黃土高原云霧山長(zhǎng)期封育草地灌叢化空間分布格局

張譯文,常小峰,張玉薇

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院,陜西 楊凌 712100; 2. 西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持研究所,陜西 楊凌 712100)

草地是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,具有牧草生產(chǎn)、防風(fēng)固沙、涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候和維持生物多樣性等多種重要生態(tài)功能[1]。近幾十年來(lái),由于氣候和草地管理方式的變化,植物群落中灌木密度、蓋度和生物量普遍增加,即草地灌叢化[2]。我國(guó)有超過(guò)510萬(wàn)公頃的北方草地發(fā)生了灌叢化[3],灌叢化已經(jīng)成為草地生態(tài)保護(hù)面臨的重要問(wèn)題。灌叢化改變草地植物群落初級(jí)生產(chǎn)力和生物多樣性[4],增加土壤水分和養(yǎng)分的空間異質(zhì)性之一[5-6],對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生重要影響[7]。灌叢化可降低植被覆蓋,增加裸地面積[8],引起地表徑流和土壤侵蝕,使草地退化甚至出現(xiàn)荒漠化[9]。但也有研究發(fā)現(xiàn),灌叢化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)有積極的影響[10],如提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、生產(chǎn)力等[11]。而且,灌叢斑塊空間分布格局與草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性有密切關(guān)系[12]。植被斑塊格局特征被認(rèn)為是識(shí)別生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的早期信號(hào),也是判斷系統(tǒng)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要信號(hào)[13-14]。因此,量化灌叢斑塊的數(shù)量特征并揭示其空間分布格局和規(guī)律,有助于進(jìn)一步理解灌叢化對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的影響作用。

干旱半干旱地區(qū),灌木和草本植物間競(jìng)爭(zhēng)或促進(jìn)作用,影響土壤水分和養(yǎng)分資源的利用[15]。灌叢斑塊是由土壤水土資源約束和植物相互作用過(guò)程形成的自組織模式[16]。最新研究發(fā)現(xiàn),干旱半干旱地區(qū)植被斑塊的大小分布規(guī)律可以用來(lái)推斷植物種間關(guān)系和植被-土壤的反饋關(guān)系[14],如果植被斑塊呈現(xiàn)冪律分布規(guī)律,表明植被-土壤形成了正反饋?zhàn)饔肹17]。種群數(shù)量統(tǒng)計(jì)分布峰值的偏斜方向和偏斜程度也可以反映植物間的相互作用[18],正態(tài)分布表明植物或斑塊間沒(méi)有顯著的相互作用,形成隨機(jī)分布;左偏態(tài)分布表明斑塊之間存在強(qiáng)烈競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,形成均勻分布模式;右偏態(tài)分布表明植物間存在正相互作用,形成聚集分布[19]。因此,植被斑塊的數(shù)量特征和空間格局反映著生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)響應(yīng)環(huán)境變化的適應(yīng)過(guò)程與機(jī)制[20]。同時(shí),生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)與斑塊特征之間具有關(guān)聯(lián)性[16,21]。斑塊的數(shù)量特征和空間格局,如斑塊密度、大小、覆蓋度、形狀、連通性等指標(biāo)可以反映生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)[22]。植被斑塊大小分布的冪律規(guī)律被認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)即將發(fā)生臨界轉(zhuǎn)變的早期預(yù)警信號(hào)[12-13],一旦生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)態(tài),很難再恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)[23]。雖然植被斑塊的數(shù)量特征和空間分布規(guī)律具有重要的生態(tài)學(xué)指示意義,但是很多研究?jī)H用灌叢斑塊蓋度這一個(gè)指標(biāo)來(lái)反映草地灌叢化程度[2,24-26],對(duì)灌叢斑塊的數(shù)量特征和空間分布還缺乏全面認(rèn)識(shí)。

黃土高原是我國(guó)干旱半干旱地區(qū)的典型生態(tài)脆弱區(qū)。寧夏云霧山自然保護(hù)區(qū)是黃土高原地區(qū)保留最完整、最具代表性的長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)草原,也是該地區(qū)最早采取封育恢復(fù)的草地之一。該草地封育40年后,灌木和半灌木生物量、密度、蓋度增加,形成了明顯的灌叢斑塊[25]。本研究針對(duì)云霧山自然保護(hù)區(qū)長(zhǎng)期封育草地灌叢化現(xiàn)象,實(shí)地調(diào)查觀測(cè)灌叢斑塊的數(shù)量特征,分析揭示灌叢斑塊的空間分布格局,為識(shí)別草地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)并采取適應(yīng)性管理措施提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

