不同沙化高寒草地植物群落結構特征及土壤理化特性研究

聶學敏，蘆光新，魯子豫，祁佳麗，馬　燕，張妹婷

(1.青海省生態環境遙感監測中心，青海 西寧　810007； 2.青海大學 農牧學院，青海 西寧　810016)

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不同沙化高寒草地植物群落結構特征及土壤理化特性研究

聶學敏1，蘆光新2，魯子豫1，祁佳麗1，馬燕1，張妹婷1

(1.青海省生態環境遙感監測中心，青海 西寧810007； 2.青海大學 農牧學院，青海 西寧810016)

以青海省治多縣輕度沙化和重度沙化草地為研究對象，對其植被群落特征和土壤理化性狀進行了調查。結果表明：隨著草地沙化程度的加劇，草地植物群落結構(如群落優勢種等)發生了明顯的變化，群落蓋度、生物量均明顯下降(P<0.01)，植被高度反而上升(P<0.01)。而通過保護與綜合治理，重度沙化草地物種數、多樣性指數、均勻性指數卻大于輕度沙化草地。同時，隨著草地沙化程度的加劇，土壤養分在0～15 cm水平上明顯下降(P<0.01)，而在15～30 cm水平上變化不明顯。

沙化草地；植被群落；生態恢復；多樣性

青藏高原高寒草地是世界海拔最高、面積廣大、類型較為獨特的草地生態系統，在全球氣候變化造成的干旱及人類活動的綜合影響下，天然草地群落發生逆向演替。大面積草地退化生態系統的發生和發展，嚴重制約了生態服務功能的正常發揮，并且已成為當地社會、經濟、生態可持續發展的巨大障礙。草地沙化是草地生態系統受損的極端表現，也是草地土壤生態系統退化的主要表現形式之一。草地沙化致高寒草地涵養水源功能大為降低，水土保持作用減弱，畜牧業產值下降，嚴重威脅著區域生態安全和制約社會經濟發展。

退化生態系統恢復是保障區域生態安全的重要途徑之一[1]，其目標是恢復或重建的系統能夠長期持續地自我維持[2]。沙化草地植被恢復是充分利用土壤—植被復合系統的功能改善局部環境，促進生物多樣性的形成。植被恢復過程受氣候、土壤理化性狀和生化活性、植被及物種多樣性現狀、人類活動、人口與社會經濟發展現狀、趨勢以及恢復區域的地理區位特征等因素的綜合影響[3]。草地退化對植被生產力、土壤養分及土壤形成等產生較大的影響[4-6]。試驗選擇青藏高原高寒沙化草地為研究對象，對不同沙化程度的高寒沙化草地植物群落及土壤進行研究，以期為退化高寒沙化草地植被恢復及重建提供理論依據。

1　材料和方法

1.1研究區概況

研究區位于三江源區治多縣，氣候屬高原亞寒帶半干旱區，干燥寒冷，多風少雨，太陽輻射強，年均溫-0.3～-0.6℃，無絕對無霜期，年降水量150～420 mm，80%以上的降水集中在5～9月，干濕期分明，雨熱同期，境內平均海拔4 500 m，地形呈西南高東北低。全縣草地面積為159.957 2×104hm2，其中，高寒草甸草地面積最大，占全縣草地面積的75.59%，高寒沼澤草地次之，占全縣草地面積的8.17%，高寒干草原草地和山地灌木草叢草地面積最小，分別占6.06%和0.55%。獨特的高原地理、地質和氣候環境，形成了異質的水熱條件和景觀格局，生態系統序列的多樣性顯著。自東南向西北依次形成了由高寒草甸向高寒草原、高寒荒漠過渡的以高寒草原為主的高寒生態系統水平帶譜，自坡腳到山頂依次分布著沼澤化草甸、高寒灌叢、高寒草甸、高山流石坡稀疏植被等，構成一個垂直帶。試驗在青海省治多縣加吉博洛鎮進行，地理坐標E 95.8121°，N 34.0193°，樣地海撥為4 252 m，植被類型屬于典型高寒草甸草原，主要優勢種群為小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、針茅(Stipacapillata)。伴生種主要有二裂委陵菜(Potentillabifurca)、早熟禾(Poaannua)、苔草(Carextristachya)、矮火絨草(Leontopodiumnanum)、棘豆(Oxytropisochrocephala)等。

