短期圍封對伊犁絹蒿荒漠群落特征及植被多樣性的影響

阿依謝姆·約麥爾，董乙強，安沙舟，楊 嬌，阿依敏·波拉提，李 坤，關(guān) 欣，孔曉晶

(新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)草業(yè)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院/新疆草地資源與生態(tài)自治區(qū)重點實驗室，烏魯木齊 830052)

0 引 言

【研究意義】新疆位于亞歐大陸腹地，是我國最大的干旱荒漠區(qū)。荒漠草地占新疆草地總面積的46.9%[1]，其中蒿類荒漠草地面積約1 210×104hm2，廣泛分布于新疆南北疆的荒漠草地中[2]；伊犁絹蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地總面積約114.3×104hm2，占全疆荒漠草地的4.25%[3]。伊犁絹蒿隸屬于菊科絹蒿屬半灌木[4]，是新疆荒漠中飼用價值最好的草地[5]，且在我國僅分布在新疆海拔500～1 400 m的準(zhǔn)噶爾盆地、伊犁谷地等北疆平原和低山地區(qū)[6]。由于伊犁絹蒿產(chǎn)草量高，耐牧性較強，春秋季各類牲畜均喜食[7]，放牧?xí)r，家畜優(yōu)先采食伊犁絹蒿[8]。隨著放牧強度的增加，伊犁絹蒿荒漠群落蓋度、高度、生物量均降低，導(dǎo)致其群落結(jié)構(gòu)和多樣性變化[9]。因此，針對伊犁絹蒿荒漠生態(tài)恢復(fù)與重建已成為草原工作者重要的研究與探索內(nèi)容[8]。20世紀(jì)末開始，圍封逐漸成為各地采取的恢復(fù)及重建退化草地的最有效措施，減少或禁止家畜對草地的踐踏和啃食，實現(xiàn)對草地的保護(hù)和恢復(fù)[9]。【前人研究進(jìn)展】王蕾等[10]研究表明，鹽池縣荒漠草原圍封5 a后，鮮草產(chǎn)量明顯增加，多年生叢生禾草密度大幅增長。陳芙蓉等[11]研究表明黃土高原典型草原圍封后，百里香(Thymusmongolicus)等植被的地上生物量顯著提高。趙景學(xué)等[12]發(fā)現(xiàn)藏北高寒荒漠、高寒草甸草原和高寒草原等3種退化草地短期圍封后，群落蓋度和生物量顯著提高，而植被平均高度差異不顯著。左萬慶等[13]研究表明內(nèi)蒙古錫林郭勒盟白音錫勒牧場圍封后，羊草(Leymuschinensis)、大針茅(Stipagrandis)、冷蒿(Artemisiafrigida)等植被的平均高度、地上生物量明顯增加，凋落物量增高，但隨著圍封時間的延長，群落地上生物量卻逐漸降低。楊合龍等[14]研究結(jié)果表明，烏魯木齊市蒿類荒漠草地群落中圍封1 a后，放牧區(qū)植被的Margalef、Simpson指數(shù)低于圍封區(qū)。李璠等[15]、趙哈林等[16]研究結(jié)果也分別表明青海湖流域高寒草甸和內(nèi)蒙古科爾沁沙地圍封后，放牧區(qū)植被的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)低于圍封區(qū)。【本研究切入點】前人研究主要集中在放牧強度對伊犁絹蒿荒漠群落特征、多樣性的影響，關(guān)于短期圍封對輕度退化伊犁絹蒿荒漠草地群落特征和多樣性的研究相對較少，尤其對于春季植物返青期的群落變化。研究短期圍封對伊犁絹蒿荒漠群落特征及植被多樣性的影響。【擬解決的關(guān)鍵問題】以新疆天山北坡中段低山帶退化伊犁絹蒿荒漠草地為對象，測定短期圍封(3 a)下伊犁絹蒿荒漠草地群落特征高度、蓋度、密度、生物量，計算群落α多樣性指數(shù)，研究放牧和短期圍封對伊犁絹蒿荒漠群落數(shù)量特征和α多樣性的影響，為研究區(qū)草地生態(tài)恢復(fù)重建和草地資源的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材 料

研究區(qū)位于新疆天山北坡中段低山帶呼圖壁縣(86°32′44.56"E，43°58′3.0"N，海拔930 m)，屬于典型大陸性荒漠氣候，年均溫6.7℃，年降水量150～250 mm，冬季寒冷漫長，有積雪。試驗區(qū)地帶性草地類型為蒿類半灌木荒漠，伊犁絹蒿為群落的優(yōu)勢種，伴生種有早熟禾(Poaannua)、鳶尾蒜(Ixioliriontataricum)、葫蘆巴(Trigonellaarcuata)、黃芪(Astragalussp.)、角果毛茛(Ceratocephalusorthoceras)等。土壤類型為深厚的灰棕荒漠土。此草地在生產(chǎn)上用作春秋牧場。地表土壤有一定程度的裸露及踐踏現(xiàn)象，屬于退化草地。