寧夏云霧山國(guó)家級(jí)自然保護(hù)區(qū)(106°21′～106°28′E,36°13′～36°19′N,海拔1 800～2 084 m)屬于溫帶大陸性半干旱氣候,是黃土高原半干旱典型草原的代表區(qū)域。年平均溫度6.9℃,最高氣溫22℃～25℃,最低氣溫-18℃～-15℃,年均降雨量425.4 mm,降雨主要集中在7-9月份。土壤類型以山地灰褐土和黑壚土為主[27]。云霧山自然保護(hù)區(qū)1982年開(kāi)始施行封育管理,迄今40年。草本植物主要有長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)、甘菊(Chrysanthemumlavandulifolium)、賴草(Leymussecalinus)、多毛并頭黃芩(Scutellariascordifoliavar.villosissima)、二裂委陵菜(Potentillabifurca)等,半灌木-白蓮蒿(Artemisiasacrorum)和灌木-短腳錦雞兒(Caraganabrachypoda)呈團(tuán)塊狀鑲嵌散布在長(zhǎng)期封育草地[26]。

1.2 樣地設(shè)置與試驗(yàn)方法

2022年7月,在白蓮蒿灌叢化和短腳錦雞兒灌叢化典型的封育草地,分別設(shè)置1個(gè)16 m×8 m的大樣方。為了降低野外坐標(biāo)定位測(cè)量誤差,將此大樣方再劃分為8個(gè)4 m×4 m的相鄰小樣方作為基本調(diào)查單元(圖1)。采用實(shí)地坐標(biāo)定位法觀測(cè)基本單元小樣方內(nèi)灌叢斑塊的面積和位置并計(jì)數(shù)[28],以樣方左下角設(shè)為坐標(biāo)原點(diǎn),根據(jù)每一灌叢斑塊形狀依次確定3～30個(gè)控制點(diǎn),同時(shí)用垂直的兩把卷尺相交于控制點(diǎn),測(cè)量并記錄控制點(diǎn)的橫、縱坐標(biāo)。另外,分別在大樣方中隨機(jī)選取5個(gè)1 m×1 m的樣方,用剪刀將樣方內(nèi)的灌木及草本植物齊地面收割,按物種裝入信封并編號(hào),65℃烘干48 h,稱重,獲得灌木和草本植物的地上生物量。

圖1 白蓮蒿灌叢(A)和短腳錦雞兒灌叢(B)斑塊的空間分布Fig.1 The spatial distribution of shrub patches of Artemisia sacrorum (Panel A) and Caragana brachypoda (Panel B)

1.3 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)觀測(cè)的每個(gè)灌叢斑塊控制點(diǎn)的成對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù),采用軟件AutoCAD 2020進(jìn)行定位和曲線擬合灌叢斑塊形狀,繪制灌叢斑塊的空間分布圖(圖1),并計(jì)算各灌叢斑塊的面積,以及斑塊密度、覆蓋度。采用shapiro.test非參數(shù)檢驗(yàn),根據(jù)偏度系數(shù)和峰度系數(shù)判斷灌叢斑塊面積大小的統(tǒng)計(jì)分布特征。使用逆累積分布函數(shù)(Inverse cumulative distribution function)計(jì)算白蓮蒿和短腳錦雞兒灌叢斑塊一定面積的統(tǒng)計(jì)概率(P),即斑塊面積(S)大于或等于灌叢斑塊面積(s)的概率,P(S≥s)[17]。對(duì)灌叢斑塊面積及其概率值(s、P)取對(duì)數(shù)并繪制散點(diǎn)圖,利用一元線性回歸模型和最小二乘法擬合lg(P)- lg(s)的回歸直線。如果灌叢斑塊面積及其概率的雙對(duì)數(shù)擬合符合線性關(guān)系,則灌叢斑塊面積大小呈現(xiàn)冪律分布。計(jì)算灌叢斑塊面積出現(xiàn)概率P值(真實(shí)值)與線性回歸模型擬合的P’值(預(yù)測(cè)值)之間的殘差,即灌叢斑塊真實(shí)分布和冪律分布的殘差,繪制斑塊面積-殘差圖。殘差與0值的交點(diǎn)對(duì)應(yīng)植物正相互作用或植被-土壤正反饋形成的最小斑塊面積(Smin)和維持的最大斑塊面積(Smax)的理論值。當(dāng)殘差<0時(shí),表示灌叢斑塊出現(xiàn)的概率低于冪律規(guī)律的擬合值,正反饋關(guān)系尚未形成或趨于減弱;殘差>0,表示斑塊出現(xiàn)的概率高于冪律規(guī)律的擬合值,正反饋關(guān)系趨于加強(qiáng)。數(shù)據(jù)分析與圖像繪制采用R 4.0.3軟件完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 灌叢斑塊的數(shù)量特征

