呼伦贝尔沙化草地围封效应及生物多样性变化研究

1、第16卷 第5期草 地 学 报ACTAAGRESTIASINICA 2008年 9月2008Vol.16 No.5Sep.呼伦贝尔沙化草地围封效应及生物多样性变化研究吕世海,冯长松,高吉喜121*,卢欣石2(1.中国环境科学研究院生态环境研究所,北京 100012;2.北京林业大学林学院,北京 100083)摘要:2004年,在内蒙古呼伦贝尔沙化草地,测定围封不同年限(1、4、7、11、17年)沙化草地群落的特征值,分析围栏封育对沙化草地植被特征及生物多样性变化的影响。植被的自然恢复从一年生植物的侵入开始,差巴嘎蒿(Ar-temisiahalodendronTurcz.exBess.)等重要值

2、在围封第7、11和17年分别为第4年的1.57、1.78和1.37;一年生植物呈减少趋势,沙米(AgriophyllunsarenariumBieb.)在围封第11年完全消失。植被盖度平均增长4.6倍,草层高度平均增高75.3%。围封17和11年、1和4年,群落相似系数最大,分别为0.9630和0.7143。结果表明:沙化草地围封后,由于干扰源解除,群落组成发生了规律性变化,植物群落逐渐由不稳定的一年生植被向次稳定的灌丛化植被和相对稳定的干草原植被过渡,随着围封年限的增加,群落结构逐渐趋于合理,物种丰富度、多样性和群落均匀性不断增大,但沙化草地围封后的植被近自然恢复也是一个漫长的系统修复与竞争

3、过程。呼伦贝尔沙化草地经过17年的围封,植被系统仍十分脆弱,群落中一年生植物仍占有较大比例,受干扰后极易发生再度沙化。关键词:沙化草地;围封效应;植物多样性;呼伦贝尔中图分类号:Q14;S812 文献标识码:A 文章编号:1007-0435(2008)05-0442-06StudyonEnclosingEffectsandBiodiversityVariationofDesertificationGrasslandinHulunbeirSteppeLVSh-ihai1,FENGChang-song2,GAOJ-ixi1,LUXin-shi2(1.InstituteofEcology,Chine

4、seResearchAcademyofEnvironmentalScience,Beijing100012,China;2.CollegeofForestry,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China)Abstract:Fencingisaneconomicandeffectivetooltoimprovethegrasslandconditions.Theeffectsofdif-ferentfencingterm(1,4,7,11,and17years)onthevegetativecompositionandstructureofdese

5、rtifica-tiongrasslandwerestudiedinHulunbeir,InnerMongoliaAutonomousRegion.Naturalrestorationstartedfromtheinvasionofannuals,suchasArtemisiahalodendronTurcz.exBess.etc.andtheirimportantva-luesintheenclosedsectionof7,11,and17years,were1.57,1.78,and1.37timesofthatintheenclosedsectionof4years,respective

6、ly.AnnualstendedtodecreaseandAgriophyllunsarenariumBieb.disap-pearedcompletelyintheenclosedsectionof11years.Vegetationcoverageshowedanaverageincreaseof4.6timesandtheaveragegrass-layerheightincreased75.3%.Thecommunitysimilaritycoefficientswerethelargestat0.9630and0.7143for17-yearvs.11-yearenclosurean

7、d1-yearvs.4-yearenclosure,respec-tively.Theresultsshowthatthevegetativecommunitychangedalongwithfencingyearsfromannualspe-ciestoshrubspeciesandperennialgrassesstepbystep,andthespeciesrichness,diversity,andevennessalsoincreased.However,itwasaverylongprocedureofspeciescompetitionandecosystemrenovation

8、duringnaturalrestorationofdesertificationgrassland.TheresultsindicatethatvegetativeecosystemofHulunbeirdesertificationgrasslandwasstillfragileandwouldbepronetodesertificationagainunderthedisturbanceduetoahighproportionofannualspeciesevenafter17-yearenclosure.Keywords:Desertificationgrassland;Enclosi

9、ngeffect;Bio-diversity;Hulunbeirsteppe收稿日期:2007-11-30;修回日期:2008-03-03基金项目:国家环境保护公益项目 区域生态资产评估技术方法与应用研究 (编号:200709029)作者简介:吕世海(1963-)内蒙古化德人,博士后,副研究员,主要从事区域生态保护研究,E-mail:lv_sh;*通讯作者Au-thorforcorrespondence,E-mail:Gaojx第5期吕世海等:呼伦贝尔沙化草地围封效应及生物多样性变化研究443草地沙质荒漠化是人类当前面临的重大环境与社会问题,也是中国北方干旱半干旱区草地资源利用与经济可持续发展