1.2 研究方法

1.2.1植被群落結構調查樣地在三江源生態環境保護與綜合治理工程區，2005年施工，樣地分輕度沙化草地(2005年開始季節性封育，禁牧期為6～10月)和重度沙化草地(石方格治理，2005年開始長期禁牧)，通過樣方法于2010～2012年每年8月中旬植物生長高峰期，選擇植物生長均勻、微地形差異較小的植被群落進行觀測，樣地面積100 m×100 m，其中，隨機設置1 m×1 m 的3個觀測樣方，對樣區草地群落的種類組成、數量特征和物種多樣性等進行調查，分別測定物種蓋度、高度、頻度、地上生物量等。蓋度測定參照文獻[7]方法進行；高度測定用卷尺測量每個物種的自然垂直高度5～10株，取平均值；頻度測定采用樣圓法；地上生物量測定時，沿地表分種剪取植株地上部分稱重。

1.2.2土壤樣品采集及相關指標測定土壤取樣時間為2012年8月，用直徑5 cm的土鉆均勻取20鉆，混合成為一個土壤樣品，共分0～15 cm和15～30 cm兩層，3個重復，土樣樣品由中國科學院西北高原生物研究所化測試中心分析，測定指標包括全氮、全磷、全鉀、速效磷、速效氮、速效鉀和有機質等。

1.2.3數據分析

①豐富度指數

R=S

② 群落多樣性指數的計算采用Shannon-Wiener指數：

③ Simpson指數：

④ 均勻度指數的計算采用(Pielou) 指數:

其中：IV=(Hr+Cr+Fr+Br)/4

Pi=IVi/∑IV

式中：Pi為種i的相對重要值，S為種i群落中的物種總數，IV為物種重要值；

相對高度(Hr) =樣方內某一物種高度/樣方內所有物種高度和；相對蓋度(Cr)=樣方內某一種物種蓋度/樣方內所有物種蓋度總和；相對頻度(Fr) =樣方內某一種物種頻度/樣方內所有物種頻度總和；相對生物量(Br)=樣方內某一物種地上生物量/樣方內所有物種地上總生物量和[4]。

2　結果與分析

2.1植被群落優級勢種及優勢度

輕度沙化草地和重度沙化草地群落的物種組成有明顯的不同。輕度沙化草地以小嵩草和針茅為主，主要伴生種有矮生嵩草、藍花棘豆、二裂委陵菜、雪白委陵菜、蒲公英和伏毛山莓草。而重度沙化草地以青甘韭、藍花棘豆和早熟禾為主，主要伴生種有藏蒿草、細葉亞菊、密花角蒿、獐牙菜和墊狀蚤綴(表1)。

表1　高寒沙化草地群落主要物種重要值

2.2植物群落特種豐富度、多樣性差異

群落物種豐富度指數的變化為重度沙化草地>輕度沙化草地。從多樣性指數的變化分析，重度沙化草地的多樣性指數高于輕度沙化草地(表2)。

表2　高寒沙化草地植物群落豐富度指數、多樣性指數和均勻度指數變化

2.3植物群落結構特征及年際變化

植物與植物之間、植物與環境間的相互關系決定了植物群落的基本結構特征，主要表現為群落一定的種類組成、外貌和結構等。試驗結果表明，通過沙化治理，重度沙化草地植被覆蓋度、群落生物量明顯低于輕度沙化草地覆蓋度(P<0.01)(表3)，而植被高度重度沙化草地2010年群落高度4.48 cm，明顯高于輕度沙化草地(2.14 cm)(P<0.01)。從不同年際間比較分析，無論是輕度沙化封育草地、還是重度沙化石方格治理草地其植被覆蓋度、群落平均高度、地上生物量均明顯增加，顯然生態保護工程對草地生態系統植物群落穩定具有較好的促進作用。

表3　沙化治理草地植物群落特征的年際變化

2.4植物群落土壤理化性狀差異分析

在0～15 cm水平上，除了重度沙化石方格治理草地土壤全磷含量較高外，其余6項指標輕度沙化封育草地土壤養分含量均大于重度沙化石方格治理草地(P<0.01)。在15～30 cm水平上，輕度沙化封育草地土壤全氮含量顯著大于重度沙化石方格治理草地(P<0.05)，而速效氮、全磷含量顯著小于重度沙化石方格治理草地(P<0.05)，其余含量變化不明顯。兩種不同沙化程度草地在地表層0～15 cm上，土壤養分差異較大，且輕度沙化封育草地土壤養分含量明顯好于重度沙化石方格治理草地，而在15～30 cm水平上，兩種草地類型之間變化明顯(表4)。

