不同類型草地植物多樣性及土壤因子特征研究

丁麗萍冉永軍陳斌田曉萍

(1.張掖市林業科學研究院，甘肅 張掖 734000；2.河西學院，甘肅 張掖 734000)

草原生態系統是陸地生態系統的重要組成部分，地球陸地表面草地覆蓋面積大約為51%。我國也有著廣闊的草原分布面積，在全球草原面積中占比12%，為392.8萬km2，居于世界首位[1，2]，在國土面積中占比超過40%，在我國生態安全中占據著重要的地位。近年來，由于氣候變化、過度放牧的問題，以及草原管理水平的不足，我國已有超過90%的天然草原出現了不同程度的退化[3]，結構和功能都受到了嚴重影響，嚴重影響著草地植物資源可持續利用與發展。

草地生態系統中生物多樣性的影響十分顯著，同時也對草地生態系統穩定性產生重要影響[4]。針對不同類型草地生物多樣性特征、土壤化學特性進行研究，有助于研究生物多樣性、生態系統功能之間的關系[5]。祁連山位于青藏高原北部，該地區地理位置重要，不僅影響青藏高原生態平衡，也有助于維護綠洲生態穩定，屬于我國西部地區重要的生態安全屏障，對生物多樣性保護起著關鍵作用。近年來，祁連山地區草地出現了退化問題，已嚴重威脅到我國西部生態安全屏障。本研究以祁連山北麓不同群落類型草地為試驗對象，通過開展不同群落類型草地植物多樣性和土壤化學特征分析，來對不同群落類型草地植物群落組成、多樣性、土壤肥力情況進行分析，進而探究與植物多樣性相關的土壤因子等，以期為祁連山退化草地的人工恢復提供科學依據[6]。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

項目試驗區位于祁連山北麓張掖市境內，地處E97°20′～102°12′，N37°28′～39°57′，境內分布天然草原面積254.65萬hm2，其中可利用草地面積達215萬hm2，在張掖市土地總面積中占比為51.25%。氣候屬典型的大陸性干旱、半干旱氣候，極端最高和最低氣溫分別為39.8℃和-28.6℃，平均氣溫日差為14.5℃，年均降水量為275mm，其中大多集中在6—9月，季節分配明顯不均勻，地區分布不均衡，山區較多，川區較少。年平均蒸發量1400mm以上，無霜期112～145d。

1.2 樣地設置

在肅南縣皇城鎮(山地草原)、山丹縣老君鄉(典型草原)、高臺縣合黎鎮(荒漠草原)等地建立設置3個不同群落類型樣地，每個樣地均布設3個25m×25m大樣方，內布設1m×1m的3個小樣方。利用GPS記錄樣地經緯度，詳細記錄樣地立地生境特征。結果見表1。

表1 不同群落類型草地生境特點

1.3 植被調查

為了開展研究，在2022年7—9月進行了為期3個月的野外調查，調查中確認了植被種類優勢種、數量、高度、蓋度，密度、分品種蓋度、頻度、生物量等，室內計算物種豐富度、多樣性、均勻度等。

1.4 地上生物量調查

樣方內地上植物齊地面刈割，分可食草和毒草對其鮮重進行稱量，在實驗室烘箱殺青后烘至恒重，稱其干重。

1.5 土壤樣品采集與測定

挖取土壤剖面，按照土層(0～10cm、10～20cm、20～30cm)共3層取土樣，樣地每層土壤樣品混合均勻后四分法取樣，裝在自封袋中，每個混合樣品取1kg左右。田間取樣后，對土壤過2mm篩，并分成2份。其中1份風干保存，剩余土壤-20℃冷凍保存。

土壤性質的測定：土壤有機碳含量采用重鉻酸鉀氧化外加熱法進行測定；全氮采用凱氏定氮法進行測定；全磷采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法進行測定；有效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法進行測定；全鉀采用火焰分光光度法進行測定；有效鉀采用乙酸銨浸提-原子吸收分光光度計法進行測定；pH值采用電極電位法進行測定。上述指標均以g·kg-1為單位。

1.6 植物物種多樣性指數計算

在Excel中計算每個樣地的物種豐富度、Simpson指數、Shannon-Wiener指數和Pielou均勻度指數。

1.6.1 物種豐富度指數S

物種豐富度指數S計算公式：

物種豐富度(S)=在樣地里出現的物種數N

(1)

Margalef指數計算公式：

DM=(S-1)/lnN

(2)

式中，S為樣方內物種數；N為總個體數。

1.6.2 多樣性指數

Simpson指數(D)計算公式：

(3)

