短期围封对伊犁绢蒿荒漠群落特征及植被多样性的影响

阿依谢姆·约麦尔，董乙强，安沙舟，杨 娇，阿依敏·波拉提，李 坤，关 欣，孔晓晶

(新疆农业大学草业与环境科学学院/新疆草地资源与生态自治区重点实验室，乌鲁木齐 830052)

0 引 言

【研究意义】新疆位于亚欧大陆腹地，是我国最大的干旱荒漠区。荒漠草地占新疆草地总面积的46.9%[1]，其中蒿类荒漠草地面积约1 210×104hm2，广泛分布于新疆南北疆的荒漠草地中[2]；伊犁绢蒿(Seriphidiumtransiliense)荒漠草地总面积约114.3×104hm2，占全疆荒漠草地的4.25%[3]。伊犁绢蒿隶属于菊科绢蒿属半灌木[4]，是新疆荒漠中饲用价值最好的草地[5]，且在我国仅分布在新疆海拔500～1 400 m的准噶尔盆地、伊犁谷地等北疆平原和低山地区[6]。由于伊犁绢蒿产草量高，耐牧性较强，春秋季各类牲畜均喜食[7]，放牧时，家畜优先采食伊犁绢蒿[8]。随着放牧强度的增加，伊犁绢蒿荒漠群落盖度、高度、生物量均降低，导致其群落结构和多样性变化[9]。因此，针对伊犁绢蒿荒漠生态恢复与重建已成为草原工作者重要的研究与探索内容[8]。20世纪末开始，围封逐渐成为各地采取的恢复及重建退化草地的最有效措施，减少或禁止家畜对草地的践踏和啃食，实现对草地的保护和恢复[9]。【前人研究进展】王蕾等[10]研究表明，盐池县荒漠草原围封5 a后，鲜草产量明显增加，多年生丛生禾草密度大幅增长。陈芙蓉等[11]研究表明黄土高原典型草原围封后，百里香(Thymusmongolicus)等植被的地上生物量显著提高。赵景学等[12]发现藏北高寒荒漠、高寒草甸草原和高寒草原等3种退化草地短期围封后，群落盖度和生物量显著提高，而植被平均高度差异不显著。左万庆等[13]研究表明内蒙古锡林郭勒盟白音锡勒牧场围封后，羊草(Leymuschinensis)、大针茅(Stipagrandis)、冷蒿(Artemisiafrigida)等植被的平均高度、地上生物量明显增加，凋落物量增高，但随着围封时间的延长，群落地上生物量却逐渐降低。杨合龙等[14]研究结果表明，乌鲁木齐市蒿类荒漠草地群落中围封1 a后，放牧区植被的Margalef、Simpson指数低于围封区。李璠等[15]、赵哈林等[16]研究结果也分别表明青海湖流域高寒草甸和内蒙古科尔沁沙地围封后，放牧区植被的Shannon-Wiener多样性指数，Simpson优势度指数与Pielou均匀度指数低于围封区。【本研究切入点】前人研究主要集中在放牧强度对伊犁绢蒿荒漠群落特征、多样性的影响，关于短期围封对轻度退化伊犁绢蒿荒漠草地群落特征和多样性的研究相对较少，尤其对于春季植物返青期的群落变化。研究短期围封对伊犁绢蒿荒漠群落特征及植被多样性的影响。【拟解决的关键问题】以新疆天山北坡中段低山带退化伊犁绢蒿荒漠草地为对象，测定短期围封(3 a)下伊犁绢蒿荒漠草地群落特征高度、盖度、密度、生物量，计算群落α多样性指数，研究放牧和短期围封对伊犁绢蒿荒漠群落数量特征和α多样性的影响，为研究区草地生态恢复重建和草地资源的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 材 料