3　討論

草地退化是草地生態系統在演化過程中其結構特征和能流與物質循環等功能過程的惡化，是生物群落及其賴以生存環境的惡化，它既包括“草”的退化也包括“地”的退化。任何群落都是由一定生物種所組成，每種生物都具有其結構和功能的獨特性。組成生物群落的種類成分是形成群落的結構基礎，群落中的種類組成是一個群落的重要特征。重要值是表示植物種群在群落中優勢地位的重要指標。植物種群的重要值越大，說明其在群落中地位越高，反之則越低。從輕度沙化草地和重度沙化草地植物群落的組成和重要植的變化來看，輕度沙化封育草地主要以小嵩草、針茅、矮嵩草、藍花棘豆等為優勢物種，且小嵩草在群落中在優勢度明顯大于其它物種，該草地型以小嵩草為優勢種群，且小蒿草是多年生莎草科植物，是該地區較常見的優勢種。對于重度沙化草地植物群落而言，群落中以青甘韭、藍花棘豆、早熟禾、藏嵩草等為優勢種，且青甘韭的優勢度為最大，但優勢度沒有輕度沙化草地中的小嵩草優勢度明顯，且青甘韭是一年生雜類草，是該地區草地植物群落中常見的伴生種。顯然，輕度沙化封育草地植物群落結構相對比較穩定，而重度沙化草地以當地常見的伴生物種為優勢種，而適宜的優勢物種生態優勢度相對較低，植物群落處于快速動態演替階段。此外，封育措施是沙化草地治理最有效、最經濟的植被恢復措施之一。對于輕度沙化草地言，當地優勢植物種群依然存在，通過圍欄封育措施可自行恢復，而對于重度退化的草地，只有通過石方格等人工措施防止土壤流失，長期封育才能達到植被恢復的目的。

生物多樣性是指一個區域內所有的植物、動物、微生物以及各個物種生物與環境相互作用而形成的生態系統，是生命系統的基本特征[5]，也是草地生態系統健康診斷的主要依據。草地生態系統的穩定性發展和生產力的維持在很大程度上依賴于草地植物群落的生物多樣性，生物多樣性是草地生態系統維持穩定和生產的基礎[6]。生物有機體對生態系統有決定作用，而各個物種性質各異，它們在個體大小、營養利用等方面的差異都會影響生態系統功能[7-9]，生物有機體對生態系統有決定作用，而各個物種性質各異，它們在個體大小、營養利用等方面的差異都會影響生態系統功生態系統功能更多地受到物種組成( 物種的生物學特征) 等因素的控制。物種組成被認為是生態系統穩定性、生產力、營養動態等功能的重要決定因子。調查結果表明，重度沙化草地物種數、多樣性指數、均勻性指數據均大于輕度沙化草地，實驗結果反映了該研究區域重度沙化草地處于快速恢復階段，生態保護工程使高寒草地植被得以恢復，草地生態系統趨于穩定。

植物與植物之間、植物與環境間的相互關系決定了植物群落的基本結構特征，主要表現為群落一定的種類組成、外貌和結構等。試驗結果表明通過沙化治理，重度沙化草地植被覆蓋度、群落生物量明顯低于輕度沙化草地覆蓋度(P<0.01)，而植被高度重度沙化草地明顯高于輕度沙化草地(P<0.01)，其原因，輕度沙化草地群落仍然以小蒿草、矮蒿草、針茅、二裂委陵菜等物種為主，植被相對高度比較較低，而重度退化草地主要以青甘韭、藍花棘豆、早熟禾、藏蒿草等物種，植被平均高度比較高且稀疏，植被覆蓋度、生物量均較低。從不同年際間比較，無論是輕度沙化封育草地、還是重度沙化石方格治理草地其植被覆蓋度、群落平均高度、地上生物量均明顯增加，顯然生態保護工程對草地生態系統植物群落穩定具有較好的促進作用[10-13]。

土壤是草地生態系統的基礎環境，土壤退化與草地退化關系十分密切。土壤有機質、氮素和磷素等是土壤主要的養分指標，同時有機質還是形成土壤結構的重要因素，直接影響土壤肥力、持水能力、土壤抗侵蝕能力和土壤容重等，是土壤特性的重要指標之一，其變化狀況可以指示土壤退化與否，本研究的結果顯示，隨著草地退化程度的加劇，除全磷含量外，土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀均流失嚴重，這與周華坤[14]、干友民等[15]研究結果基本一致。顯然，在0～15 cm水平上，輕度沙化草地保留了較多的原始土壤，使土壤養份含量優于重度沙化草地，而在0～30 cm水平上輕度沙化草地與重度沙化草地土壤養分差異不明顯，說明該地區草地土壤層較薄，易受人類生產活動影響。

