不同沙化高寒草地植物群落结构特征及土壤理化特性研究

聂学敏，芦光新，鲁子豫，祁佳丽，马　燕，张妹婷

(1.青海省生态环境遥感监测中心，青海 西宁　810007； 2.青海大学 农牧学院，青海 西宁　810016)



不同沙化高寒草地植物群落结构特征及土壤理化特性研究

聂学敏1，芦光新2，鲁子豫1，祁佳丽1，马燕1，张妹婷1

(1.青海省生态环境遥感监测中心，青海 西宁810007； 2.青海大学 农牧学院，青海 西宁810016)

以青海省治多县轻度沙化和重度沙化草地为研究对象，对其植被群落特征和土壤理化性状进行了调查。结果表明：随着草地沙化程度的加剧，草地植物群落结构(如群落优势种等)发生了明显的变化，群落盖度、生物量均明显下降(P<0.01)，植被高度反而上升(P<0.01)。而通过保护与综合治理，重度沙化草地物种数、多样性指数、均匀性指数却大于轻度沙化草地。同时，随着草地沙化程度的加剧，土壤养分在0～15 cm水平上明显下降(P<0.01)，而在15～30 cm水平上变化不明显。

沙化草地；植被群落；生态恢复；多样性

青藏高原高寒草地是世界海拔最高、面积广大、类型较为独特的草地生态系统，在全球气候变化造成的干旱及人类活动的综合影响下，天然草地群落发生逆向演替。大面积草地退化生态系统的发生和发展，严重制约了生态服务功能的正常发挥，并且已成为当地社会、经济、生态可持续发展的巨大障碍。草地沙化是草地生态系统受损的极端表现，也是草地土壤生态系统退化的主要表现形式之一。草地沙化致高寒草地涵养水源功能大为降低，水土保持作用减弱，畜牧业产值下降，严重威胁着区域生态安全和制约社会经济发展。

退化生态系统恢复是保障区域生态安全的重要途径之一[1]，其目标是恢复或重建的系统能够长期持续地自我维持[2]。沙化草地植被恢复是充分利用土壤—植被复合系统的功能改善局部环境，促进生物多样性的形成。植被恢复过程受气候、土壤理化性状和生化活性、植被及物种多样性现状、人类活动、人口与社会经济发展现状、趋势以及恢复区域的地理区位特征等因素的综合影响[3]。草地退化对植被生产力、土壤养分及土壤形成等产生较大的影响[4-6]。试验选择青藏高原高寒沙化草地为研究对象，对不同沙化程度的高寒沙化草地植物群落及土壤进行研究，以期为退化高寒沙化草地植被恢复及重建提供理论依据。

1　材料和方法

1.1研究区概况

研究区位于三江源区治多县，气候属高原亚寒带半干旱区，干燥寒冷，多风少雨，太阳辐射强，年均温-0.3～-0.6℃，无绝对无霜期，年降水量150～420 mm，80%以上的降水集中在5～9月，干湿期分明，雨热同期，境内平均海拔4 500 m，地形呈西南高东北低。全县草地面积为159.957 2×104hm2，其中，高寒草甸草地面积最大，占全县草地面积的75.59%，高寒沼泽草地次之，占全县草地面积的8.17%，高寒干草原草地和山地灌木草丛草地面积最小，分别占6.06%和0.55%。独特的高原地理、地质和气候环境，形成了异质的水热条件和景观格局，生态系统序列的多样性显著。自东南向西北依次形成了由高寒草甸向高寒草原、高寒荒漠过渡的以高寒草原为主的高寒生态系统水平带谱，自坡脚到山顶依次分布着沼泽化草甸、高寒灌丛、高寒草甸、高山流石坡稀疏植被等，构成一个垂直带。试验在青海省治多县加吉博洛镇进行，地理坐标E 95.8121°，N 34.0193°，样地海拨为4 252 m，植被类型属于典型高寒草甸草原，主要优势种群为小嵩草(Kobresiapygmaea)、矮嵩草(Kobresiahumilis)、针茅(Stipacapillata)。伴生种主要有二裂委陵菜(Potentillabifurca)、早熟禾(Poaannua)、苔草(Carextristachya)、矮火绒草(Leontopodiumnanum)、棘豆(Oxytropisochrocephala)等。

1.2 研究方法

1.2.1植被群落结构调查样地在三江源生态环境保护与综合治理工程区，2005年施工，样地分轻度沙化草地(2005年开始季节性封育，禁牧期为6～10月)和重度沙化草地(石方格治理，2005年开始长期禁牧)，通过样方法于2010～2012年每年8月中旬植物生长高峰期，选择植物生长均匀、微地形差异较小的植被群落进行观测，样地面积100 m×100 m，其中，随机设置1 m×1 m 的3个观测样方，对样区草地群落的种类组成、数量特征和物种多样性等进行调查，分别测定物种盖度、高度、频度、地上生物量等。盖度测定参照文献[7]方法进行；高度测定用卷尺测量每个物种的自然垂直高度5～10株，取平均值；频度测定采用样圆法；地上生物量测定时，沿地表分种剪取植株地上部分称重。