1.2 方 法

1.2.1 試驗設(shè)計

試驗共設(shè)置2個處理，即自由放牧區(qū)(Freely grazing plot，F(xiàn)G)和圍封區(qū)(Ungrazing plot，UG)，圍封時間為2015年，面積約5 000 m2，圍封前以放牧綿羊為主；自由放牧區(qū)放牧強度保持不變，仍為春秋牧場。圍封區(qū)和放牧區(qū)之間的距離低于50 m，植被類型、地形地貌等自然條件基本相似。

1.2.2 測定項目

1.2.2.1 野外取樣

2017年5月下旬在呼圖壁縣的國家級固定監(jiān)測點的伊犁絹蒿荒漠草地圍封區(qū)和自由放牧區(qū)，各設(shè)3條典型樣線，每條樣線中設(shè)10個1 m×1 m的小樣方(合計60個小樣方)，每條樣線和每個小樣方之間的距離相差10 m。記錄各樣方中的物種種類，分種進(jìn)行蓋度、高度、密度及生物量的測定，其中蓋度采用針刺法，高度采用常規(guī)方法測量自然高度，密度為直接計數(shù)法記錄株叢數(shù)，生物量采用齊地刈割法，105℃殺青30 min后85℃烘干24 h稱重。

1.2.2.2 群落α多樣性

根據(jù)調(diào)查的植物群落數(shù)量特征結(jié)果，計算Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)。計算公式[9]如下：

重要值(IV)=(相對高度+相對蓋度+相對密度+相對生物量)/4.

Simpson指數(shù)D=1-∑Pi2.

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)H=-∑PilnPi.

Pielou均勻度指數(shù)J=H/lnS.

Margalef指數(shù)P=(S-1)/lnN.

式中，S為樣地總物種數(shù)；N為每個樣方中的全部物種的總個體數(shù)；Pi為第i個物種重要值，即樣地中第i個物種的相對重要值。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS 19.0中的單因素ANOVA、回歸分析及Microsoft Excel 2010進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析及圖表的制作。

2 結(jié)果與分析

2.1 圍封對主要物種重要值的影響

不管是圍封區(qū)還是放牧區(qū)，伊犁絹蒿占據(jù)絕對優(yōu)勢地位，重要值分別為0.44、0.38；圍封區(qū)比放牧區(qū)增加了15.8%，差異顯著(P<0.05)，鳶尾蒜、黃芪重要值變化趨于一致，比放牧區(qū)都增加了150%，與伊犁絹蒿的重要值有一定的互補關(guān)系；角果毛茛重要值比圍封區(qū)增加了87.5%，差異顯著(P<0.05)；葫蘆巴和早熟禾重要值變化不顯著(P>0.05)。圖1

2.2圍封對伊犁絹蒿荒漠群落數(shù)量特征的影響

圍封3 a后，伊犁絹蒿群落數(shù)量特征呈明顯的變化(P<0.05)，但變化趨勢不一致，圍封區(qū)群落高度、蓋度和生物量比放牧區(qū)分別顯著增加了89.7%，153.9%，130.8%，而群落密度顯著降低了19.8%。這可能與物種間的此消彼長有關(guān)。圖2

圖1 短期圍封下草地主要物種重要值
Fig.1 Effect of short-term enclosure on important values of main species in grassland

注：不同小寫字母表示差異性顯著(P<0.05)，下同

Note: Different lowercase letters indicate significant differences (P<0.05). The same as below

圖2 圍封下伊犁絹蒿荒漠群落數(shù)量特征
Fig.2 Effect of enclosure on the quantitative characteristics of Seriphidium transiliense community

2.3 圍封對伊犁絹蒿荒漠群落多樣性的影響

研究表明，與放牧區(qū)相比，圍封區(qū)的Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)呈下降趨勢，方差分析表明，其比放牧區(qū)顯著降低(P<0.05)，降幅依次為5.63%、10.14%。放牧區(qū)的Shannon-Wiener指數(shù)略高于圍封區(qū)，而Margalef指數(shù)低于圍封區(qū)，但差異不顯著(P>0.05)。圖2

圖3 圍封下伊犁絹蒿荒漠群落多樣性
Fig.3 Effects of enclosure on the diversity of Seriphidium transiliense community

2.4圍封與伊犁絹蒿荒漠群落特征、多樣性之間的相關(guān)性

研究表明，高度與蓋度，蓋度與生物量，Simpson指數(shù)與Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou指數(shù)、Margalef指數(shù)，Shannon-Wiener指數(shù)與Pielou指數(shù)、Margalef指數(shù)之間極顯著正相關(guān)(P<0.01)，而高度與Simpson指數(shù)，蓋度與Simpson指數(shù)、Pielou指數(shù)之間顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)。說明圍封有利于群落高度、蓋度、生物量的增加，但降低群落優(yōu)勢度和均勻度指數(shù)。表1

