喀斯特峽谷區石漠化演變中群落多樣性的響應

陳亞娟,周忠發,閆利會

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院,貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地,貴陽 550001)

?

喀斯特峽谷區石漠化演變中群落多樣性的響應

陳亞娟1,2,周忠發1,2,閆利會1,2

(1.貴州師范大學 喀斯特研究院,貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態環境國家重點實驗室培育基地,貴陽 550001)

以喀斯特峽谷區石漠化生態系統中植物群落為研究對象，野外定點監測群落的基本特征，實驗室分析石漠化不同演變階段植物群落的多樣性指數；運用空間代替時間方法，探討了石漠化演變過程中植物群落多樣性的響應，旨在為典型喀斯特地區的生態系統恢復重建提供參考。結果表明：(1)示范區內植物群落以人工植被為主；(2)在潛在和輕度石漠化階段，重要值較高的植物群落有皇竹草(Pennisetum sinese Roxb)、藎草[Arthraxon hispidus (Thunb.)Makino]等，在中度和強度石漠化階段，重要值占據絕對優勢的有花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim.)、砂仁(Amomum villosum Lour.)、仙人掌[Opuntia stricta (Haw.)Haw.var.dillenii (Ker-Gawl.)Benson]等植物；(3)伴隨著石漠化的演變，Simpson指數表現為逐漸下降的規律，Shannon-Winner多樣性指數表現出先增大后減小的規律，Pielou均勻度指數呈現出逐漸上升的規律，Margalef豐富度指數呈現出先揚后抑的規律。

喀斯特峽谷區; 石漠化演變; 植物群落; 重要值; 多樣性

石漠化是喀斯特地區嚴峻的生態環境問題，它不斷吞噬土地，極大地影響著人們的生存環境，現與黃土高原的水土流失、西北地區的荒漠化并稱為三大生態災害。花江石漠化綜合治理示范區是喀斯特干熱河谷生態環境的典型代表，是貴州省石漠化最為嚴重的區域之一。據統計，2013年石漠化面積2 786.92 hm2，占示范區總面積的53.98%。

目前，關于喀斯特石漠化地區的生態問題已涌現很多研究成果，喀斯特石漠化的成因研究較為深入，并且提出的相應的治理對策[1-2]；關于石漠化地區的植物群落，王圳等[3]用空間代替時間的方式對花江喀斯特峽谷不同演替階段的群落物種組成和多樣性進行研究，結論是隨著演替的正向進行，群落結構逐漸復雜并在森林群落階段形成較為穩定的結構。而本研究以喀斯特峰叢峽谷區石漠化演變進程中植物群落為研究對象，通過對植物組成、重要值、多樣性等群落學特征的調查統計，分析石漠化演變過程中植物群落多樣性的響應，以期為喀斯特地區的植被恢復提供依據。

1　研究區概況

關嶺—貞豐花江石漠化綜合治理示范區，簡稱“花江示范區”，位于105°36′30″—105°46′30″E，25°39′13″—25°41′00″N。涉及北盤江鎮的查爾巖、銀洞灣和板貴鄉的木工、峽谷、壩山5個行政村以及花江鎮的法郎、干耳盤2個村民組。喀斯特地貌發育典型，地形破碎，基巖裸露率較高[4]，石漠化嚴重，生態脆弱。氣候類型為亞熱帶濕潤季風氣候，年平均氣溫18.4℃，年平均降水1 100 mm，5—10月多暴雨。土壤多為石灰土，結構不良、質地粘重、缺乏團粒。示范區內以石生性、耐旱性和喜鈣性的石灰巖植被為主，自然植被主要屬半濕潤常綠闊葉林。

2　樣地選擇與試驗方法

2.1石漠化演變階段的劃分

采用2013年的OLI遙感數據，1∶20萬區域水文地質圖、貴州省1∶20萬土壤類型分布圖、1∶1萬地形圖等主要基礎數據。依據建立的石漠化分級指標體系，確定石漠化分類等級，將石漠化分為潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化[5]。運用空間代替時間的方法，在ArcGIS和ENVI平臺交互操作獲取2013年花江示范區石漠化演變階段分布圖(圖1)。

