黨河流域駱駝刺群落特征與土壤因子的相關性

金曉穎, 安 蓉, 屈建軍, 李 毅

(1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠研究站,

甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學院大學, 北京100049; 3.蘭州理工大學

經濟管理學院, 甘肅 蘭州730050; 4.甘肅省風沙災害防治工程技術研究中心,

甘肅 蘭州730000; 5.中國科學院 沙漠與沙漠化重點實驗室, 甘肅 蘭州730000)

黨河流域駱駝刺群落特征與土壤因子的相關性

金曉穎1,2, 安 蓉3, 屈建軍1,4,5, 李 毅1,4,5

(1.中國科學院 寒區旱區環境與工程研究所 敦煌戈壁荒漠研究站,

甘肅 蘭州 730000; 2.中國科學院大學, 北京100049; 3.蘭州理工大學

經濟管理學院, 甘肅 蘭州730050; 4.甘肅省風沙災害防治工程技術研究中心,

甘肅 蘭州730000; 5.中國科學院 沙漠與沙漠化重點實驗室, 甘肅 蘭州730000)

摘要：[目的] 分析黨河流域駱駝刺群落特征與土壤因子相關性, 為有效管理該流域天然駱駝刺群落及退化駱駝刺群落的恢復提供科學依據。 [方法] 利用“樣方”法，于2012年6—10月調查群落特征及土壤樣品數據，進行回歸分析。 [結果] 在6—10月，生物量表現出顯著的季節變化，Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數季節變化趨勢幾乎一致，Shannon—Wiener多樣性指數變化趨勢相反。在0—50 cm土壤層內，隨土壤深度的增加，土壤電導率、土壤pH值呈現出先增加再減小的變化過程，土壤容重表現出逐漸增大的趨勢，土壤含水量在土壤深度達到30 cm以后增加不明顯。 [結論] 土壤環境因子是影響駱駝刺群落特征、生物多樣性和生物量的主要因素。較高的土壤含水量可以增加駱駝刺群落的生物多樣性，較高的土壤容重抑制駱駝刺群落根系的生長。

關鍵詞：駱駝刺; 生物多樣性; 土壤因子; 黨河流域

植物群落分布與土壤環境因子的相互作用是生態學研究的熱點問題之一，土壤鹽分和水分制約植物群落的形成和演替[1]，土壤環境條件的變化可在不同尺度上顯著影響植物群落的結構和功能[2-4]。在極端干旱區河流區域土壤環境條件變化對沿岸植被群落生態結構和功能影響的研究缺乏。黨河位于中國河西走廊西端，發源于祁連山，流經甘肅省肅北蒙古族自治縣和敦煌兩縣市，是疏勒河的一級支流。黨河養育了敦煌綠洲，是敦煌人民的母親河。隨著流域內社會經濟的快速發展，對水資源需求量的增加，黨河流域生態問題也日趨突出[5]。駱駝刺(Alhagi)是一種多年生豆科植物，因駱駝喜歡食用而得名，是敦煌黨河流域地區分布最廣的地帶性植被類型之一，同時也是該流域地區的典型建群種和優勢種，具有極強的抗干旱，耐鹽堿特性[6]，對黨河流域水土保持，土壤鹽堿化改良，植被恢復以及維持荒漠生態系統的穩定性具有重要意義。駱駝刺植被群落的建成除受到植物本身各種生物學特性影響外，同時深受環境因子的影響，水分條件是影響駱駝刺群落生長發育、發生發展和演化的決定因素[7-8]。土壤理化性質影響影響駱駝刺群落組成及豐富度、多樣性[9-10]。本研究通過野外調查和室內實驗，分析駱駝刺群落的結構、功能及其相對應的環境因子，深入理解駱駝刺群落與環境的關系，以及微環境變化對駱駝刺群落的影響機制，旨在為有效管理黨河流域天然駱駝刺群落及退化駱駝刺群落的恢復提供相關科學依據。

1材料與方法

1.1　研究區概況

研究地點位于敦煌黨河中游流域三道泉，地理坐標為40°17′04.5″N，94°37′43.8″E。研究區域為典型的大陸性干旱氣候，夏季干熱而冬季寒冷，降水稀少，蒸發量較大。年降水量40 mm，年蒸發量2 640 mm。土壤類型為荒漠鹽堿土，土壤生物過程較弱，有機碳含量較低，植被為荒漠植被，主要植被建群種有駱駝刺屬(Alhagisparsifolia)、檉柳屬(Tamarix)、梭梭屬(Haloxylon)、白刺屬(Nitraria)，其中，駱駝刺是最典型的優勢種群。

