辽宁省半干旱区乡土草生态修复能力综合评价

2024-12-31 00:00:00李佳欢吴昊刘英杨季云任百慧白龙
草地学报 2024年7期
关键词:生态修复综合评价层次分析法

摘要:辽西北地区气候干旱,土壤贫瘠,水土流失严重。现有研究尚未筛选出适合区域生态修复应用的草种,亟待建立科学的评价技术体系。本研究利用层次分析法构建了辽西北乡土草生态修复能力综合评价模型,并对15种优势乡土草种进行生态修复能力的评价。根据专家打分结果,选择环境适应性、水土保持能力和繁殖能力作为3个一级指标,选择抗旱性、抗寒性、广布性、耐盐性、根系生物量等14个指标作为二级指标。一级指标中,环境适应性权重最高,为0.488 1,水土保持能力次之,繁殖能力最低;二级指标中,抗寒性、抗旱性、生长速度、分蘖/分枝数等的权重较高。基于待评乡土草各指标的表现,带入评价模型,筛选出铁杆蒿(Artemisia stechmanniana)、野古草(Arundinella hirta)、黄背草(Themeda triandra)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)和羽茅(Achnatherum sibiricum)为较好的生态修复用草,为辽西北地区的生态修复提供了科学的草种选择依据。

关键词:辽西北;乡土草;生态修复;层次分析法;综合评价

中图分类号:S330.3+1""" 文献标识码:A""""" 文章编号:1007-0435(2024)07-2245-09

doi:10.11733/j.issn.1007-0435.2024.07.025

引用格式:

李佳欢, 吴" 昊, 刘" 英,等.辽宁省半干旱区乡土草生态修复能力综合评价[J].草地学报,2024,32(7):2245-2253

LI Jia-huan, WU Hao, LIU Ying,et al.Ecological adaptability evaluation and application of eco-grass in semi-arid area of Liaoning Province[J].Acta Agrestia Sinica,2024,32(7):2245-2253

收稿日期:2023-11-24;修回日期:2024-02-20

基金项目:辽宁省科学技术计划子课题(2020JH1/10300006);辽宁省教育厅项目-面上项目(LJKMZ20221053);沈阳农业大学引进人才项目(X2021012)资助

作者简介:

李佳欢(1992-),女,汉族,内蒙古通辽,博士研究生,主要从事草地生态学研究,E-mail: lijhecol@163.com ;*通信作者Author for correspondence, E-mail:bailong2018@syau.edu.cn

Ecological Adaptability Evaluation and Application of Eco-grass in

Semi-arid Area of Liaoning Province

LI Jia-huan, WU Hao, LIU Ying, YANG Ji-yun, REN Bai-hui, BAI Long*

(Horticultural College of Shenyang Agricultural University, Shenyang, Liaoning Province 110866, China)

Abstract:The low hilly area of northwest Liaoning Province is a region with arid climate,barren soil,and serious soil erosion. So far,no grass species suitable for regional ecological restoration have been selected. A scientifical evaluation system needs to be established. In this study,we established a comprehensive evaluation model to evaluate ecological restoration ability of native grass species in Liaoning Province using analytic hierarchy process (AHP),and evaluated the ecological restoration ability of 15 dominant native grass species. According to the frequency of plants in 280 survey plots,15 native grasses were selected for evaluation,among which Lespedeza daurica had the highest frequency (75.6%). According to the scores given by experts,environmental adaptability,soil and water conservation ability and reproductive ability were selected as three primary indexes,and drought resistance,cold resistance,spread,salt tolerance,root biomass,growth rate,tillering/branching number,and other parameters were selected as 14 secondary indexes. Among the 3 primary indexes,the weight of environmental adaptability was the highest (0.488 1),followed by soil and water conservation ability,and the reproductive ability was the lowest. Among the 14 secondary indexes,the weight of cold resistance,drought resistance,growth rate,tillering/branching number were higher than others. Based on the performance of native grass to be evaluated,the comprehensive score of its ecological restoration ability was calculated. The results showed that Artemisia stechmanniana,Arundinella hirta,Themeda triandra,Bothriochloa ischaemum and Achnatherum sibiricum were classified as excellent ecological restoration grass species. This study could provide an important reference for ecological restoration in northwest Liaoning.

