毛烏素沙地東南緣沙漠化過(guò)程中植被的退化和穩(wěn)定性

楊梅煥, 曹明明, 朱志梅

(1.西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710027)

毛烏素沙地東南緣沙漠化過(guò)程中植被的退化和穩(wěn)定性

楊梅煥1, 曹明明2, 朱志梅2

(1.西安科技大學(xué) 測(cè)繪科學(xué)與技術(shù)學(xué)院, 陜西 西安 710054; 2.西北大學(xué) 城市與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710027)

[目的] 揭示毛烏素沙地東南緣沙漠化過(guò)程中植被退化及其穩(wěn)定性變化機(jī)制，為沙漠化修復(fù)和治理提供科學(xué)依據(jù)。[方法] 綜合應(yīng)用野外調(diào)查、取樣、室內(nèi)試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析相結(jié)合的多種方法，對(duì)研究區(qū)沙漠化過(guò)程中植被特征變化進(jìn)行分析。[結(jié)果] 結(jié)構(gòu)和功能特征中，植被蓋度、密度、物種豐富度、多樣性指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，地上生物量呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)；營(yíng)養(yǎng)特征中，有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律并不明顯，全氮含量在沙漠化進(jìn)程中逐漸降低，C/N不斷升高；且輕度沙漠化階段植被特征發(fā)生突變，是沙漠化逆轉(zhuǎn)的關(guān)鍵階段。對(duì)植被穩(wěn)定性定量測(cè)度結(jié)果認(rèn)為，沙漠化過(guò)程中，植被穩(wěn)定性指數(shù)不斷降低，穩(wěn)定性等級(jí)非沙漠化階段和潛在沙漠化階段為穩(wěn)定和基本穩(wěn)定，輕度沙漠化階段開(kāi)始均處在不穩(wěn)定狀態(tài)。[結(jié)論] 沙漠化過(guò)程伴隨著植被的退化和植被穩(wěn)定性程度的降低，維持土壤—植被系統(tǒng)的良性循環(huán)是植被恢復(fù)的關(guān)鍵，也是沙漠化治理的關(guān)鍵。

毛烏素沙地; 植被退化; 植被穩(wěn)定性; 定量測(cè)度

植被穩(wěn)定性是植被結(jié)構(gòu)和功能的綜合表征指標(biāo)。當(dāng)前對(duì)穩(wěn)定性的研究建立在穩(wěn)定性的3個(gè)基本概念基礎(chǔ)上：①演替穩(wěn)定性；②抵抗力穩(wěn)定性；③恢復(fù)力穩(wěn)定性。要全面認(rèn)識(shí)和了解植被的穩(wěn)定性，就要具體地研究穩(wěn)定性測(cè)度的指標(biāo)體系和方法[1-4]。由于群落和生態(tài)系統(tǒng)的復(fù)雜性，對(duì)其穩(wěn)定性的研究要根據(jù)具體的研究對(duì)象綜合多變量進(jìn)行評(píng)定[5-7]。種群生態(tài)學(xué)家用種群數(shù)量或大小的變動(dòng)來(lái)衡量種群穩(wěn)定性[8]；群落生態(tài)學(xué)家則用多度、物種組成、優(yōu)勢(shì)種、生產(chǎn)力等變量的變異性來(lái)評(píng)估生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[9-10]。穩(wěn)定性是生態(tài)系統(tǒng)的一個(gè)綜合特征，對(duì)穩(wěn)定性的判定和測(cè)度需要考慮系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能特征及其所依賴(lài)的特定環(huán)境條件[2,5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者張繼義等[2]率先從綜合角度構(gòu)建了穩(wěn)定性衡量指標(biāo)體系，對(duì)科爾沁沙地的植被穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并構(gòu)建了恢復(fù)力指數(shù)和抵抗力指數(shù)對(duì)短時(shí)間尺度干旱干擾后不同沙質(zhì)草地群落的恢復(fù)力穩(wěn)定性和抵抗力穩(wěn)定性進(jìn)行了定量測(cè)度。

