河南省黄淮海平原农林复合生态系统多样性研究

薛兴燕， 韦亚南， 吴明作， 王 谦， 陈景玲

(河南农业大学林学院,河南 郑州 450002)

农林复合生态系统在国内外生产实践中受到了普遍关注与重视，从生态系统的分类体系[1～3]、种间关系[4，5]、生态过程[6，7]、经营效益[8，9]、规划设计[10]、稳定性[11]、研究方法[3]等诸方面均有许多报道.但在基础理论、最优模式、研究尺度、研究手段等方面尚需进一步深入研究[12，13].从景观至生态系统内部结构等多层次研究其多样性特征，可以阐明其结构配置与模式优化、生产力影响、多层次研究与监测生物多样性变化等问题[13～15]，也可以为生态系统的健康和可持续性研究提供基础理论与方法[11,15]，从而为农林复合生态系统高效、稳产、高产的发展模式提供理论依据[13]；但相关研究的报道较少[15，16].河南省黄淮海平原地区是中国的粮食主产区与核心区，历史以来由于黄河改道和决口、风沙与干热风等严重制约了粮食生产[17].经过数代人坚持不懈的努力探索与发展，目前已形成了网、带、点、片相结合的农田防护林体系，促进了不同类型农林复合经营模式的发展，产生了良好的生态、经济与社会效益[18]，对于遏制土壤沙化再生等起到了重要作用.也有相关的研究报道[19，20]，但对于生物多样性，特别是多层次的研究尚未见报道.本研究对河南省黄淮海平原地区的农林复合及其相关生态系统的景观多样性及其结构特征、物种多样性等进行研究，从景观、生态系统与群落等层次阐明其多样性与结构特征，为农林复合生态系统的结构配置、模式选择与优化、生物多样性的多层次研究与监测等提供基础依据与方法探索，从而为保障粮食主产区的高产、稳产提供依据.

1 研究地点概况

河南省黄淮海平原位于黄淮海平原西南部(32°08′～36°21′N，112°51′～116°35′E)，自安阳县西沿太行山东麓的丘陵平原分界线(海拔100 m)，南过黄河沿伏牛山余脉丘陵与平原分界线到信阳明港，再沿淮河干流到三河尖与安徽省淮北平原相连，土地面积87 547 km2，占全国黄淮海平原面积的25.61%，占全省总面积的52.38%[17,21]，行政上自北向南包括安阳、鹤壁、濮阳、焦作、新乡、郑州、开封、商丘、许昌、漯河、周口、驻马店、信阳等市的全部或一部分，共计84个县(市、区).

研究区域属暖温带半湿润向北亚热带湿润区过渡带的大陆性季风气候区，年平均气温13～15 ℃，全年无霜期190～230 d，日照时数2 100～2 600 h，光热量资源较充足；年平均降水量607～1 200 mm，由北往南逐渐递增，但降水年际、年内分配很不均匀，夏季降水集中，且多以暴雨出现，年平均水面蒸发量1 300～1 600 mm，由北向南逐渐递减[17,21].

区域地势西高东低，具有整体上宽广坦荡，微地形波浪起伏的地貌特征，除西部边缘零散分布以黄土类为主的丘陵岗台地外，主要为冲积平原、洼地与风积沙丘沙地等.土壤主要有褐土、潮土、盐渍土和沙姜黑土等，西部主要为褐土，黄河冲积平原主要为潮土和盐渍土，淮北冲积平原主要为沙姜黑土，其次为黄刚土、水稻土.

2 研究方法

2.1调查地点选择

河南省黄淮海平原地理跨度较大，但具有代表性与典型性且为主体的部分大致位于京广线以东的中部与北部区域(114°～116°E、34°～36°N)，故在此区域内按照经纬度选取共10个县(市、区)作为调查地点；在每个县(市、区)内分别选取至少2个乡镇或2个样区进行调查.调查地点有内黄县(楚旺乡、东庄乡、后河镇)，清丰县(阳邵乡、古城乡)，濮阳县(渠村乡、习城乡、海通乡)，原阳县(太平镇、王村)，兰考县(葡萄架乡、小宋乡)，民权县(民权林场设2个样区)，新郑市(薛店镇、孟庄镇)，商丘市梁园区(观堂乡、刘口乡、黄河故道森林公园)，西华县(皮营乡、奉母镇)，郸城县(虎岗乡、双楼乡).