1.2　樣地設置與取樣方法

在研究區設置3個20 m×20 m的駱駝刺群落樣方，于2012年主要生長季(6—10月)每月月初，記錄樣方內的物種數目及每個物種的個體數、冠幅、多度、高度、蓋度等。室內測定取樣內容為：在每個樣方內設置3個5 m×5 m的樣方，刈割植物地上部分，測定地上生物量。采用土柱法測定細根生物量，在每個5 m×5 m的樣方內設置3個1 m×1 m的采樣點，每隔10 cm挖取土樣，直到鮮有根系為止。將土壤樣品帶回實驗室，置于細篩之上用水沖洗，同時去除其他雜質，僅留直徑小于2 mm的細根。在每個20 m×20 m的樣方內，隨機選取3個樣點進行土壤樣品采集，采樣時去掉地表凋落物，用土鉆依次鉆取0—5 cm，5—10 cm，10—20 cm，20—30 cm，30—40 cm和40—50 cm處的土壤樣品各約400 g，用于分析土壤pH值、電導率等指標。在每個樣點內挖掘土壤剖面，用土壤環刀每隔10 cm分層采集用于測定土壤容重和含水量的樣品。

1.3　室內分析

用于測定土壤容重的樣品在110 ℃烘干至恒重，同時測定土壤含水量。用于測定其他指標的土壤樣品，置于干燥陰涼處風干，挑去其中根系未分解的有機質，過100目土壤篩分別采用pH計和DDSJ-418型電導儀測定土壤pH值和電導率，將駱駝刺地上生物量和細根生物量于75 ℃條件下烘干至恒重，測定干重。

1.4　數據分析

采用以下參數指標計算駱駝刺群落的物種多樣性[4,10]：物種數目S，Shannon—Wiener多樣性指數，Simpson指數，Pielou均勻度指數，數據分析檢驗均在SPSS 16.0軟件中完成。

2結果與分析

2.1　駱駝刺群落特征

由調查結果可知，駱駝刺群落物種數較少，在調查期內，群落的植物種數為3種，即駱駝刺、蘇枸杞2種基本種，旱生蘆葦1種短命植物，群落結構簡單，僅有灌木層，蓋度較小，調查群落蓋度為36%。在主要生長季節駱駝刺群落的冠幅、蓋度、高度隨駱駝刺的生長時間呈遞增趨勢，多度無明顯差異(圖1—2)。

圖1　研究區駱駝刺蓋度、多度、高度月變化

圖2　研究區駱駝刺冠幅月變化

駱駝刺平均地上生物量為114.3 g/m2，平均細根生物量為16.88 g/m2，2種生物量同時表現出顯著的季節變化。駱駝刺群落2種生物量6月份較低，隨后逐漸升高，在9月初達到最高值，隨后下降明顯(圖3)。

圖3　駱駝刺群落地上生物量、細根生物量季節變化

駱駝刺群落的物種數目相對較低，群落的物種數目6月為2種，隨后逐漸升高，7—9月達到3種，10月下降到2種。駱駝刺群落的Simpson優勢度指數和Pielou均勻度指數季節變化趨勢幾乎一致，8月有所增加，之后變化趨勢平緩。Shannon—Wiener多樣性指數變化趨勢相反(圖4)。

圖4　駱駝刺群落特征值的季節變化

2.2　土壤理化性質分析

由分析結果可知，在0.5 m深度內，駱駝刺群落的土壤平均電導率為2.65 mS/cm，且隨土壤深度的增加，呈現出先增加再減小的變化過程。在0.5 m深度內的土壤pH值隨深度的增加表現為先增大后減小的趨勢，pH值變化范圍為8.54～9.70，平均大小為8.59。土壤容重表層(0—5 cm)較小，隨土壤深度增加，表現出逐漸增大的趨勢。表層土壤含水量較低，約為2.3%，超過10 cm后逐漸達到8%左右，30 cm以后增加不明顯(圖5)。

圖5　駱駝刺群落不同土層土壤電導率、

2.3　群落特征與土壤因子的關系分析

分析結果表明(表1)，駱駝刺群落多樣性指數與土壤因子的關系為：Shannon—Wiener指數和Pielou均勻度指數均隨土壤含水量增加而增加，隨土壤電導率和土壤pH值的增大而減小，Simpson指數表現出相反的變化趨勢，Simpson指數與土壤含水量的擬合達到了顯著水平。

2.4　生物量與土壤因子分析

分析結果表明(表2)，駱駝刺群落地上生物量與土壤含水量、土壤容重關系顯著，與土壤pH值、電導率關系不顯著，細根生物量與土壤容重關系顯著，與土壤含水量、土壤pH值、電導率關系不顯著。