4　結論

(1)試驗結果中隨著草地沙化程度的加劇，草地植物群落結構如群落優勢種等發生了明顯的變化，群落蓋度、生物量均明顯下降(P<0.01)，植被高度反而上升(P<0.01)。

(2)重度沙化草地物種數、多樣性指數、均勻性指數卻大于輕度沙化草地。

(3)隨著草地沙化程度的加劇，除全磷含量外，土壤有機質、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效鉀均流失嚴重。

[1]李國強，馬克明，傅伯杰.區域植被恢復對生態安全的影響預測[J].生態學報，2006，26(12)：4127-4135.

[2]呂一河,傅伯杰,陳利頂.生態建設的理論分析[J].生態學報，2006，26(11)：3891-3898.

[3]楊富裕，張蘊薇，苗彥軍.藏北高寒退化草地植被恢復過程的障礙因子初探[J].水土保持通報,2003,23(4):17-21 .

[4]談嫣蓉， 蒲小鵬，張德罡,等.不同退化程度高寒草地土壤酶活性的研究[J].草原與草坪,2006(3):20-22 .

[5]金晶，曹致中，曹毅.人工恢復沙化草地的土壤微生物和酶活性的研究[J].草原與草坪,2011，31(1)：84-88.

[6]陳淑燕，張德罡.不同退化階段高寒草甸草地土壤鉀素的變化分析[J].草原與草坪,2013,33(3)：74-78.

[7]劉雪明，聶學敏.圍欄封育對高寒草地植被數量特征的影響[J].草業科學,2012，29(1)：112-116.

[8]任繼周.草業科學研究方法[M].北京:中國農業出版社，1998.

[9]馬克平.試論生物多樣性的概念[J].生物多樣性，1993(1):20-22.

[10]段敏杰,高清竹,萬運帆,等.放牧對藏北紫花針茅高寒草原植物群落特征的影響[J].生態學報,2010,30(14):3892-3900.

[11]張全國，張大勇.生物多樣性與生態系統功能:進展與爭論[J] .生物多樣性，2002，10(1):49-60.

[12]張全國，張大勇.生物多樣性與生態系統功能:最新的進展與動向[ J] .生物多樣性，2003,11(5):351-363.

[13]魯如坤.土壤-植物營養學[M].北京:化學工業出版社，1998.

[14]周華坤，趙新全，周立，等.青藏高原高寒草甸的植被退化與土壤退化特征研究[J]..草業學報,2005,14(3):31-40.

[15]干友民，李志丹，澤柏，等.川西北亞高山草地不同退化梯度草地土壤養分變化[J].草業學報,2005,14(4):38-42.

Study on plant community structure and soil physical and chemical characteristics in different desertification Alpine Steppe

NIE Xue-min1，LU Guang-xin2，LU Zi-yu1，QI Jia-li1，MA Yan1，ZHANG Mei-ting1

(1.QinghaiEcosystemRemoteSensingMonitoringCenter,QinghaiXining,810001,China； 2.AgricultureandAnimalhusbandryCollege,QinghaiUniversity,QinghaiXining,810016,China)

Structure characteristics of plant community and soil physical and chemical properties were investigated in mild desertificated and severe desertificated grassland of Zhiduo County.The result showed that the dominant species in vegetation community had significantly changed with the increase of desertification,the cover and aboveground biomass decreased with the increase of desertification(P<0.01),however,the plant height increased.The species number,diversity index and the evenness index in severe desertificated grassland were higher than that of light desertificated grassland.Meanwhile,the soil nutrient at the 0～15 cm significantly decreased with increase of grassland desertification (P<0.01),while it did not obviously changed at 15～30 cm.

desertification grassland;plant community;ecology restoration;diversity

2015-09-04；

2016-05-05

科技促進新農村計劃項目“三江源生態監測與評估關鍵技術研究與示范”(2013-N-534)；國家自然科學基金“青藏高原草地耐低溫纖維素分解真菌多樣性研究”(41261064)資助

聶學敏(1980-)，男，青海民和縣人，高級工程師，主要從事生態監測與評估工作。

E-mail：qhnxm2008@163.com

S 812

A

1009-5500(2016)04-0073-05