1.2.2土壤样品采集及相关指标测定土壤取样时间为2012年8月，用直径5 cm的土钻均匀取20钻，混合成为一个土壤样品，共分0～15 cm和15～30 cm两层，3个重复，土样样品由中国科学院西北高原生物研究所化测试中心分析，测定指标包括全氮、全磷、全钾、速效磷、速效氮、速效钾和有机质等。

1.2.3数据分析

①丰富度指数

R=S

② 群落多样性指数的计算采用Shannon-Wiener指数：

③ Simpson指数：

④ 均匀度指数的计算采用(Pielou) 指数:

其中：IV=(Hr+Cr+Fr+Br)/4

Pi=IVi/∑IV

式中：Pi为种i的相对重要值，S为种i群落中的物种总数，IV为物种重要值；

相对高度(Hr) =样方内某一物种高度/样方内所有物种高度和；相对盖度(Cr)=样方内某一种物种盖度/样方内所有物种盖度总和；相对频度(Fr) =样方内某一种物种频度/样方内所有物种频度总和；相对生物量(Br)=样方内某一物种地上生物量/样方内所有物种地上总生物量和[4]。

2　结果与分析

2.1植被群落优级势种及优势度

轻度沙化草地和重度沙化草地群落的物种组成有明显的不同。轻度沙化草地以小嵩草和针茅为主，主要伴生种有矮生嵩草、蓝花棘豆、二裂委陵菜、雪白委陵菜、蒲公英和伏毛山莓草。而重度沙化草地以青甘韭、蓝花棘豆和早熟禾为主，主要伴生种有藏蒿草、细叶亚菊、密花角蒿、獐牙菜和垫状蚤缀(表1)。

表1　高寒沙化草地群落主要物种重要值

2.2植物群落特种丰富度、多样性差异

群落物种丰富度指数的变化为重度沙化草地>轻度沙化草地。从多样性指数的变化分析，重度沙化草地的多样性指数高于轻度沙化草地(表2)。

表2　高寒沙化草地植物群落丰富度指数、多样性指数和均匀度指数变化

2.3植物群落结构特征及年际变化

植物与植物之间、植物与环境间的相互关系决定了植物群落的基本结构特征，主要表现为群落一定的种类组成、外貌和结构等。试验结果表明，通过沙化治理，重度沙化草地植被覆盖度、群落生物量明显低于轻度沙化草地覆盖度(P<0.01)(表3)，而植被高度重度沙化草地2010年群落高度4.48 cm，明显高于轻度沙化草地(2.14 cm)(P<0.01)。从不同年际间比较分析，无论是轻度沙化封育草地、还是重度沙化石方格治理草地其植被覆盖度、群落平均高度、地上生物量均明显增加，显然生态保护工程对草地生态系统植物群落稳定具有较好的促进作用。

表3　沙化治理草地植物群落特征的年际变化

2.4植物群落土壤理化性状差异分析

在0～15 cm水平上，除了重度沙化石方格治理草地土壤全磷含量较高外，其余6项指标轻度沙化封育草地土壤养分含量均大于重度沙化石方格治理草地(P<0.01)。在15～30 cm水平上，轻度沙化封育草地土壤全氮含量显著大于重度沙化石方格治理草地(P<0.05)，而速效氮、全磷含量显著小于重度沙化石方格治理草地(P<0.05)，其余含量变化不明显。两种不同沙化程度草地在地表层0～15 cm上，土壤养分差异较大，且轻度沙化封育草地土壤养分含量明显好于重度沙化石方格治理草地，而在15～30 cm水平上，两种草地类型之间变化明显(表4)。

3　讨论

草地退化是草地生态系统在演化过程中其结构特征和能流与物质循环等功能过程的恶化，是生物群落及其赖以生存环境的恶化，它既包括“草”的退化也包括“地”的退化。任何群落都是由一定生物种所组成，每种生物都具有其结构和功能的独特性。组成生物群落的种类成分是形成群落的结构基础，群落中的种类组成是一个群落的重要特征。重要值是表示植物种群在群落中优势地位的重要指标。植物种群的重要值越大，说明其在群落中地位越高，反之则越低。从轻度沙化草地和重度沙化草地植物群落的组成和重要植的变化来看，轻度沙化封育草地主要以小嵩草、针茅、矮嵩草、蓝花棘豆等为优势物种，且小嵩草在群落中在优势度明显大于其它物种，该草地型以小嵩草为优势种群，且小蒿草是多年生莎草科植物，是该地区较常见的优势种。对于重度沙化草地植物群落而言，群落中以青甘韭、蓝花棘豆、早熟禾、藏嵩草等为优势种，且青甘韭的优势度为最大，但优势度没有轻度沙化草地中的小嵩草优势度明显，且青甘韭是一年生杂类草，是该地区草地植物群落中常见的伴生种。显然，轻度沙化封育草地植物群落结构相对比较稳定，而重度沙化草地以当地常见的伴生物种为优势种，而适宜的优势物种生态优势度相对较低，植物群落处于快速动态演替阶段。此外，封育措施是沙化草地治理最有效、最经济的植被恢复措施之一。对于轻度沙化草地言，当地优势植物种群依然存在，通过围栏封育措施可自行恢复，而对于重度退化的草地，只有通过石方格等人工措施防止土壤流失，长期封育才能达到植被恢复的目的。

