河西走廊民勤人工梭梭林群落的物种多样性研究

滕玉风，马 力，占玉芳，甄伟玲，钱万建，穆 刚，鲁延芳，田晓萍

(张掖市林业科学研究院，甘肃 张掖 734000)

荒漠化是干旱地区重大的生态环境问题，土壤荒漠化致使荒漠化地区的植被和地表形态在风沙等外力作用下偏离健康的演替轨迹，造成大量可利用土地被风沙淹没[1]，生态环境遭到破坏，人类的生存空间受到威胁[2]。河西生态环境十分脆弱，是中国土地沙化发展趋势最快的地区之一，在绿洲向荒漠环境退化的过程中具有非常典型的代表性[3]。多年来由于人类不合理的开发和过度利用，以风力侵蚀作用为主而形成的土地沙化逐步加重，土地的沙化不断蚕食耕地面积，使耕地的地力衰退，农作物产量下降，生态环境急剧恶化。民勤地处石羊河中下游，被腾格里沙漠和巴丹吉林沙漠包围，是全国干旱和土地荒漠化最严重的地区之一，也是全国沙尘暴源区和输送路径之一[4-5]，已对所在地区的公众生活、生产和发展造成十分不利的影响[6]，在很大程度上阻碍了当地的经济、社会发展[7]。通过对民勤沙漠人工梭梭林群落的物种多样性进行研究，可以为河西走廊人工沙漠植被的物种多样性保护和恢复利用提供理论依据。

1 研究区概况

研究区位于甘肃省民勤县，河西走廊东北部，石羊河流域下游，地理位置102°02′～104°02′E、38°05′～39°06′N，东西长206 km，南北宽156 km，总面积1.59万km2，东、西、北三面被腾格里和巴丹吉林大沙漠包围，是一个半封闭的内陆荒漠区。气候属典型的大陆性荒漠气候，其特点为：气候干燥，降水稀少，蒸发强烈，风大沙多。多年平均气温7.6 ℃，年平均气温日较差为15.2 ℃，≥10 ℃年积温为3 036.4 ℃，日照时数为3 073.5 h，无霜期176 d。多年平均降水量115.41 mm，主要集中在每年的7—9月，占年均降水量的60%以上，多年平均蒸发量2 664 mm，是降水量的23倍之多。多年平均风速2.5 m/s，年≥8级大风日数为27.8 d，全年盛行西北风、西北偏西风，是全国浮尘、扬沙、沙尘暴发生最严重的地区之一，也是我国沙尘暴的主要源地之一[8]。自然植被主要是荒漠植被，组成种类少、层片结构简单、生产力低[9]。民勤人工梭梭林面积约为9.00万hm2，主要分布在民勤绿洲边缘的泉山林场、勤峰滩、东湖镇、三角城林场、大滩、西沙窝等地[10]。

2 研究方法

2.1 调查方法

2.1.1 样地调查

2016年9月在民勤治沙综合试验站、红崖山水库保护站、勤锋滩沙生植物自然保护区管理站、老虎口防沙治沙示范区、三角城机械林场5个区域各选1个人工梭梭林样地，采用样方法进行调查，每个样地面积为50 m×50 m，采用典型取样方法在每个样地选取3个4 m×4 m的灌木样方和3个1 m×1 m的草本样方，分层记录样方内植物的种类、株数、株高、冠幅、盖度等。

2.1.2 土壤水分测定

在每个样地内沿对角线法设5个点，采用土壤水分分析仪测定每个点的土壤含水量，测定深度分0～20、20～40、40～60 cm三个层次，该样地各层土壤含水量取5个点的平均值。

2.2 数据处理

2.2.1 重要值的计算

植物物种在群落中的相对重要性采用重要值(IV)来测度，公式为

IV=(相对密度+相对盖度+相对频度)/3

(1)

式中：相对密度=某个种的密度/所有种的密度之和×100%；相对盖度=某个种的盖度/所有种盖度之和×100%；相对频度=某个种的频度/所有种的频度之和×100%。

2.2.2 物种多样性测定方法[11-14]

物种多样性采用多度(调查样地内某个植物种的个体数)、物种丰富度(群落中所有物种的数量S)、Margalef物种丰富度指数(F)、Shannon-Wiener多样性指数(H)、Pielou均匀度指数(J)、Simpson指数(D)等来测定。计算式分别为

F=(S-1)/lnN

(2)

(3)

J=H/lnS

(4)

(5)

上四式中：S为样方内所有物种的数量；N为个体总数；Pi为第i种的个体数ni占总个体数N的比例，即Pi=ni/N。

2.3 数据分析

数据采用Excel 2003和SPSS 17.0数据分析软件分析。

3 结果与分析

3.1 民勤人工梭梭林物种组成及重要值分析

物种的重要值可以反映该种植物在群落中的地位和作用，重要值越大，表明该种植物在群落中的地位越重要，对群落的影响越大。在调查的5个人工梭梭林样地中，共有植物16种，分属8科14属。其中，双子叶植物有7科13属15种，分别占总的科、属、种的87.5%、92.9%和93.3%，仅1种植物是单子叶植物(禾本科)。双子叶植物主要是藜科，共有9种植物，隶属于7个属。物种重要值结果见表1。

民勤人工梭梭林群落灌木层植物有6种，草本层植物有10种。灌木层植物优势种是梭梭，其重要值为56.82%，亚优势种为骆驼刺，其重要值为19.39%；草本层植物优势种是雾冰藜，重要值为35.78%，亚优势种为沙蓬、刺沙蓬、长刺猪毛菜，重要值分别为13.80%、10.70%和10.43%。灌木层植物种类按科统计，藜科、豆科、蓼科、蒺藜科、菊科、柽柳科各1种。草本层植物种类按科统计，藜科8种、白花丹科1种、禾本科1种；该层中藜科植物种最为丰富，共有8种，重要值均较高，在该群落中占有重要地位，其他科的植物在群落中均居次要地位。

