北方农牧交错带草地植被数量波动特征1)——以宁夏盐池县为例

李美君　杜庆　张克斌　　　　　　　刘小丹

(水土保持和荒漠化防治教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)　　　(中国环境管理干部学院)



北方农牧交错带草地植被数量波动特征1)

——以宁夏盐池县为例

李美君杜庆张克斌刘小丹

(水土保持和荒漠化防治教育部重点实验室(北京林业大学)，北京，100083)(中国环境管理干部学院)

为了制定北方农牧交错带草地植被恢复措施，以宁夏盐池县人工封育区为研究对象，调查了2010—2014年植被数量特征(盖度、生物量、群落高度、密度)，利用北方农牧交错带草地植被波动测度公式进行计算和分析。结果表明：(1)2010—2014年植被波动率变化范围是-0.109～0.200，整体波动率的变化并不显著，2012年的波动率为-0.109，是调查期内草地植被生长状况最差的年份，2010—2011年和2013—2014年呈现植被波动可逆性；(2)降水是影响研究区草地植被数量波动的重要生态因子，2010—2014年植被波动强度变化趋势与降水趋势大体一致，但是2012年植被波动的异常现象可能是受到了生物结皮的影响。

北方农牧交错带；人工封育；草地植被；数量波动

In order to provide reference for the evaluation of the northern farming pastoral zone of grassland vegetation restoration measures, in the Yanchi County artificial enclosure, we investigated vegetation characteristic values including coverage, biomass, community height and density from 2010 to 2014 to calculate and analyze northern farming pastoral zone using the grassland vegetation fluctuation formula. In 2010-2014, vegetation fluctuation rate ranged in -0.109-0.200, and the overall fluctuation was not significant. The fluctuation rate in 2012 was -0.109 which was the worst year of grassland vegetation, and in 2010-2011 and 2013-2014 the vegetation fluctuations were reversible. The precipitation was an important factor to grassland vegetation quantitative fluctuation, the grassland vegetation fluctuation in 2010 to 2014 was consistent with early precipitation (April to June), but the abnormal phenomenon of vegetation fluctuation in 2012 might be affected by the biological crust.

植被波动是植被动态的一种表现形式，是植被动态学研究的重要内容之一。很多学者对植被波动作出了相关定义，Barkman[1]将植被波动定义为在短时间或周期性的气候或水分的影响下，植物群落数量特征值(如盖度、生物量、群落密度等)出现逐年或逐季的变化。彭少麟[2]认为植物群落的波动是由不同群落复合生态因子逐年的变化引起群落在固有的季节性变化和逐年变化上的差异，它不改变群落的总体物种组成结构和群落性质。植被波动可以充分反映出生态和非生态因子对植被群落的影响。由于影响植物生长的温度、降水等重要因子每年都发生变化，每年这种变化的差异性作用到植物生长上就呈现出植被群落波动。除生态因子的影响外，人为因素同样会引起植被群落波动，如果人为影响强度过大，会导致植物发生不可逆变化，就超出了波动的范围[2]。植物种的入侵也会引起植被群落波动(草地群落尤为显著)，入侵种与当地植物产生竞争作用，致使植被群落的特征值(如盖度、生物量、群落密度等)会呈现出一定的波动。因此，研究植被群落波动规律，揭示影响植被波动的主要因子，对植被动态学理论的发展以及草地植被经营管理都具有重要的意义[3]。

目前植被波动的研究主要集中在类型和强度等方面，而我国对植被波动的研究较少，且研究主要集中在南方的森林群落。草地植被(尤其是北方农牧交错带草地植被)由于所处的地理位置特殊，生态环境脆弱，植被波动等方面的相关研究较少[4-6]。彭少麟[2]在1993年构建了森林强度的测定公式，推进了我国森林植被动态的研究，并为草地植被动态研究奠定了理论基础。李瑞等[3]、张克斌等[7]以宁夏盐池县为例，结合生态学、统计学，构建了中国北方农牧交错带草地植被波动强度公式。曹永翔等[8]对2003—2007年宁夏盐池县柳杨堡人工封育区草地进行了波动研究，结果表明：2003年研究区的草地植被生长状况最好，波动率为0.622。程中秋等[9]采用专家权重法对天然草地进行了植被波动的相关研究，发现植被波动曲线与降水量曲线波动趋势基本一致，认为植被波动曲线在一定程度上反应植被的生长状况。苏鹏飞等[10]对哈巴湖湿地的草地进行了波动相关研究，从数量特征上对草地植被特征进行了揭示，更好地预测了草地未来动态变化。

