烏拉特荒漠草原白刺屬和錦雞兒屬植物群落生物量分析*

趙宏勝,馮霜,趙杏花,蘭登明,王志國,崔愛露,賈珂慧

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué),內(nèi)蒙古 呼和浩特 010020)

荒漠草原是草原向荒漠過渡的一類草原，是草原植被中最干旱的一類草原[1-3]?；哪菰饕植加趤喼薮箨憙?nèi)部，在我國主要分布在內(nèi)蒙古西部和新疆地區(qū)，屬大陸性氣候[4]，主要特征是氣候干旱，降水稀少，年均降水量≤200 mm。烏拉特荒漠草原屬于荒漠草原向荒漠過渡地帶，作為我國重要的生態(tài)屏障，對西北地區(qū)的氣候環(huán)境起著很大的保護作用[5-7]，但由于近年來降雨量相對減少，許多草場由于礦物開采和過度放牧，植被覆蓋度降低，出現(xiàn)了許多強旱生灌木、半灌木，物種多樣性降低[8]，原本就比較脆弱的生態(tài)系統(tǒng)已遭到嚴重破壞。生物量是指某一時刻單位面積內(nèi)實存生物的有機物質(zhì)[9-12]，是衡量一個生態(tài)系統(tǒng)土地生產(chǎn)力的重要指標[13-18]。通過對當(dāng)?shù)氐湫腿郝渖锪康难芯浚梢詫ρ芯繀^(qū)內(nèi)的植物資源的開發(fā)利用提供理論依據(jù)，還可以為修復(fù)脆弱生態(tài)區(qū)提供科學(xué)的技術(shù)措施[19-24]。

目前，人們對烏拉特荒漠草原植物的研究并不多，李香云等[6]利用模型預(yù)測法對烏拉特后旗荒漠草原的紅砂地上、地下生物量的大小和分配規(guī)律進行了研究，趙生龍等[6]對烏拉特后旗荒漠草原草本群落生物量與放牧強度之間的關(guān)系進行了研究，還沒有人對烏拉特荒漠草原白刺屬(NitrariaL.)和錦雞兒屬(CaraganaFabr.)植物群落生物量進行過研究。本研究對烏拉特荒漠草原白刺屬和錦雞兒屬植物群落生物量及土壤進行研究，掌握研究區(qū)內(nèi)植被類型、分布情況、灌叢生物量及土壤特征，研究灌叢生物量與土壤特性之間的關(guān)系，根據(jù)灌叢生物量，來評估預(yù)測土地生產(chǎn)力大小，通過建立數(shù)學(xué)函數(shù)模型，對研究區(qū)內(nèi)的灌木及草本群落生物量進行非破壞性估測；而且還可以對研究區(qū)內(nèi)的植物分布現(xiàn)狀有一個清晰的認識，為維持生物多樣性提供依據(jù)，為已經(jīng)破壞的脆弱生態(tài)區(qū)提供科學(xué)的修復(fù)和改善措施。

1 研究區(qū)自然概況

內(nèi)蒙古烏拉特位于陰山山脈與蒙古高原的過渡帶，屬于烏拉特中旗和烏拉特后旗，是半農(nóng)半牧的農(nóng)牧交錯區(qū)，其生態(tài)價值和經(jīng)濟價值十分重要。地理坐標為105°13′～109°43′E，40°43′～42°27′N，海拔850～2 310 m，以低山丘陵和層狀高平原地貌為主。土壤類型主要為栗鈣土和棕鈣土。屬中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候，年均降水量在150～200 mm之間，年均氣溫在1.3～3.9 ℃之間，年均蒸發(fā)量在1 740～2 300 mm之間[25-26]。