Key words:Northwest Liaoning province;Semi-arid region;Ecological restoration;Analytic hierarchy process;Comprehensive evaluation

辽西北地区位于辽宁省西北部,包括朝阳、铁岭和阜新三个市,是辽宁省草地的主要分布区,区域水资源短缺,水土流失严重,生态环境脆弱,亟待进行草地生态修复。补播是修复草地生态的重要措施之一,选择适宜的补播草种是保障修复效果的基础。在生产实践上,用于草地修复的补播草种多为商品草,由于其对当地环境的适应性较差,在抗旱、抗寒等方面存在较大的劣势,往往不能获得理想的修复效果。乡土植物由于对当地环境的长期适应和协同进化,具有适应性强、成活率高、管理成本低等优势,利用乡土草进行草地补播能够保证修复后生态系统的稳定性和持久性。已有研究证明,乡土植物能够在生态修复中起重要作用,如利用城市污水污染的土地[1]、减轻重金属污染、维持土壤微生物多样性[2] 等。Liu等[3]在青藏高原高寒草地的研究表明,乡土植物麦薲草(Elymus tangutorum)的存在可以增加植物群落多样性和稳定性,提升草地水土保持能力。乡土草种也可应用到城市绿化中,形成具有乡土特色的栽培模式,充分发挥乡土草种本身优势,突出乡土草种的多样性、适应性以及观赏性,最大程度上发挥其生态效益[4-6]。科学、准确地评价植物的生态适应能力,选择对区域生态环境适应性强的物种进行补播或者栽培,有助于保障生态修复的效果,提高修复的成功率,也可助力城市绿化并大幅降低维护和管理成本。

目前关于乡土草的研究主要集中在资源收集、筛选评价、培育选择等方面,由于自然环境和应用目标的差异,有关乡土草评价、筛选的研究具有明显的区域性。刘爱林等[7]针对云南干热河谷干旱的气候特点,通过盆栽模拟干旱和指标测定,分析了包括黄花猪屎豆、红毛草等6种乡土草的抗旱能力;马子元等[8]针对宁夏荒漠草原干旱的气候特征,基于植株在干旱情况下的生理生化指标变化,包括叶绿素含量、脯氨酸含量、丙二醛含量等,评价了5种乡土植物材料的抗旱性,筛选适宜的生态修复用草;而在进行湖泊近岸带生态修复植物的评价筛选时,李霞等[9]则着重考虑植株的耐劳性。辽西北地区夏季干旱、冬季寒冷漫长,土壤贫瘠且水土流失严重,本研究针对辽西北地区的气候特点和生态修复需求对乡土草进行评价筛选。

在对植物的进行综合评价时,往往需要结合多项指标,常用的方式有隶属函数法、主成分分析法、层次分析法等,通过这些方法,可计算出每一个指标在植物特征评价中所占的权重,进而构建评价的方程模型。一般来看,隶属函数法适用于评价指标模糊、不确定性较大的情况,谢乐乐等[10]利用隶属函数法评价了5种披碱草属牧草再三江源区退化草地的适应性,但此方法对定量指标缺乏有效的处理办法。主成分分析法适用于评价指标高度相关、存在多重共线性的情况,李佳欢等[11]利用主成分分析法比较了12个苜蓿品种的抗旱能力。层次分析法适用于评价指标多、能够明确指标层次,但指标权重不确定的情况,能较为清晰地反映出各个指标之间的相对重要性,且该方法能够处理定性指标,郝桂枝等[12]在实地调研及资料查阅基础上,选取生态适应性、生物学特性、经济性、观赏价值、应用潜力的15个指标,采用层次分析法对重庆市渝北、北碚部分矿区植物进行评价,筛选出适用于重庆市石灰岩废弃矿山生态修复的乔木、灌木、草本以及藤本植物共计27种。针对辽西北的气候特征和生态修复需求,本研究进行乡土草评价、筛选的目标明确、指标多样、可划分出明确的层次,故采用层次分析法,构建生态修复草综合评价模型,基于长期的调研结果和实验室指标测定,筛选适应性强的生态修复草,为辽西北的生态修复与城市绿化提供技术支撑。

1" 材料与方法

1.1" 野外调查

辽西北主要草地类为温性草原和灌草丛(表1),在辽宁省草地中选取280个样地进行调查。将物种频度(F)作为适应性强弱的评定标准,初步筛选生态修复草。F值用以下公式计算:

频度(F,%)=出现样地数总样地数×100%

1.2" 指标权重计算

本研究采用层次分析法(Analytic hierarchy process,AHP)构建生态修复草评价模型。根据文献查阅、专家咨询,确定目标层(OB)、约束层(A)和指标层(B)中的各个指标。邀请10个行业专家对生态修复草适应性评价约束层和指标层中的各个指标进行打分,分值为1,3,5,7,9分,分值越高,重要程度越高,加和得到最终分数。基于分值,构造判断矩阵,计算指标权重,构建综合评价模型。

1.3" 二级指标的测定与数据转换

在辽宁省阜新市阜蒙县他本镇(42°11′53″N,121°41′53″E)种植待评草种,所在区域海拔327 m,年平均气温8.1℃~8.9℃,年均降水量487.3~591.0 mm,土壤类型为棕壤土,含有较多砂砾,养分极度缺乏。种植方式为移栽,密度为每平方米9株,移栽时间为2021年6月,每个草种种植区面积为600 m2(20 m×30 m),移栽后不进行田间管理。2022年调查植物越冬率、返青期、绿期、生物量、冠幅、分蘖数等二级指标。在生长旺季(2022年7月中旬)测定7天内植株株高变化,记为生长速率。地上生物量测定方式为,在每个物种的种植小区内随机取50 cm×50 cm样方,采用齐地刈割的方法,获取地上部分,65℃烘干至恒重,计算单株生物量。在样方内选取20×20 cm小样方,挖取全部0~20 cm深的根系,用清水冲洗干净,65℃烘干至恒重后测定干重。冠幅为每株植物的盖度,使用目测法估测。8月下旬在每种植物小区内设置3个永久样方,观察越冬率、返青期和绿期,植株返青后到样方内50%植株枯黄的时间为绿期。

待评价草种的抗旱性通过室内控制试验测定。使用育苗钵进行育苗(4月26日),每穴3~4粒种子。6月19日移栽至花盆中(上端内径18 cm、下底内径16 cm、高19 cm),每盆中事先装有过筛原位土(阜蒙县他本镇)约4 kg。模拟辽西100%的降水量进行浇水,6月份浇水量为320 mL,7月份浇水量为485 mL,8月份浇水量为375 mL,9月份100%的浇水量为165 mL,每4天浇一次水。9月11日停止浇水,每日观测植物叶片形态和颜色变化,当出现超过50%叶片面积出现枯黄萎蔫视为达到植物死亡临近值,停止浇水日期至达到植物死亡临近值日期间的天数记为耐旱天数。

种子萌发力指标在实验室内进行,萌发实验采用纸床法,温光周期为26℃/20℃(16 h/8 h),10天后计算种子萌发率。

获取各指标数值后,根据所有草种各指标的表现,划分为3个等级,采用5分制评分法将生态修复草测定指标转换成5,3,1三个分值。

1.4" 综合评价模型的构建

将各指标归一化后的分值代入综合评价模型,并根据各个指标的权重值计算出每种待评测植物的最终综合得分值(V值)。计算公式如下:

V=∑ni=1Ui×Wi

其中,Ui代表植物的第i个指标的5分制评分法赋分,Wi代表第i个指标权重。

1.5" 数据分析

数据通过Microsoft Excel 2019和SPSS Statistics 25软件进行统计分析和制图,各项指标不同草种间的差异显著性采用单因素方差分析,duncan法进行比较。

2" 结果与分析

2.1" 乡土草种初选

在280个调查样地中,频度最高的植物为兴安胡枝子(Lespedeza davurica),频度为75.6%,其次是丛生隐子草(Cleistogenes caespitosa)。根据结果,将F值30%以上的兴安胡枝子、丛生隐子草、黄背草(Themeda triandra)、白羊草(Bothriochloa ischaemum)、铁杆蒿(Artemisia stechmanniana)、纤毛鹅观草(Elymus ciliaris)、野古草(Arundinella hirta)和长芒草(Stipa bungeana)8种乡土草初选为生态修复草。频度不足30%的草种通常分布在某一草原区或特定生境中,广布性相对弱,不适合做生态修复草。但是这些草中,也有生态价值较高的草种,如辽宁省主要草种披碱草(Elymus dahuricus)和羽茅(Achnatherum sibiricum),沙地草原固沙植物冷蒿(Artemisia frigida),山地草原优势种地榆(Sanguisorba officinalis),优良牧草老芒麦(Elymus sibiricus)和臭草(Melica scabrosa),观赏型地被植物菊叶委陵菜(Potentilla tanacetifolia)等。本次研究中将上述7种草种也纳入生态修复草种,最终初选出15种乡土草进行生态修复能力的评估(图1)。

