曾明子，費(fèi)永俊，楊 敏，彭 強(qiáng)，龔亞?wèn)|，張佳穎 (長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院， 湖北 荊州 434025)

放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)荊江大堤護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)的影響

曾明子，費(fèi)永俊，楊 敏，彭 強(qiáng)，龔亞?wèn)|，張佳穎
(長(zhǎng)江大學(xué)園藝園林學(xué)院， 湖北 荊州 434025)

研究了放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)荊江大堤護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)的影響。結(jié)果表明，放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)草地生物多樣性Shannon-Wiener指數(shù)H和Simpson指數(shù)D影響顯著，但二者間無(wú)顯著差異；放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)草地地上生物量影響顯著，對(duì)10～20 cm地下生物量影響顯著，同時(shí)2種干擾類(lèi)型間也有顯著差異；放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)草產(chǎn)品價(jià)值、固定CO2價(jià)值、釋放O2價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)值影響顯著。

干擾；護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)；荊江大堤；生態(tài)價(jià)值

草地是我國(guó)陸地面積最大的生態(tài)系統(tǒng)類(lèi)，總面積3.9×108hm2，占全國(guó)國(guó)土面積的41%左右[1]。由于長(zhǎng)期的人為干擾，草地退化、沙化和鹽堿化日益較重，草地面積銳減，草地生態(tài)系統(tǒng)也受到很大影響。干擾是草地景觀異質(zhì)性的主要來(lái)源，干擾可分為人為干擾(如火燒、放牧、開(kāi)荒等)和自然干擾(如風(fēng)暴、病蟲(chóng)害、水災(zāi)等)，其中人為干擾的破壞性最大，后果也最嚴(yán)重[2]。由于荊江大堤地理位置比較特殊，受到放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾較為嚴(yán)重，導(dǎo)致護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生變化。因此，研究干擾對(duì)荊江大堤護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)的影響，對(duì)保護(hù)荊江大堤草地資源具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)置及取樣方法

調(diào)查工作在荊江大堤坡面進(jìn)行。測(cè)定時(shí)間為護(hù)坡植物生長(zhǎng)旺季(秋季)，選取的干擾類(lèi)型為放牧干擾、季節(jié)性淹水干擾和無(wú)干擾(對(duì)照)3種，分別各設(shè)定3個(gè)樣方(每個(gè)樣方1 m×1 m)，共計(jì)9個(gè)樣方。其中放牧強(qiáng)度以單位面積草地在一定時(shí)間內(nèi)放牧家畜的數(shù)量來(lái)計(jì)，荊江大堤淹水時(shí)間為9月～10月。

1.2 測(cè)定內(nèi)容與方法

(1)植被測(cè)定 在護(hù)坡植物生長(zhǎng)旺季(秋季)測(cè)定地上、地下生物量。地上生物量采用收割法，分別在3種干擾類(lèi)型區(qū)域內(nèi)各隨機(jī)選擇3個(gè)1 m×1 m的樣方，用剪刀齊地面剪下裝入紙袋，稱(chēng)量其鮮重后，在105 ℃恒溫烘箱內(nèi)烘干至恒重后稱(chēng)重。地下生物量在取過(guò)地上生物量的樣方內(nèi)再隨機(jī)選擇3個(gè)50 cm ×50 cm的二級(jí)樣方，垂直分0～10、10～20 cm和20～30 cm 3個(gè)層次，用鐵鏟和切刀分層取出，篩出草根沖冼干凈，在105 ℃恒溫烘箱內(nèi)烘干至恒重后稱(chēng)重。

(2)土壤測(cè)定 土壤速效氮磷鉀測(cè)定是在取地下生物量的同時(shí)，分層收回少量土壤樣品，105 ℃恒溫烘箱內(nèi)烘干后磨碎，分別用于測(cè)其速效N、P、K含量。土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀容量法-稀釋熱法；土壤速效氮用堿解擴(kuò)散法法；土壤速效磷采用碳酸氫鈉浸提-分光光度法法；土壤速效鉀的測(cè)定采用醋酸銨浸提-火焰光度法[3]；土壤pH的測(cè)定采用電位法。

