落的物種豐富度和Margalef物種豐富度指數(shù)均表現(xiàn)出草本層>灌木層的特點，表明群落整體的物種數(shù)量主要受草本物種數(shù)量的影響。Shannon-wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為灌木層>草本層，Simpson指數(shù)表現(xiàn)為灌木層<草本層，這是由于灌木層優(yōu)勢種梭梭經(jīng)人工栽植分布比較均勻，呈現(xiàn)出灌木層物種集中程度偏低的規(guī)律，而草本植物種類雖然較多，但草本層的霧冰藜、沙蓬、刺沙蓬局部優(yōu)勢突出，使其他草本植物種個體數(shù)分布不均勻，影響了草本層的均勻度指數(shù)。

3.3 民勤各區(qū)域人工梭梭林的土壤水分含量

民勤不同區(qū)域人工梭梭林0～60 cm土層的土壤含水量測定結(jié)果見表3。由表3可知，在各區(qū)域的人工梭梭林中，以勤鋒灘沙生植物自然保護(hù)區(qū)管理站的各土層土壤含水量為最高，老虎口防沙治沙示范區(qū)、三角城機(jī)械林場的各土層土壤含水量次之，紅崖山水庫保護(hù)站、民勤治沙綜合試驗站較低。

表3 民勤不同區(qū)域人工梭梭林的土壤含水量 %

3.4 民勤各區(qū)域人工梭梭林群落物種多樣性特征分析

由圖1可看出，民勤各區(qū)域人工梭梭林樣地0～60 cm土層含水量對灌木層物種豐富度、多度的影響不大，灌木層的物種豐富度、多度不隨0～60 cm土層含水量的升高而增大，說明灌木層種的豐富度、多度與0～60 cm土層土壤含水量均無顯著的相關(guān)關(guān)系。草本層的物種豐富度與灌木層表現(xiàn)一致，也表現(xiàn)出物種豐富度不隨0～60 cm土層含水量的增加而增大的規(guī)律，表明草本層物種豐富度與0～60 cm土層水分含量無顯著的相關(guān)關(guān)系，但草本層的多度卻呈現(xiàn)出隨0～60 cm土層含水量的增加而大幅度增大的規(guī)律，其多度與0～60 cm土層含水量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明草本植物對0～60 cm土層水分含量有較高的依賴。民勤各區(qū)域人工梭梭林樣地按草本層多度大小排序為：勤鋒灘沙生植物自然保護(hù)區(qū)管理站(433株)>老虎口防沙治沙示范區(qū)(152株)>三角城機(jī)械林場(104株)>紅崖山水庫保護(hù)站(83株)>民勤治沙綜合試驗站(57株)。

圖1 不同區(qū)域人工梭梭林地土壤含水量與物種多樣性關(guān)系

民勤各區(qū)域人工梭梭林群落的物種豐富度、多度均是草本層大于灌木層，說明人工梭梭林植物群落草本層的物種豐富度比灌木層高，且草本層的植株數(shù)量比灌木層多。

4 討論與結(jié)論

(1)民勤生態(tài)環(huán)境脆弱，人工梭梭林群落物種組成簡單，共有植物16種，分屬8科14屬，其中灌木層植物有6種、草本層植物有10種。灌木層植物優(yōu)勢種是梭梭，亞優(yōu)勢種為駱駝刺，草本層植物優(yōu)勢種是霧冰藜，亞優(yōu)勢種為沙蓬、刺沙蓬、長刺豬毛菜，均反映了沙漠植被的特征。

(2)總體上看，民勤人工梭梭林群落物種多樣性水平較低。草本層的物種豐富度比灌木層高，整個植物群落的物種數(shù)量主要受草本層物種豐富度的影響。群落中灌木層的Shannon-wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)均比草本層的大，Simpson指數(shù)比草本層的小，反映出灌木層物種的集中程度偏低、草本層物種的均勻度偏低的規(guī)律。

(3)本研究區(qū)極端干旱，降水稀少，植物多樣性在物種豐富度和多度兩個層次上對0～60 cm土層土壤水分變化響應(yīng)的差異反映了荒漠植物多樣性維持的特點。植物種的豐富度對水分變化沒有顯著的響應(yīng)，說明荒漠植物經(jīng)長期生態(tài)進(jìn)化，已演變成中旱生、旱生或超旱生生態(tài)型植物，已完全適應(yīng)荒漠區(qū)極度干旱的環(huán)境，這是植物對土壤水分降低具有的特殊生理生態(tài)學(xué)適應(yīng)對策[11，15]；草本層種的多度對水分變化的顯著響應(yīng)說明有限的水分決定著草本層植物種群的大小。0～60 cm土層水分含量與灌木植物的物種豐富度和多度無顯著的相關(guān)關(guān)系，這是由于灌木根系分布較深，可解釋為灌木的生物學(xué)特性對物種豐富度和多度的貢獻(xiàn)大于土壤含水量的差異。0～60 cm土層水分含量對草本植物，特別是對一年生及短命和類短命植物種的豐富度和多度的影響明顯高于對灌木的影響，說明一年生及短命和類短命植物種的根系主要分布在淺層土壤，是對淺層土壤水分利用較好的結(jié)果。