在沙漠化過(guò)程中，隨著環(huán)境的惡化，一些植物適宜生存的穩(wěn)定生境被破壞，而被一些適應(yīng)惡劣環(huán)境的植物群落取代，形成了沙漠化植被的逆行演替過(guò)程[11]。同時(shí)，植被的結(jié)構(gòu)、功能和營(yíng)養(yǎng)特征都發(fā)生了變化，進(jìn)而影響了植被的穩(wěn)定狀況。本研究在對(duì)沙漠化過(guò)程中植被結(jié)構(gòu)、功能和營(yíng)養(yǎng)特征變化分析的基礎(chǔ)上，以張繼義、趙哈林植被穩(wěn)定定律測(cè)度模型為理論依據(jù)，構(gòu)建植被穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，衡量沙漠化過(guò)程中植被穩(wěn)定性狀態(tài)變化，將有助于進(jìn)一步了解沙漠化的生態(tài)學(xué)過(guò)程，為沙漠化防治提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

選擇毛烏素沙地東南緣陜西榆林地區(qū)沙質(zhì)草原地帶沙漠化程度明顯的區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)，該區(qū)轄榆陽(yáng)區(qū)、橫山區(qū)、神木縣、定邊縣和靖邊縣2區(qū)3縣，位于107°15′—110°54′E， 36°49′—39°27′N(xiāo)，海拔800～1 400 m，相對(duì)高度10～50 m。該區(qū)屬陜北風(fēng)沙灘地區(qū)，屬溫帶寒冷半干旱氣候，年均溫絕大部分地區(qū)小于8 ℃。年降水量250～440 mm，集中于7—9月，占全年降水的60%～75%。區(qū)內(nèi)土壤主要為風(fēng)沙土，丘間低地主要為草甸土，還有淡栗鈣土、栗鈣土、黑焦土等。沙地占區(qū)域總面積的80%左右，其中流沙(流動(dòng)沙丘)、半固定沙丘、固定沙丘在沙地面積中各占1/3左右。沙生植被、草原、草甸、鹽生植被、鹽生草甸等群落類(lèi)型均易見(jiàn)。

2 研究方法

2.1 樣地選擇

采用植被動(dòng)態(tài)學(xué)中群落的空間序列方法(空間代替時(shí)間法)，以一定的沙漠化空間梯度序列代表不同的演替階段，在結(jié)合野外調(diào)查和圖像資料的基礎(chǔ)上將沙漠化過(guò)程分為6個(gè)階段。2009年于植被生長(zhǎng)旺季在榆陽(yáng)區(qū)、神木縣、橫山縣和靖邊縣具有明顯沙漠化的區(qū)域選取6個(gè)樣地，樣地包括非沙漠化、潛在、輕度、中度和重度沙漠化5個(gè)階段，在每個(gè)階段隨機(jī)選取3個(gè)1 m×1 m的樣方，進(jìn)行樣方的調(diào)查和樣品的采集，采樣區(qū)植被狀況見(jiàn)表1。

表1 采樣區(qū)植被類(lèi)型

注：針茅(Stipacapillata)； 糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)； 達(dá)烏里胡枝子(Lespedezadavurica)； 油蒿(Artemisiaordosica)； 牛心樸子(Cynanchumkomarovii)。

2.2 樣方調(diào)查和樣品采集

2.2.1 樣方調(diào)查和植物樣采集 在選取的每個(gè)樣地進(jìn)行植被蓋度的測(cè)算，劃分不同的沙漠化梯度，并記錄各樣方物種密度、豐富度，計(jì)算Simpson多樣性指數(shù)。采樣方內(nèi)新鮮植物葉片供植物有機(jī)質(zhì)、全氮的測(cè)定，取樣方內(nèi)地上全部植物帶回烘干稱(chēng)重測(cè)定地上生物量。

2.2.2 測(cè)定方法

(1) 生物量的測(cè)定。70 ℃烘干48 h后稱(chēng)重[12]；

(2) 有機(jī)質(zhì)的測(cè)定。采用重鉻酸鉀容量法，全C=有機(jī)質(zhì)×0.58[12]；

(3) 全氮的測(cè)定。采用凱氏定氮法[12]。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙漠化過(guò)程中主要植被特征的變化

沙漠化過(guò)程中植被賴(lài)以生存的環(huán)境基質(zhì)遭到破壞，導(dǎo)致植被結(jié)構(gòu)特征和功能特征隨之退化，各指標(biāo)具體變化過(guò)程見(jiàn)表2。

