植被退化定量監測與評價研究進展

安 雁 ,上官鐵梁 ,李新平 ,武秀娟

(1.山西大學黃土高原研究所 ,山西 太原 030006;2.山西省林業科學研究院,山西 太原 030012)

近 60 a來,由于人類不合理的活動及不利自然因素的影響,導致一系列環境失調問題,特別是陸地植被的大規模破壞已經極大地威脅到人類自身的生存和發展[1,2]。從20世紀60年代學術界就開始關注植被退化問題,在植被退化程度、退化的驅動力與退化防治對策等方面都進行過較為系統的研究[3,4]。本文重點對植被退化的研究歷程和退化程度的定量監測評價方法加以回顧與總結,旨在為相關領域的深入研究提供理論參考。

1 研究歷程

植被退化的研究始于20世紀60年代,最初關注的是放牧條件下草地植被退化和森林植被皆伐后的灌叢演替,在研究方法上沿用了數量生態學方法。經過30多年的研究基本形成了較成熟的理論體系,植被退化的評價方法也日趨完善。1989年我國特大洪水發生后,植被退化對森林水文造成了全國性災害,其損失是建國后少有的,這就使得植被退化研究成為學術界關注的熱點。其中,森林植被退化的成因和森林植被保護及恢復研究成為植被退化研究領域的主流,研究空間展開到全國不同地域。

21世紀以來,應用 3S技術對大空間尺度的植被退化研究成果頗多[5-9],這些研究成果把人類認識植被退化的視角從局部近距離直接介入性的研究推向區域性整體的定量模擬研究。廣泛定量化分析手段的應用,極大地提高了植被退化理論研究的深度和可預見性。植被退化的研究對象涵蓋了森林、草地和灌叢等多樣性植被類型,研究內容包括植被退化的成因、退化過程和機理、退化植被生態特征等方面。研究理論更加系統,研究方法日臻完善,從而為植被退化的研究提供了全面系統的理論基礎[10-13]。

2 研究方法

植被退化的分異性通常是采用梯度觀測或干擾強度測定而實現的,如:過度放牧區可通過考察放牧強度變化,進而分析放牧區植被退化的空間格局隨放牧強度的梯度變化[14]。借助排序法確定區域植被退化梯度被認為是有效的方法,通過排序能夠反映出植被群落隨主要環境因子的變化情況,進而確定出不同退化程度植被群落的分布格局[15]。據此,可由植被退化的不同梯度定量評價退化程度。

植被退化評價包括單項因子與多項因子的評價。單項因子評價是采用植被層的指示種、標志種、生物量等指標之一對植被退化程度進行監測評價。多項因子評價是采用植被層的多個數量指標或植被—土壤理化性質、植被—土壤微生物、植被—土壤種子庫對植被退化程度進行監測評價。在對植被退化程度采用植被—土壤系統評價時,通常對土壤因子與植被層的部分數量指標建立回歸等統計模型,進而確定植被退化的程度。

2.1 單項因子的植被退化評價

2.1.1 指示種或標志種評價

種類組成變化是植被演替的結果,他能夠反映植被退化的性質和趨勢。在數量生態學方法的基礎上,采用統計學方法篩選出能反映不同退化程度的指示種或標志種,運用這些物種的數量特征可對植被退化梯度的植物群落類型做出定量評價。樊勝岳等[16]通過指示種狼毒的蓋度將植被群落劃分為不同程度的退化等級,并判定天然草原植被群落優勢種逐漸由狼毒替代。 Lakhdar和 Daniel[17]對美國懷俄明州Thunder盆地國家草原進行主成分分析和聚類分析,篩選出能反映不同退化程度的主要植物,通過對主要植物指數判別分析,建立了不同退化系列的動態監測模型,提出最大監測值所對應的退化指數就是該植被當前所處的退化階段的觀點。我國內蒙古錫林郭勒草地退化程度的等級由主成分分析和聚類分析篩選出的主要植物物種來反映,所建立的不同退化程度的動態監測模型表明:最小監測值所對應的退化程度可代表該區域草地當前所處退化階段[18]。