圖1　2013年花江示范區石漠化演變階段分布

2.2樣地的選擇及評價

在對研究區詳細踏查的基礎上，選取石漠化演變進程中4個典型階段為研究對象，共設立15個樣地。結合遙感影像圖與手持GPS野外測量結果，統計出各樣地基本情況(表1)。

隨后運用ArcGIS軟件中Geostatistical Analyst工具，對所選樣地的空間位置做自相關性分析[6]。花江示范區的植被樣地在空間上具有較大的相關性，半變異圖中點不是一條水平直線，說明數據存在一定的相關性。距離遠的樣地(X軸右側方向移動和Y軸朝上方移動)，它們的方差較大，而距離近的樣點(X軸右側和Y軸下部)的值具有較大的相似性，結果表明樣地及屬性在空間是有空間相關性的，半變異函數圖點的變化規律是東北—西南方向比西北—東南方向具有更遠的空間距離，且樣點布置在東北—西南方向上不是一條水平線上，所以樣點選取是合理的。

2.3樣地植物群落調查

在每個樣地內，設置10 m×10 m的喬木標準樣方、10 m×10 m的灌木標準樣方和1 m×1 m的草本標準樣方，調查內容包括：(1)調查喬木和灌木的種類、株(叢)數、平均高度、胸(基)徑、蓋度；草本的種類、株(叢)數、平均高度、蓋度；(2)生境因子，如海拔、巖性、土壤類型、植物配置方式、土地利用類型等。

2.4計算方法

在植物群落學研究中優勢種的確定通常以重要值的大小為重要依據[7]，計算采用宋永昌[8]編著的《植被生態學》計算方法，將物種分喬木、灌木和草本分別計算。群落多樣性的測度與尺度有很強的依賴關系，所以計算時采用α多樣性[9]測度方法。

2.4.1重要值計算以重要值(Important Value，IV)作為判定群落各層次優勢種和劃分群落類型的主要指標，其中：

喬木物種IV=(RP+RD+RF)/3

(1)

灌木和草本物種IV=(RD+RF+RC)/3

(2)

式中：RP為相對顯著度；RD為相對密度；RF為相對頻度；RC為相對蓋度。

2.4.2多樣性計算α多樣性的測度選用Simpson指數(D)，Shannon-Winner指數(H)，Pielou均勻度指數(J)和Margalef豐富度指數(R)[10]4類，相應的計算公式如下：

(3)

H=-∑PilnPi

(4)

J=H/lnS

(5)

R=(S-1)/lnN

(6)

式中：Pi=Ni/N，即物種i的相對重要值；Ni為第i個物種的重要值；N為群落中所有物種重要值之和；S為物種i所在樣方的物種總數；N為樣地中的總個體數。

表1　調查樣地的基本信息

3　結果與分析

3.1石漠化不同演變階段植物群落調查結果

花江峽谷是典型的干熱河谷氣候區，其生境條件干燥、暖熱，人為活動破壞嚴重，現存植被群落以人工植被為主。據野外調查結果統計，示范區有喬木50余種，灌木30余種，草本較少。

石漠化不同演變階段具有不同的生境條件，這就決定了不同的植物組合類型。潛在石漠化階段，水土流失不太明顯，但坡度相對較大、土層厚度較薄，生境干燥、缺水、易旱，植物組合類型為皇竹草、藎草等。輕度石漠化階段，坡度在15°以上，土被覆蓋35%以下，植物組合類型為花椒、構樹等。中度石漠化演變階段，土壤遭受嚴重侵蝕，土被覆蓋不足20%，且零星分布，土層的平均厚度較小，人為干擾強烈，植物組合類型為花椒、荊條、砂仁等。強度石漠化階段，土壤侵蝕強烈，甚至無土可流，現存土壤多殘留于巖石裂隙中，土被覆蓋度低，坡度陡，以低矮灌叢為主，植被覆蓋度低于20%，植被組合方式主要為花椒、仙人掌等。