由表2可見(jiàn)，沙漠化過(guò)程中，伴隨著植被的逆向演替，植被蓋度持續(xù)降低，同前一階段相比，各階段蓋度降低幅度分別為33.3%，33.3%，50.0%和75.0%，降幅在Ⅰ→Ⅱ，Ⅱ→Ⅲ階段相當(dāng)，Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ階段降幅大幅增加；植被密度也發(fā)生了明顯的變化，各階段降幅分別為23.4%，25.3%，33.8%，68.0%，同樣在Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ階段降幅增大，且Ⅳ→Ⅴ階段降幅最大；物種豐富度也逐漸降低，降幅分別為6.7%，35.7%，44.4%，60.0%，Ⅱ→Ⅲ階段降幅變大，之后降幅均較高，Ⅴ階段物種僅4種左右；地上生物量是衡量群落生態(tài)系統(tǒng)功能最重要的指標(biāo)，在沙漠化進(jìn)程中，地上生物量并未隨植被密度和物種豐富度的降低而降低，而是呈波動(dòng)性降低趨勢(shì)，在Ⅲ階段最大，這主要與群落生活型組成變化密切相關(guān)，在Ⅰ，Ⅱ階段叢生禾草較多，禾草較為低矮，重量偏低，到Ⅲ階段達(dá)烏里胡枝子、沙蒿等物種占據(jù)優(yōu)勢(shì)，其枝干較多，質(zhì)量較重，導(dǎo)致該階段地上生物量較高，而隨著沙漠化程度的加劇，物種密度迅速降低而使地上生物量進(jìn)一步降低；群落的多樣性是群落的重要特征之一，任何生態(tài)系統(tǒng)和群落都有其物種多樣性的特征，其特征是維持生態(tài)系統(tǒng)功能的物質(zhì)基礎(chǔ)，沙漠化過(guò)程中物種的多樣性指數(shù)不斷降低，各階段降幅分別為7.1%，15.2%，25.4%，46.3%，說(shuō)明隨著沙漠化程度的加劇，群落結(jié)構(gòu)趨于單一化，功能趨于簡(jiǎn)單化。對(duì)植被特征增降幅變化分析發(fā)現(xiàn)，除地上生物量外，其它植被指標(biāo)值均在Ⅲ，Ⅳ或Ⅳ，Ⅴ階段出現(xiàn)了降幅的突變，而眾多土壤指標(biāo)值在Ⅱ，Ⅲ階段出現(xiàn)了增降幅的突變，這表明沙漠化過(guò)程首先導(dǎo)致土壤的退化，土壤質(zhì)量的下降進(jìn)一步導(dǎo)致植被的退化。另一方面也說(shuō)明植被對(duì)土壤具有積極的內(nèi)在適應(yīng)性，其本質(zhì)是處于不斷的進(jìn)展演替過(guò)程中的，進(jìn)而使其退化過(guò)程滯后于土壤的退化過(guò)程。

表2 采樣區(qū)沙漠化過(guò)程中植被特征變化

3.2 沙漠化過(guò)程中植被營(yíng)養(yǎng)特征的變化

在沙漠化進(jìn)程中，隨著土壤基質(zhì)環(huán)境的改變，土壤為植被提供營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的能力也發(fā)生轉(zhuǎn)變，沙生植被在適應(yīng)生境的過(guò)程中，其營(yíng)養(yǎng)特征也有所變化。對(duì)沙漠化過(guò)程中植被營(yíng)養(yǎng)特征變化分析見(jiàn)表3。

由表3可見(jiàn)，沙漠化過(guò)程中，混合植物(優(yōu)勢(shì)種)有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律并不明顯，在整個(gè)沙漠化進(jìn)程中有所波動(dòng)，但變化較小，表明植物在不同的生長(zhǎng)環(huán)境下對(duì)有機(jī)質(zhì)的需求并未發(fā)生重大改變，有機(jī)質(zhì)含量較低的土壤只能支持有限的植物生存。同時(shí)植物對(duì)土壤提供有機(jī)質(zhì)的能力與地上生物量密切相關(guān)。混合植物(優(yōu)勢(shì)種)全氮含量在沙漠化進(jìn)程中逐漸降低，這與土壤中全氮含量不斷降低有關(guān)，其對(duì)植物中氮素的累積影響較大。混合植物(優(yōu)勢(shì)種)有機(jī)質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定以及全氮含量的降低導(dǎo)致植物C/N不斷升高，植物生長(zhǎng)的缺N狀況越來(lái)越嚴(yán)重。

