封育對典型草原植物群落物種多樣性及土壤有機質(zhì)的影響

趙 菲，謝應忠，馬紅彬，沈 艷

(寧夏大學草業(yè)科學研究所，寧夏 銀川 750021)

草地退化已成為我國生態(tài)環(huán)境惡化的突出問題之一。據(jù)統(tǒng)計，我國天然草地近 1/3 的面積處于不同程度的退化之中[1]，草地生態(tài)恢復與重建成為生態(tài)環(huán)境恢復的主要內(nèi)容[2]。在退化草地的恢復和植被重建過程中，草地圍欄封育以其投資少、見效快的特點，已經(jīng)成為退化草地恢復的重要措施之一，并被世界各國廣泛采用[3]。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，草地群落的物種多樣性關(guān)系著草地生產(chǎn)力的大小，而草地土壤有機質(zhì)含量多少則與草地土壤生產(chǎn)力的大小和健康狀況密切相關(guān)。因此，研究草原恢復過程中植被物種多樣性及土壤有機質(zhì)的變化特征，是度量草地生態(tài)系統(tǒng)恢復程度的重要措施之一。

典型草原是歐亞草原植被的一個類型，是溫帶內(nèi)陸半干旱氣候條件下形成的草地類型，其植物主要為旱生和廣旱生多年生叢生禾草，有時混生旱生灌木或半灌木。我國典型草原主要分布于35°～55° N，約占全國草地總面積的10.5%，是我國溫帶草原中一種有代表性和典型性的類型。寧夏典型草原主要分布在寧夏南部黃土丘陵區(qū)各縣，海拔多在1 400 m以上，地形起伏大。主要由旱生多年生本氏針茅(長芒草)和大針茅為建群種的群落組成，蓋度為30%～70%，是寧夏主要的生態(tài)屏障和牧業(yè)基地。但是，長期以來的自然和人為因素使寧夏干草原生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴重破壞。2003年起寧夏實施天然草地禁牧以來，草地生態(tài)恢復顯著，但是禁牧恢復后草地的效果尚需正確評估，而物種多樣性和土壤有機質(zhì)是評價恢復效果的主要內(nèi)容。因此，本研究通過監(jiān)測禁牧封育恢復中寧夏典型草原植物群落物種多樣性和土壤有機質(zhì)變化，揭示封育對典型草原物種和土壤有機質(zhì)的影響，也為該區(qū)生態(tài)建設和草地科學管理提供依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于寧夏固原市云霧山草原自然保護區(qū)及保護區(qū)周邊地區(qū)，位于黃土高原中部的黃土丘陵干旱區(qū)，地理位置為36°13′～36°19′ N，106°24′～106°28′ E，海拔為1 800～2 148 m，面積650 hm2，是我國西北黃土高原以長芒草為優(yōu)勢種的草原植物保留較好的典型地段。年均氣溫4～6 ℃，≥0 ℃的年積溫2 370～2 880 ℃·d，無霜期112～137 d，月均溫以7月最高，為24 ℃，年均降水量400～450 mm，年蒸發(fā)量1 500～1 700 mm，7-9月降水量占全年降水量的65%～75%。地帶性土壤為山地灰褐上和淡黑壚土，土層分布均勻深厚，地下水位深，補水能力差[4]。草原類型為以本氏針茅和大針茅為建群種的干草原，伴生有百里香、糙隱子草、阿爾泰狗娃花、西山委陵菜、星毛委陵菜、冷蒿、鐵桿蒿等植物。

2 研究方法

2.1試驗設計 采用空間梯度代替時間梯度的方法，在云霧山草原自然保護區(qū)及保護區(qū)周邊地區(qū)選擇放牧草地(未封育)和禁牧封育2、3、5、10、15、20和25年的草地為研究對象。

2.2測定項目與方法

2.2.1草地植物群落特征 以放牧和不同禁牧年限草原植被與土壤有機質(zhì)數(shù)據(jù)為分析材料。于2010年植被生長旺季(8月中下旬)在不同處理樣地調(diào)查統(tǒng)計植被組成，測定各種植物的高度、蓋度、質(zhì)量、密度和頻度。其中，高度測定自然高度，蓋度采用針刺法測定，密度統(tǒng)計樣方內(nèi)各種植物的株數(shù)，頻度采用樣圓法測定。測定的樣方面積為1 m×1 m，3次重復。

2.2.2土壤有機質(zhì)含量的測定 在每一處理樣地內(nèi)以“S”形布點分別取0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm共計5個土層的土樣，將土樣帶回實驗室風干處理后采用重鉻酸鉀氧化還原滴定法測定土壤有機質(zhì)含量[5]。

