李美君　杜慶　張克斌　　　　　　　劉小丹

(水土保持和荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)　　　(中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院)

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北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被數(shù)量波動(dòng)特征1)

——以寧夏鹽池縣為例

李美君杜慶張克斌劉小丹

(水土保持和荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(北京林業(yè)大學(xué))，北京，100083)(中國(guó)環(huán)境管理干部學(xué)院)

為了制定北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被恢復(fù)措施，以寧夏鹽池縣人工封育區(qū)為研究對(duì)象，調(diào)查了2010—2014年植被數(shù)量特征(蓋度、生物量、群落高度、密度)，利用北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被波動(dòng)測(cè)度公式進(jìn)行計(jì)算和分析。結(jié)果表明：(1)2010—2014年植被波動(dòng)率變化范圍是-0.109～0.200，整體波動(dòng)率的變化并不顯著，2012年的波動(dòng)率為-0.109，是調(diào)查期內(nèi)草地植被生長(zhǎng)狀況最差的年份，2010—2011年和2013—2014年呈現(xiàn)植被波動(dòng)可逆性；(2)降水是影響研究區(qū)草地植被數(shù)量波動(dòng)的重要生態(tài)因子，2010—2014年植被波動(dòng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)與降水趨勢(shì)大體一致，但是2012年植被波動(dòng)的異常現(xiàn)象可能是受到了生物結(jié)皮的影響。

北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶；人工封育；草地植被；數(shù)量波動(dòng)

In order to provide reference for the evaluation of the northern farming pastoral zone of grassland vegetation restoration measures, in the Yanchi County artificial enclosure, we investigated vegetation characteristic values including coverage, biomass, community height and density from 2010 to 2014 to calculate and analyze northern farming pastoral zone using the grassland vegetation fluctuation formula. In 2010-2014, vegetation fluctuation rate ranged in -0.109-0.200, and the overall fluctuation was not significant. The fluctuation rate in 2012 was -0.109 which was the worst year of grassland vegetation, and in 2010-2011 and 2013-2014 the vegetation fluctuations were reversible. The precipitation was an important factor to grassland vegetation quantitative fluctuation, the grassland vegetation fluctuation in 2010 to 2014 was consistent with early precipitation (April to June), but the abnormal phenomenon of vegetation fluctuation in 2012 might be affected by the biological crust.

植被波動(dòng)是植被動(dòng)態(tài)的一種表現(xiàn)形式，是植被動(dòng)態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容之一。很多學(xué)者對(duì)植被波動(dòng)作出了相關(guān)定義，Barkman[1]將植被波動(dòng)定義為在短時(shí)間或周期性的氣候或水分的影響下，植物群落數(shù)量特征值(如蓋度、生物量、群落密度等)出現(xiàn)逐年或逐季的變化。彭少麟[2]認(rèn)為植物群落的波動(dòng)是由不同群落復(fù)合生態(tài)因子逐年的變化引起群落在固有的季節(jié)性變化和逐年變化上的差異，它不改變?nèi)郝涞目傮w物種組成結(jié)構(gòu)和群落性質(zhì)。植被波動(dòng)可以充分反映出生態(tài)和非生態(tài)因子對(duì)植被群落的影響。由于影響植物生長(zhǎng)的溫度、降水等重要因子每年都發(fā)生變化，每年這種變化的差異性作用到植物生長(zhǎng)上就呈現(xiàn)出植被群落波動(dòng)。除生態(tài)因子的影響外，人為因素同樣會(huì)引起植被群落波動(dòng)，如果人為影響強(qiáng)度過大，會(huì)導(dǎo)致植物發(fā)生不可逆變化，就超出了波動(dòng)的范圍[2]。植物種的入侵也會(huì)引起植被群落波動(dòng)(草地群落尤為顯著)，入侵種與當(dāng)?shù)刂参锂a(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，致使植被群落的特征值(如蓋度、生物量、群落密度等)會(huì)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)。因此，研究植被群落波動(dòng)規(guī)律，揭示影響植被波動(dòng)的主要因子，對(duì)植被動(dòng)態(tài)學(xué)理論的發(fā)展以及草地植被經(jīng)營(yíng)管理都具有重要的意義[3]。