表3 采樣區(qū)沙漠化過(guò)程中植被營(yíng)養(yǎng)特征變化

3.3 沙漠化過(guò)程中植被穩(wěn)定性評(píng)價(jià)指標(biāo)體系

沙漠化過(guò)程是由不同演替程度的群落斑塊構(gòu)成的鑲嵌式景觀格局，對(duì)其植被穩(wěn)定性的測(cè)度是對(duì)整個(gè)沙漠化生態(tài)過(guò)程的研究[2]，將有助于全面了解和認(rèn)識(shí)沙漠化的植被演替規(guī)律，也可為不同沙漠化類(lèi)型區(qū)植被的恢復(fù)提供理論依據(jù)。本文在結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)植被穩(wěn)定性測(cè)定的基礎(chǔ)上[2,10,13]，根據(jù)研究區(qū)實(shí)際情況，對(duì)沙漠化過(guò)程中植被穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)算。

通過(guò)上述研究發(fā)現(xiàn)，植被群落的結(jié)構(gòu)和功能特征隨沙漠化程度加劇呈規(guī)律性的響應(yīng)，可作為評(píng)價(jià)穩(wěn)定性的關(guān)鍵指標(biāo)；同時(shí)，植物群落的演替過(guò)程,是群落的植物部分與土壤環(huán)境部分的協(xié)同演替過(guò)程，土壤是維持植被穩(wěn)定性的基質(zhì)環(huán)境，土壤環(huán)境的變化對(duì)植被穩(wěn)定性形成機(jī)制至關(guān)重要；因此，通過(guò)對(duì)沙漠化過(guò)程中土壤、植被功能和結(jié)構(gòu)特征的研究，選取了植被屬性和土壤屬性2個(gè)方面6個(gè)指標(biāo)作為評(píng)價(jià)植被穩(wěn)定性的具體指標(biāo)，植被屬性指標(biāo)表征了植被結(jié)構(gòu)和功能在沙漠化過(guò)程中的變化，土壤屬性指標(biāo)表征了土壤物理、化學(xué)和生物學(xué)特性隨沙漠化的變化。土壤指標(biāo)值見(jiàn)文獻(xiàn)[14]，本研究中土壤指標(biāo)取值為表層土壤(0—5 cm)各指標(biāo)值。

3.3.1 植被屬性指標(biāo)

(1) 植被蓋度(V1)。植被是沙漠化過(guò)程中最活躍、最敏感的指標(biāo)，而最能體現(xiàn)植被保護(hù)性的是植被蓋度。植被蓋度即可反映植物群落的最大生產(chǎn)力、地上生物量，也可反映植被防風(fēng)固沙、水土保持的能力。植被蓋度越高，不僅對(duì)土壤的發(fā)育和土壤質(zhì)量的改善具有積極的作用，同時(shí)也可防止地表土壤的風(fēng)蝕和水蝕作用，表現(xiàn)出較強(qiáng)的生態(tài)功能。因此，植被蓋度通常會(huì)作為植被穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的首選指標(biāo)。本研究中以非沙漠化階段作為沙漠草地植被演替的頂級(jí)階段，以該階段觀察和測(cè)定植被和土壤指標(biāo)的最大值作為其閾值，據(jù)此，植被蓋度閾值為75%。

(2) 物種豐富度(V2)。物種豐富度是單位面積內(nèi)物種的數(shù)目，是測(cè)定物種多樣性最古老的概念。物種豐富度在代替物種多樣性的研究中假定了各物種對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的等值性，因此受到質(zhì)疑。但這種高度簡(jiǎn)化的指標(biāo)在表征群落變化時(shí)仍具備其優(yōu)勢(shì)。沙漠化過(guò)程中物種豐富度表現(xiàn)出規(guī)律性變化，本研究將其作為衡量植被穩(wěn)定性的指標(biāo)，其閾值為38。

