松嫩草地鹽堿化與植物多樣性的生態(tài)關(guān)系

朱偉華，張俊捷，侯 宇，朱 梅，孫海明

(北華大學(xué)理學(xué)院，吉林 吉林 132013)

松嫩草地是我國東北地區(qū)三大草原之一，近幾年，由于人為因素和環(huán)境因素的影響，松嫩草地鹽堿化程度加劇，絕大多數(shù)地區(qū)出現(xiàn)鹽堿斑[1].土壤鹽堿化加劇使得土壤N含量、有機質(zhì)碳含量下降，進一步導(dǎo)致植物多樣性降低，植物高度、覆蓋率下降，致使草原生態(tài)系統(tǒng)遭到破壞[2].植被能夠改變土壤中的含水量、溫度、pH、碳氮水平以及通氣性等，進而影響土壤無機環(huán)境[3-4].研究[5]發(fā)現(xiàn)，土壤鹽堿化會改變土壤理化性質(zhì)，通氣透水能力下降；并且，植物在高鹽堿環(huán)境下極易出現(xiàn)“燒苗”現(xiàn)象，阻礙植物吸收一些必要離子，影響植物合成蛋白質(zhì)，最終導(dǎo)致植物萎蔫[6].松嫩草地植物群落占主導(dǎo)地位的是羊草群落，其豐富度、均勻度和多樣性等多個測定指標均隨土壤鹽堿化增加表現(xiàn)為單調(diào)下降趨勢[7].隨著土壤鹽堿化程度加深，植物生長受到抑制并最終消亡，物種組成成分減少，進而導(dǎo)致植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯改變[8].過度放牧引起草地生物多樣性降低，導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境條件惡化[9].但劉占鋒等[10]的研究發(fā)現(xiàn)，在區(qū)域尺度上，植物群落結(jié)構(gòu)和多樣性不再是影響土壤群落的重要驅(qū)動因子，植被的生物量、土壤含水量和土壤N/P比值才是主要的影響因素.因此，有待進一步研究某一特定生態(tài)系統(tǒng)植物多樣性與土壤環(huán)境的關(guān)系[11].本文通過分析松嫩草地不同鹽堿化程度樣地植被的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)、地上生物量、植物高度，探討不同鹽堿化程度草地植物多樣性差異，以期為鹽堿化草地修復(fù)提供參考依據(jù).

1 研究方法

1.1 樣地設(shè)置

在松嫩草地按照鹽堿化程度分別選取30個10 m×10 m樣點，調(diào)查各樣點地上植被狀況，多樣性指數(shù)以Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)標示.

Shannon-Wiener指數(shù)[12]：

式中：Pi為該物種個體數(shù)占個體總數(shù)的比例；S為物種數(shù)目.

Simpson指數(shù)[13]：

1.2 樣品采集及測定

在樣點中，采用五點取樣法將1 m2內(nèi)的植物地上部分剪下，剔除枯草，放入紙袋中帶回實驗室測量株高和地上生物量；用鐵鏟去除表層2 cm土壤，按五點取樣法采集土壤樣品[14]，采用四分法混合裝袋，帶回實驗室.采用烘干法測定植物地上生物量：將野外采集回來的植物地上部分放在烘箱中65 ℃烘干24 h，百分之一電子天平稱重；采用酸度計測定土壤pH；采用電導(dǎo)率儀測定土壤電導(dǎo)率；測量所有植物高度.

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

采用Excell 2007和SPSS 21.0統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)，利用單因素方差分析和相關(guān)分析分別計算植物特征指數(shù)，分析與土壤鹽堿化指數(shù)的關(guān)系.

2 結(jié)果與分析

2.1 植物多樣性與土壤鹽堿化的關(guān)系

土壤pH和電導(dǎo)率增加標志著土壤鹽堿化加重.本研究分析了30個樣點植物群落的Shannon-Wiener指數(shù)、Simpson指數(shù)與土壤pH、電導(dǎo)率的相關(guān)性，結(jié)果見圖1～圖4.由圖1、圖2可見：松嫩草地土壤pH、電導(dǎo)率與Shannon-Wiener指數(shù)在一定范圍內(nèi)均呈負相關(guān)，且Shannon-Wiener指數(shù)與土壤pH顯著相關(guān)；由圖3、圖4可見：松嫩草地植物群落的Simpson指數(shù)與土壤pH和電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)呈正相關(guān)，且Simpson指數(shù)與土壤pH顯著相關(guān).