10、的主要制约因素。呼伦贝尔草原是中国最好的草原,也是中国最重要的畜牧业基地之一,但是近二十年来,由于受全球气候变化和人为活动的影响,出现的大面积退化沙化现象,不仅严重影响着当地人民的生产生活,而且也直接威胁着整个东北亚地区的生态安全,探寻呼伦贝尔草原沙化草地生态系统恢复的可靠措施与植被重建的有效技术已成为当前草原生态系统的研究热点。围栏封育作为一种退化草地实施自然恢复的主要措施已为世界各国所广泛采用14。实践证明,围栏封育可以显著提高退化草场(原)生产力,经济有效且简便易行,也是最适合中国国情的一种退化草地恢复方法。据此有针对性地开展区域沙化草地围封条件下植被的自然恢复效应研究,探寻沙化草地生态

11、系统的自我修复途径与合理的植被恢复模式,具有遏制呼伦贝尔草原草地日益沙化的现实意义,能够丰富现代恢复生态学的理论价值。空间序列代替时间序列研究法,将处于不同围封年限的沙化植被作为其植被恢复的典型群落。群落演替时间从围封当年完全禁牧后算起,选取围封1、4、7、11和17年共5个样地,每个样地围封历史清楚,围封期间保护较好,基本未受人为干扰。1.3 植物群落调查2004年8月,在选定的5个围栏样地内外,以围栏外天然草地作为对照,随机设定50个样方,每个样地对照和围封各5个样方。其中草本样方1m 1m,灌木样方4m 4m。主要调查内容有植物种类、株丛数、植被盖度、草群高度、株丛密度(禾本科、莎草科植

12、物以单株分蘖计)及地上生物量、地表枯落物量和030cm土层根系生物量。其中,物种丰富度和株丛密度采用计数法测定;植被盖度采用网线法测定;地上生物量测定,灌木剪取当年生枝叶、草本齐地剪取茎叶风干测得干重;30cm土层根系生物量按10cm 10cm土柱采样,水洗风干称重测定8。1.4 物种多样性测度71 材料与方法1.1 研究区概况研究区位于呼伦贝尔市陈巴尔虎旗完工镇境内的沙化草地(118 27 E、49 11 N),海拔650m。区域风蚀地貌发育明显,具温带大陆干旱半干旱过渡气候特征。年均气温-1.5 ,降水量230300mm(70%集中于夏秋季),年均风速4.5m/s,最大风速为20m/s,全

13、年8级以上大风日数平均30d以上。以风沙土、栗钙土及草甸土等为主。植被类型为灌丛化杂类草草地,优势植物有大针茅(Stipagran-disP.Smirn.)、冰草(Agropyroncristatum(L.)Gaertn.)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa(Trin.)Keng)等,小叶锦鸡儿(Caraganamicro-phyllaLam.)、差巴嗄蒿(ArtemisiahalodendronTurcz.exBess.)等灌丛呈斑块状分布,并随草地沙化程度的不断加重,多年生植物变得相对贫乏,而季节性一年生植物逐渐呈单一群落,为半干旱沙化草地特有植被景观5,1.2 样地选

14、择以严重沙化草地围封后沙米(Agriophyllunsare-nariumBieb.)群落的建立为植被恢复起点,依据沙化6物种重要值为群落内物种的相对密度(D )、相对盖度(C )、相对高度(H )、相对生物量(W )的加和平均值。生物多样性用如下指标表示9,Shannon-Wiener多样性指数,SDI=- (PilnPi);Simpson生态优势度指数,EDI=1- (Ni/N);Pielou均匀度指数,CEI=SDI/lnS;Sorensen相似性指数,CSI=2C/(A+B)。上式中,Pi、Ni为第i个物种相对重要值和个体数;N、S为物种个体总数和物种数;C为A、B两群落共有种数,A和

15、B分别为各自群落的物种数。1.5 数据处理研究数据用MicrosoftExcel软件处理,并借助SPSS软件包进行方差与回归分析。102 结果与分析2.1 围封对沙化草地群落物种组成的影响呼伦贝尔沙化草地围封后,植被的自然恢复过程是从沙米、虫实(CorispermummacrocarpumBunge)、猪毛菜(SalsolacollinaPall.)等一年生植物的侵入开始的(表1)。以后,随着围封年限的延。444草 地 学 报第16卷冰草(Agropyrondesertorum(Fisch.)Schult.)、差巴嘎蒿等开始在群落中定居,并逐渐成为群落的优势植物。到围封11年后,由于多年生草本