生物多样性是指一个区域内所有的植物、动物、微生物以及各个物种生物与环境相互作用而形成的生态系统，是生命系统的基本特征[5]，也是草地生态系统健康诊断的主要依据。草地生态系统的稳定性发展和生产力的维持在很大程度上依赖于草地植物群落的生物多样性，生物多样性是草地生态系统维持稳定和生产的基础[6]。生物有机体对生态系统有决定作用，而各个物种性质各异，它们在个体大小、营养利用等方面的差异都会影响生态系统功能[7-9]，生物有机体对生态系统有决定作用，而各个物种性质各异，它们在个体大小、营养利用等方面的差异都会影响生态系统功生态系统功能更多地受到物种组成( 物种的生物学特征) 等因素的控制。物种组成被认为是生态系统稳定性、生产力、营养动态等功能的重要决定因子。调查结果表明，重度沙化草地物种数、多样性指数、均匀性指数据均大于轻度沙化草地，实验结果反映了该研究区域重度沙化草地处于快速恢复阶段，生态保护工程使高寒草地植被得以恢复，草地生态系统趋于稳定。

植物与植物之间、植物与环境间的相互关系决定了植物群落的基本结构特征，主要表现为群落一定的种类组成、外貌和结构等。试验结果表明通过沙化治理，重度沙化草地植被覆盖度、群落生物量明显低于轻度沙化草地覆盖度(P<0.01)，而植被高度重度沙化草地明显高于轻度沙化草地(P<0.01)，其原因，轻度沙化草地群落仍然以小蒿草、矮蒿草、针茅、二裂委陵菜等物种为主，植被相对高度比较较低，而重度退化草地主要以青甘韭、蓝花棘豆、早熟禾、藏蒿草等物种，植被平均高度比较高且稀疏，植被覆盖度、生物量均较低。从不同年际间比较，无论是轻度沙化封育草地、还是重度沙化石方格治理草地其植被覆盖度、群落平均高度、地上生物量均明显增加，显然生态保护工程对草地生态系统植物群落稳定具有较好的促进作用[10-13]。

土壤是草地生态系统的基础环境，土壤退化与草地退化关系十分密切。土壤有机质、氮素和磷素等是土壤主要的养分指标，同时有机质还是形成土壤结构的重要因素，直接影响土壤肥力、持水能力、土壤抗侵蚀能力和土壤容重等，是土壤特性的重要指标之一，其变化状况可以指示土壤退化与否，本研究的结果显示，随着草地退化程度的加剧，除全磷含量外，土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾均流失严重，这与周华坤[14]、干友民等[15]研究结果基本一致。显然，在0～15 cm水平上，轻度沙化草地保留了较多的原始土壤，使土壤养份含量优于重度沙化草地，而在0～30 cm水平上轻度沙化草地与重度沙化草地土壤养分差异不明显，说明该地区草地土壤层较薄，易受人类生产活动影响。

4　结论

(1)试验结果中随着草地沙化程度的加剧，草地植物群落结构如群落优势种等发生了明显的变化，群落盖度、生物量均明显下降(P<0.01)，植被高度反而上升(P<0.01)。

(2)重度沙化草地物种数、多样性指数、均匀性指数却大于轻度沙化草地。

(3)随着草地沙化程度的加剧，除全磷含量外，土壤有机质、全氮、全磷、速效氮、速效磷和速效钾均流失严重。

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Study on plant community structure and soil physical and chemical characteristics in different desertification Alpine Steppe

NIE Xue-min1，LU Guang-xin2，LU Zi-yu1，QI Jia-li1，MA Yan1，ZHANG Mei-ting1

(1.QinghaiEcosystemRemoteSensingMonitoringCenter,QinghaiXining,810001,China； 2.AgricultureandAnimalhusbandryCollege,QinghaiUniversity,QinghaiXining,810016,China)

Structure characteristics of plant community and soil physical and chemical properties were investigated in mild desertificated and severe desertificated grassland of Zhiduo County.The result showed that the dominant species in vegetation community had significantly changed with the increase of desertification,the cover and aboveground biomass decreased with the increase of desertification(P<0.01),however,the plant height increased.The species number,diversity index and the evenness index in severe desertificated grassland were higher than that of light desertificated grassland.Meanwhile,the soil nutrient at the 0～15 cm significantly decreased with increase of grassland desertification (P<0.01),while it did not obviously changed at 15～30 cm.

desertification grassland;plant community;ecology restoration;diversity

2015-09-04；

2016-05-05

科技促进新农村计划项目“三江源生态监测与评估关键技术研究与示范”(2013-N-534)；国家自然科学基金“青藏高原草地耐低温纤维素分解真菌多样性研究”(41261064)资助

聂学敏(1980-)，男，青海民和县人，高级工程师，主要从事生态监测与评估工作。

E-mail：qhnxm2008@163.com

S 812

A

1009-5500(2016)04-0073-05