2.2 地上生物量與土壤鹽堿化的關(guān)系

植物地上生物量可以在一定程度上反映植物的生長狀況.地上生物量與土壤pH、土壤電導(dǎo)率關(guān)系見圖5、圖6.由圖5、6可見：松嫩草地地上生物量與土壤pH、土壤電導(dǎo)率無線性關(guān)系，原因可能與不同鹽堿度土壤上的植物種類不同有關(guān).

2.3 植物高度與土壤鹽堿化的關(guān)系

植物高度是判斷植物生長狀況的重要指標，研究植物高度對分析植物是否適合在土壤鹽堿化環(huán)境生長具有重要意義.植物高度與土壤pH和電導(dǎo)率相關(guān)性分析結(jié)果見圖7、圖8.由圖7、圖8可見：植物高度與土壤pH、土壤電導(dǎo)率存在負相關(guān)關(guān)系，且與土壤pH顯著相關(guān).

圖1Shannon-Wiener指數(shù)與土壤pH相關(guān)性Fig.1Correlation of Shannon-Wiener index and soil pH圖2Shannon-Wiener指數(shù)與土壤電導(dǎo)率相關(guān)性Fig.2Correlation of Shannon-Wiener index andsoil electrical conductivity 圖3Simpson指數(shù)與土壤pH相關(guān)性Fig.3Correlation of Simpson index and soil pH圖4Simpson指數(shù)與土壤電導(dǎo)率相關(guān)性Fig.4Correlation of Simpson index and soil electrical conductivity 圖5地上生物量與土壤pH關(guān)系Fig.5Relationship of above ground biomass and soil pH圖6地上生物量與土壤電導(dǎo)率關(guān)系Fig.6Relationship of above ground biomass and soil electrical conductivity圖7植物高度與土壤pH關(guān)系Fig.7Relationship of plant height and soil pH圖8植物高度與土壤電導(dǎo)率關(guān)系Fig.8Relationship of plant height and soil electrical conductivity

3 小結(jié)與討論

植物對整個生物圈而言具有重要作用.本次研究發(fā)現(xiàn)，植物群落Shannon-Wiener指數(shù)、植物高度與土壤鹽堿化呈現(xiàn)負相關(guān)關(guān)系，這一結(jié)果與陳向全等[15]的研究結(jié)果一致，由此表明，鹽堿化草地植物多樣性水平升高能夠改善土壤的肥力和質(zhì)量，進而提高土壤生態(tài)系統(tǒng)多樣性和穩(wěn)定性[16].但Simpson指數(shù)與土壤鹽堿化呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，與Shannon-Wiener指數(shù)結(jié)果相反.分析認為：首先可能是因為隨著土壤pH和電導(dǎo)率的增加導(dǎo)致同一種耐鹽堿物種數(shù)量增多，而其他物種被淘汰，同一種物種出現(xiàn)的概率增加，致使Simpson指數(shù)增加；其次，對比植物群落生境發(fā)現(xiàn)，即使生境相似的植物群落也會出現(xiàn)Simpson多樣性指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)相反的結(jié)果，可能與降水量有關(guān)，本次試驗開展時，松嫩草地降水量顯著高于往年同期的降水量；另外，可能也與土壤理化性質(zhì)有關(guān)，如腐殖質(zhì)含量高促使植物生長旺盛，植物群落多樣性指數(shù)升高.

植物地上生物量在一定程度上可以反映植物的生長狀況.有研究[11]認為，響應(yīng)脅迫能夠影響植物的生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)功能.但是本研究發(fā)現(xiàn)，與植物多樣性相比，松嫩草地植物地上生物量與土壤鹽堿化無顯著相關(guān)性，這與大多數(shù)研究結(jié)果[17-19]是一致的，說明在局部尺度上，土壤環(huán)境主要受植物物種組成影響.

本研究表明，松嫩鹽堿化草地植物多樣性指數(shù)與土壤pH和電導(dǎo)率顯著相關(guān)，而植物地上生物量與土壤pH和電導(dǎo)率無相關(guān)性.因此，可通過增加松嫩草地植物種類和數(shù)量來提高植物多樣性水平，進而修復(fù)和改良鹽堿化草地.