不同類型草地植物多樣性及土壤因子特征研究

丁麗萍冉永軍陳斌田曉萍

(1.張掖市林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 張掖 734000；2.河西學(xué)院，甘肅 張掖 734000)

草原生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，地球陸地表面草地覆蓋面積大約為51%。我國(guó)也有著廣闊的草原分布面積，在全球草原面積中占比12%，為392.8萬(wàn)km2，居于世界首位[1，2]，在國(guó)土面積中占比超過40%，在我國(guó)生態(tài)安全中占據(jù)著重要的地位。近年來，由于氣候變化、過度放牧的問題，以及草原管理水平的不足，我國(guó)已有超過90%的天然草原出現(xiàn)了不同程度的退化[3]，結(jié)構(gòu)和功能都受到了嚴(yán)重影響，嚴(yán)重影響著草地植物資源可持續(xù)利用與發(fā)展。

草地生態(tài)系統(tǒng)中生物多樣性的影響十分顯著，同時(shí)也對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響[4]。針對(duì)不同類型草地生物多樣性特征、土壤化學(xué)特性進(jìn)行研究，有助于研究生物多樣性、生態(tài)系統(tǒng)功能之間的關(guān)系[5]。祁連山位于青藏高原北部，該地區(qū)地理位置重要，不僅影響青藏高原生態(tài)平衡，也有助于維護(hù)綠洲生態(tài)穩(wěn)定，屬于我國(guó)西部地區(qū)重要的生態(tài)安全屏障，對(duì)生物多樣性保護(hù)起著關(guān)鍵作用。近年來，祁連山地區(qū)草地出現(xiàn)了退化問題，已嚴(yán)重威脅到我國(guó)西部生態(tài)安全屏障。本研究以祁連山北麓不同群落類型草地為試驗(yàn)對(duì)象，通過開展不同群落類型草地植物多樣性和土壤化學(xué)特征分析，來對(duì)不同群落類型草地植物群落組成、多樣性、土壤肥力情況進(jìn)行分析，進(jìn)而探究與植物多樣性相關(guān)的土壤因子等，以期為祁連山退化草地的人工恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)[6]。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

項(xiàng)目試驗(yàn)區(qū)位于祁連山北麓張掖市境內(nèi)，地處E97°20′～102°12′，N37°28′～39°57′，境內(nèi)分布天然草原面積254.65萬(wàn)hm2，其中可利用草地面積達(dá)215萬(wàn)hm2，在張掖市土地總面積中占比為51.25%。氣候?qū)俚湫偷拇箨懶愿珊?、半干旱氣候，極端最高和最低氣溫分別為39.8℃和-28.6℃，平均氣溫日差為14.5℃，年均降水量為275mm，其中大多集中在6—9月，季節(jié)分配明顯不均勻，地區(qū)分布不均衡，山區(qū)較多，川區(qū)較少。年平均蒸發(fā)量1400mm以上，無(wú)霜期112～145d。

1.2 樣地設(shè)置

在肅南縣皇城鎮(zhèn)(山地草原)、山丹縣老君鄉(xiāng)(典型草原)、高臺(tái)縣合黎鎮(zhèn)(荒漠草原)等地建立設(shè)置3個(gè)不同群落類型樣地，每個(gè)樣地均布設(shè)3個(gè)25m×25m大樣方，內(nèi)布設(shè)1m×1m的3個(gè)小樣方。利用GPS記錄樣地經(jīng)緯度，詳細(xì)記錄樣地立地生境特征。結(jié)果見表1。

表1 不同群落類型草地生境特點(diǎn)

1.3 植被調(diào)查

為了開展研究，在2022年7—9月進(jìn)行了為期3個(gè)月的野外調(diào)查，調(diào)查中確認(rèn)了植被種類優(yōu)勢(shì)種、數(shù)量、高度、蓋度，密度、分品種蓋度、頻度、生物量等，室內(nèi)計(jì)算物種豐富度、多樣性、均勻度等。