云霧山長(zhǎng)期封育草地發(fā)生了灌叢化,白蓮蒿灌叢斑塊面積為0.05～0.15 m2,覆蓋度為20.3%～61.7%,灌叢生物量是草本生物量的3.1倍;短腳錦雞兒灌叢斑塊面積為0.03～0.15 m2,覆蓋度為7.4%～35.8%,灌叢生物量是草本生物量的4.3倍。灌叢斑塊面積大小不一(表1)。白蓮蒿和短腳錦雞兒灌叢斑塊的面積分布不符合正態(tài)分布特征,呈現(xiàn)右偏尾分布(圖2)。當(dāng)白蓮蒿灌叢斑塊累計(jì)數(shù)量占比到達(dá)80%時(shí),累計(jì)斑塊面積僅占13%。當(dāng)短腳錦雞兒灌叢斑塊累計(jì)數(shù)量占比為80%時(shí),累計(jì)斑塊面積占斑塊總面積的28%不到。灌叢斑塊的數(shù)量特征是小斑塊數(shù)量多,但面積小,僅占斑塊總面積的小部分,而大斑塊數(shù)量少,面積大,占斑塊總面積的72%～87%(圖2)。

表1 灌叢斑塊的數(shù)量特征Table 1 Quantitative characteristics of shrub patches

圖2 白蓮蒿灌叢(A)和短腳錦雞兒灌叢(B)灌叢斑塊的頻數(shù)統(tǒng)計(jì)分布Fig.2 Frequency distribution of shrub patches of A. sacrorum (Panel A) and C. brachypoda (Panel B)注:內(nèi)嵌圖是白蓮蒿灌叢(A)和短腳錦雞兒灌叢(B)累計(jì)斑塊面積比例隨累計(jì)斑塊數(shù)量比例的變化Note:Cumulative proportion of patches area associated with the cumulative numbers of patches are shown in the inset of Panel A for A. sacrorum and Panel B for C. brachypoda,respectively

2.2 灌叢斑塊的空間分布格局

白蓮蒿和短腳錦雞兒灌叢斑塊面積大小分布均符合冪律(圖3),灌叢斑塊面積及其概率在對(duì)數(shù)尺度上呈現(xiàn)線性關(guān)系,表現(xiàn)為一條斜率為負(fù)冪指數(shù)(β白蓮蒿=0.557和β短腳錦雞兒=0.682)的直線。16.8%(數(shù)量比例)的白蓮蒿灌叢斑塊和14.6%的短腳錦雞兒灌叢斑塊面積分布小于Smin(0.026 m2和0.024 m2),它們分別占灌叢斑塊總面積的0.5%和1.0%;75.2%的白蓮蒿灌叢斑塊和72.8%的短腳錦雞兒灌叢斑塊的面積分布在Smin～Smax之間(0.026 ～1.832 m2和0.024 ～0.371 m2),它們分別占灌叢斑塊總面積的34.4%和37.9%;8.0%的白蓮蒿灌叢斑塊和12.6%的短腳錦雞兒灌叢斑塊面積分布大于Smax(1.832 m2和0.371 m2),它們分別占灌叢斑塊總面積的65.1%和61.1%(圖4、圖5)。

圖3 對(duì)數(shù)尺度上白蓮蒿灌叢(A)和短腳錦雞兒灌叢(B)斑塊面積分布Fig.3 The size distribution of shrub patches of A. sacrorum (Panel A) and C. brachypoda (Panel B) on logarithmic scale

圖4 白蓮蒿灌叢(A)和短腳錦雞兒灌叢(B)斑塊面積大小分布觀測(cè)值與冪律分布擬合值之間的殘差Fig.4 The residuals between observed and power-law size distribution of A. sacrorum (A) and C. brachypoda (B)