研究区位于新疆天山北坡中段低山带呼图壁县(86°32′44.56"E，43°58′3.0"N，海拔930 m)，属于典型大陆性荒漠气候，年均温6.7℃，年降水量150～250 mm，冬季寒冷漫长，有积雪。试验区地带性草地类型为蒿类半灌木荒漠，伊犁绢蒿为群落的优势种，伴生种有早熟禾(Poaannua)、鸢尾蒜(Ixioliriontataricum)、葫芦巴(Trigonellaarcuata)、黄芪(Astragalussp.)、角果毛茛(Ceratocephalusorthoceras)等。土壤类型为深厚的灰棕荒漠土。此草地在生产上用作春秋牧场。地表土壤有一定程度的裸露及践踏现象，属于退化草地。

1.2 方 法

1.2.1 试验设计

试验共设置2个处理，即自由放牧区(Freely grazing plot，FG)和围封区(Ungrazing plot，UG)，围封时间为2015年，面积约5 000 m2，围封前以放牧绵羊为主；自由放牧区放牧强度保持不变，仍为春秋牧场。围封区和放牧区之间的距离低于50 m，植被类型、地形地貌等自然条件基本相似。

1.2.2 测定项目

1.2.2.1 野外取样

2017年5月下旬在呼图壁县的国家级固定监测点的伊犁绢蒿荒漠草地围封区和自由放牧区，各设3条典型样线，每条样线中设10个1 m×1 m的小样方(合计60个小样方)，每条样线和每个小样方之间的距离相差10 m。记录各样方中的物种种类，分种进行盖度、高度、密度及生物量的测定，其中盖度采用针刺法，高度采用常规方法测量自然高度，密度为直接计数法记录株丛数，生物量采用齐地刈割法，105℃杀青30 min后85℃烘干24 h称重。

1.2.2.2 群落α多样性

根据调查的植物群落数量特征结果，计算Simpson优势度指数、Shannon-Wiener多样性指数，Pielou均匀度指数和Margalef丰富度指数。计算公式[9]如下：

重要值(IV)=(相对高度+相对盖度+相对密度+相对生物量)/4.

Simpson指数D=1-∑Pi2.

Shannon-Wiener多样性指数H=-∑PilnPi.

Pielou均匀度指数J=H/lnS.

Margalef指数P=(S-1)/lnN.

式中，S为样地总物种数；N为每个样方中的全部物种的总个体数；Pi为第i个物种重要值，即样地中第i个物种的相对重要值。

1.3 数据处理

采用SPSS 19.0中的单因素ANOVA、回归分析及Microsoft Excel 2010进行相关数据统计分析及图表的制作。

2 结果与分析

2.1 围封对主要物种重要值的影响

不管是围封区还是放牧区，伊犁绢蒿占据绝对优势地位，重要值分别为0.44、0.38；围封区比放牧区增加了15.8%，差异显著(P<0.05)，鸢尾蒜、黄芪重要值变化趋于一致，比放牧区都增加了150%，与伊犁绢蒿的重要值有一定的互补关系；角果毛茛重要值比围封区增加了87.5%，差异显著(P<0.05)；葫芦巴和早熟禾重要值变化不显著(P>0.05)。图1

2.2围封对伊犁绢蒿荒漠群落数量特征的影响

围封3 a后，伊犁绢蒿群落数量特征呈明显的变化(P<0.05)，但变化趋势不一致，围封区群落高度、盖度和生物量比放牧区分别显著增加了89.7%，153.9%，130.8%，而群落密度显著降低了19.8%。这可能与物种间的此消彼长有关。图2

图1 短期围封下草地主要物种重要值
Fig.1 Effect of short-term enclosure on important values of main species in grassland

注：不同小写字母表示差异性显著(P<0.05)，下同

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

图2 围封下伊犁绢蒿荒漠群落数量特征
Fig.2 Effect of enclosure on the quantitative characteristics of Seriphidium transiliense community

2.3 围封对伊犁绢蒿荒漠群落多样性的影响

研究表明，与放牧区相比，围封区的Simpson指数、Pielou指数呈下降趋势，方差分析表明，其比放牧区显著降低(P<0.05)，降幅依次为5.63%、10.14%。放牧区的Shannon-Wiener指数略高于围封区，而Margalef指数低于围封区，但差异不显著(P>0.05)。图2