2.1.2 生物量評價

植物群落的生物量生產力是研究森林物質生產和群落養分動態的基礎[19],然而傳統研究只是采用樣方收獲法或回歸模型法測定生物量,從而對不同退化系列的植被群落進行定量評價。魏興虎等[14]通過方差分析對那曲高寒草甸圍欄禁牧區和不同程度放牧區地上現存總生物量及建群種生物量兩兩之間進行比較,進而客觀、定量地評價出該放牧區植被退化的相異程度。近年來運用地統計學理論對生物量空間分布異質性的研究也受到關注。Huenneke[20]對美國新墨西哥州 Chihuanhuan沙漠植被研究后,指出半干旱草地退化到荒漠灌叢,灌叢植被生產力的空間分布異質性增強。安樹青等[21]采用地統計學軟件對鄂爾多斯草地荒漠化過程中的不同植物群落個體生物量建立最優模型后,定量評價出不同退化程度植物群落的空間分布異質性。

2.2 多項因子的植被退化評價

2.2.1 植被層的多個數量指標評價

將單一指標作為植被退化的分類依據往往會出現一定偏差,采用多指標綜合判斷植被退化程度能夠更客觀準確地反映退化現狀[14]。因此,采用多指標綜合評價植被退化的研究相對較多。如:劉東霞等對呼倫貝爾退化草地的高度、蓋度、密度、地上生物量、物種多樣性[22,23]、質量指數[24]及群落結構組成進行定量分析后,評價出該草地不同退化程度的狀況[25]。李裕元等[26]對黃土高原紫花苜蓿草地不同退化階段群落結構組成、種群密度、重要值及總生產力定量分析后,評價出了各階段的退化特征。樊勝岳等[27]在甘肅省祁連山區對退化草地群落優勢種的地上生物量、密度、蓋度、重要值及物種多樣性進行定量分析后,評價出該地區草地所處的不同退化程度。馬世震等[28]在黃河源頭比較了退化區與未退化區的植被蓋度、物種多樣性及群落結構組成,進而定量分析出該地區高寒草原退化的特征。全曉毅等[29]在青海省共和盆地比較了退化區與未退化區的群落結構組成、植被蓋度及物種多樣性,從而定量評價了該地區溫性草原退化的特征。

2.2.2 基于土壤理化性質的評價

20世紀 90年代初,張為政等[30-32]采用回歸分析方法對松嫩平原不同退化程度的牧草的相對蓋度、重要值及相對地上生物量與土壤電導率和堿化度之間的關系進行了研究,并得到合理的結果。近年來,曲國輝等[33]在松嫩平原通過對不同退化階段群落生物量與土壤 pH值、含鹽量、堿化度、土壤腐殖質和全氮含量進行一元回歸分析,得到群落的生物量與土壤 pH值、含鹽量、堿化度呈負相關,與土壤腐殖質和全氮含量呈正相關的結論。文海燕等[34]在內蒙古科爾沁退化沙質草地采用 Spearman's次相關分析和回歸分析法描述各退化階段草本植被與土壤理化性質的關系,并得出退化過程中草本植被各數量特征與土壤有機質、全氮、全磷及有效氮含量呈極顯著正相關水平的結論。也有一些學者未采用任何統計學方法,但也得出較為合理的結論。如:周華坤等與張勁峰等[35,36]分別對青藏高原高寒草甸和云南西北亞高山林地退化植被—土壤系統進行了評價,在劃分好的各個退化程度不同的草地和林地上,分別采用植被數量指標和土壤理化指標對其進行評價,最后得到了較為客觀合理的結論。曹廣民等[37]在中國科學院海北生態定位站研究高寒草甸—土壤系統時,利用土壤—牧草氮素的供需情況來評價處于不同退化階段的草甸類型,表明前 3個退化程度依次加重的草甸類型的需氮總量依次增多,并且都遠遠超出其土壤氮素供給,只有退化程度最嚴重的雜類草草甸的需氮總量才低于其土壤氮素的供給。