(3) 多樣性指數(shù)(V3)。相關(guān)研究表明，在群落和系統(tǒng)尺度，物種多樣性和群落穩(wěn)定性呈正相關(guān)關(guān)系，即物種多樣性越高，群落或生態(tài)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和功能上越完備，生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性越高。多樣性指數(shù)是改進(jìn)的物種多樣性表征指標(biāo)，物種多樣性的恢復(fù)是植被穩(wěn)定性提高的顯著標(biāo)志。本研究以Simpson指數(shù)作為多樣性指數(shù)表征物種多樣性，其閾值為0.92。

3.3.2 土壤屬性指標(biāo)

(1) 土壤含水量(S1)。壤含水量是植物生存、生長(zhǎng)和繁衍最重要的控制因子，對(duì)植被的演替起著關(guān)鍵性的作用。沙漠化過(guò)程中，植物生長(zhǎng)最主要的限制因子就是土壤水分的虧缺，土壤含水量的高低反映了其對(duì)植物提供水分的潛能，因此，其對(duì)植被的恢復(fù)和植被穩(wěn)定性的維持具有重要作用。對(duì)土壤與植被指標(biāo)的相關(guān)性分析顯示，表層土壤特性與植被之間的相關(guān)性更為密切，表明土壤—植被系統(tǒng)的協(xié)同演化過(guò)程關(guān)鍵在于土壤環(huán)境的改善。對(duì)土壤指標(biāo)的閾值選取表層土壤相應(yīng)指標(biāo)最大值，因此，土壤含水量閾值為17.59%。

(2) 土壤有機(jī)質(zhì)含量(S2)。植被演替的某一階段受其前一階段土壤地下過(guò)程的影響，土壤質(zhì)量狀況對(duì)其上生長(zhǎng)的植物斑塊格局具有決定性作用，而土壤有機(jī)質(zhì)的變化是土壤質(zhì)量變化的重要表征指標(biāo)。在植被演替過(guò)程中，土壤有機(jī)質(zhì)含量呈增加趨勢(shì)。因此，土壤有機(jī)質(zhì)含量的高低能夠反映植被的恢復(fù)狀況，并在一定程度上表征植被穩(wěn)定性變化。其閾值為15.63 g/kg。

(3) 土壤脲酶活性(S3)。土壤酶參與土壤中各種生物化學(xué)過(guò)程，如腐殖質(zhì)的分解與合成、動(dòng)植物殘?bào)w和微生物殘?bào)w的分解、有機(jī)化合物的水解與轉(zhuǎn)化、某些無(wú)機(jī)化合物的氧化、還原反應(yīng)。土壤酶活性隨土壤理化性質(zhì)的變化而變化，且與其關(guān)系密切，具有重要的生態(tài)學(xué)意義。脲酶是土壤酶中的一種常見(jiàn)酶，對(duì)改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)土壤—植被系統(tǒng)的良性循環(huán)和維持其穩(wěn)定性具有重要的作用。其閾值為0.43 mg/(g·d)。

3.4 沙漠化過(guò)程中植被穩(wěn)定性指數(shù)測(cè)度

3.4.1 植被穩(wěn)定性指數(shù)的計(jì)算方法 所選取的各指標(biāo)均有其獨(dú)立的代表性，因此認(rèn)為各指標(biāo)的權(quán)重值相當(dāng)；各指標(biāo)值與閾值的比值作為其測(cè)度值，其值在0～1。植被和土壤質(zhì)量指數(shù)的測(cè)定則是其選取指標(biāo)測(cè)度值的算術(shù)平均數(shù)，植被穩(wěn)定性指數(shù)的測(cè)定以植被質(zhì)量指數(shù)和土壤質(zhì)量指數(shù)的平均值測(cè)度，具體計(jì)算公式如下：

(1)

式中：V——植被質(zhì)量指數(shù)；V1——植被蓋度；V2——物種豐富度；V3——多樣性指數(shù)。下同。

(2)

式中：S——土壤質(zhì)量指數(shù)；S1——土壤含水量；S2——土壤有機(jī)質(zhì)含量；S3——土壤脲酶活性。下同。

(3)

式中：St——植被穩(wěn)定性指數(shù)。

可見(jiàn)，植被穩(wěn)定性指數(shù)的取值范圍為0～1，植被穩(wěn)定性指數(shù)越高，其穩(wěn)定性越好，指數(shù)越低，穩(wěn)定性越差。