因此，本文结合宁夏盐池荒漠化定位监测的资料，采用中国北方农牧交错带草地植被波动强度公式，研究宁夏盐池县人工封育区2010—2014年的植被波动情况，了解近5 a北方农牧交错带草地植被的动态变化，为北方农牧交错带草地植被恢复措施的评价提供参考依据。

1　研究区概况

盐池县位于宁夏的东部，毛乌素沙地南缘，地理坐标为E106°30′～107°41′，N37°04′～38°10′。在地理位置上，盐池县属于一个典型的过渡地带(在地形上自南向北是由黄土高原向鄂尔多斯台地(沙地)的过渡地带)；在气候上，是从半干旱区向干旱区的过渡地带；在植被上，是从干草原向荒漠的过渡地带；在资源利用上，是从农区向牧区的过渡地带。因此，这种地理位置上的过渡性决定了盐池县自然条件资源的多样性和脆弱性的特征。

盐池县主要为剥蚀的准平原地形，海拔为1 295～1 951 m。南部为黄土丘陵地貌单元，北部为鄂尔多斯缓坡丘陵地貌单元。盐池县属于典型中温带大陆性气候，冬冷夏热、干旱少雨、风沙大。盐池县近30 a平均气温为(8.10±0.66)℃，降水量(280.40±67.40)mm，在空间上，降水从南向北，由东到西递减；在时间上，降水主要集中在7—9月，且春季降水偏少。全年主要风向为干燥的西风和西北风。土壤以灰钙土为主要类型。植被类型为有灌丛、草原、草甸、沼泽、荒漠等。

2　研究方法

2.1样地布设与调查

以毛乌素沙地西南缘的柳杨堡人工封育区委研究区，该研究区域自2002年以来实行完全封育措施，不受人类活动(如放牧、樵采)的影响。本研究结合“国家荒漠化定位监测”项目，根据当地主要土地利用(荒漠化)类型和主要荒漠化治理工程种类(人工封育区)，遵循典型性、代表性和科学性的原则，采用GPS定位，设置固定样地(100 m×100 m)。在样地内随机布设1 m×1 m样方，共设置20个样方，分别在2010—2014年的7—8月进行样方调查。调查内容包括：植物名称、植物种数、株数、盖度、群落高度、生物量和降水量等。

根据盐城县气象资料，2010—2014年每年平均降水量分别为247.8、352.6、308.4、290.4、289.7 mm。

2.2数据处理

草地植被波动强度计算的方法。根据草地植被生态学、统计学原理，借鉴有关专家的研究成果，构建草地植被波动强度模型，公式为：

式中：I为草地植被波动强度；Ci为第i年草地植被的盖度；Bi为第i年草地植被的生物量；Di为第i年草地植被的密度；Hi为第i年草地植被的群落高度；a、b、d、h分别为相应的权重系数；r为观测年限(本研究为5 a)。

植被特征值权重的确定。本文采用专家评定法来确定权重参数。选择10位相关专业领域的专家对本研究选取的植被特征值(盖度、生物量、密度和群落高度)进行权值评定。4个指标权重之和为4。最终权重系数为10位专家分别评定的4种植被特征值的平均值(见表1)。

表1　北方农牧交错带草地植被专家权重值

重要值。重要值是研究某个种在群落中的地位和作用的综合数量指标[11]。重要值是反映种群的大小、多少和分布状况的综合性指标。具体计算方法如公式为[12]：A=(D+C+P+H)/4。式中：A为重要值；D为相对多度；C为相对盖度；P为相对频度；H为相对高度。

3　结果与分析

3.1盐池人工封育区草地植被数量特征值波动

由表2可知，研究区内植被盖度多年平均值为36.01%，植被盖度最高的是2010年(46.05%)，2013年植被盖度最低(28.05%)。2010—2013年，植被盖度一直呈现下降趋势，而2014年又开始增大。

2010—2014年，研究区内植被生物量平均值为243.61 g·m-2。2012年的植被生物量最少(200.69 g·m-2)，2014年的植被生物量最多(319.18 g·m-2)。2010—2012年，植被生物量呈现递减的趋势，2012年以后，植被生物量逐渐增加。本文采用的植被生物量是20个样方植被生物量的平均值，其值的大小受植被密度和高度的影响较大。

表2　盐池县人工封育区草地植被数量特征值

注：波动率中“-”表示下降。

2010—2014年每年植被高度平均值分别为11.87、13.22、12.11、10.94、11.11 cm。植被平均高度为11.85 cm。植被高度在2011年达到较大值，最主要的原因是2011年的降水量为最大。本文植被高度系指样方植被平均高度，能一定程度上反映植被生长状况，但影响较小，故专家权重值也较小，仅为0.27。