2.2.3數(shù)據(jù)處理 應用Excel 2003、DPS統(tǒng)計軟件對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、標準化處理、方差分析、相關(guān)分析，采用Excel 2003作圖。

2.3數(shù)據(jù)分析

2.3.1重要值

2.3.2豐富度指數(shù) 物種的豐富度指數(shù)用S[7]表示，即每個樣方中出現(xiàn)的物種數(shù)。

2.3.3均勻性指數(shù) 均勻性指數(shù)用Simpson均勻性指數(shù)Esi[6]表示：

式中，ni是第i個物種的個體數(shù)，S為樣地中出現(xiàn)的物種數(shù)，N為物種的個體總數(shù)。

2.3.4多樣性指數(shù) 多樣性指數(shù)用Menhiniek多樣性指數(shù)Dme[6]表示：

式中，S為樣地中出現(xiàn)的物種數(shù)，N為物種的個體總數(shù)。

3 結(jié)果與分析

3.1封育對物種組成及其重要值的影響 重要值反映物種在群落中所起作用和所占地位的重要程度，重要值最大的物種是群落的優(yōu)勢種。它們在群落結(jié)構(gòu)中的作用非常重要，決定群落內(nèi)較大范圍的生境條件。優(yōu)勢種組成差異在一定程度上反映著群落的結(jié)構(gòu)多樣性特征[7]。不同封育年限典型草原的主要物種及其重要值存在差異(表1)。未封育的典型草原的主要植物有9種，分別為豬毛蒿、長芒草、西山委陵菜、百里香、星毛委陵菜、賴草、糙隱子草、阿爾泰狗娃花、冷蒿；封育2年的典型草原的主要植物有7種，分別為扁穗冰草、長芒草、白穎苔草、阿爾泰狗娃花、大針茅、蒙古冰草、扁蓿豆；封育3年的典型草原的主要植物有7種，分別為扁穗冰草、長芒草、白穎苔草、阿爾泰狗娃花、大針茅、蒙古冰草、扁蓿豆；封育5年的典型草原的主要植物有11種，分別為白羊草、百里香、豬毛蒿、扁穗冰草、阿爾泰狗娃花、長芒草、大針茅、賴草、糙隱子草、銀灰旋花、扁蓿豆；封育10年的典型草原的主要植物有11種，分別為大針茅、白穎苔草、長芒草、白羊草、賴草、百里香、扁蓿豆、星毛委陵菜、風毛菊、阿爾泰狗娃花、二裂委陵菜；封育15年的典型草原的主要植物有7種，分別為長芒草、大針茅、阿爾泰狗娃花、鐵桿蒿、賴草、扁蓿豆、蓬子菜；封育20年的典型草原的主要植物有7種，分別為長芒草、鐵桿蒿、扁穗冰草、二裂委陵菜、豬毛蒿、冷蒿、瞿麥；封育25年的典型草原的主要植物有9種，分別為長芒草、大針茅、風毛菊、蓬子菜、阿爾泰狗娃花、賴草、異葉青蘭、百里香、瞿麥。隨著封育年限的不斷增加，長芒草、大針茅、銀灰旋花、阿爾泰狗娃花、扁蓿豆等飼用價值較高的優(yōu)質(zhì)牧草的重要值總體上在增加，而冷蒿、豬毛蒿、星毛委陵菜、西山委陵菜等草地退化指示植物的重要值呈明顯下降，尤其是棘豆、狼毒、淡味獐芽菜、披針葉黃華等有毒有害草類幾乎沒有了。另外，隨著封育年限的不斷增加，草原植被植物種類有所增加，并有多年生草類代替一年生草類成為草原優(yōu)勢種的趨勢。

表1 不同封育年限典型草原植被主要物種及其重要值

3.2封育對物種多樣性的影響 物種多樣性是反映群落結(jié)構(gòu)、功能特征的有效指標，是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的量度[8]。物種豐富度指數(shù)及多樣性指數(shù)均以封育5年最大，封育10年居中，未封育最小；均勻性指數(shù)以封育10年最大，封育5年居中，封育3年最小。典型草原封育后，隨著封育年限的增加物種豐富度和多樣性呈先增加后降低的趨勢，封育10年后，物種豐富度和多樣性較封育5年小。典型草原的物種豐富度指數(shù)、均勻性指數(shù)及多樣性指數(shù)不同封育年限均存在顯著差異(P<0.05)(圖1)。均勻性指數(shù)的變化總體與多樣性指數(shù)呈相反趨勢，這可能是由于封育年限越長，物種向優(yōu)勢群落演替，導致均勻性指數(shù)變小。