表1　群落特征與土壤電導率、pH值、容重、含水量回歸方程

注：*表示在p<0.05水平關系顯著。下同。

表2　生物量與土壤電導率、pH值、容重、含水量回歸方程

3討論與結論

衡量生態系統結構功能的主要指標之一就是物種多樣性[4,11]，它的大小影響著群落的生產力和生態系統穩定性[12]。植物群落組成及其多樣性變化由全球氣候、人類干擾、極端環境和生物間的相互作用決定[13]。本研究中駱駝刺群落的多樣性指標在時間尺度上表現出較大的差異，7—9月份有降雨，故有草本植物出現，導致群落的物種數目、Simpson指數、Pielou均勻度指數增加，Shannon—Wiener指數在8月份降低，隨后呈上升趨勢。研究區域的土壤環境條件對物種生存具有限制作用，駱駝刺群落Shannon—Wiener指數Pielou均勻度指數均隨土壤含水量增加而增加，隨土壤電導率和土壤pH值的增大而減小，這與以往的研究取得了相似的結論[4,14]。由此，可以推斷土壤鹽分含量和土壤pH值限制了黨河流域駱駝刺群落生物多樣性的發展，制約著種群繁衍和群落演替。生物量對研究生態系統的碳循環和營養物質分配具有重要意義[15]，研究區由于受極端環境的影響，駱駝刺群落物種多樣性小，且植被分布稀疏，蓋度較低，生物量較低。研究中駱駝刺群落平均地上生物量值為114.3 g/m2，平均細根生物量值為16.88 g/m2，在9月初達到最高值，這可能與駱駝刺群落分布于極端干旱區有關[16]。在環境因子基本一致的情況下，土壤因子是影響駱駝刺群落地上生物量和細根生物量的主要原因。細根生物量是生物量的重要組成部分，對土壤因子的變化響應靈敏[4]。結果表明，駱駝刺群落地上生物量與土壤含水量、土壤容重關系顯著，細根生物量與土壤容重關系顯著，較大的土壤容重，降低了土壤孔隙度和氧氣含量，導致土壤微生物有機質等含量減少，因而限制了植物根系的伸展，降低了植物對水分和養分的利用效率。

綜上所述，處于極端干旱區黨河流域的駱駝刺群落受土壤環境條件的影響，物種種類少、結構簡單，生物多樣性低，較高的土壤含水量可以增加駱駝刺群落生物多樣性，土壤鹽分含量和土壤pH值是影響駱駝刺群落生物多樣性發展的主要因素，較高的土壤容重抑制了駱駝刺群落根系的生長。

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Correlations Between Characteristics ofAlhagiCommunities and

Soil Factors in Danghe River Basin

JIN Xiaoying1,2, AN Rong3, QU Jianjun1,4,5, LI Yi1,4,5

(1.DunhuangGobiandDesertResearchStation,ColdandAridRegionEnvironmentalandEngineeringResearchInstitute,CAS,Lanzhou,Gansu730000,China; 2.UniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China; 3.SchoolofEconomicsandManagement,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou,Gansu730050,China; 4.GansuCenterforSandHazardReductionEngineeringandTechnology,Lanzhou,Gansu730000,China; 5.KeyLaboratoryofDesertandDesertification,CAS,Lanzhou,Gansu730000,China)

Abstract：[Objective] The correlations between characteristics of Alhagi community and soil factors in Danghe River basin were analyzed in order to provide a scientific basis for the effective management of natural Alhagi community and the restoration of degraded Alhagi community in this basin. [Methods] By means of quadrat method, the data of community characteristics and soil samples were surveyed and collected from June to October in 2012. Regression analysis was carried out. [Results] From June to October, the biomass exhibited significant seasonal variation, and the seasonal variations of Simpson’s dominance index and Pielou’s evenness index were almost accordant, while the Shannon—Wiener diversity index varied differently. In layers of 0—50 cm, with the increase of soil depth, soil electrical conductivity and pH value both increased firstly and then decreased; while soil bulk density increased gradually. In addition, soil water content was observed no increase at 30 cm or deeper layers. [Conclusion] Soil environmental factors showed the major influence upon the characteristics, biodiversity and biomass of Alhagi community. High soil water content could increase the biodiversity of Alhagi community, and high soil bulk density might inhibit the root proliferation of Alhagi.

Keywords:Alhagi; biodiversity; soil factors; Danghe River basin

文獻標識碼：A

文章編號：1000-288X(2015)06-0306-05

中圖分類號：Q948.1

通信作者：李毅(1978—),男(漢族),甘肅省蘭州市人,博士，副研究員,主要從事植物生理生態方面的研究。E-mail:liyi@lzb.ac.cn。

收稿日期：2014-10-09修回日期：2014-11-24

資助項目：國家自然科學基金項目“極端干旱區荒漠植被種群繁殖對策的研究”(31000180); 國家科技支撐計劃項目“敦煌生態修復關鍵技術研究與示范”(2012BAC08B07)

第一作者：金曉穎(1989—),女(漢族),遼寧省朝陽市人,碩士研究生,主要研究方向為風沙防治及綜合治理。E-mail:nihaojinxiaoying@126.com。