(3)多樣性指數(shù)的測(cè)定 用Shannon-Wiener指數(shù)和Simpson指數(shù)來(lái)討論該群落的物種多樣性[4]。

Shannon-Wiener指數(shù)H=-∑PiInPi

Simpson指數(shù)D=1-∑Pi2

式中，H、D為多樣性指數(shù)；Pi=ni/N；ni為第i個(gè)種的個(gè)體數(shù)；N為所有種個(gè)體總數(shù)。

1.3 草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)評(píng)價(jià)的內(nèi)容與方法

(1)草產(chǎn)品價(jià)值評(píng)估 草產(chǎn)品是指畜產(chǎn)品和藥用植物等，主要為牧草資源，采用市場(chǎng)價(jià)值法來(lái)評(píng)估其價(jià)值。其公式[5]為：

FP=S·V·P

式中，F(xiàn)P為不同放牧強(qiáng)度草地生態(tài)系統(tǒng)牧草價(jià)值；S為不同放牧強(qiáng)度草地的分布面積；V為不同放牧強(qiáng)度單位面積牧草的生物量P為草地牧草的價(jià)值。

(2)固定CO2的價(jià)值評(píng)估 光和作用每形成1 g干物質(zhì)需要1.62 g CO2[6]。本研究采用中國(guó)造林成本260.90 ￥/tC和瑞典稅率150 US/tC來(lái)評(píng)價(jià)不同干擾形式對(duì)護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的價(jià)值[7]。

(3)釋放O2的價(jià)值評(píng)估 光和作用和呼吸作用每形成1 g干物質(zhì)釋放1.2 g O2。本研究采用中國(guó)造林成本352.93 ￥/tO2和氧氣工業(yè)成本0.4 ￥/kgO22種標(biāo)準(zhǔn)平均值來(lái)評(píng)價(jià)不同放牧強(qiáng)度草地生態(tài)系統(tǒng)釋放O2的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[7]。

(4)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的價(jià)值評(píng)估 基于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)功能的服務(wù)機(jī)制，可以認(rèn)為構(gòu)成草地凈初級(jí)生產(chǎn)力的營(yíng)養(yǎng)元素量即為參與循環(huán)的養(yǎng)分量。評(píng)價(jià)過(guò)程中，根據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的齊備程度選取N、P進(jìn)行評(píng)價(jià)。草地生態(tài)系統(tǒng)NPP計(jì)算中，以各類(lèi)草地生態(tài)系統(tǒng)干草產(chǎn)量測(cè)定數(shù)據(jù)作為其地上部分凈生產(chǎn)力[8]。根據(jù)植物體內(nèi)所含的氮、磷量可計(jì)算出不同干擾方式下護(hù)坡草地的N、P參與循環(huán)總量，并以我國(guó)平均化肥價(jià)格為2 549 ￥/t[9]估算其價(jià)值。

數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析采用Office Excel和SPSS軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同干擾下草地物種多樣性分析

從表1可以看出，無(wú)干擾下護(hù)坡草地植物多樣性指數(shù)(H、D)最高，其次為季節(jié)性淹水干擾，放牧干擾最低，H、D表現(xiàn)出基本一致的變化趨勢(shì)。無(wú)干擾土壤肥沃自然條件良好，植物生長(zhǎng)旺盛物種數(shù)量多，故多樣性值高于受干擾地域；季節(jié)性淹水干擾植物生長(zhǎng)也很良好，但由于季節(jié)性淹水帶來(lái)的干擾，因此Shannon-Wiener指數(shù)上只有1.16，小于無(wú)干擾2.09，但比放牧干擾0.95大。

表1 不同干擾類(lèi)型下草地物種多樣性指數(shù)Table 1 Species diversity index of different disturbance types of grassland

注：不同小寫(xiě)字母代表Plt;0.05的差異，不同大寫(xiě)字母代表Plt;0.01水平的差異，表2～5同。

2.2 不同干擾下草地生物量和土壤營(yíng)養(yǎng)成分分析

(1)不同干擾下護(hù)坡草地植物在生長(zhǎng)旺季的地上、地下部分生物量分析 由表2可知，無(wú)干擾樣方草地地上生物量最大，達(dá)到380.13 g/m2，與放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾樣方差異顯著，放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾間差異不顯著；由表3可知在0～10 cm土層和20～30 cm土層，不同干擾類(lèi)型間草地地下生物量差異不顯著，但是在10～20 cm土層，各干擾類(lèi)型兩兩間差異均顯著，這與不同樣方間標(biāo)準(zhǔn)差值較大有關(guān)，其中以無(wú)干擾類(lèi)型草地該土層的生物量最大，季節(jié)性淹水干擾類(lèi)型下該層生物量差異顯著，說(shuō)明季節(jié)性淹水對(duì)草地10～20 cm草地地下生物量影響較大，而放牧干擾對(duì)草地地下生物量影響較小，但是對(duì)草地地上生物量影響較大。