3.3封育對土壤有機質(zhì)的影響 土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成部分，土壤的物理、化學、生物等許多屬性都直接或間接地與有機質(zhì)的存在有關(guān)。同時，土壤有機質(zhì)也是衡量土壤肥力的重要指標之一，土壤肥力是土壤物理、化學、生物等性質(zhì)的綜合反映，而土壤有機質(zhì)對土壤肥力的這3個方面均有影響[9]。不同封育年限土壤有機質(zhì)含量存在顯著差異(P<0.05)，封育15年、25年的典型天然草地土壤有機質(zhì)含量較高，封育5年、20年的典型天然草地土壤有機質(zhì)含量居中，未封育的典型天然草地土壤有機質(zhì)含量最低。不同封育年限土壤不同深度有機質(zhì)的含量存在差異，各處理下土壤有機質(zhì)含量隨土層深度的增加呈下降趨勢，而且隨著封育年限的不斷增加，典型天然草地土壤各層有機質(zhì)含量差距有減少的趨勢(圖2)。

圖1 不同封育年限物種多樣性

圖2 不同封育年限典型草原土壤有機質(zhì)含量

3.4不同封育年限物種多樣性和土壤有機質(zhì)含量的相關(guān)分析 不同封育年限植被多樣性及土壤有機質(zhì)含量相關(guān)分析表明，不同封育年限物種豐富度指數(shù)與多樣性指數(shù)和土壤有機質(zhì)含量有負相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)分別為-0.225 3和-0.363 5)，均勻度指數(shù)與土壤有機質(zhì)含量有正相關(guān)關(guān)系(相關(guān)系數(shù)為0.226 8)，但相關(guān)性均不顯著，這是因為草原植被物種多樣性增大，對土壤有機質(zhì)的利用也就增加，而植被均勻性指數(shù)的變化總體與多樣性呈相反趨勢。

4 結(jié)論

隨著封育年限的增加，典型天然草原植被中雜類草逐漸減少，而禾草類及豆科植物逐漸增多，表明其優(yōu)質(zhì)飼草所占比值有所提高。典型草原封育后，隨著封育年限的增加物種豐富度和多樣性呈先增加后降低的趨勢，封育5年左右物種多樣性指數(shù)最大，均勻性指數(shù)和多樣性指數(shù)變化相反。一般較高的均勻性指數(shù)反映群落內(nèi)物種間競爭較弱，配置趨于均勻，物種多樣性降低。

土壤有機質(zhì)是土壤的重要組成成分之一，在保持土壤質(zhì)量方面起著重要的作用，是影響土壤其他功能的一個關(guān)鍵因子。物種多樣性是所有生命系統(tǒng)的固有特征，是人類賴以生存的基礎，物種多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能作用的研究是生物多樣性研究的核心領(lǐng)域之一[10]。隨著封育年限的不斷增長，不同封育年限物種豐富度指數(shù)與多樣性指數(shù)和土壤有機質(zhì)含量有負相關(guān)關(guān)系，均勻度指數(shù)和土壤有機質(zhì)含量有正相關(guān)關(guān)系。在沒有放牧等外界干擾的情況下，初期植物多樣性增大，對土壤有機質(zhì)利用也增加，但隨著封育時間增長，物種多樣性減小，對土壤有機質(zhì)等養(yǎng)分的利用也相對減少，土壤有機質(zhì)的含量有了表層向下層積累的趨勢，草原土壤養(yǎng)分含量的升高，給其他種類植物遷移提供了良好的物質(zhì)基礎，有利于草原植被物種種類數(shù)的增加。

[1]趙云.不同退化程度高寒草甸草原土壤理化特征的研究[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學，2009.

[2]米文寶，謝應忠.生態(tài)恢復與重建研究綜述[J].水土保持學報，2006，13(2)：49-53.

[3]何玉惠，趙哈林，劉新平，等.封育對沙質(zhì)草甸土壤理化性狀的影響[J].水土保持學報，2008，22(2)：159-161.

[4]紅梅.錫林河流域草地境劃分及其健康評價[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2005.

[5]中國科學院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科學技術(shù)出版社，1984：126-128.

[6]任繼周.草業(yè)科學研究方法[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，1998：15-28.

[7]謝應忠.植物生態(tài)學導論[M].銀川：寧夏人民出版社，2000：130-138.

[8]馬紅彬，謝應忠，魏巧花.寧夏南部黃土丘陵區(qū)不同整地方式對草地植物群落物種多樣性的影響[J].農(nóng)業(yè)科學研究，2006，27(4)：1-4.

[9]張勇，龐學勇，包維楷，等.土壤有機質(zhì)及其研究方法綜述[J].世界科技研究與發(fā)展，2005，27(5)：72-78.

[10]高超.東祁連山不同退化程度高寒草甸草原土壤有機質(zhì)特性及其對草地生產(chǎn)力的影響[D].蘭州：甘肅農(nóng)業(yè)大學，2007：6.