圖5 白蓮蒿灌叢和短腳錦雞兒灌叢斑塊數(shù)量(A)與斑塊面積(B)組成Fig.5 The proportions of shrub patch number (A) and shrub patch area (B) of Artemisia sacrorum and Caragana brachypoda注:圖中Smin為植被-土壤正反饋形成的最小斑塊面積的理論值,Smax為植被-土壤正反饋能維持的最大斑塊面積的理論值Note:In the figure,Smin is the theoretical value of the minimum patch area formed by the positive feedback between vegetation and soil,Smax the theoretical value of the maximum patch area maintained by the positive feedback between vegetation and soil

3 討論

灌木密度、蓋度和生物量是描述和量化草地灌叢化程度的主要指標(biāo)[2]。晏昕輝等[29]選取相對(duì)高度、相對(duì)蓋度、相對(duì)密度和相對(duì)生物量等指標(biāo)來(lái)計(jì)算物種重要值,將云霧山草地灌叢化現(xiàn)象劃分為未發(fā)生灌叢化、輕度、中度和重度四個(gè)程度。本研究觀測(cè)到白蓮蒿灌叢(斑塊)覆蓋度為20.3%～61.7%,短腳錦雞兒灌叢覆蓋度為7.4%～35.8%,與安琪琪等[25-26]采用樣線法調(diào)查的灌叢覆蓋度范圍(40.0%～48.5%)比較接近。本研究采用坐標(biāo)定位法可以更加細(xì)致地描述灌叢覆蓋度的組成和揭示灌叢斑塊的空間分布格局,即灌叢斑塊的數(shù)量和面積,以及它們的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,而這些數(shù)量特征和空間格局對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的判別具有指示作用[12-13]。

在干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)中,植被斑塊的大小分布大多遵循冪律[13]。與冪律相關(guān)的一個(gè)重要概念是生態(tài)系統(tǒng)的自組織臨界性,冪律的出現(xiàn)是系統(tǒng)自組織進(jìn)行自我調(diào)節(jié)的結(jié)果,表征系統(tǒng)狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)變的臨界特征[30-31]。Kefi等[13]發(fā)現(xiàn)在西班牙、希臘和摩洛哥的三個(gè)干旱地中海生態(tài)系統(tǒng)中植被斑塊大小分布遵循冪律。當(dāng)放牧壓力增大時(shí),植被斑塊空間分布規(guī)律發(fā)生改變,斑塊破碎或消失,表現(xiàn)出斑塊大小分布偏離冪律[13]。植被斑塊的減少使裸地面積增加,生態(tài)系統(tǒng)向荒漠化狀態(tài)轉(zhuǎn)變[12,16]。因此,植被斑塊大小呈冪律分布可以作為生態(tài)系統(tǒng)轉(zhuǎn)變的臨界信號(hào)[13]。本研究結(jié)果顯示,白蓮蒿灌叢和短腳錦雞兒灌叢斑塊大小分布遵循冪律分布,表明云霧山長(zhǎng)期封育草地正處于生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的敏感期。

植物相互作用和植被-土壤的反饋關(guān)系是植被斑塊空間格局形成和維持的主要機(jī)制[32-33]。草地灌叢化改變土壤水分和養(yǎng)分的空間分配,土壤水分和養(yǎng)分在灌叢斑塊下積累,促進(jìn)植物種子萌發(fā)和植物生長(zhǎng),形成“沃島”效應(yīng),進(jìn)一步促進(jìn)灌叢斑塊擴(kuò)大[34-36]。這些正反饋關(guān)系是灌叢斑塊維持和擴(kuò)大的主要驅(qū)動(dòng)力。另一方面,干旱氣候、灌叢之間的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng),以及灌草之間的種間競(jìng)爭(zhēng)等,是與灌叢斑塊形成的正反饋關(guān)系相反的作用力,限制著灌叢化的無(wú)限擴(kuò)張[15,33]。Sole[20]認(rèn)為空間自組織模式、植物間的局部正相互作用是植被大小呈現(xiàn)冪律分布的必然條件,而空間分布偏離冪律則表示系統(tǒng)缺乏這種正相互作用。冪律分布反映著生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)在的植被-土壤反饋關(guān)系以及其它正相互作用[17]。黃土高原草地封育40年后,灌叢斑塊呈現(xiàn)顯著的冪律分布,表明正相互作用正在強(qiáng)烈影響著草地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,但這種相互作用是植被-土壤“沃島效應(yīng)”還是灌叢種內(nèi)促進(jìn)關(guān)系形成的還需要進(jìn)一步研究。