3.4.2 植被穩(wěn)定性指數(shù)的測(cè)算與評(píng)價(jià) 對(duì)不同沙漠化階段植被穩(wěn)定性指數(shù)測(cè)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 研究區(qū)不同沙漠化階段植被穩(wěn)定性指數(shù)

由表4可見(jiàn)，從非沙漠化階段至重度沙漠化階段，植被質(zhì)量指數(shù)不斷降低，同前一階段相比，各階段降幅分別為13.7%，26.3%，33.1%，53.4%；土壤質(zhì)量指數(shù)也不斷降低，同前一階段相比，各階段降幅分別為19.0%，39.6%，28.8%，39.4%；植被質(zhì)量指數(shù)和土壤質(zhì)量指數(shù)決定的植被穩(wěn)定性指數(shù)不斷下降，同前一階段相比，各階段植被穩(wěn)定性降幅分別為16.3%，32.8%，31.3%和45.3%。該指標(biāo)綜合反映了土壤—植被協(xié)同作用下植被穩(wěn)定性的變化，植被質(zhì)量指數(shù)和土壤穩(wěn)定性指數(shù)均降低，反映了沙漠化過(guò)程中植被結(jié)構(gòu)和功能特征的變化和植被賴(lài)以生長(zhǎng)的土壤環(huán)境的變化，能夠?yàn)檎J(rèn)識(shí)沙漠化過(guò)程中植被穩(wěn)定性狀況提供支持。

為進(jìn)一步明確以穩(wěn)定性指數(shù)表征的植被穩(wěn)定性狀況，構(gòu)建了植被穩(wěn)定性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表5)，將0～1范圍的穩(wěn)定性指數(shù)值劃分為5種穩(wěn)定性類(lèi)型。據(jù)此對(duì)測(cè)定的各階段穩(wěn)定性狀況進(jìn)行評(píng)價(jià)(表5)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，非沙漠化階段植被處于穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性狀況較好，植被狀況和土壤質(zhì)量狀況均較好，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能均較完善；潛在沙漠化階段植被處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，相較之下處于中等水平，比非沙漠化階段土壤—植被系統(tǒng)均有所退化，但整體功能仍能正常發(fā)揮；輕度沙漠化階段植被處于不穩(wěn)定狀態(tài)，穩(wěn)定性較差，從潛在沙漠化階段至輕度沙漠化階段穩(wěn)定性指數(shù)突降，表明該階段土壤—植被系統(tǒng)的退化均較為明顯，是沙漠化過(guò)程中的敏感階段；中度和重度沙漠化階段植被狀況則非常不穩(wěn)定，土壤—植被系統(tǒng)嚴(yán)重退化。

表5 研究區(qū)植被穩(wěn)定性指數(shù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)結(jié)果

通過(guò)以上分析發(fā)現(xiàn)，因?yàn)橹脖坏难萏孢^(guò)程依賴(lài)土壤—植被系統(tǒng)的良性反饋，故綜合了土壤、植被信息確定的植被穩(wěn)定性指數(shù)具有其優(yōu)越性；同時(shí)發(fā)現(xiàn)，依據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的評(píng)價(jià)能反映出不同沙漠化階段的植被穩(wěn)定性狀況，表明該評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的劃分具有其合理性。但是，該方法的普適性問(wèn)題還有待進(jìn)一步的研究。

3.5 沙漠化過(guò)程中植被穩(wěn)定性維持機(jī)制

植被穩(wěn)定性的形成是土壤—植被系統(tǒng)在環(huán)境因子作用下的結(jié)果，同時(shí)受到干擾因素的影響，因此植被穩(wěn)定性的維持機(jī)制除保證土壤—植被系統(tǒng)的良性循環(huán)反饋?zhàn)饔猛猓€應(yīng)維持良好的環(huán)境條件。