2 材料與方法

2.1 樣地設(shè)置與調(diào)查

2017—2019年的7—9月份，以烏拉特中旗和后旗荒漠草原作為主要研究區(qū)。

按照國家科技部基礎(chǔ)資源調(diào)查專項(2017FY100204)要求，綜合考慮地形地貌、植物種分布等情況，以1︰100萬“中國植被分布圖”為基礎(chǔ)，在研究區(qū)遙感影像圖上根據(jù)植被群落類型均勻布點，提取各樣地經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。地面調(diào)查根據(jù)點位信息，利用奧維互動地圖導(dǎo)航，最終在烏拉特中旗、后旗荒漠草原布設(shè)120個100 m×100 m的樣地。然后再在每個樣地的四個邊角及中間分別布設(shè)1個10 m×10 m的灌木樣方，在灌木樣方內(nèi)，主要調(diào)查為灌木種類、數(shù)量、高度、冠幅及灌木地上生物量；最后在每個樣地中設(shè)立9個草本樣方，調(diào)查草本種類、數(shù)量、高度、蓋度、頻度及草本地上生物量。本文共選取了6種植物群落作為研究對象，分別為檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)群落、狹葉錦雞兒(C.stenophylla)群落、甘蒙錦雞兒(C.opulens)群落、唐古特白刺(Nitrariatangutorum)群落、大白刺(N.roborowskii)群落和小果白刺(N.sibirica)群落。

2.2 測定方法

灌木植物地上生物量的獲取采用標準株結(jié)合標準枝法[27]，剪取枝條稱重后將其裝在信封紙袋中存放，帶回室內(nèi)，經(jīng)105 ℃條件下殺青處理(約10 min)，再用65 ℃的烘箱烘干至恒重(8～12 h)，測量其干重并記錄。

圖1 野外實地調(diào)查樣地布設(shè)形式

草本植物地上生物量的獲取采用全株收獲法[28]，稱量原則同灌木生物量獲取方法，草本植物地下生物量的測量方法采用土塊挖掘法，即在1個草本樣方內(nèi)，挖取1個20 cm×20 cm×20 cm的土塊，垂直向下繼續(xù)挖取相同大小的土塊，共3層，據(jù)此種方法，重復(fù)3次。并用篩分法初步分離土壤和根系，在室內(nèi)需要對篩分后的土壤進行清洗，分離出根系烘干后進行稱量并記錄。

土壤物理性質(zhì)指標及其測定方法 土壤含水率采用烘干法；土壤容重、土壤孔隙度采用環(huán)刀處理法。計算公式如下。

①

②

③

式中，W1為土壤+環(huán)刀濕重，W2為浸水6 h后飽和重，W4為烘干重，W0為環(huán)刀重，V為環(huán)刀的體積。

土壤化學(xué)性質(zhì)的測量由瑞普土壤測量公司進行分析，在樣地內(nèi)挖取1個長×寬×高為1.0 m×1.0 m×0.3 m的坑，把太陽直射面的剖面修理平整，在剖面表面自上而下均勻刮取一層土壤，將收集的土壤裝在塑封袋內(nèi)，排除空氣，依據(jù)此方法，進行3個重復(fù)，最終將收取的土壤郵寄到專業(yè)測量單位進行檢驗。

2.3 數(shù)據(jù)處理

灌木重要值=(相對多度+相對頻度+相對顯著度)/3，草本層重要值 =(相對高度+相對頻度+相對蓋度)/3[29-30]。根據(jù)每種植物的重要值計算，確定每個植物群落的建群種、亞優(yōu)勢種和伴生種，可以為進一步了解植物群落特征打下基礎(chǔ)。

利用Spss 19.0、Origin和Microsoft office軟件處理。

3 結(jié)果與分析

3.1 白刺屬和錦雞兒屬植物建群種的劃分

白刺屬和錦雞兒屬植物建群種劃分見表1和表2。

表1 錦雞兒屬植物群落內(nèi)各植物種重要值

表2 白刺屬植物群落內(nèi)各植物種重要值

在錦雞兒屬植物群落中，灌木層檸條錦雞兒、甘蒙錦雞兒、狹葉錦雞兒在相應(yīng)群落內(nèi)重要值最大，占據(jù)主要地位，群落內(nèi)其它灌木為伴生種，草本層重要值最大的均為禾本科(Gramineae)植物；在白刺屬植物群落中，灌木層唐古特白刺(N.tangutorum)、大白刺(N.roborowskii).和小果白刺(N.sibirica)在相應(yīng)群落內(nèi)重要值最大，占據(jù)主要地位，群落內(nèi)其它灌木為伴生種，草本層重要值最大的均為禾本科植物。