1.4 地上生物量調(diào)查

樣方內(nèi)地上植物齊地面刈割，分可食草和毒草對(duì)其鮮重進(jìn)行稱量，在實(shí)驗(yàn)室烘箱殺青后烘至恒重，稱其干重。

1.5 土壤樣品采集與測(cè)定

挖取土壤剖面，按照土層(0～10cm、10～20cm、20～30cm)共3層取土樣，樣地每層土壤樣品混合均勻后四分法取樣，裝在自封袋中，每個(gè)混合樣品取1kg左右。田間取樣后，對(duì)土壤過2mm篩，并分成2份。其中1份風(fēng)干保存，剩余土壤-20℃冷凍保存。

土壤性質(zhì)的測(cè)定：土壤有機(jī)碳含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法進(jìn)行測(cè)定；全氮采用凱氏定氮法進(jìn)行測(cè)定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定；有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法進(jìn)行測(cè)定；全鉀采用火焰分光光度法進(jìn)行測(cè)定；有效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計(jì)法進(jìn)行測(cè)定；pH值采用電極電位法進(jìn)行測(cè)定。上述指標(biāo)均以g·kg-1為單位。

1.6 植物物種多樣性指數(shù)計(jì)算

在Excel中計(jì)算每個(gè)樣地的物種豐富度、Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)。

1.6.1 物種豐富度指數(shù)S

物種豐富度指數(shù)S計(jì)算公式：

物種豐富度(S)=在樣地里出現(xiàn)的物種數(shù)N

(1)

Margalef指數(shù)計(jì)算公式：

DM=(S-1)/lnN

(2)

式中，S為樣方內(nèi)物種數(shù)；N為總個(gè)體數(shù)。

1.6.2 多樣性指數(shù)

Simpson指數(shù)(D)計(jì)算公式：

(3)

Shannon-Weiner指數(shù)(H’)計(jì)算公式：

(4)

Pielou均勻度指數(shù)(J)計(jì)算公式：

J=H’/lnS

(5)

式中，N為樣地中的物種總數(shù)；πi是種i的個(gè)體數(shù)與樣方個(gè)體總數(shù)的比值。

1.7 數(shù)據(jù)分析

在Excel完成繪圖后，采用SPSS26.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，分析包括方差、t檢驗(yàn)、單因素方差等，來確定不同類型草地差異顯著性。用平均值和標(biāo)準(zhǔn)差表示測(cè)定結(jié)果，用標(biāo)準(zhǔn)差與原始數(shù)據(jù)平均數(shù)的比值計(jì)算變異系數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同群落類型植物多樣性分析

2.1.1 不同群落類型草地植被特征

不同群落類型草地植被特征不同，根據(jù)表2結(jié)果顯示，山地草原西北針茅型總蓋度和密度最大，相對(duì)高度最小，與其他2種類型草原差異顯著，其優(yōu)勢(shì)種以禾草類西北針茅、冰草、無(wú)穗柄薹草為主，數(shù)量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；典型草原珍珠豬毛菜型總蓋度和密度次之，其優(yōu)勢(shì)種以短花針茅、珍珠豬毛菜為主，其相對(duì)高度、地上生物量最大，與其他2種類型草原差異顯著；荒漠草原合頭草型總蓋度、密度和地上生物量最低，且與其他兩種類型草地差異顯著，優(yōu)勢(shì)種禾草類無(wú)，說明其在封育措施下草原退化仍然嚴(yán)重，與其荒漠地區(qū)干旱的立地環(huán)境有關(guān)。

表2 不同群落類型草地植被特征

2.1.2 不同群落類型草地物種組成

隨著草地類型的不同，植物群落物種的構(gòu)成也有所區(qū)別。為了確定不同類型草地植物群落的基礎(chǔ)和性質(zhì)，確定結(jié)構(gòu)變化的重要指示因子。根據(jù)樣方調(diào)查植物50種，這些植物屬于15科、43屬，具體統(tǒng)計(jì)情況見表3。其中荒漠草原植物有15種，隸屬10科15個(gè)屬；山地草原植物有16種，隸屬9科16屬；溫性草原珍珠豬毛菜型共有19種植物，隸屬8個(gè)科18個(gè)屬；所有植物中禾本科植物占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，其次是菊科、藜科和豆科。