16、的大量入侵,差巴嘎蒿等又呈明显下降趋势,其重要值在围封第7、11和17年分别为第4年的1.57、1.78和1.37倍;而一年生植物也呈减少趋势,其中沙米到围封第11年已完全从群落中消失。多年生草本植物,特别是一些地带性物种如大针茅、羊草(Leymuschinensis(Trin.)Tzvel.)、沙生冰草等在群落中呈逐渐增加趋势,物种重要值也在不断增大,其中沙生冰草耐旱性较强,侵入时间较早,而大针茅、羊草耐旱性稍差,则侵入时间相对较晚(表1)。表明沙化草地在解除干扰后,植物群落的演替过程为:一年生植物群落 灌草复合群落 多年生草本群落,是一个动态发展过程,但相对于草地沙化而言,其恢复演替的速度

17、十分缓慢,这与以往的研究结论类似11。表1 不同围封年限群落物种组成与重要值变化Table1 Changesofspeciescompositionandimportancevalueindifferentagesofenclosing植物种类Plantspecies猪毛菜Salsolacollina沙米Agriophyllunsarenarium狗尾草Setariaviridis(L.)Beauv.虫实Corispermun.macrocarpum地梢瓜Cynanchumthesioides(Freyn)K.Schum.冷蒿ArtemisiafrigidaWilld.沙生冰草Agropgro

18、n.desertorum大针茅Stipa.grandis叉分蓼PolygonumdivaricatumL.歧花鸢尾IrisdichotomaPall.黄花蒿ArtemisiaannuaL.糙隐子草CLeistogenes.squarrosa鹤虱LappulamyosotisV.Wolf.苔草CarexdispalataBoott柴胡BupleurumscorzoneraefoliumWilld.达乌里胡枝子Lespedezadavurica(Laxm.)Schindl.小叶锦鸡儿Caragana.microphylla差巴嘎蒿Artemisia.halodendron羊草L.chinensis

19、圆叶藜ChenopodiumglaucumL.麻花头SerratulacentauroidesL.野葱AlliummongolicumRegelKoeleriacristata(L.)Pers.野韭菜AlliumramosumL.唐松草ThalictrumsquarrosumSteph.委陵菜PotentillabifurcaL.褐沙蒿ArtemisiacampestrisL.斜茎黄芪AstragalusadsurgensPall.扁蓄豆Melissitusruthenius(L.)C.W.Chang.山竹岩黄芪HedysarumfruticosumPall.砂引草Messerschmidia

20、sibiricaL.雾冰藜Bassiadasyphylla(Fisch.etMey.)Kuntze物种数合计/TotalSpecies艹洽草生活型LifeformThThThThHChGHHHThHThGHHPhChGThHGHGHHChHHChHTh围封后植被自然恢复年限Yearsofnaturalrestorationofenclosedvegetation1年1year0.42 0.76 0.24 0.440.16a0.31a0.12a0.17a4年4years0.46 0.44 0.43 0.470.19a0.13a0.28a0.15a7年7years0.39 0.10 0.47 0.

21、260.21a0.02b0.25a0.11b11年11years0.29 0.13a00.37 0.11a0.18 0.08b00.25 0.51 0.49 0.58 00.520.10b0.22c0.19c0.24b0.19c17年17years0.22 0.11b00.23 0.14b0.16 0.07b00.31 0.65 0.57 0.45 0.28 0.230.12b0.21c0.31c0.21b0.15b0.11b0.09 0.03a0000000000000000000000000005 2a0.14 0.07a00.21 0.11b0000000000.28 0.12b0000

22、000000000.53 0.21b0.26 0.11b9 4a0.09 0.04a0.11 0.43 0.19 0.32 00.24 00000.10 0.03b0.14 0.45 0.03 0.13 000000.20 0.12b0000.32 0.13c017 6a0.06b0.20b0.01b0.05b0.07a0.28b0.12b0.12b0.14b0.17 0.09b0.28 0.14b0.19 0.12b00.29 0.13b0.31 0.51 0.30 0.11 0.27 0.23 0.24 0.190.11b0.22b0.14c0.02b0.11b0.13b0.11b0.10

23、b0.36 0.16c0.15 0.06b0.24 0.10b0.07 0.02b0.15 0.04b0.29 0.39 0.42 0.11 0.34 0.22 0.37 0.190.16b0.13b0.19c0.03b0.16b0.12b0.12b0.12b0.20 0.09b0.37 0.16b0.20 0.14b0.05 0.01b0.18 0.11b0.16 0.06b0026 5b0.19 0.10b0.18 0.09b0.26 0.13b0.14 0.11c0.24 0.13b0.34 0.13b0028 6b注:Th-一年生植物;G-地下芽植物;H-地面芽植物;Ch-地上芽植物;