图3 围封下伊犁绢蒿荒漠群落多样性
Fig.3 Effects of enclosure on the diversity of Seriphidium transiliense community

2.4围封与伊犁绢蒿荒漠群落特征、多样性之间的相关性

研究表明，高度与盖度，盖度与生物量，Simpson指数与Shannon-Wiener指数、Pielou指数、Margalef指数，Shannon-Wiener指数与Pielou指数、Margalef指数之间极显著正相关(P<0.01)，而高度与Simpson指数，盖度与Simpson指数、Pielou指数之间显著负相关(P<0.05)。说明围封有利于群落高度、盖度、生物量的增加，但降低群落优势度和均匀度指数。表1

表1 围封与群落特征、多样性之间的相关系数矩阵
Table 1 Coefficient of correlation between enclosure and community characteristics and diversity

指标Item高度Height盖度Coverage密度Density生物量BiomassSimpsonindex(D)Shannon-Wienerindex(H)Pielouindex(J)Margalefindex(P)高度Height1盖度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：*表示显著相关(P<0.05)，**表示极显著相关(P<0.01)

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

3 讨 论

3.1 荒漠群落特征对短期围封的响应

李中林等[17]研究表明，红松洼国家级自然保护区草地围封后，围封区的大针茅等植被的地上生物量显著高于放牧区；刘长娥等[18]研究也表明山北坡中段伊犁绢蒿草地短期围封后，伊犁绢蒿荒漠群落生物量、高度、盖度明显增加；研究结果表明，与放牧区相比，围封区的伊犁绢蒿荒漠群落高度、盖度及地上生物量显著增加，这与闫玉春等[19]研究结果不相同，与孙宗玖等[20]和李军保等[21]的研究结果基本一致，而该草地放牧区群落密度高于围封区，导致这种结果的原因可能是，在围封区内未受任何干扰的情况下，伊犁绢蒿能够快速生长的同时抑制其他喜光植物的生长，因此，在占据空间和吸收营养方面占绝对优势，从而伊犁绢蒿荒漠群落的高度、盖度及生物量高于放牧区。而在放牧区，随着放牧强度的增强，家畜采食以及在降水时期，早熟禾、角果毛茛等下层植物大量生长，占据伊犁绢蒿的营养资源和生态位，使群落高度、盖度及生物量逐渐下降。另外，由于家畜践踏散落的植物种子在降水的前提下快速萌发，经植物自身有性繁殖扩大种群数量，从而导致放牧区的群落密度显著高于围封区[7]。

3.2 荒漠植被多样性对短期围封的响应

李璠等[15]研究表明，青海湖流域高寒草原和温性草原围封后，围封区的紫花针茅和芨芨草等植被Shannon-Wiener，Simpson与Pielou指数低于放牧区，左万庆等[13]研究也表明内蒙古锡林郭勒盟退化羊草原1 a围封区Shannon-Wiener指数低于放牧区，放牧区的Pielou指数高于3 a围封区。研究结果表明，放牧区的Simpson指数和Pielou指数显著高于围封区(P<0.05)，Shannon-Wiener指数略高于围封区，而Margalef指数低于围封区，但差异不显著(P>0.05)，这与徐粒[22]，Scott等[23]，Matthew等[24]的研究结果相反。导致这种结果的原因是，虽然放牧区常年受到家畜践踏及啃食的影响，但是部分耐牧性植物仍能生存在生态环境不断受到干扰的放牧区，这种植物在放牧区优势地位不明显，这就为其他物种提供了生存的空间，对围封区而言，围封时间的增加抑制优势中的竞争能力，但优势中的地位明显，这抑制了其他物种的发育，并导致了围封区物种多样性偏低[15]。

4 结 论

4.1 与放牧区相比，围封区的伊犁绢蒿荒漠群落高度、盖度及地上生物量显著增加了89.7%，153.9%，130.8%，而群落密度显著降低了19.8%。

4.2 围封后，放牧区的Simpson指数和Pielou指数显著高于围封区(P<0.05)，Shannon-Wiener指数略高于围封区，而Margalef指数低于围封区，但差异不显著(P>0.05)。

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