放牧干擾和季節性淹水干擾對荊江大堤護坡草地生態系統的影響

曾明子，費永俊，楊 敏，彭 強，龔亞東，張佳穎 (長江大學園藝園林學院， 湖北 荊州 434025)

放牧干擾和季節性淹水干擾對荊江大堤護坡草地生態系統的影響

曾明子，費永俊，楊 敏，彭 強，龔亞東，張佳穎
(長江大學園藝園林學院， 湖北 荊州 434025)

研究了放牧干擾和季節性淹水干擾對荊江大堤護坡草地生態系統的影響。結果表明，放牧干擾和季節性淹水干擾對草地生物多樣性Shannon-Wiener指數H和Simpson指數D影響顯著，但二者間無顯著差異；放牧干擾和季節性淹水干擾對草地地上生物量影響顯著，對10～20 cm地下生物量影響顯著，同時2種干擾類型間也有顯著差異；放牧干擾和季節性淹水干擾對草地生態系統草產品價值、固定CO2價值、釋放O2價值和營養物質價值影響顯著。

干擾；護坡草地生態系統；荊江大堤；生態價值

草地是我國陸地面積最大的生態系統類，總面積3.9×108hm2，占全國國土面積的41%左右[1]。由于長期的人為干擾，草地退化、沙化和鹽堿化日益較重，草地面積銳減，草地生態系統也受到很大影響。干擾是草地景觀異質性的主要來源，干擾可分為人為干擾(如火燒、放牧、開荒等)和自然干擾(如風暴、病蟲害、水災等)，其中人為干擾的破壞性最大，后果也最嚴重[2]。由于荊江大堤地理位置比較特殊，受到放牧干擾和季節性淹水干擾較為嚴重，導致護坡草地生態系統發生變化。因此，研究干擾對荊江大堤護坡草地生態系統的影響，對保護荊江大堤草地資源具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣地設置及取樣方法

調查工作在荊江大堤坡面進行。測定時間為護坡植物生長旺季(秋季)，選取的干擾類型為放牧干擾、季節性淹水干擾和無干擾(對照)3種，分別各設定3個樣方(每個樣方1 m×1 m)，共計9個樣方。其中放牧強度以單位面積草地在一定時間內放牧家畜的數量來計，荊江大堤淹水時間為9月～10月。

1.2 測定內容與方法

(1)植被測定 在護坡植物生長旺季(秋季)測定地上、地下生物量。地上生物量采用收割法，分別在3種干擾類型區域內各隨機選擇3個1 m×1 m的樣方，用剪刀齊地面剪下裝入紙袋，稱量其鮮重后，在105 ℃恒溫烘箱內烘干至恒重后稱重。地下生物量在取過地上生物量的樣方內再隨機選擇3個50 cm ×50 cm的二級樣方，垂直分0～10、10～20 cm和20～30 cm 3個層次，用鐵鏟和切刀分層取出，篩出草根沖冼干凈，在105 ℃恒溫烘箱內烘干至恒重后稱重。

(2)土壤測定 土壤速效氮磷鉀測定是在取地下生物量的同時，分層收回少量土壤樣品，105 ℃恒溫烘箱內烘干后磨碎，分別用于測其速效N、P、K含量。土壤有機質采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法；土壤速效氮用堿解擴散法法；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-分光光度法法；土壤速效鉀的測定采用醋酸銨浸提-火焰光度法[3]；土壤pH的測定采用電位法。

(3)多樣性指數的測定 用Shannon-Wiener指數和Simpson指數來討論該群落的物種多樣性[4]。

Shannon-Wiener指數H=-∑PiInPi

Simpson指數D=1-∑Pi2

式中，H、D為多樣性指數；Pi=ni/N；ni為第i個種的個體數；N為所有種個體總數。

1.3 草地生態系統服務評價的內容與方法

(1)草產品價值評估 草產品是指畜產品和藥用植物等，主要為牧草資源，采用市場價值法來評估其價值。其公式[5]為：

FP=S·V·P

式中，FP為不同放牧強度草地生態系統牧草價值；S為不同放牧強度草地的分布面積；V為不同放牧強度單位面積牧草的生物量P為草地牧草的價值。

(2)固定CO2的價值評估 光和作用每形成1 g干物質需要1.62 g CO2[6]。本研究采用中國造林成本260.90 ￥/tC和瑞典稅率150 US/tC來評價不同干擾形式對護坡草地生態系統固定CO2的價值[7]。