2.2调查方法

在对上述选定的各乡镇进行踏察后选取代表性地段，依据某一特征明显的地标物(如道路、沟渠等)，沿与将要调查的林带(网)或其它种植物走向垂直的方向前进，设定长方形的调查样带(区)，其长度为1～2 km、宽度为100～500 m，使调查的最小面积达到10 hm2.在样带(区)内选取代表性的生态系统类型，按照群落生态学的方法确定结构调查样地，每个类型至少调查2～3个样地；成片类型(如片林等)的样地大小至少为10 m×10 m，线状类型(如林带等)的样地长度至少为100～200 m.在调查样地内分别设置2 m×2 m，1 m×1 m的小样方各3个，用于调查灌木、农作物与其它草本.

调查时间为2012-07—2012-09，调查时，每个样带(区)、调查样地的起始点均用GPS定位，并记录相关的环境信息.主要调查内容如下：样区内调查生态系统类型、种类组成及其数量特征、层次结构、长度与宽度、株距、行距，等.样地内对乔木进行每木调查，主要调查因子包括高度、胸径、基径、冠幅或叶面积等.小样方内对灌木与草本分别调查种类、数量、高度、盖度等；对于农作物则调查种类、密度、高度、透光率等.

2.3指标计算

以实际调查样带(区)的面积之和为总面积，以各生态系统类型为斑块，分别计算其斑块数、周长、面积，由此可计算其景观结构特征指标.各指标的计算公式与意义见表1[15,22]，其中多样性指数也可用于计算生态系统内的物种多样性，此时Pi表示物种的个体数之比.

表1 选用的景观格局指标

3 结果与分析

3.1景观斑块类型

国内外对农林复合生态系统的类型进行了多种途径的划分[3,12]，其中樊魏等的划分方法主要针对河南省平原地区[2]，本研究侧重于境内黄淮海平原地区的农林复合生态系统，但同时调查了区域内常见的其它生态系统类型，故采用了该分类系统，并根据实际情况进行了归并与增加.根据调查结果，主要类型及其基本特征见表2.表2中的林经系统为乔木与经济药材(金银花)、花卉(玫瑰)等的间作，与农(金银)花类型不完全一致，故另计一个系统类型.

根据樊魏等的分类系统[2]，各亚系统内乔木种类的不同，即代表了不同的生态系统类型(但果园、苗圃、廊道、村落林等未区分).依此分类，在所调查的10个县(市、区)内，共出现了9种系统类型(林蜂系统与片林短期林粮间作、防风固沙林等为相同地块的不同利用方式，故归入其中之一的防风固沙林内)、19个亚系统类型(表2中的农田系统类型包含有粮食作物、经济作物、温室大棚3个，廊道类型包含有线性水体如河、沟、渠以及道路等2个)、39个生态系统类型.在各系统类型中，除林经、林牧、林渔、湿地4个系统类型外，其它各系统类型在所调查各地点均可见到；而且在不同生态系统类型中，植物的株行距、高度等变化很大，说明了各类型分布的广泛性及其本身特征的多样性.

表2 主要斑块类型及其基本特征

3.2景观格局及其多样性

将所有调查的地点看作为黄淮海平原地区景观格局的代表性区域，将其中的不同生态系统类型作为该景观中的一种斑块，分别计算景观结构的各个特征指标，结果见表3.由表3可知，在所调查的总计609个斑块(生态系统类型)中，林农复合生态系统有267个，农业系统140个，廊道系统141个，其它类型均不超过40个.主要的斑块类型为片林短期间作、防风固沙片林、农田林网、农林间作以及农田、道路等.以斑块总面积而言，林农系统(850.531 8 hm2)>农业系统(238.374 3 hm2)>其他(85.230 4 hm2)>廊道系统(58.467 7hm2)；说明在河南省黄淮海平原区域，林农系统占有一定优势，按照景观生态学的判别标准，可以认为林农系统是调查区域内的景观基质；这种基质由道路、河流、沟渠等廊道系统连贯为一个整体(本研究所调查的廊道系统均有在其两侧或一侧种植的单行或多行乔木树种)，以村落林、片林及廊道系统的交叉点为节点，共同构成了该区域的点-线-面结合的农田防护林体系；表明了在河南省黄淮海平原中，农田防护林体系建设具有良好成效，并以其生态环境改善效益为该地区农业的高产、稳产提供坚实保障[17,20].