3.5.1 確保土壤—植被系統(tǒng)的良性循環(huán) 土壤—植被系統(tǒng)的演化反映了沙漠化的生物學(xué)機(jī)理，同時(shí)也是沙漠化修復(fù)的重要理論基礎(chǔ)，植被穩(wěn)定性的提高也有賴(lài)于二者的協(xié)同演進(jìn)。在生態(tài)系統(tǒng)尺度上，植物種對(duì)有限土壤資源的競(jìng)爭(zhēng)是影響植物群落物種組成、結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因素，土壤性質(zhì)在小尺度的空間異質(zhì)性對(duì)植物的群落類(lèi)型具有決定作用；同時(shí)，土壤環(huán)境的維持依賴(lài)于植被系統(tǒng)的協(xié)同作用。在沙漠化過(guò)程中，通過(guò)植被蓋度的提高減輕或抑制地表風(fēng)蝕，降低水分蒸發(fā)，以利于植物種的生長(zhǎng)發(fā)育，提高物種多樣性和豐富度，同時(shí)，植物種入侵產(chǎn)生的根系和殘?bào)w又會(huì)進(jìn)一步促進(jìn)土壤的發(fā)育和改良?？梢?jiàn)，土壤—植被系統(tǒng)自身的相互作用過(guò)程是一個(gè)循環(huán)進(jìn)化的過(guò)程，沙漠化的整個(gè)過(guò)程反過(guò)來(lái)也可以看做沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程，在每個(gè)階段的土壤、植被特性都是其對(duì)沙漠化的適應(yīng)過(guò)程，且都向著不斷增強(qiáng)群落生態(tài)功能和提高土壤質(zhì)量進(jìn)而提高植被穩(wěn)定性的方向演進(jìn)，從而遏制沙漠化進(jìn)程。因此，沙漠化的每個(gè)階段都可作為沙漠化修復(fù)的起點(diǎn)，創(chuàng)造適宜的環(huán)境并加以適度的干擾將其向上一階段引導(dǎo)，將有助于加快植被穩(wěn)定性的提高，實(shí)現(xiàn)沙漠化的逆轉(zhuǎn)。

3.5.2 創(chuàng)造適宜植物生長(zhǎng)的微環(huán)境 環(huán)境是植物生長(zhǎng)和發(fā)育的基礎(chǔ)，不同尺度上的群落都受環(huán)境的影響，因此，維持良好的環(huán)境條件對(duì)維持植被穩(wěn)定性至關(guān)重要。

環(huán)境的可持續(xù)性依賴(lài)于穩(wěn)定的生態(tài)系統(tǒng)，即一種生態(tài)平衡的狀態(tài)。平衡的生態(tài)系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)完整、功能健全，且結(jié)構(gòu)和功能之間能相互適應(yīng)形成最優(yōu)化的協(xié)調(diào)關(guān)系。在免受外界干擾的自然狀態(tài)下，生態(tài)系統(tǒng)的這種平衡狀態(tài)是一種良性平衡，會(huì)朝著更成熟、更復(fù)雜、更穩(wěn)定的方向發(fā)展，且具有一定的“彈性”和抗干擾能力，在一定的閾值范圍內(nèi)保持平衡狀態(tài)。

盡管環(huán)境自身具有保持穩(wěn)定的能力，但外界自然的和人為的干擾常常會(huì)打破這種平衡狀態(tài)。干擾的形式多種多樣，自然的干擾無(wú)法控制，但人類(lèi)可以通過(guò)人為的干擾改善環(huán)境狀態(tài)，營(yíng)造植物生長(zhǎng)的適宜環(huán)境。如在沙漠化區(qū)通過(guò)模擬植被的斑塊格局，選擇適宜的物種，重視植被的合理布局，使不同植物生長(zhǎng)的微環(huán)境盡可能適宜。

4 結(jié) 論

(1) 對(duì)植被群落結(jié)構(gòu)和功能特征分析發(fā)現(xiàn)，植被蓋度、密度、物種豐富度、多樣性指數(shù)均呈下降趨勢(shì)，地上生物量呈現(xiàn)先升高后降低趨勢(shì)；對(duì)各階段升降幅分析發(fā)現(xiàn)，沙漠化過(guò)程中植被的變化是由漸變至突變的過(guò)程，發(fā)生這一突變的轉(zhuǎn)折點(diǎn)主要在Ⅲ階段，即輕度沙漠化階段，從另外一個(gè)意義上講，該階段也是植被恢復(fù)與沙漠化逆轉(zhuǎn)的關(guān)鍵階段。