3.2石漠化不同演變階段植物群落優勢種變化規律

重要值是衡量植物在群落中是否處于優勢種的重要指標之一[11-12]。根據公式(1)—(2)計算石漠化不同演變階段植物的重要值(表2)。

表2　石漠化不同演變階段植物群落物種的重要值　%

在潛在和輕度石漠化階段，草本植物占據優勢，主要是皇竹草和藎草，其次是桃樹、栗子樹等喬木相對密度高，因而具有較高的重要值，花椒、砂仁等灌木的重要值相對較低，屬于伴生種，藤本植物火龍果則屬于偶見種；在中度和強度石漠化階段，草本植物不再占據優勢，花椒、砂仁、仙人掌相對頻度高，重要值占據優勢，構樹、欒樹等喬木的重要值有所下降，淪為偶見種。

在樣方調查時發現，以花椒為代表的灌木群落，部分階段是優勢種，而在有些階段是伴生種，這可能與該階段的生境密切相關。隨著石漠化從潛在向強度演變，基巖裸露率不斷變高，土層厚度逐漸變薄，干旱更加嚴重，花椒隨之旺盛，對群落結構和穩定性的影響明顯。

3.3石漠化不同演變階段植物群落多樣性變化規律

植被恢復是減緩喀斯特地區石漠化演變的前提，關鍵是物種多樣性的恢復與發展。采用α多樣性測度方法對花江示范區的植物群落多樣性按潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化分別進行測度，得到石漠化不同演變階段植物群落的多樣性指數(圖2)。

圖2　石漠化不同演變階段植物群落多樣性指數的變化

在石漠化不同演變階段，植物群落的多樣性指數各不相同：Simpson指數在石漠化從潛在演變到強度的過程中呈現出逐漸下降的規律；Shannon-Winner多樣性指數在石漠化從潛在演變到中度的過程中逐漸上升，從中度到強度則逐漸下降；Pielou均勻度指數在石漠化從潛在演變到強度的過程中出現逐漸上升的規律，Margalef豐富度指數在石漠化從潛在演變到中度的過程中上升，從中度到強度則下降。

物種多樣性是生物多樣性的簡單度量，是衡量一定地區生物資源豐富程度的一個客觀指標，可以反映出不同生境條件下植物群落多樣性的變化規律。石漠化不同演變階段植物群落Simpson指數、Shannon-Winner指數、Pielou均勻度指數和Margalef豐富度指數隨著石漠化演變的進行而呈現出獨特的變化趨勢，這與近年來石漠化地區大力開展石漠化綜合治理工作[13]有關。

4　結 論

在喀斯特生態系統恢復重建中，植被恢復是關鍵和核心，是改善生態環境的必要方法。在中度和強度石漠化階段的地區應以保持水土為主要目標，提高植被覆蓋度，增加生物多樣性，選擇容易存活且生態效益高的鄉土植被類型，采取人工播種以促進更新，加快恢復速度。在潛在和輕度石漠化階段的地區以水源涵養為目標，選擇擁有經濟效益的樹種，主要采取人造林更新，結合天然更新，形成穩定喬林群落，達到保持水土和涵養水源的目的，同時要盡可能保留原有植被，形成較為穩定的環境。提高生態系統的多樣性，從而可以提高喀斯特地區生態系統的穩定程度[14]。

石漠化各類型之間的演變具有轉移、多變、“此消彼長”的特點[15]，其演變過程極為復雜，采用空間代替時間的方法研究石漠化的演變過程中植物群落的響應存在一定的局限性，有待繼續研究。另外，植被樣地的選取方法需要進一步的完善。

[1]蘇維詞,楊華,李晴,等.我國西南喀斯特山區土地石漠化成因及防治[J].土壤通報,2006,37(3):447-451.

[2]彭晚霞,王克林,宋同清,等.喀斯特脆弱生態系統復合退化控制與重建模式[J].生態學報,2008,28(2):811-820.

[3]王圳,張金池,王如巖,等.喀斯特峽谷植被演替過程中的物種組成及多樣性[J].林業科技開發,2010,24(6):48-51.