表1 圍封與群落特征、多樣性之間的相關(guān)系數(shù)矩陣
Table 1 Coefficient of correlation between enclosure and community characteristics and diversity

指標(biāo)Item高度Height蓋度Coverage密度Density生物量BiomassSimpsonindex(D)Shannon-Wienerindex(H)Pielouindex(J)Margalefindex(P)高度Height1蓋度Coverage0761??1密度Density-0049-01141生物量Biomass0260433??-00561D-0336?-0311?026200631H-0278-0186020000570930??1J-0196-0359?014500250579??0460??1P-0022017009500920472??0726??-00621

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05)，**表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

Note:*means significant correlation (P<0.05),**means extremely significant correlation (P<0.01)

3 討 論

3.1 荒漠群落特征對短期圍封的響應(yīng)

李中林等[17]研究表明，紅松洼國家級自然保護(hù)區(qū)草地圍封后，圍封區(qū)的大針茅等植被的地上生物量顯著高于放牧區(qū)；劉長娥等[18]研究也表明山北坡中段伊犁絹蒿草地短期圍封后，伊犁絹蒿荒漠群落生物量、高度、蓋度明顯增加；研究結(jié)果表明，與放牧區(qū)相比，圍封區(qū)的伊犁絹蒿荒漠群落高度、蓋度及地上生物量顯著增加，這與閆玉春等[19]研究結(jié)果不相同，與孫宗玖等[20]和李軍保等[21]的研究結(jié)果基本一致，而該草地放牧區(qū)群落密度高于圍封區(qū)，導(dǎo)致這種結(jié)果的原因可能是，在圍封區(qū)內(nèi)未受任何干擾的情況下，伊犁絹蒿能夠快速生長的同時抑制其他喜光植物的生長，因此，在占據(jù)空間和吸收營養(yǎng)方面占絕對優(yōu)勢，從而伊犁絹蒿荒漠群落的高度、蓋度及生物量高于放牧區(qū)。而在放牧區(qū)，隨著放牧強度的增強，家畜采食以及在降水時期，早熟禾、角果毛茛等下層植物大量生長，占據(jù)伊犁絹蒿的營養(yǎng)資源和生態(tài)位，使群落高度、蓋度及生物量逐漸下降。另外，由于家畜踐踏散落的植物種子在降水的前提下快速萌發(fā)，經(jīng)植物自身有性繁殖擴(kuò)大種群數(shù)量，從而導(dǎo)致放牧區(qū)的群落密度顯著高于圍封區(qū)[7]。

3.2 荒漠植被多樣性對短期圍封的響應(yīng)

李璠等[15]研究表明，青海湖流域高寒草原和溫性草原圍封后，圍封區(qū)的紫花針茅和芨芨草等植被Shannon-Wiener，Simpson與Pielou指數(shù)低于放牧區(qū)，左萬慶等[13]研究也表明內(nèi)蒙古錫林郭勒盟退化羊草原1 a圍封區(qū)Shannon-Wiener指數(shù)低于放牧區(qū)，放牧區(qū)的Pielou指數(shù)高于3 a圍封區(qū)。研究結(jié)果表明，放牧區(qū)的Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù)顯著高于圍封區(qū)(P<0.05)，Shannon-Wiener指數(shù)略高于圍封區(qū)，而Margalef指數(shù)低于圍封區(qū)，但差異不顯著(P>0.05)，這與徐粒[22]，Scott等[23]，Matthew等[24]的研究結(jié)果相反。導(dǎo)致這種結(jié)果的原因是，雖然放牧區(qū)常年受到家畜踐踏及啃食的影響，但是部分耐牧性植物仍能生存在生態(tài)環(huán)境不斷受到干擾的放牧區(qū)，這種植物在放牧區(qū)優(yōu)勢地位不明顯，這就為其他物種提供了生存的空間，對圍封區(qū)而言，圍封時間的增加抑制優(yōu)勢中的競爭能力，但優(yōu)勢中的地位明顯，這抑制了其他物種的發(fā)育，并導(dǎo)致了圍封區(qū)物種多樣性偏低[15]。

4 結(jié) 論

4.1 與放牧區(qū)相比，圍封區(qū)的伊犁絹蒿荒漠群落高度、蓋度及地上生物量顯著增加了89.7%，153.9%，130.8%，而群落密度顯著降低了19.8%。

4.2 圍封后，放牧區(qū)的Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù)顯著高于圍封區(qū)(P<0.05)，Shannon-Wiener指數(shù)略高于圍封區(qū)，而Margalef指數(shù)低于圍封區(qū)，但差異不顯著(P>0.05)。

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