表3 不同群落類型草地主要科屬種組成

2.1.3 不同群落類型植物多樣性特征

草地物種多樣性研究的意義在于確定草地群落構(gòu)成情況，并且可以判斷該地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)性，從而分析草地植被生長(zhǎng)健康情況[7]，草地多樣性對(duì)于維持群落穩(wěn)定性、生態(tài)功能方面的作用是不可替代的[8]，了解植物多樣性的特征能更好地認(rèn)識(shí)草地植物群落的特征、變化和發(fā)展。不同草地類型所處自然環(huán)境以及人為干擾不同，植物多樣性也存在一定差異。

由表4可知，3種類型草原Shannon-Wiener多樣性指數(shù)以山地草原(西北針茅型)和典型草原(珍珠豬毛菜型)最大，說明2種草地物種多樣性最高，物種最豐富，為2.1068和2.1041，荒漠草原(合頭草型)最小2.0538，但3類型草原Shannon多樣性指數(shù)差異性不大。Pielou均勻度指數(shù)以溫性荒漠草原(合頭草型)和山地草原(西北針茅型)最大，植被分布均勻，差異不顯著，典型草原(珍珠豬毛菜型)Pielou均勻度指數(shù)最小，差異顯著。

表4 不同群落類型草地植被多樣性分析

3類型草原Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)差異顯著，其中典型草原(珍珠豬毛菜型)>溫性荒漠草原(合頭草型)>山地草原(西北針茅型)，說明典型草原(珍珠豬毛菜型)優(yōu)勢(shì)物種數(shù)量最少，溫性荒漠草原(合頭草型)次之；3類型草原Margalef豐富度指數(shù)差異顯著，其中典型草原(珍珠豬毛菜型)>溫性荒漠草原(合頭草型)>山地草原(西北針茅型)，表明典型草原(珍珠豬毛菜型)物種組成最豐富。

2.2 不同植被類型土壤化學(xué)因子分析

2.2.1 不同類型草地土壤化學(xué)特征

土壤是生態(tài)系統(tǒng)的生物和環(huán)境相互作用的產(chǎn)物，蘊(yùn)含著大量植物生長(zhǎng)必不可少的氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，能夠直接決定植物群落構(gòu)成[9]。對(duì)3種草地類型植物群落土壤化學(xué)特征進(jìn)行調(diào)查，典型草原珍珠豬毛菜型草地主要土壤肥力指標(biāo)均高于其他2個(gè)類型草地，pH值最低；山地草原西北針茅型全氮、速效鉀、有機(jī)碳含量最低。具體指標(biāo)結(jié)果見圖1。

圖1 不同群落類型草地土壤化學(xué)因子指標(biāo)

2.2.2 不同類型草地土壤化學(xué)性質(zhì)變化

表5為草地0～30cm層土壤化學(xué)性質(zhì)分析結(jié)果，從變異系數(shù)來看，全氮和有機(jī)碳數(shù)值最高，其后為堿解氮、有效磷和速效鉀，而全磷和pH變異系數(shù)則為最小。從整體上來看，3種類型草地各化學(xué)因素性質(zhì)變異較大，這與不同草原類型立地環(huán)境差異較大有關(guān)。

表5 不同群落類型草地0～30cm土層深度土壤化學(xué)因素變化

2.2.3 不同類型草地土壤化學(xué)性質(zhì)相關(guān)性分析

不同群落類型0～30cm土層土壤化學(xué)因素方差分析，結(jié)果如表6所示，3種立地類型植物群落土壤因子間密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為土壤全磷與有效磷呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤有機(jī)碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05)；土壤全氮與速效鉀、土壤有機(jī)碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與土壤堿解氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。土壤pH值越低，土壤中磷素的含量越高。因?yàn)樵趐H值越高的土壤中，磷素不容易被釋放出來。土壤有機(jī)碳與全氮、速效鉀呈極顯著正相關(guān)(P<0.01)，與全磷、有效磷呈顯著正相關(guān)(P<0.05)，與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)，說明土壤有機(jī)碳含量越高，土壤全氮、速效鉀、全磷、速效磷含量也相應(yīng)越高，土壤肥力越好，pH值越低。土壤堿解氮與土壤速效鉀、土壤全氮呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表6 不同群落類型草地植物群落和土壤化學(xué)因素方差分析