表2 不同干擾類(lèi)型下草地生物量的影響Table 2 Effect of different disturbance types on grassland biomass g/m2

(2)不同干擾方式對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響 由表3可知，不同干擾類(lèi)型下土壤pH值間差異均不顯著；土壤中速效N含量是無(wú)干擾地最高，不同干擾類(lèi)型兩兩間均存在顯著差異；土壤中速效P含量不同干擾類(lèi)型間均無(wú)顯著差異；土壤中速效K含量與放牧干擾類(lèi)型差異不顯著，但與無(wú)干擾類(lèi)型差異顯著；不同干擾類(lèi)型下土壤中有機(jī)質(zhì)含量間差異均不顯著。

表3 不同干擾類(lèi)型下草地土壤理化性質(zhì)分析Table 3 Analysis of grassland soil physiochemical properties under different disturbance types

2.3 不同干擾下草地生態(tài)服務(wù)功能價(jià)值影響分析

(1)草產(chǎn)品價(jià)值 從表2可知，放牧干擾、季節(jié)性淹水干擾、無(wú)干擾草地生態(tài)系統(tǒng)的凈生長(zhǎng)量分別為162.38、152.12、380.13 g/m2，取牧草的市場(chǎng)價(jià)值以500元/t，放牧干擾、季節(jié)性淹水干擾、無(wú)干擾3種干擾下草地生態(tài)系統(tǒng)的草產(chǎn)品價(jià)值分別為811.92、760.59、1900.67元/hm2。無(wú)干擾地草產(chǎn)品價(jià)值最高，與其他干擾類(lèi)型間差異顯著，但是放牧干擾與季節(jié)性淹水干擾間差異不顯著。

(2)固定CO2的價(jià)值 由表4可知，放牧干擾、季節(jié)性淹水干擾、無(wú)干擾下草地生態(tài)系統(tǒng)單位面積固定CO2的量分別為2.63、2.46、6.15 t/hm2，在本研究中，采用中國(guó)造林成本法估算3種干擾方式下草地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的價(jià)值分別為187.18、175.35、438.18元/(hm2·a)；用碳稅法估算，則3種干擾下草地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的價(jià)值分別為734.59、688.14、1719.64元/(hm2·a)；取兩種標(biāo)準(zhǔn)算法的平均值，則3種干擾下草地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的價(jià)值分別為460.88、431.75、1 078.91元/(hm2·a)。方差分析結(jié)果表明，無(wú)干擾樣方固定CO2價(jià)值最大，與其他干擾類(lèi)型間差異顯著，放牧干擾與季節(jié)性淹水干擾間差異不顯著。

表4 不同干擾類(lèi)型下草地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的量及其價(jià)值Table 4 Value of grassland ecosystem fixed CO2 under different disturbance types

(3)釋放O2的價(jià)值 根據(jù)光合作用反映的方程式和不同干擾下草地生態(tài)系統(tǒng)干物質(zhì)產(chǎn)量可以推算出不同干擾下護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)單位面積釋放O2的量，其中放牧干擾下為1.95 t/hm2，季節(jié)性淹水干擾下為1.83 t/hm2，無(wú)干擾下為4.56 t/hm2。本研究采用中國(guó)造林成本法估算3種干擾方式即放牧干擾、季節(jié)性淹水干擾、無(wú)干擾下草地生態(tài)系統(tǒng)釋放O2的價(jià)值分別為687.72、644.24、1 609.92元/(hm2·a)，使用工業(yè)制氧法估算3種干擾方式下草地生態(tài)系統(tǒng)釋放O2的價(jià)值分別為779.44、730.16、1 824.64元/(hm2·a)；取二者平均值，則3種干擾方式下草地生態(tài)系統(tǒng)釋放O2的價(jià)值分別為733.58、687.20、1 717.28元/(hm2·a)(表5)。方差分析結(jié)果表明，放牧干擾下草地生態(tài)系統(tǒng)釋放O2的價(jià)值和季節(jié)性淹水干擾差異不顯著，而無(wú)干擾與前兩種干擾類(lèi)型差異顯著，并且季節(jié)性淹水干擾對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)釋放O2量的影響比放牧干擾要大。