由于植被類型是以群落優勢種為指標的,所以,研究植被類型與土壤理化性質關系時,只需對不同退化程度的草地類型或林地類型的土壤理化因子進行定量分析,即可達到監測評價的目的。李貴才等[38-40]在云南哀牢山中山濕性常綠闊葉林地區,采用單因素方差分析和 Duncan多重比較檢驗分析了不同退化程度林地類型土壤無機氮庫的差異,作為有效氮主要形式的銨態氮呈極顯著正相關水平,硝態氮差異也呈極顯著水平,但硝態氮的含量遠低于銨態氮。

2.2.3 基于土壤微生物的評價

土壤微生物在土壤中的數量和分布既反映了土壤各因子對微生物的影響,也反映了微生物對植物生長發育、土壤肥力的影響和作用[41,42]。人天志指出土壤微生物指標被公認為是生態系統變化的預警和敏感指標[43]。國內外對退化植被—土壤微生物系統的研究報道也較多。Stephan A等[44]在2000年開展了植物多樣性與草地土壤微生物關系的研究,在數據分析中采用多元逐步回歸方法對物種多樣性與土壤微生物類群菌數進行相關性分析。尚占環等[45]于 2007年在青藏高原江河源區對不同退化程度的草地的植被數量特征與土壤微生物相關分析得知細菌數量與植被蓋度呈正相關,真菌數量與植被物種數呈顯著正相關,放線菌數量與植被總生物量呈顯著負相關。林超峰等[46]于2007年在青海三江源通過比較不同植被類型生態區土壤微生物數量得知土壤微生物3大類群菌數隨退化程度的加重呈下降趨勢,真菌和放線菌的種類組成趨于簡單化。

2.2.4 基于土壤種子庫的評價

土壤種子庫是一個潛在的植物群落體系,是退化植被恢復發展的重要物質基礎,可以在一定程度上反映植被的未來發展方向,對植被的演替和更新具有重要的意義[48]。鑒于此,通過植被—土壤種子庫來評價植被退化程度具有非常重要的意義。但是,對土壤種子庫的調查相對繁瑣,因為土壤中的種子要采用萌發試驗才能研究其數量特征,進而與地表植被的數量特征進行比較分析。 Touzard B等[47]在法國西部研究過濕地退化對土壤種子庫和地表植被的影響[48]。國內于 21世紀初開展過此類研究,如:徐海量等[49,50]在塔里木河下游選出不同程度的退化區作為研究對象,調查各個退化區樣地內的植物種類、各種個體數、各種蓋度和各種頻度,并計算其生物多樣性。種子庫與地表植被的相似性采用Sorensen相似性系數計算,結果表明:隨著退化程度的加重,地上植被密度和蓋度普遍降低;土壤種子庫密度呈下降趨勢,物種減少,多樣性指數降低,優勢種組成趨于單一;土壤種子庫物種組成與地表植被物種組成的相似性呈遞減趨勢。沈有信等[51]在云南東南部典型巖溶地點調查并計算了不同退化植被類型土壤種子庫的數量、密度、垂直分布,以及各生活型的主要物種及其種子儲量占總儲量的比例,總結出各退化區域種子密度都隨土層的加深而逐漸減少,且隨著退化程度的加重,減少的趨勢也會加重。歐祖蘭等[52]在廣西西南峰叢洼地對不同退化階段植被土壤種子庫的密度、物種類型及豐富度、種子垂直分布格局進行調查,并分析了草叢階段到喬灌林階段地上植被與土壤種子庫的相關性,得知二者間的相關性呈降低趨勢。

3 問題與展望

植被退化研究的方法缺乏綜合與集成,雖然部分研究已逐步注重定量化,但多數研究仍局限在單項技術或方法上,并且方法也千差萬別,如:對不同區域植被層的物種評價結果與生物量評價結果根本無法比較,某一區域中植被與土壤理化性質的關系與另外區域植被與土壤微生物的關系也同樣無法比較。因此對各評價方法的優化集成和綜合化是當務之急。另外,研究方法仍然多以定性分析為主,缺乏更深入的定量研究,也缺乏多學科、多角度、全面研究植被退化的視野[53]。目前由 Ludwig JA等[54]針對牧場和礦區編寫的景觀功能監測與評價方法(Landscape Function Analysis LFA)已經引入我國,他是一種全面系統、快速簡單的監測評價方法,預計未來將會在我國乃至世界的植被退化監測評價中發揮很大的作用。

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