3 討論

本研究以祁連山典型草原、山地草原、荒漠草原這3種草地為研究目標(biāo)，對(duì)于不同草地類型植物多樣性特征及其對(duì)土壤因子的影響，揭示草地植物多樣性和土壤化學(xué)因子的關(guān)系，為祁連山草地生態(tài)系統(tǒng)可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù)。

3種不同草地類型草原植物群落結(jié)構(gòu)不同，山地草原西北針茅型群落密度和蓋度均高于合頭草型和珍珠豬毛菜型，但各群落間差異不顯著，其優(yōu)勢(shì)種多為禾草類；不同群落的相對(duì)高度和地上生物量存在顯著差異，以典型草原珍珠豬毛菜型最高，荒漠草原合頭草型最低。

3種類型草地shannon多樣性指數(shù)(H')差異性不顯著，溫性荒漠草原(合頭草型)和山地草原(西北針茅型)Pielou均勻度指數(shù)最大，植被分布均勻，差異不顯著，典型草原(珍珠豬毛菜型)Pielou均勻度指數(shù)最小，差異顯著；3種類型草原優(yōu)勢(shì)度差異和Margalef豐富度指數(shù)都有著顯著的差異，典型草原(珍珠豬毛菜型)優(yōu)勢(shì)物種數(shù)量最少，但物種組成最豐富。

3種類型草地0～30cm土層土壤化學(xué)因子變異較大，全氮和有機(jī)碳的變異系數(shù)最大，堿解氮、有效磷和速效鉀的變異系數(shù)較大，全磷較小，pH值的變異系數(shù)最小，為0.54。3種類型草地各化學(xué)因子性質(zhì)變異較大，這與不同草原類型立地環(huán)境差異較大有關(guān)。

3種不同類型草地植物群落土壤肥力因子間呈正相關(guān)，其中土壤全磷、有效磷之間為極顯著正相關(guān)的關(guān)系；土壤全氮、速效鉀、土壤有機(jī)碳之間為極顯著正相關(guān)的關(guān)系；土壤有機(jī)磷礦、全氮、速效鉀之間為極顯著正相關(guān)關(guān)系，也就是說在土壤有機(jī)碳較高時(shí)，土壤全氮、速效鉀、全磷和速效磷均含量較高，土壤肥力也較好；pH值與全磷、有機(jī)碳、有效磷等肥力因子呈極顯著負(fù)相關(guān)，這是因?yàn)樵趐H值越高的土壤中，營(yíng)養(yǎng)元素不容易被釋放出來。

4 結(jié)論

對(duì)祁連山3種類型草地植物多樣性及土壤特性研究發(fā)現(xiàn)：3種類型草地共有植物50種，隸屬于15科、43屬，不同類型草地植物群落結(jié)構(gòu)不同，以山地草原西北針茅型草地群落密度和蓋度最高，典型草原珍珠豬毛菜型相對(duì)高度和地上生物量最高，荒漠草原合頭草型最低；3種類型草地山地草原西北針茅型shannon多樣性指數(shù)(H')大于其他2種類型草地，荒漠草原合頭草型和山地草原西北針茅型Pielou均勻度指數(shù)最大，典型草原珍珠豬毛菜型Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)最高，差異顯著；3種類型草地0～30cm土層土壤化學(xué)因子變異較大，以全氮、有機(jī)碳變異系數(shù)最大，pH值的變異系數(shù)最??；3種不同類型草地植物群落土壤全磷、有效磷之間為極顯著正相關(guān)的關(guān)系；土壤全氮、速效鉀、土壤有機(jī)碳之間為極顯著正相關(guān)的關(guān)系；土壤有機(jī)磷礦、全氮、速效鉀之間為極顯著正相關(guān)關(guān)系；pH值則與一系列肥力因子之間呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，換言之，pH值越高的土壤，營(yíng)養(yǎng)元素不容易被釋放出來。