表5 不同干擾類(lèi)型下草地生態(tài)系統(tǒng)固定CO2的量及其價(jià)值Table 5 Value of grassland ecosystem fixed CO2 under different disturbance types

3 結(jié)論與討論

本研究結(jié)果表明，放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的多樣性指數(shù)影響明顯，無(wú)干擾草地的Shannon-Wiener指數(shù)H和Simpson指數(shù)D均與其他2種干擾類(lèi)型草地差異顯著，但是這2種干擾類(lèi)型間差異不顯著。

放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的生物量影響明顯，無(wú)干擾草地地上生物量與其他干擾類(lèi)型草地差異顯著。放牧可降低草地植物根系生長(zhǎng)量[10]，但也有研究表明放牧的影響不顯著[11]，甚至放牧還可以增加地下生物量[12]。本研究中，雖然無(wú)干擾地0～10 cm和20～30 cm地下生物量與其他干擾類(lèi)型間差異不顯著，但放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾對(duì)地下10～20 cm生物量影響較大，兩者間差異顯著，并均與無(wú)干擾地間差異顯著，且放牧干擾20～30 cm地下生物量值最高。

不同干擾對(duì)土壤pH影響不顯著，但是對(duì)土壤中所含速效N元素影響大，其中放牧干擾地土壤中所含速效N含量最大，季節(jié)性淹水干擾次之，無(wú)干擾地最低，結(jié)合地上生物量可知，無(wú)干擾地土壤中N元素都供應(yīng)給植物生長(zhǎng)所需，而放牧地含速效N含量最高，與荊江大堤上放牧干擾草地承載了牲畜有關(guān)，牲畜的糞尿排泄物進(jìn)入土壤中。這也說(shuō)明適度放牧有利于有機(jī)質(zhì)及氮元素的積累，控制載蓄量在草地承受范圍內(nèi)是保護(hù)草地的有效手段，這也與適牧對(duì)草地土壤系統(tǒng)不但沒(méi)有負(fù)面的影響，甚至還有積極的影響是相通的[13]。干擾對(duì)土壤中速效P元素和有機(jī)質(zhì)影響不顯著；季節(jié)性淹水干擾對(duì)土壤中速效K元素影響明顯，放牧干擾對(duì)速效K元素影響不顯著。

通過(guò)對(duì)干擾類(lèi)型4項(xiàng)價(jià)值(草產(chǎn)品價(jià)值、固定CO2價(jià)值，釋放O2價(jià)值和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)價(jià)值)的評(píng)價(jià)可知，放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾大大降低了草地生態(tài)的服務(wù)價(jià)值。根據(jù)本研究結(jié)果，可推出不同類(lèi)型的草地，在放牧干擾和季節(jié)性淹水干擾下，它們的生態(tài)服務(wù)功能也會(huì)出現(xiàn)一定程度的變化。

另外，需指出的是，在本研究中，由于戶外采集樣方集中在護(hù)坡草地植物生長(zhǎng)旺季(秋季)，未能全面反映植物生長(zhǎng)不同階段的情況，計(jì)算的結(jié)果可能存在偏差；同時(shí)，本文對(duì)于不同干擾下護(hù)坡草地生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)價(jià)值的價(jià)格僅僅根據(jù)生物量進(jìn)行了訂正，而單位面積草地生態(tài)系統(tǒng)的服務(wù)功能價(jià)值不僅取決于其生物量，還取決于其空間的位置，這需要今后做進(jìn)一步的研究。

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2010-08-21

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2006BAC18B04-1-1)；長(zhǎng)江大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)計(jì)劃(37)

曾明子(1987-)，女，湖北天門(mén)人，碩士研究生，研究方向?yàn)閳@林規(guī)劃設(shè)計(jì)與植物配置.

費(fèi)永俊，E-mail:fyj2010@163.com.

10.3969/j.issn.1673-1409(S).2010.04.005

Q948.1

A

1673-1409(2010)04-S015-04