不同斑塊大小的正相互作用或反饋強(qiáng)度可能不同。灌叢斑塊面積在Smin～Smax之間,斑塊形成的概率高于冪律的擬合預(yù)測(cè)值,表明存在較強(qiáng)植物正相互作用或植被-土壤正反饋關(guān)系,促進(jìn)斑塊形成。斑塊面積小于Smin時(shí),植物間沒(méi)有顯著的正相互作用且灌叢-土壤間尚未形成正反饋,小斑塊的數(shù)量小于預(yù)測(cè)值。斑塊面積大于Smax時(shí),植物間的正相互作用達(dá)到最大,但土壤水分虧缺等調(diào)節(jié)的負(fù)平衡反饋?zhàn)饔酶?灌叢斑塊難以維持,大斑塊逐漸破碎或消失[12]。試驗(yàn)調(diào)查中,16.8%的白蓮蒿灌叢斑塊和14.6%的短腳錦雞兒灌叢斑塊面積小于Smin。根據(jù)我國(guó)草原保護(hù)政策,封育恢復(fù)措施還將持續(xù)且短期內(nèi)不會(huì)改變,灌叢斑塊面積小于Smin的灌叢將繼續(xù)擴(kuò)大;75.2%的白蓮蒿灌叢斑塊和75.8%的短腳錦雞兒灌叢斑塊面積在Smin～Smax之間,能夠維持斑塊的大小;8%的白蓮蒿灌叢斑塊和12.6%的短腳錦雞兒灌叢斑塊面積大于Smax,這些大灌叢斑塊會(huì)逐漸破碎化。因此,92%的白蓮蒿灌叢斑塊和87.4%的短腳錦雞兒灌叢斑塊面積小于Smax,它們分別占各自灌叢斑塊總面積的34%和38%,這些灌叢斑塊會(huì)在正相互作用下繼續(xù)增大,長(zhǎng)期封育草地灌叢化還將繼續(xù)擴(kuò)張。

冪律分布可能是生態(tài)系統(tǒng)正在接近向荒漠化轉(zhuǎn)變的閾值,是荒漠化早期的跡象[13,37]。值得注意的是,本研究觀察到的灌叢斑塊的冪律分布發(fā)生在長(zhǎng)期封育草地,與過(guò)度放牧或干旱氣候加劇導(dǎo)致土地退化的災(zāi)難性轉(zhuǎn)變是不同的。研究表明,云霧山灌叢化草地群落地上生產(chǎn)力和地上生物量顯著增加[25],土壤入滲能力和蓄水能力顯著提高,土壤固碳、水土保持等生態(tài)功能并未退化[26]。試驗(yàn)區(qū)年平均降水量在400～500 mm之間,植被區(qū)劃上屬于固原市南部森林區(qū)和北部干草原區(qū)之間的灌叢草原區(qū),存在草地生態(tài)系統(tǒng)在長(zhǎng)期封育下向灌叢狀態(tài)演替的客觀條件,而且早在1983年和1990年云霧山植被調(diào)查也有發(fā)現(xiàn)草地植物群落的中生灌叢有擴(kuò)張的趨勢(shì)[38-39]。因此,長(zhǎng)期封育草地灌叢化極有可能是一種正向植被演替。若要維持草本植物為主的草地群落狀態(tài),就需要改變封育恢復(fù)措施,引入放牧等適應(yīng)性管理。

4 結(jié)論

黃土高原云霧山長(zhǎng)期封育草地中發(fā)生了灌叢化,白蓮蒿灌叢和短腳錦雞兒灌叢覆蓋度分別為20.3%～61.7%和7.4%～35.8%,灌叢生物量約為草本植物生物量的3.5倍。白蓮蒿灌叢和短腳錦雞兒灌叢斑塊呈右偏尾分布,灌叢斑塊面積分布符合冪律,表明草地正處于生態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)變的敏感期。灌叢斑塊中,8%的白蓮蒿灌叢斑塊和12.6%的短腳錦雞兒灌叢斑塊將會(huì)破碎;92%的白蓮蒿灌叢斑塊和87.4%的短腳錦雞兒灌叢斑塊面積將會(huì)增大,黃土高原長(zhǎng)期封育草地灌叢化會(huì)進(jìn)一步加劇。