(3)釋放O2的價值評估 光和作用和呼吸作用每形成1 g干物質釋放1.2 g O2。本研究采用中國造林成本352.93 ￥/tO2和氧氣工業成本0.4 ￥/kgO22種標準平均值來評價不同放牧強度草地生態系統釋放O2的經濟價值[7]。

(4)營養物質的價值評估 基于營養物質循環功能的服務機制，可以認為構成草地凈初級生產力的營養元素量即為參與循環的養分量。評價過程中，根據基礎數據的齊備程度選取N、P進行評價。草地生態系統NPP計算中，以各類草地生態系統干草產量測定數據作為其地上部分凈生產力[8]。根據植物體內所含的氮、磷量可計算出不同干擾方式下護坡草地的N、P參與循環總量，并以我國平均化肥價格為2 549 ￥/t[9]估算其價值。

數據統計分析采用Office Excel和SPSS軟件。

2 結果與分析

2.1 不同干擾下草地物種多樣性分析

從表1可以看出，無干擾下護坡草地植物多樣性指數(H、D)最高，其次為季節性淹水干擾，放牧干擾最低，H、D表現出基本一致的變化趨勢。無干擾土壤肥沃自然條件良好，植物生長旺盛物種數量多，故多樣性值高于受干擾地域；季節性淹水干擾植物生長也很良好，但由于季節性淹水帶來的干擾，因此Shannon-Wiener指數上只有1.16，小于無干擾2.09，但比放牧干擾0.95大。

表1 不同干擾類型下草地物種多樣性指數Table 1 Species diversity index of different disturbance types of grassland

注：不同小寫字母代表Plt;0.05的差異，不同大寫字母代表Plt;0.01水平的差異，表2～5同。

2.2 不同干擾下草地生物量和土壤營養成分分析

(1)不同干擾下護坡草地植物在生長旺季的地上、地下部分生物量分析 由表2可知，無干擾樣方草地地上生物量最大，達到380.13 g/m2，與放牧干擾和季節性淹水干擾樣方差異顯著，放牧干擾和季節性淹水干擾間差異不顯著；由表3可知在0～10 cm土層和20～30 cm土層，不同干擾類型間草地地下生物量差異不顯著，但是在10～20 cm土層，各干擾類型兩兩間差異均顯著，這與不同樣方間標準差值較大有關，其中以無干擾類型草地該土層的生物量最大，季節性淹水干擾類型下該層生物量差異顯著，說明季節性淹水對草地10～20 cm草地地下生物量影響較大，而放牧干擾對草地地下生物量影響較小，但是對草地地上生物量影響較大。

表2 不同干擾類型下草地生物量的影響Table 2 Effect of different disturbance types on grassland biomass g/m2

(2)不同干擾方式對土壤理化性質的影響 由表3可知，不同干擾類型下土壤pH值間差異均不顯著；土壤中速效N含量是無干擾地最高，不同干擾類型兩兩間均存在顯著差異；土壤中速效P含量不同干擾類型間均無顯著差異；土壤中速效K含量與放牧干擾類型差異不顯著，但與無干擾類型差異顯著；不同干擾類型下土壤中有機質含量間差異均不顯著。

表3 不同干擾類型下草地土壤理化性質分析Table 3 Analysis of grassland soil physiochemical properties under different disturbance types

2.3 不同干擾下草地生態服務功能價值影響分析

(1)草產品價值 從表2可知，放牧干擾、季節性淹水干擾、無干擾草地生態系統的凈生長量分別為162.38、152.12、380.13 g/m2，取牧草的市場價值以500元/t，放牧干擾、季節性淹水干擾、無干擾3種干擾下草地生態系統的草產品價值分別為811.92、760.59、1900.67元/hm2。無干擾地草產品價值最高，與其他干擾類型間差異顯著，但是放牧干擾與季節性淹水干擾間差異不顯著。

(2)固定CO2的價值 由表4可知，放牧干擾、季節性淹水干擾、無干擾下草地生態系統單位面積固定CO2的量分別為2.63、2.46、6.15 t/hm2，在本研究中，采用中國造林成本法估算3種干擾方式下草地生態系統固定CO2的價值分別為187.18、175.35、438.18元/(hm2·a)；用碳稅法估算，則3種干擾下草地生態系統固定CO2的價值分別為734.59、688.14、1719.64元/(hm2·a)；取兩種標準算法的平均值，則3種干擾下草地生態系統固定CO2的價值分別為460.88、431.75、1 078.91元/(hm2·a)。方差分析結果表明，無干擾樣方固定CO2價值最大，與其他干擾類型間差異顯著，放牧干擾與季節性淹水干擾間差異不顯著。