[4]才林,周忠發.喀斯特地區生態系統服務價值評估:以貴州花江示范區為例[J].江蘇農業科學,2015,43(2):314-317.

[5]呂濤,藍安軍.喀斯特石漠化的遙感:GIS典型研究[M].北京:地質出版社,2002.

[6]湯國安.ArcGIS地理信息系統空間分析實驗教程[M].北京:科學出版社,2006.

[7]王新功,廖成章,洪偉,等.不同區域長苞鐵杉群落植物組成及其區系特征的比較[J].江西農業大學學報,2003,25(1):65-68.

[8]宋永昌.植被生態學[M].上海:華東師范大學出版社,2001.

[9]劉玉明,馬克平.生物群落多樣性的測度方法I:α多樣性的測度方法(下)[J].生物多樣性,1994,3(4):231-239.

[10]褚文珂,周瑩瑩,陳子林,等.珍稀植物華頂杜鵑群落分類和物種多樣性研究[J].杭州師范大學學報:自然科學版,2013,12(3):240-244.

[11]楊華斌,韋小麗,黨偉.黔中喀斯特植被不同演替階段群落物種組成及多樣性[J].山地農業生物學報,2009,28(3):203-207.

[12]穆彪,楊立美,張莉.喀斯特植被恢復過程的群落演替特征[J].西南大學學報:自然科學版,2008,30(6):91-95.

[13]陳圣子,周忠發,閆利會.基于網格GIS的喀斯特石漠化治理過程中生態系統健康變化診斷：以貴州花江示范區為例[J].中國巖溶,2015,34(3):266-273.

[14]劉峰,賀金生.生物多樣性的生態系統功能[J].植物學通報,1999,16(6):671-676.

[15]白曉永,王世杰,陳起偉,等.貴州土地石漠化類型時空演變過程及其評價[J].地理學報,2009,64(5):609-618.

Response of Plant Community Diversity to Rocky Desertification Succession in Karst Valley Area

CHEN Yajuan1,2,ZHOU Zhongfa1,2,YAN Lihui1,2

(1.School of Karst Science,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China; 2.State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province,Guiyang 550001,China)

In view of plant community in Karst valley area,the diversity of plant communities at different stages of the rocky desertification was studied by field survey and laboratory analysis.Using the method of space instead of time,the response of plant community diversity in the process of rocky desertification evolution is discussed in order to provide a reference for the restoration and reconstruction of ecosystem in typical Karst area.The results show that: (1)the plant community in the demonstration area is dominated by artificial vegetation; (2)at potential and slight rocky desertification stage,the important values of Pennisetum sinese Roxb and Arthraxon hispidus (Thunb.)Makino are high,at moderate and high stages,the IV of Zanthoxylum bungeanum Maxim.,Amomum villosum Lour.and Opuntia stricta (Haw.)Haw.var.dillenii (Ker-Gawl.)Benson occupy the superiority; (3)along with the evolution of Karst rocky desertification,Simpson index decreased gradually,Shannon-Winner index increased first and then decreased,Pielou index presented a gradually rising trend,Margalef index ascended slightly prior to the intensive decline.

Karst valley area; rocky desertification; plant community; important value; diversity

2015-10-27

2015-11-17

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)課題“人為干預下喀斯特山地石漠化的演變機制與調控”(2012CB723202);貴州省重大應用基礎研究項目“喀斯特石漠化生態修復及生態經濟系統優化調控研究”(黔科合JZ字[2014]200201);國家自然科學基金青年項目“喀斯特峰叢洼地地貌形態耦合模式及機制研究”(41301504);2012年貴州省國際科際合作計劃“不同生態恢復措施干預下喀斯特石漠化演變及調控研究”(黔科合外G字[2012]7022號)

陳亞娟(1991—),女,河南漯河人,碩士研究生,研究方向為GIS與生態環境。E-mail:1498194550@qq.com

周忠發(1969—),男,貴州遵義人,博士生導師,教授,主要從事喀斯特生態環境研究。E-mail:fa6897@163.com

Q145

A

1005-3409(2016)05-0205-05