Shannon-Weiner指數(H’)計算公式：

(4)

Pielou均勻度指數(J)計算公式：

J=H’/lnS

(5)

式中，N為樣地中的物種總數；πi是種i的個體數與樣方個體總數的比值。

1.7 數據分析

在Excel完成繪圖后，采用SPSS26.0進行數據分析，分析包括方差、t檢驗、單因素方差等，來確定不同類型草地差異顯著性。用平均值和標準差表示測定結果，用標準差與原始數據平均數的比值計算變異系數。

2 結果與分析

2.1 不同群落類型植物多樣性分析

2.1.1 不同群落類型草地植被特征

不同群落類型草地植被特征不同，根據表2結果顯示，山地草原西北針茅型總蓋度和密度最大，相對高度最小，與其他2種類型草原差異顯著，其優勢種以禾草類西北針茅、冰草、無穗柄薹草為主，數量占絕對優勢；典型草原珍珠豬毛菜型總蓋度和密度次之，其優勢種以短花針茅、珍珠豬毛菜為主，其相對高度、地上生物量最大，與其他2種類型草原差異顯著；荒漠草原合頭草型總蓋度、密度和地上生物量最低，且與其他兩種類型草地差異顯著，優勢種禾草類無，說明其在封育措施下草原退化仍然嚴重，與其荒漠地區干旱的立地環境有關。

表2 不同群落類型草地植被特征

2.1.2 不同群落類型草地物種組成

隨著草地類型的不同，植物群落物種的構成也有所區別。為了確定不同類型草地植物群落的基礎和性質，確定結構變化的重要指示因子。根據樣方調查植物50種，這些植物屬于15科、43屬，具體統計情況見表3。其中荒漠草原植物有15種，隸屬10科15個屬；山地草原植物有16種，隸屬9科16屬；溫性草原珍珠豬毛菜型共有19種植物，隸屬8個科18個屬；所有植物中禾本科植物占絕對優勢，其次是菊科、藜科和豆科。

表3 不同群落類型草地主要科屬種組成

2.1.3 不同群落類型植物多樣性特征

草地物種多樣性研究的意義在于確定草地群落構成情況，并且可以判斷該地區生態系統可持續性，從而分析草地植被生長健康情況[7]，草地多樣性對于維持群落穩定性、生態功能方面的作用是不可替代的[8]，了解植物多樣性的特征能更好地認識草地植物群落的特征、變化和發展。不同草地類型所處自然環境以及人為干擾不同，植物多樣性也存在一定差異。

由表4可知，3種類型草原Shannon-Wiener多樣性指數以山地草原(西北針茅型)和典型草原(珍珠豬毛菜型)最大，說明2種草地物種多樣性最高，物種最豐富，為2.1068和2.1041，荒漠草原(合頭草型)最小2.0538，但3類型草原Shannon多樣性指數差異性不大。Pielou均勻度指數以溫性荒漠草原(合頭草型)和山地草原(西北針茅型)最大，植被分布均勻，差異不顯著，典型草原(珍珠豬毛菜型)Pielou均勻度指數最小，差異顯著。

表4 不同群落類型草地植被多樣性分析

3類型草原Simpson優勢度指數差異顯著，其中典型草原(珍珠豬毛菜型)>溫性荒漠草原(合頭草型)>山地草原(西北針茅型)，說明典型草原(珍珠豬毛菜型)優勢物種數量最少，溫性荒漠草原(合頭草型)次之；3類型草原Margalef豐富度指數差異顯著，其中典型草原(珍珠豬毛菜型)>溫性荒漠草原(合頭草型)>山地草原(西北針茅型)，表明典型草原(珍珠豬毛菜型)物種組成最豐富。

2.2 不同植被類型土壤化學因子分析

2.2.1 不同類型草地土壤化學特征

土壤是生態系統的生物和環境相互作用的產物，蘊含著大量植物生長必不可少的氮、磷、鉀等營養物質，能夠直接決定植物群落構成[9]。對3種草地類型植物群落土壤化學特征進行調查，典型草原珍珠豬毛菜型草地主要土壤肥力指標均高于其他2個類型草地，pH值最低；山地草原西北針茅型全氮、速效鉀、有機碳含量最低。具體指標結果見圖1。

圖1 不同群落類型草地土壤化學因子指標

2.2.2 不同類型草地土壤化學性質變化

表5為草地0～30cm層土壤化學性質分析結果，從變異系數來看，全氮和有機碳數值最高，其后為堿解氮、有效磷和速效鉀，而全磷和pH變異系數則為最小。從整體上來看，3種類型草地各化學因素性質變異較大，這與不同草原類型立地環境差異較大有關。