24、Ph-高位芽植物;表中行内字母相同者为差异不显著,相异者为差异显著。Note:Th-Therophyte;G-Geophyte;H-Hemicryptophyte;Ch-Chamaephyte;Ph-Phanerophytet;Meanswithdifferentletterswithinthesamerowaresignificantlydifferent(P<0.05)第5期吕世海等:呼伦贝尔沙化草地围封效应及生物多样性变化研究4452.2 围封对沙化草地植物群落景观结构的影响植物群落的盖度、高度和密度构成植被的景观结构8度的变化符合指数增长模型,前期慢而后期快,这可能与多年生禾草类

25、植物的侵入、繁衍和扩展有较大关系,说明沙化草地植被的恢复演替其群落结构的变化既有规律性也有复杂性,但从030cm土层根量积累看,沙化草地与退化草地的恢复演替具有一定差别12。沙化草地围栏封育后,由于干扰源的解除,植物群落结构得到明显改善。呼伦贝尔沙化草地经多年围封禁牧,植被盖度由围封初期的11.3%上升到围封17年后的51.5%,平均增长4.6倍;草层高度由围封初期平均15.8cm,到11年达到27.7cm,平均增高75.3%;株丛密度的变化,由于受多年生草本植物的影响,尤其是多年生丛生禾草的不断侵入,使草群密度大幅增长,进而影响到地上部生物量和地下部根系的消长(表2)。回归分析表明,呼伦贝尔

26、沙化草地植被恢复演替过程中,植被盖度、草层高度、株丛密度及生物量的积累(包括地上部积累和30cm土层根系积累),与围封时间呈极显著线性回归关系(表3),说明沙化草地围栏封育是改善群落结构的有效措施之一。但是,群落特征要素不同,其增长方式也不同。其中,植被盖度与生物量(包括地上和地下部)的变化带有较大的波动性;草层高度的变化因受不同演替阶段植物种类的影响,增长方式比较复杂;而株丛密,这可能与沙化草地恢复演替中灌木类植物的消长有一定关系。2.3 围封对沙化草地物种多样性的影响物种多样性是生态系统中植物群落结构的重要特征,主要包括物种丰富度、生态优势度、物种多样性、群落均匀性和群落相似性5个方面。研

27、究结果表明,呼伦贝尔沙化草地围栏封育后,物种丰富度和生物多样性呈明显增长趋势,其中物种丰富度指数呈二元结构函数式增长(图1A),曲线拟合达极显著水平(r=0.9919,P<0.01);生态优势度与群落均匀度变化较平缓,但前者呈逐渐递减趋势,而后者呈微弱增长势头,说明沙化草地围封改良植被自然恢复过程中物种竞争激烈,系统恢复演替比较缓慢(图1B)。表2 不同围封年限植物群落结构变化Table2 Changesofconstructionofplantcommunitiesindifferentagesofenclosing围封年限Enclosingage1年1year4年4years7年7y

28、ears11年11years17年17years天然草地NaturalRangland植被盖度Coverage,%11.3 4.2a24.5 5.9a32.6 11.3a44.5 13.4b51.5 14.6b67.9 8.9c草层高度Height,cm15.8 5.3a20.3 6.9a25.3 6.2a28.2 5.4a27.7 5.9a36.4 6.1b株丛密度-2Density,ind. m33.0 16.3a96.9 32.6a355.2 243.8a654.7 258.7b834.1 312.3b1456.8 763.4c生物量BiomassDMg m-237.4 20.1a232

29、.6 115.3b168.9 77.4bc116.7 61.2c156.2 79.1c145.2 44.5c30cm根量30cmdepth-2Rootbiomass,DMg m40.1 26.9a251.7 101.4b348.3 156.7b310.8 148.1b325.4 92.3c612.3 169.7c注:表中列内数据后字母相同者为差异不显著,相异者为差异显著(P<0.05)Note:Meanswithdifferentletterswithinthesamecolumnaresignificantlydifferent(P<0.05)表3 植物群落结构特征值与时间关系回

30、归模型及相关分析Table3 Regressionmodelsandcorrelationanalysisbetweenthecharacteristicvaluesofcommunitystructureandtimeofenclosing群落特征值Characteristicvalue植被盖度Coverage(YC)草层高度Height(YH)株丛密度Density(YD)地上部生物量Abovegroundbiomass(YB)30cm土层根量30cmsoillayerrootbiomass(YR)回归模型RegressionmodelYC=0.0015X3-0.1034X2+2.9622