2.2" 生态修复草评价指标筛选

根据文献查阅和专家打分的结果最终选出环境适应性、水土保持能力和繁殖能力3个一级指标,抗旱性、抗寒性、广布性、耐盐性、根系生物量等14个二级指标(表2)。根据专家打分结果,抗旱性得分值最高,为87,耐盐性得分值最低,为33。

2.3" 生态修复草综合评价模型构建

本研究采用AHP构建生态修复草评价模型。AHP法通常包括OB、A和B。本次研究中,OB为筛选辽西北半干旱区生态修复草,A为评价生态修复草一级指标,包括环境适应性(A1)、水土保持能力(A2),和繁殖能力(A3)的3个一级指标,B为一级指标下设的二级指标,共14个指标(图2)。

如表3所示,A,A1的权重值为0.488,最为重要,A2次之,为0.399,A3最低,为0.173。A1下设4个二级指标,其中抗旱性的权重值最高,为0.388。A2是针对辽西北水土流失严重问题而设置的评价指标,下设5个二级指标中返青期和地上下生物量是最重要的指标。

2.4" 生态修复草环境适应性

适应性评价包括4个指标,广布性、抗旱性、抗寒性和耐盐性。兴安胡枝子的分布最广泛,频度为75.6%,丛生隐子草和黄背草次之,分别为65.7%和46.0%。长芒草的耐旱死亡天数为22 d,显著高于其他植物,地榆、臭草、纤毛鹅观草的耐旱天数显著低于其他植物,抗旱性较差(表4)。参评植物均不是盐碱地优势植物,耐盐性均记为中。参评草种的越冬率均大于90%。

2.5" 生态修复草水土保持能力

待测草种均能在4月27日前返青,其中铁杆蒿、菊叶委陵菜、羽茅、披碱草、冷蒿、老芒麦和臭草的返青时间较早。铁杆蒿、纤毛鹅观草、长芒草、菊叶委陵菜的绿期较长,可达210天。铁杆蒿的根系生物量最高,兴安胡枝子、地榆次之,均显著高于其他草。菊叶委陵菜和地榆的地上生物量显著高于其他植物。铁杆蒿、地榆、冷蒿的冠幅较高(表5)。

2.6" 生态修复草繁殖能力指标测定

对不同草种的繁殖能力评价中发现,铁杆蒿的生长速率较高,冷蒿和兴安胡枝子生长速率最低,显著低于其他草种。白羊草的分蘖/分枝数最高,野古草、黄背草、羽茅、披碱草、地榆次之,菊叶委陵菜最低。黄背草的种子千粒重是所有参评草种中最高的,达到55.00 g,菊叶委陵菜、冷蒿、铁杆蒿最低。黄背草、纤毛鹅观草、羽茅、披碱草、老芒麦均有较高的种子萌发力(表6)。

2.7" 指标测定值的5分制转换

根据实测结果,制定5分制评价标准,并对生态修复草的14个二级指标进行5,3,1转换赋值。赋分方法见表7。在生态修复草定量评价和定性评价的基础上,对15种初选生态修复草通过5分制的方式进行打分和归一化处理(表8)。

2.8" 乡土草生态修复能力的综合评价

根据公式,带入指标权重与指标5分制转换值,计算初选出的15种生态修复草最终综合评价得分,并将其划分为4个等级:I,II,III,IV(表9)。目标草的V值≥3.5时,评为I等,包括铁杆蒿、野古草、黄背草、白羊草和羽茅,这些草种为优等材料,可以广泛开发利用,适应性强、资源量多,生态修复价效果较好。目标草的V值≥3.3,但lt;3.5时,评为II等,包括纤毛鹅观草、菊叶委陵菜、披碱草和丛生隐子草,这些草种为良等材料,适应性、生态修复性略低于Ⅰ级植物,根据具体生境适度推广种植。目标草的V值≥3,但lt;3.3时,评为III等,包括冷蒿、老芒麦和地榆,这些草种为一般材料,适宜生境中择优进行种植。目标草的V值lt;3.0时,评为IV等,包括长芒草、兴安胡枝子、臭草,这些草种为劣等材料,此类植物暂不适合在辽西北生态修复时推广应用。