表3 景观结构特征指标

在各斑块类型中，林农复合生态系统的平均斑块面积及其标准差最大，破碎度指数相对较大，表明其景观破碎度较大.主要是因为在该斑块类型中，有大面积的农田林网存在；也说明了在该斑块的实际运用中，往往根据具体地块形状因地制宜地发展了小块的平原林业，从而促进了农田防护林体系的建设，但在设计与建设时，应注意与各种廊道系统的联结性.

农田系统的总面积较大，而平均斑块面积及其标准差较小，但其破碎度指数较大.河南省黄淮海平原区域是中国的粮食主产区和核心区，连续大面积耕作有利于农业生产，因此，在实际生产中，既要注意充分利用土地，也应注意其整体连通性.

平均斑块面积最小的2种斑块(林牧系统、廊道系统)的破碎度指数最大，这主要是由于土地的适宜性利用，以及各种乡间小路与生产道路的密度较大所引起的.对于后者，如果能充分利用路旁空地，种植适宜的树种，可以起到景观联结的作用.

区域内各种斑块的形状较为简单，平均斑块分维数在1.0～1.5之间，与已有研究报道基本一致[15,22]，也符合平原地区的土地利用特点.黄淮海平原景观多样性指数为1.053 5，均匀度指数为0.479 5，指标值并不高，但比北京顺义区的多样性指数要大些[15].

3.3群落物种多样性

调查典型生态系统类型的群落结构，并计算其物种多样性指数(表4).表4表明，各典型群落内，乔木层与灌木层的种类组成十分简单，灌木层仅湿地群落内有2种，乔木层则在3个群落类型中均只有1种；相对而言，各群落内草本层的物种组成较为丰富，物种数较多，该层次的多样性指数相对比较高.可以认为，在河南省黄淮海平原地区内，群落的物种丰富度及其多样性指数主要受其中的草本层的影响，与其他研究结论一致[15].由表4还可看出，各群落的多样性指数变化大，介于0.09～2.32之间.在道路旁、沟渠边的草本群落以及片林边缘等地，因草本植物组成较丰富而使其多样性指数较高；而与农田相关的间作系统的多样性指数均较低.多样性指数较低的3个群落，主要原因是受种植的影响(如农田)，或者是下层草本受抑制(如杨树林内)，或者是某一种草本占优势(如枣农间作地内马唐与红薯的个体数占绝对优势).

调查结果说明了在该平原区域内，由于人类开发早且历来干扰很大，使得群落的组成变得简单，群落的稳定性相对较小，对开展生物防治、提高生产力等并不有利[14].

需要注意的是，调查区域内分布有国家二级重点保护植物野大豆(渐危种).所调查到的野大豆主要分布于黄河湿地范围内且集中分布较多(多在水域附近)，也有部分地区零星分布；生长状况均较良好.在集中分布地内，野大豆占据绝对优势，常匍匐生长，高度约50～70 cm，覆盖度达90%及以上，其它植物基本无或少有生长；表4所示为其零星分布地的群落特征.由表4知，野大豆分布的群落内，种类组成较为丰富，多样性指数较高，较好的群落稳定性将有利于其物种保护.

表4 主要群落类型及其物种多样性指数

4 结语

1)河南省黄淮海平原的景观要素类型比较丰富，在10个县(市、区)调查到了9种系统类型、19个亚系统类型、39个生态系统类型，其中，林农复合生态系统、农田系统与廊道系统等分布较为广泛.

2)在河南省黄淮海平原区域的景观格局中，林农系统是景观基质，通过廊道系统联结村落林及片林，构成了区域性的点-线-面结合的农田防护林体系，在未来发展中，应考虑持续进行林农复合生态系统建设，为该地区农业的高产、稳产提供坚实保障.

3)在景观各斑块中，平均斑块面积不大，而其标准差与破碎度指数相对较大，平均斑块分维数较小，斑块形状较简单，因此在其景观规划与建设中，既需要注意充分利用土地，也应考虑各斑块与廊道系统的联结性以及景观的整体连通性.

4)典型斑块的群落结构中，乔木层与灌木层的物种组成简单，丰富度与多样性指数均较低，群落的物种丰富度及其多样性指数主要受其中草本层的影响.这主要与人为干扰下的种植结构或群落的上层结构等有关，因此，应注意进行结构调整，营造仿自然的防护林体系，有利于维持各生态系统的稳定性，发挥农田防护林的生态环境效益.

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