31、X+4.3182YH=8.1871Ln(X)+15.621YD=18.534e0.837XYB=29.217X3-284.37X2+830.21X-539.41YR=13.925X3-163.05X2+617.93X-431.64R20.76970.96260.93920.97510.9904P<0.01<0.01<0.01<0.01<0.01446草 地 学 报第16卷图1 不同围封年限群落物种丰富度(A),优势度、多样性及均匀度(B)变化Fig.1 Changesofrichness(A),dominance,diversity,andevenness(B)o

32、fcommunityspeciesindifferentagesofenclosing物群落相似性较大,物种数量几乎维持同等水平,但2.4 围封对沙化草地植物群落相似性的影响呼伦贝尔沙化草地,在围封后的植被自然恢复过程中,因封育年限不同,群落物种组成各异,因此群落间的相似性差异也比较大,其中围封17和11年、围封1和4年,群落相似系数最大,分别达到0.9630和0.7143(表4),说明围封前4年群落结构改善程度不明显;围封11与17年相比,尽管草地植前者杂类草成分多,群落稳定性差,而后者地带性干草原成分多,群落稳定性相对较好;与未沙化草地相比,沙化草地围封17年后,两者群落的相似性仍相差较大

33、,说明沙化草地经过17年的围封,植被发育仍未达到相对稳定水平,尤其是一年生植物的大量存在,表明地表裸露度仍然较大,沙化草地受到干扰后极易发生再度退化13。表4 不同围封年限植物群落相似性Table4 Similaritycoefficientsofplantcommunitiesindifferentagesofenclosing1年1year1年1year4年4years7年7years11年11years17年17years天然草地Naturalrangland1.00000.71430.45450.19350.18180.00874年4years1.00000.61540.28570.2

34、7030.07697年7years11年11years17年17years天然草地Naturalrangeland1.00000.65120.62220.19231.00000.96300.37681.00000.42251.00003 讨 论3.1 呼伦贝尔沙化草地围封后群落特征要素不同,增长方式各异,说明沙化草地围封后群落结构的变化既有规律性也存在复杂性,这可能与沙化草地恢复演替中多年生禾草和灌木类植物的消长有关,详细机理有待于进一步研究;3.2 由严重沙化草地恢复到潜在沙化草地植被水平,经过17年的围封,地上植被的群落结构仍不完善,一年生植物还占有较大比例,极易受外界干扰而再度沙化,说明

35、沙化草地围封后的植被近自然恢复是一个漫长的系统自我修复过程14;3.3 根据草地生态系统的可持续性原理,草地围封不应是无限期的。封育期过长,不但不利于牧草的正常生长和发育,反而枯草会抑制植物的再生和幼,15,16地围封一段时间后,进行适当利用,可使草地生态系统的能量流动和物质循环保持良性状态,进而保持草地生态系统平衡。封育时间的长短,应根据草地退化程度和草地恢复状况而定。就本研究而言,草地围封7年后,地上生物量和根量没有继续增加,反而减少。程积民(1998)等研究发现,适当刈割及放牧利用,不但不会给草地造成损害,相反能改良草地质量,刺激牧草分蘖,促进牧草再生16。因此,在本研究区,沙化草地围封

36、57年后,在牧草生长停止前2025d,进行适当割草或放牧利用,将有利于草地的尽快恢复。4 结 论4.1 围栏封育使沙化草地群落组成发生了规律性第5期吕世海等:呼伦贝尔沙化草地围封效应及生物多样性变化研究447逐渐降低,草地中一些原来消退的物种开始侵入,大针茅、羊草等建群种及一些适口性较好的优良牧草,所占比例逐渐增加,并逐渐占据优势地位,群落呈进展演替过程,并随着封育时间的延长,物种丰富度不断增加,群落结构逐渐趋于合理,生物多样性和群落均匀性不断增大,草地质量有了逐步改善;4.2 呼伦贝尔沙化草地围封17年植被的群落结构仍不完善,生态系统仍很脆弱;4.3 对沙化草地实施围栏封育不同年限后,草地植

37、被盖度、草层高度、株丛密度及生物量均有了不同程度的提高。呼伦贝尔沙化草地围封后植被在自然恢复演替过程中群落特征要素与围封时间具有显著的线性回归关系。参考文献1 MiddletonNJ,ThomasDSG.WorldAtlasofDesertification(2ndedition)M.London:EdwardAmold,1998.24-362 MeissnerRA,FacelliJM.EffectsofsheepexclusiononthesoilseedbankandannualvegetationinchenopodsshrublandsofsouthAustraliaJ.Journal

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