3" 讨论

乡土植物是重要的生态修复生物资源,近年来越来越多的乡土植物被用来进行生态修复和生物多样性保护[13-15]。为筛选区域生态修复需求相适应的乡土草,亟待建立乡土草种生态适应性的评价体系。辽西北地区是我国东北与华北的交错地带,也是我国北方森林和草原的过渡区域,自然气候特点为季干旱、冬季寒冷,植株生存能力是首要条件,因此,在进行生态修复草的适应性评价时,环境适应性的权重在三个一级指标中最高,植物的抗寒性与抗旱性是环境适应性一级指标下较为重要的两个二级指标。辽西北的地形以低山丘陵为主,水土流失频发,严重威胁着区域的生态安全。在干旱少雨、丘陵地形与较低的植被覆盖率的综合作用下,朝阳市每年向大凌河的输沙量就已达到477万t(1955—1994年),经过了多年持续的综合治理,目前,水土流失现象已得到了大幅度改善,但仍需进一步加强治理效果[16]。草地具有覆盖地表、减少径流、保持水土的功能,在区域生态保护方面具有特殊的意义。因此,在本研究中,植物的水土保持能力一级指标也获得了较高的权重值,筛选出的二级指标从水土保持时间(返青期、绿期)和保护强度(地上生物量、根系生物量、冠幅)两个方面反应了植株的水土保持能力。王益和[17]在评价乔木树种的水土保持能力时,也基于实地调查、专家评判、层次分析等方法筛选出冠幅、生长速度等作为评价指标,与本研究筛选出的指标类似。繁殖是种群扩展、更新和保持的基础,但要同时考虑到有性繁殖和无性繁殖两种繁殖方式。经专家打分,在评估辽西北地区生态修复草适应性时,无性繁殖相关指标所占权重高于有性繁殖指标,这可能是由于区域的优势草本植物多为无性繁殖植物,其分蘖和分枝数量与植株当年的生物量、冠幅等密切相关。

基于评价模型,根据调查数据初选得到的15种生态修复草进行进一步的划分,得到4个适应辽西北环境条件,符合辽西北修复目标的I等生态修复草,包括铁杆蒿、野古草、黄背草、白羊草和羽茅,这些植物资源分布广、适应性强、盖度大,生长快,资源量多,可以广泛开发利用,生态修复效果较好。其中,铁杆蒿为菊科,在水分适宜时能够迅速生长,绿期长、生物量高,叶片宽,具有快速覆盖地面的优点,以铁杆蒿为建群种的草本植物群落对暴雨具有一定的拦蓄作用,能够有效阻止暴雨带来的水土流失[18]。但铁杆蒿的种子较小,千粒重轻,萌发力低,在用于生态修复使用时,需注意种子的收集工作。野古草、黄背草、白羊草和羽茅均为区域常见的禾本科草,尤其是在灌草丛附近,能够形成优势草本植物群落,常为群落中优势种,根系为须根,土壤固着能力强,但生长速率较铁杆蒿低。蒋忙舟和汪建芳[19]在黄土高原对铁杆蒿和白羊草群落进行了坡面流水动力学分析,发现白羊草群落和铁杆蒿群落均能有效减少坡面径流。此外,野古草和黄背草的种子大小适宜,具有较强的生态修复草种业发展潜力,白羊草和羽茅种子均带有绒毛,不易采集和播种,亟待研发与之相匹配的种子处理技术。兴安胡枝子为小灌木,是辽西北草地最常见豆科植物,在所有调查样方中分布最广,但少见优势群落,常以伴生种存在,由于其生长速度缓慢、返青晚、分枝数少、种子萌发率低等缺点,对雨水的截留作用小,不能有效保护土壤,不适宜作为生态修复草,适合与其他优质的生态修复草混播使用,提升植物群落营养和土壤养分。丛生隐子草的频度仅次于兴安胡枝子,但其分蘖少、生物量低,冠幅小、种子小、株高矮,被评为Ⅲ等生态修复草,此草可与野古草、黄背草、白羊草和羽茅等混播使用,充分利用生态位,构建群落的不同层次。

4" 结论

基于专家打分,通过层次分析法,本研究构建了辽西北地区生态修复草的适应性评价模型,筛选出铁杆蒿、野古草、黄背草、白羊草和羽茅为区域适宜的生态修复草,根据不同草种的特点,铁杆蒿可在水分适宜的地区快速建植,完成裸地绿化;野古草和黄背草种子大小、形态适宜,具有较大的产业化潜力;针对白羊草和羽茅,则需研发与之相匹配的种子处理工艺,以期更好地服务于辽西北地区的生态修复和草产业发展。

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(责任编辑" 彭露茜)

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