由表2可以看出，植被密度受外业调查前期降水的影响较大，2014年植被密度达到最大为159.45株/m2，这是因为在2014年调查前期，研究区降水较为丰富，1年生植物大量生长。

从年降水量调查结果中可以看出，2011年降水量最大，2012年降水量也较为丰富。而2011年植被密度达到最低值为69.68株/m2，这是因为在2011年调查前期，研究区降水量最低，从降水量数据知道2010年降水量最低，植物生长受到限制。2010年、2012年、2014年植被密度分别为95.05、130.00、159.45株/m2。

3.2盐池人工封育区草地植被波动率

植被波动率代表植被波动程度，能在一定程度上反映植被生长状况。植被波动具有方向性，其植被波动率可以分为正向波动和负向波动[1]。正向波动是指植被逐年逐季的使植被群落结构更优化的波动，即波动后的植被群落结构优于波动前的群落结构。负向波动与之相反，波动后的群落结构较波动前的差。在这里，波动率大于0的为正向波动，波动率小于0的为负向波动。

从表2可知，研究区2010—2014年草地植被波动率分别为0.059、-0.092、-0.109、-0.058、0.200。2010—2014年，整体波动率的变化并不显著。其中正向波动以2014年最大，草地植被波动率为0.200，其次为2010年，草地植被波动率为0.059。负向植被波动率最大值为-0.109，出现在2012年(对负向波动的波动率比较采用波动率数量结果的绝对值)，其次为2011年，负向植被波动率为-0.092。降水是影响半干旱区植被生长的重要生态因子，对比表2和表3可知，调查期内草地植被波动趋势与调查前期降水(4—6月)大体一致[13]。

表3　2010—2014年调查前期降水　mm

2014年草地植被正向波动值最大，说明2014年是研究区近年来植被状况较好的一年。2013—2014年，草地植被正向波动值由小变大，表明草地植被的逐年波动使草地植被群落结构趋于优化，2014年波动后的草地植被群落结构优于2013年的草地植被群落结构。负向波动与之相反，2012年是研究区草地植被群落结构负向波动最大的一年，表明2012年是近年来草地植被群落结构较差的一年。2011—2012年，草地植被负向波动由-0.092变为-0.109，绝对值由小变大，表明2012年草地植被群落结构比2011年的差。

4　结论和讨论

研究区域2010—2014年植被波动率变化范围-0.109～0.200，整体波动率的变化并不显著。其中正向波动以2014年最大，植被波动率为0.200；负向波动最大值出现在2012年，植被波动率为-0.109，是调查期内草地植被生长状况最差的年份。且2010—2011年和2013—2014年呈现植被波动可逆性。

针对本研究区域植物种群，影响其波动的重要生态因子为降水。2010—2014年植被波动强度变化趋势与调查前期降水(4—6月)大体一致。2012年植被波动出现异常现象的原因，可能是受到了生物结皮的影响。

本文所选研究区是盐池县柳杨堡乡的人工封育示范区，研究其2010—2014年的草地植被波动情况，与前人的研究相比较，在时间序列上进行了延续，丰富了草地植被波动在北方农牧交错带的相关研究内容。所选研究区从1996年开始封育，随着封育年限增加，地表会出现生物结皮，且结皮的盖度和厚度要高于封育年限短的区域[14]。张克斌等[15]对沙地生物结皮的研究，结果表明生物结皮盖度与植被盖度呈显著负相关。生物结皮的形成，阻碍了有效降水的入渗和植被对水分及肥料的吸收，同时也不利于植被的出苗，因此，会造成植被盖度和生物量等指标的降低。研究封育区草地植被时要考虑生物结皮的影响，生物结皮达到一定的盖度和厚度时会与周边植物产生竞争作用，影响植被的正常生长，因此，需要对生物结皮进行干扰。

[1]BAEKMAN J J. On the ecology of cryptogamic epiphytes： with special reference to the Netherlands[J]. Belmontia,1958,2:10-18.

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Grassland Vegetation Quantitative Fluctuation in the Northern Farming Pastoral Zone-A Case Study of Yanchi County//

Li Meijun, Du Qing, Zhang Kebin

(Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China); Liu Xiaodan(Enviroment Management College of China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(1)：48-51.

Northern farming pastoral zone; Artificial enclosure; Grassland vegetation; Quantitative fluctuation

S812.5