表4 不同干擾類型下草地生態系統固定CO2的量及其價值Table 4 Value of grassland ecosystem fixed CO2 under different disturbance types

(3)釋放O2的價值 根據光合作用反映的方程式和不同干擾下草地生態系統干物質產量可以推算出不同干擾下護坡草地生態系統單位面積釋放O2的量，其中放牧干擾下為1.95 t/hm2，季節性淹水干擾下為1.83 t/hm2，無干擾下為4.56 t/hm2。本研究采用中國造林成本法估算3種干擾方式即放牧干擾、季節性淹水干擾、無干擾下草地生態系統釋放O2的價值分別為687.72、644.24、1 609.92元/(hm2·a)，使用工業制氧法估算3種干擾方式下草地生態系統釋放O2的價值分別為779.44、730.16、1 824.64元/(hm2·a)；取二者平均值，則3種干擾方式下草地生態系統釋放O2的價值分別為733.58、687.20、1 717.28元/(hm2·a)(表5)。方差分析結果表明，放牧干擾下草地生態系統釋放O2的價值和季節性淹水干擾差異不顯著，而無干擾與前兩種干擾類型差異顯著，并且季節性淹水干擾對草地生態系統釋放O2量的影響比放牧干擾要大。

表5 不同干擾類型下草地生態系統固定CO2的量及其價值Table 5 Value of grassland ecosystem fixed CO2 under different disturbance types

3 結論與討論

本研究結果表明，放牧干擾和季節性淹水干擾對草地生態系統的多樣性指數影響明顯，無干擾草地的Shannon-Wiener指數H和Simpson指數D均與其他2種干擾類型草地差異顯著，但是這2種干擾類型間差異不顯著。

放牧干擾和季節性淹水干擾對草地生態系統的生物量影響明顯，無干擾草地地上生物量與其他干擾類型草地差異顯著。放牧可降低草地植物根系生長量[10]，但也有研究表明放牧的影響不顯著[11]，甚至放牧還可以增加地下生物量[12]。本研究中，雖然無干擾地0～10 cm和20～30 cm地下生物量與其他干擾類型間差異不顯著，但放牧干擾和季節性淹水干擾對地下10～20 cm生物量影響較大，兩者間差異顯著，并均與無干擾地間差異顯著，且放牧干擾20～30 cm地下生物量值最高。

不同干擾對土壤pH影響不顯著，但是對土壤中所含速效N元素影響大，其中放牧干擾地土壤中所含速效N含量最大，季節性淹水干擾次之，無干擾地最低，結合地上生物量可知，無干擾地土壤中N元素都供應給植物生長所需，而放牧地含速效N含量最高，與荊江大堤上放牧干擾草地承載了牲畜有關，牲畜的糞尿排泄物進入土壤中。這也說明適度放牧有利于有機質及氮元素的積累，控制載蓄量在草地承受范圍內是保護草地的有效手段，這也與適牧對草地土壤系統不但沒有負面的影響，甚至還有積極的影響是相通的[13]。干擾對土壤中速效P元素和有機質影響不顯著；季節性淹水干擾對土壤中速效K元素影響明顯，放牧干擾對速效K元素影響不顯著。

通過對干擾類型4項價值(草產品價值、固定CO2價值，釋放O2價值和營養物質價值)的評價可知，放牧干擾和季節性淹水干擾大大降低了草地生態的服務價值。根據本研究結果，可推出不同類型的草地，在放牧干擾和季節性淹水干擾下，它們的生態服務功能也會出現一定程度的變化。

另外，需指出的是，在本研究中，由于戶外采集樣方集中在護坡草地植物生長旺季(秋季)，未能全面反映植物生長不同階段的情況，計算的結果可能存在偏差；同時，本文對于不同干擾下護坡草地生態系統服務價值的價格僅僅根據生物量進行了訂正，而單位面積草地生態系統的服務功能價值不僅取決于其生物量，還取決于其空間的位置，這需要今后做進一步的研究。

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2010-08-21

國家科技支撐計劃項目(2006BAC18B04-1-1)；長江大學大學生創新實驗計劃(37)

曾明子(1987-)，女，湖北天門人，碩士研究生，研究方向為園林規劃設計與植物配置.

費永俊，E-mail:fyj2010@163.com.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.04.005

Q948.1

A

1673-1409(2010)04-S015-04