表5 不同群落類型草地0～30cm土層深度土壤化學因素變化

2.2.3 不同類型草地土壤化學性質相關性分析

不同群落類型0～30cm土層土壤化學因素方差分析，結果如表6所示，3種立地類型植物群落土壤因子間密切相關，主要表現為土壤全磷與有效磷呈極顯著正相關(P<0.01)，與土壤有機碳呈顯著正相關(P<0.05)；土壤全氮與速效鉀、土壤有機碳呈極顯著正相關(P<0.01)，與土壤堿解氮呈顯著正相關(P<0.05)，與pH值呈顯著負相關(P<0.05)。土壤pH值越低，土壤中磷素的含量越高。因為在pH值越高的土壤中，磷素不容易被釋放出來。土壤有機碳與全氮、速效鉀呈極顯著正相關(P<0.01)，與全磷、有效磷呈顯著正相關(P<0.05)，與pH值呈極顯著負相關(P<0.05)，說明土壤有機碳含量越高，土壤全氮、速效鉀、全磷、速效磷含量也相應越高，土壤肥力越好，pH值越低。土壤堿解氮與土壤速效鉀、土壤全氮呈顯著正相關(P<0.01)。

表6 不同群落類型草地植物群落和土壤化學因素方差分析

3 討論

本研究以祁連山典型草原、山地草原、荒漠草原這3種草地為研究目標，對于不同草地類型植物多樣性特征及其對土壤因子的影響，揭示草地植物多樣性和土壤化學因子的關系，為祁連山草地生態系統可持續發展提供理論依據。

3種不同草地類型草原植物群落結構不同，山地草原西北針茅型群落密度和蓋度均高于合頭草型和珍珠豬毛菜型，但各群落間差異不顯著，其優勢種多為禾草類；不同群落的相對高度和地上生物量存在顯著差異，以典型草原珍珠豬毛菜型最高，荒漠草原合頭草型最低。

3種類型草地shannon多樣性指數(H')差異性不顯著，溫性荒漠草原(合頭草型)和山地草原(西北針茅型)Pielou均勻度指數最大，植被分布均勻，差異不顯著，典型草原(珍珠豬毛菜型)Pielou均勻度指數最小，差異顯著；3種類型草原優勢度差異和Margalef豐富度指數都有著顯著的差異，典型草原(珍珠豬毛菜型)優勢物種數量最少，但物種組成最豐富。

3種類型草地0～30cm土層土壤化學因子變異較大，全氮和有機碳的變異系數最大，堿解氮、有效磷和速效鉀的變異系數較大，全磷較小，pH值的變異系數最小，為0.54。3種類型草地各化學因子性質變異較大，這與不同草原類型立地環境差異較大有關。

3種不同類型草地植物群落土壤肥力因子間呈正相關，其中土壤全磷、有效磷之間為極顯著正相關的關系；土壤全氮、速效鉀、土壤有機碳之間為極顯著正相關的關系；土壤有機磷礦、全氮、速效鉀之間為極顯著正相關關系，也就是說在土壤有機碳較高時，土壤全氮、速效鉀、全磷和速效磷均含量較高，土壤肥力也較好；pH值與全磷、有機碳、有效磷等肥力因子呈極顯著負相關，這是因為在pH值越高的土壤中，營養元素不容易被釋放出來。

4 結論

對祁連山3種類型草地植物多樣性及土壤特性研究發現：3種類型草地共有植物50種，隸屬于15科、43屬，不同類型草地植物群落結構不同，以山地草原西北針茅型草地群落密度和蓋度最高，典型草原珍珠豬毛菜型相對高度和地上生物量最高，荒漠草原合頭草型最低；3種類型草地山地草原西北針茅型shannon多樣性指數(H')大于其他2種類型草地，荒漠草原合頭草型和山地草原西北針茅型Pielou均勻度指數最大，典型草原珍珠豬毛菜型Simpson優勢度指數、Margalef豐富度指數最高，差異顯著；3種類型草地0～30cm土層土壤化學因子變異較大，以全氮、有機碳變異系數最大，pH值的變異系數最小；3種不同類型草地植物群落土壤全磷、有效磷之間為極顯著正相關的關系；土壤全氮、速效鉀、土壤有機碳之間為極顯著正相關的關系；土壤有機磷礦、全氮、速效鉀之間為極顯著正相關關系；pH值則與一系列肥力因子之間呈極顯著負相關關系，換言之，pH值越高的土壤，營養元素不容易被釋放出來。