表1 民勤人工梭梭林物种组成及重要值

可以看出，民勤人工梭梭林群落物种多样性主要取决于草本层植物种类，主要是通过草本植物多样性来影响整个群落的物种多样性。由于民勤沙漠气候干燥，蒸发量大，人工梭梭林群落中植物种较少，梭梭、骆驼刺在灌木层片中为优势种，雾冰藜、沙蓬在草本层片中为优势种，均反映了沙漠植被的特征。

3.2 群落的物种多样性特征

群落的物种多样性指数可直接反映出群落的结构特征。民勤人工梭梭林群落主要由灌木和草本组成，其群落结构分为灌木层和草本层。通过对民勤人工梭梭林5个样地30个样方物种多样性指数计算可知(表2)：总体上看，研究区荒漠植物群落物种多样性水平较低，植物群落结构简单，物种组成稀少。

表2 物种多样性指数、均匀度指数

由表2还可看出，人工梭梭林群落的物种丰富度和Margalef物种丰富度指数均表现出草本层>灌木层的特点，表明群落整体的物种数量主要受草本物种数量的影响。Shannon-wiener指数、Pielou均匀度指数均表现为灌木层>草本层，Simpson指数表现为灌木层<草本层，这是由于灌木层优势种梭梭经人工栽植分布比较均匀，呈现出灌木层物种集中程度偏低的规律，而草本植物种类虽然较多，但草本层的雾冰藜、沙蓬、刺沙蓬局部优势突出，使其他草本植物种个体数分布不均匀，影响了草本层的均匀度指数。

3.3 民勤各区域人工梭梭林的土壤水分含量

民勤不同区域人工梭梭林0～60 cm土层的土壤含水量测定结果见表3。由表3可知，在各区域的人工梭梭林中，以勤锋滩沙生植物自然保护区管理站的各土层土壤含水量为最高，老虎口防沙治沙示范区、三角城机械林场的各土层土壤含水量次之，红崖山水库保护站、民勤治沙综合试验站较低。

表3 民勤不同区域人工梭梭林的土壤含水量 %

3.4 民勤各区域人工梭梭林群落物种多样性特征分析

由图1可看出，民勤各区域人工梭梭林样地0～60 cm土层含水量对灌木层物种丰富度、多度的影响不大，灌木层的物种丰富度、多度不随0～60 cm土层含水量的升高而增大，说明灌木层种的丰富度、多度与0～60 cm土层土壤含水量均无显著的相关关系。草本层的物种丰富度与灌木层表现一致，也表现出物种丰富度不随0～60 cm土层含水量的增加而增大的规律，表明草本层物种丰富度与0～60 cm土层水分含量无显著的相关关系，但草本层的多度却呈现出随0～60 cm土层含水量的增加而大幅度增大的规律，其多度与0～60 cm土层含水量呈显著的正相关关系，说明草本植物对0～60 cm土层水分含量有较高的依赖。民勤各区域人工梭梭林样地按草本层多度大小排序为：勤锋滩沙生植物自然保护区管理站(433株)>老虎口防沙治沙示范区(152株)>三角城机械林场(104株)>红崖山水库保护站(83株)>民勤治沙综合试验站(57株)。

图1 不同区域人工梭梭林地土壤含水量与物种多样性关系

民勤各区域人工梭梭林群落的物种丰富度、多度均是草本层大于灌木层，说明人工梭梭林植物群落草本层的物种丰富度比灌木层高，且草本层的植株数量比灌木层多。

4 讨论与结论

(1)民勤生态环境脆弱，人工梭梭林群落物种组成简单，共有植物16种，分属8科14属，其中灌木层植物有6种、草本层植物有10种。灌木层植物优势种是梭梭，亚优势种为骆驼刺，草本层植物优势种是雾冰藜，亚优势种为沙蓬、刺沙蓬、长刺猪毛菜，均反映了沙漠植被的特征。

(2)总体上看，民勤人工梭梭林群落物种多样性水平较低。草本层的物种丰富度比灌木层高，整个植物群落的物种数量主要受草本层物种丰富度的影响。群落中灌木层的Shannon-wiener指数、Pielou均匀度指数均比草本层的大，Simpson指数比草本层的小，反映出灌木层物种的集中程度偏低、草本层物种的均匀度偏低的规律。

(3)本研究区极端干旱，降水稀少，植物多样性在物种丰富度和多度两个层次上对0～60 cm土层土壤水分变化响应的差异反映了荒漠植物多样性维持的特点。植物种的丰富度对水分变化没有显著的响应，说明荒漠植物经长期生态进化，已演变成中旱生、旱生或超旱生生态型植物，已完全适应荒漠区极度干旱的环境，这是植物对土壤水分降低具有的特殊生理生态学适应对策[11，15]；草本层种的多度对水分变化的显著响应说明有限的水分决定着草本层植物种群的大小。0～60 cm土层水分含量与灌木植物的物种丰富度和多度无显著的相关关系，这是由于灌木根系分布较深，可解释为灌木的生物学特性对物种丰富度和多度的贡献大于土壤含水量的差异。0～60 cm土层水分含量对草本植物，特别是对一年生及短命和类短命植物种的丰富度和多度的影响明显高于对灌木的影响，说明一年生及短命和类短命植物种的根系主要分布在浅层土壤，是对浅层土壤水分利用较好的结果。