3.2 白刺屬和錦雞兒屬植物群落組成

由表3可知，烏拉特荒漠草原分布的幾種白刺屬和錦雞兒屬植物群落主要有檸條錦雞兒群落、甘蒙錦雞兒群落、狹葉錦雞兒群落、唐古特白刺群落、大白刺群落和小果白刺群落，在每種植物群落調(diào)查的樣地中，至少有4種或4種以上的伴生灌木和草本。

表3 白刺屬和錦雞兒屬植物灌叢一般特征

3.3 白刺屬和錦雞兒屬植物群落垂直結(jié)構(gòu)特征

植物群落的垂直結(jié)構(gòu)是植物在空間中的垂直分化或成層現(xiàn)象，群落的垂直結(jié)構(gòu)是群落重要的形態(tài)特征，反映出該群落植物的發(fā)展階段和穩(wěn)定性。

由表4可知，白刺屬和錦雞兒屬植物群落間植物垂直結(jié)構(gòu)特征差異顯著，依據(jù)不同高度劃分，灌木層分為半灌木層和小灌木層。半灌木層植物高度在0.6～1.5 m之間，包括有甘蒙錦雞兒、唐古特白刺、大白刺、檸條錦雞兒、狹葉錦雞兒、霸王(Zygophyllumxanthoxylum)、駝絨藜(Ceratoideslatens)、沙冬青(Ammopiptanthusmongolicus)等，錦雞兒屬植物群落半灌木層平均蓋度為12.43%，白刺屬為28.34%；小灌木層植物高度在0.2～0.6m之間，包括紅砂(Reaumuriasongarica)、珍珠豬毛菜(Pearlrussianthistle)、短葉假木賊(Anabasisbrevifolia)、鷹爪柴(Convolvulusgortschakovii)等植物，錦雞兒屬植物群落小灌木層平均蓋度為8.45%，白刺屬為6.56%。草本層植物群落依據(jù)草本高度分為草本和小草本層，草本層植物高度在0.15～0.30 m之間，主要包括狗尾草(Setariaviridis)、三芒草(Aristidaadscensionis)、賴草(Leymussecalinus)等植物種，錦雞兒屬植物群落草本層平均蓋度為57.25%，白刺屬為49.57%；小草本層植物高度在0.15 m以下，主要有蒺藜(Tribulusterrestris)、銀灰旋花(Convolvulusammannii)等，錦雞兒屬植物群落小草本層平均蓋度為18.62%，白刺屬為11.23%。

表4 白刺屬和錦雞兒屬植物群落垂直結(jié)構(gòu)特征

3.4 白刺屬和錦雞兒屬植物灌叢生物量分析

白刺屬和錦雞兒屬植物灌叢生物量分析見表5～7和圖2。

表5 白刺屬和錦雞兒屬植物群落灌木和草本生物量對比

表6 錦雞兒屬植物灌叢灌木地上生物量與草本生物量相關(guān)性分析

由表5～7和圖2可知，錦雞兒屬植物灌叢灌木地上生物量大小與草本生物量大小呈正相關(guān)關(guān)系，即隨著灌木地上生物量的增加，草本地上、地下及總生物量均出現(xiàn)逐漸遞增現(xiàn)象，且灌木地上生物量與草本地下生物量及草本總生物量在P<0.05水平上呈顯著相關(guān)；而白刺屬植物灌叢灌木地上生物量大小與草本生物量大小呈負相關(guān)關(guān)系，即隨著灌木地上生物量的增加，草本地上、地下及總生物量均出現(xiàn)逐漸遞減現(xiàn)象，且灌木地上生物量與草本地下生物量及草本總生物量在P<0.05水平上呈顯著相關(guān)。