(2) 對(duì)植被營(yíng)養(yǎng)特征分析發(fā)現(xiàn)，在沙漠化過(guò)程中，混合植物(優(yōu)勢(shì)種)有機(jī)質(zhì)含量變化規(guī)律并不明顯，全氮含量在沙漠化進(jìn)程中逐漸降低，有機(jī)質(zhì)的相對(duì)穩(wěn)定以及全氮含量的降低導(dǎo)致植物C/N不斷升高，表明植物生長(zhǎng)的缺N現(xiàn)象越來(lái)越嚴(yán)重。

(3) 對(duì)基于土壤和植被屬性的植被穩(wěn)定性狀況分析發(fā)現(xiàn)，沙漠化過(guò)程中，植被穩(wěn)定性指數(shù)不斷降低；根據(jù)其評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)研究發(fā)現(xiàn)，除非沙漠化階段和潛在沙漠化階段為穩(wěn)定和基本穩(wěn)定外，從輕度沙漠化階段開(kāi)始均處在不穩(wěn)定狀態(tài)；為實(shí)現(xiàn)沙漠化的逆轉(zhuǎn)，應(yīng)在尊重自然規(guī)律的基礎(chǔ)上，進(jìn)行適當(dāng)?shù)娜藶楦蓴_，創(chuàng)造適宜植物生長(zhǎng)的微環(huán)境，保證各階段自身穩(wěn)定性的維持，并在此基礎(chǔ)上引導(dǎo)其向上一階段演替，形成沙漠化的良性逆轉(zhuǎn)過(guò)程。

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VegetationDegradationandItsStabilityinDesertificationatSoutheasternEdgeofMuUsSandyLand

YANG Meihuan1, CAO Mingming2, ZHU Zhimei2

(1.CollegeofGeomatics,Xi’anUniversityofScienceandTechnology,Xi’an,Shaanxi710054,China; 2.CollegeofUrbanandEnvironment,NorthwestUniversity,Xi’an,Shaanxi710127,China)

[Objective] To analyze the mechanisms of vegetation degradation and stability maintenance during the process of desertification at the southeastern edge of Mu Us sandy land, and to provide scientific basis for the repairing and controlling of desertification. [Methods] The methods of field investigation, field sampling, indoor assay and statistical analysis were integrated to analyze the change of vegetation characteristics during desertification in the study area. [Results] The results of functional and structural characteristics showed that the vegetation coverage, density, richness and Simpson diversity index reduced; The aboveground biomass increased first and then decreased. The changing regularity of organic matter was not obvious, while the total nitrogen content decreased and C/N increased. Vegetation characteristics changed suddenly in the mild desertification stage which was the key stage for desertification repairing. Furthermore, the quantitative measurement of vegetation stability showed that the stability index decreased in the process of desertification, stable and basically stable in non-desertification stage and potential desertification stage, unstable in other stages. [Conclusion] The vegetation degrades and the stability indexes decrease with desertification deepens. Therefore, maintain the virtuous circle of plant-soil system is the key of vegetation restoration and desertification control.

MuUssandyland;vegetationdegradation;vegetationstability;quantitativemeasurement

A

1000-288X(2017)05-0010-06

P951

文獻(xiàn)參數(shù)： 楊梅煥, 曹明明, 朱志梅.毛烏素沙地東南緣沙漠化過(guò)程中植被的退化和穩(wěn)定性[J].水土保持通報(bào)，2017,37(5)：10-15.

10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.002； Yang Meihuan, Cao Mingming, Zhu Zhimei. Vegetation degradation and its stability in desertification at southeastern edge of Mu Us sandy land[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(5)：10-15.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.05.002

2017-03-16

2017-04-11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“陜北沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程中土壤—植被反饋機(jī)制及植被演替效應(yīng)研究”(41501571); 陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目“陜北沙漠化逆轉(zhuǎn)過(guò)程中土壤—植被反饋機(jī)制研究”(2015JQ4110); 陜西省教育廳專(zhuān)項(xiàng)科學(xué)研究項(xiàng)目“陜北生態(tài)脆弱區(qū)沙漠化驅(qū)動(dòng)力定量化研究”(14JK1479)

楊梅煥(1982—),女(漢族),山東省濟(jì)寧市人,博士,副教授,主要從事沙漠化生態(tài)過(guò)程研究。E-mail:ymh8307024@163.com。