表7 白刺屬屬植物灌叢灌木地上生物量與草本生物量相關(guān)性分析

圖2 錦雞兒屬和白刺屬植物灌叢灌木地上生物量與草本總生物量關(guān)系

3.5 草本生物量與土壤含水率、容重、孔隙度相關(guān)性分析

不同植物灌叢草本生物量不同，本研究通過分析不同植物灌叢土壤的含水率、容重、孔隙度，來探明土壤物理因素與草本生物量的相關(guān)關(guān)系，見圖3。

圖3 不同植物群落土壤含水率、容重、孔隙度對比

由圖3可知，白刺屬和錦雞兒屬6種植物群落類型中，白刺屬植物群落土壤含水率明顯大于錦雞兒屬植物群落含水率，據(jù)土壤含水率大小排序：小果白刺群落>唐古特白刺群落>大白刺群落>檸條錦雞兒群落>狹葉錦雞兒群落>甘蒙錦雞兒群落；6種群落的土壤容重除小果白刺群落以外，容重均達到了0.8以上，據(jù)土壤容重大小排序：大白刺群落>唐古特白刺群落>甘蒙錦雞兒群落>檸條錦雞兒群落>狹葉錦雞兒群落>小果白刺群落；6種群落中土壤孔隙度最大的為小果白刺群落，最小的為檸條錦雞兒群落，據(jù)土壤孔隙度大小排序：小果白刺群落>狹葉錦雞兒群落>唐古特白刺群落>甘蒙錦雞兒群落>大白刺群落>檸條錦雞兒群落。

由表8可知，為探明不同群落類型影響草本生物量大小的因素，從土壤物理性質(zhì)上進行分析，包括土壤容重、土壤含水率和土壤孔隙度3個方面進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在狹葉錦雞兒和甘蒙錦雞兒群落，土壤的容重與群落內(nèi)草本生物量具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)分別為0.774和0.720，且在狹葉錦雞兒群落內(nèi)，草本生物量與土壤含水率呈負向相關(guān)關(guān)系；在檸條錦雞兒群落，土壤含水率對該群落內(nèi)的草本生物量影響最大，相關(guān)系數(shù)為0.805；所以在錦雞兒屬植物群落內(nèi)，影響草本生物量的主要因素有土壤容重。

表8 白刺屬和錦雞兒屬植物群落草本生物量與土壤物理性質(zhì)相關(guān)性分析

在白刺屬植物群落中，3種植物群落內(nèi)的草本生物量均與土壤含水率有相關(guān)性，唐古特白刺和大白刺群落內(nèi)的草本生物量與土壤含水率在P<0.01水平上呈極顯著相關(guān)關(guān)系，小果白刺群落內(nèi)的草本生物量與土壤含水率和土壤容重在P<0.05水平上，呈顯著相關(guān)關(guān)系；由表8還可以看出，在唐古特白刺和大白刺群落內(nèi)，草本生物量大小與土壤孔隙度呈負向相關(guān)性，即土壤孔隙度越大，草本生物量越小。

3.6 草本生物量與土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

草本生物量與土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析見表9。

表9 白刺屬和錦雞兒屬植物群落草本生物量與土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

由表9可知，土壤的化學(xué)性質(zhì)是衡量土壤等級的重要指標，從土壤pH、土壤全氮含量、土壤總磷含量和土壤有機質(zhì)含量4個方面進行對比分析，發(fā)現(xiàn)在狹葉錦雞兒群落，土壤的全氮和總磷含量與群落內(nèi)草本地下和總生物量具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.85，且在P<0.01水平上呈極顯著相關(guān)；且在狹葉錦雞兒群落內(nèi)，草本的地上、地下和總生物量與土壤pH和有機質(zhì)呈負向相關(guān)關(guān)系；在甘蒙錦雞兒群落，草本總生物量與土壤有機質(zhì)含量具有顯著相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)均大于0.90，且在P<0.05水平上呈顯著相關(guān)，其中草本的地上、地下和總生物量和土壤全氮和總磷含量呈負向相關(guān)關(guān)系，草本地下、總生物量和土壤pH和有機質(zhì)含量呈負向相關(guān)關(guān)系；在檸條錦雞兒群落，草本地下、總生物量和土壤全氮含量、土壤總磷含量呈負向相關(guān)關(guān)系。

在白刺屬植物群落中，唐古特白刺群落內(nèi)的草本生物量與土壤pH、土壤全氮含量、土壤總磷含量和土壤有機質(zhì)含量均具有相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達0.85以上，其中土壤有機質(zhì)含量和草本總生物量在P<0.01水平上呈極顯著相關(guān)，土壤pH、土壤全氮含量、土壤總磷含量和草本總生物量在P<0.05水平上呈顯著相關(guān)，草本地下、總生物量和土壤pH和有機質(zhì)含量呈負向相關(guān)關(guān)系，草本地上生物量和土壤全氮、總磷含量呈負向相關(guān)關(guān)系；在大白刺群落內(nèi)，草本地上、地下和總生物量大小與土壤pH、土壤有機質(zhì)含量呈負向相關(guān)性，與土壤全氮和總磷含量呈正相關(guān)關(guān)系；在球果白刺群落，土壤土壤pH、土壤有機質(zhì)含量與草本地下、總生物量呈負向相關(guān)關(guān)系，草本地上、總生物量與全氮含量呈負向相關(guān)關(guān)系，草本地上生物量與總磷含量呈負向相關(guān)關(guān)系。

4 討論與結(jié)論

4.1 討論

蒺藜科(Zygophyllaceae)白刺屬植物和豆科(Leguminosae)錦雞兒屬的植物大部分都是典型的旱生或強旱生植物。本研究通過對比分析唐古特白刺、大白刺、小果白刺3種白刺屬植物群落和檸條錦雞兒、狹葉錦雞兒、甘蒙錦雞兒3種錦雞兒屬植物群落，發(fā)現(xiàn)白刺屬植物群落灌木地上生物量與草本生物量呈正相關(guān)關(guān)系，尤其與草本層地下生物量具有顯著正相關(guān)關(guān)系，這與陳斌等[31]對白刺—芨芨(Achnatherumsplendens)草群落根系研究結(jié)論不同，不同的原因可能是研究區(qū)自然條件情況的不同，陳斌等研究區(qū)選取主要是在寧夏荒漠區(qū)，植物種類單一，物種豐富度較低，而本研究選擇的研究區(qū)屬于荒漠草原區(qū)，大部分草本植物屬于短命植物，地下生物量有一些往年殘留根系；對于影響草本生物量的因素，本研究發(fā)現(xiàn)土壤物理性質(zhì)也會對草本生物量產(chǎn)生很大影響，呈極顯著或顯著相關(guān)性，與冀照君等[32]對錦雞兒屬植物群落的研究結(jié)論不同，不同的原因是研究區(qū)點位選取的不確定性。

4.2 結(jié)論

烏拉特荒漠草原白刺屬植物群落和錦雞兒屬植物群落中，錦雞兒屬植物群落灌木層生物量比白刺屬植物群落灌木層生物量小，但是草本層生物量錦雞兒屬植物群落比白刺屬植物群落大；而且錦雞兒屬植物群落草本層總生物量與灌木層地上生物量呈正相關(guān)關(guān)系，白刺屬植物群落草本層生物量與灌木層地上生物量呈負相關(guān)關(guān)系。

土壤物理性質(zhì)(包括土壤含水率、土壤容重、土壤孔隙度)對植物群落生長起著十分重要的作用，通過對白刺屬植物群落和錦雞兒屬植物群落土壤分析后發(fā)現(xiàn)，白刺屬植物群落樣地的土壤含水率大于錦雞兒屬植物群落樣地土壤含水率，而且在白刺屬植物群落中唐古特白刺群落和大白刺群落的草本生物量與土壤含水率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，小果白刺群落的草本生物量與土壤含水率呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)；而錦雞兒屬的甘蒙錦雞兒和檸條錦雞兒群落內(nèi)的草本生物量與土壤容重呈極顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.01)，狹葉錦雞兒群落內(nèi)的草本生物量與土壤容重呈顯著相關(guān)關(guān)系(P<0.05)。

土壤化學(xué)性質(zhì)包括土壤pH、土壤全氮、土壤總磷和土壤有機質(zhì)，通過分析土壤化學(xué)性質(zhì)和群落內(nèi)草本生物量的關(guān)系發(fā)現(xiàn)，土壤的全氮和總磷含量對狹葉錦雞兒植物群落內(nèi)草本地下和總生物量影響較大，具極顯著相關(guān)性；土壤pH、土壤全氮和土壤總磷含量與唐古特白刺群落內(nèi)草本地上生物量具顯著相關(guān)性(P<0.05)，其中土壤有機質(zhì)含量與唐古特白刺群落內(nèi)草本地上生物量具極顯著相關(guān)性(P<0.01)。