目前植被波動(dòng)的研究主要集中在類型和強(qiáng)度等方面，而我國(guó)對(duì)植被波動(dòng)的研究較少，且研究主要集中在南方的森林群落。草地植被(尤其是北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被)由于所處的地理位置特殊，生態(tài)環(huán)境脆弱，植被波動(dòng)等方面的相關(guān)研究較少[4-6]。彭少麟[2]在1993年構(gòu)建了森林強(qiáng)度的測(cè)定公式，推進(jìn)了我國(guó)森林植被動(dòng)態(tài)的研究，并為草地植被動(dòng)態(tài)研究奠定了理論基礎(chǔ)。李瑞等[3]、張克斌等[7]以寧夏鹽池縣為例，結(jié)合生態(tài)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)，構(gòu)建了中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被波動(dòng)強(qiáng)度公式。曹永翔等[8]對(duì)2003—2007年寧夏鹽池縣柳楊堡人工封育區(qū)草地進(jìn)行了波動(dòng)研究，結(jié)果表明：2003年研究區(qū)的草地植被生長(zhǎng)狀況最好，波動(dòng)率為0.622。程中秋等[9]采用專家權(quán)重法對(duì)天然草地進(jìn)行了植被波動(dòng)的相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)植被波動(dòng)曲線與降水量曲線波動(dòng)趨勢(shì)基本一致，認(rèn)為植被波動(dòng)曲線在一定程度上反應(yīng)植被的生長(zhǎng)狀況。蘇鵬飛等[10]對(duì)哈巴湖濕地的草地進(jìn)行了波動(dòng)相關(guān)研究，從數(shù)量特征上對(duì)草地植被特征進(jìn)行了揭示，更好地預(yù)測(cè)了草地未來動(dòng)態(tài)變化。

因此，本文結(jié)合寧夏鹽池荒漠化定位監(jiān)測(cè)的資料，采用中國(guó)北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被波動(dòng)強(qiáng)度公式，研究寧夏鹽池縣人工封育區(qū)2010—2014年的植被波動(dòng)情況，了解近5 a北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被的動(dòng)態(tài)變化，為北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被恢復(fù)措施的評(píng)價(jià)提供參考依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

鹽池縣位于寧夏的東部，毛烏素沙地南緣，地理坐標(biāo)為E106°30′～107°41′，N37°04′～38°10′。在地理位置上，鹽池縣屬于一個(gè)典型的過渡地帶(在地形上自南向北是由黃土高原向鄂爾多斯臺(tái)地(沙地)的過渡地帶)；在氣候上，是從半干旱區(qū)向干旱區(qū)的過渡地帶；在植被上，是從干草原向荒漠的過渡地帶；在資源利用上，是從農(nóng)區(qū)向牧區(qū)的過渡地帶。因此，這種地理位置上的過渡性決定了鹽池縣自然條件資源的多樣性和脆弱性的特征。

鹽池縣主要為剝蝕的準(zhǔn)平原地形，海拔為1 295～1 951 m。南部為黃土丘陵地貌單元，北部為鄂爾多斯緩坡丘陵地貌單元。鹽池縣屬于典型中溫帶大陸性氣候，冬冷夏熱、干旱少雨、風(fēng)沙大。鹽池縣近30 a平均氣溫為(8.10±0.66)℃，降水量(280.40±67.40)mm，在空間上，降水從南向北，由東到西遞減；在時(shí)間上，降水主要集中在7—9月，且春季降水偏少。全年主要風(fēng)向?yàn)楦稍锏奈黠L(fēng)和西北風(fēng)。土壤以灰鈣土為主要類型。植被類型為有灌叢、草原、草甸、沼澤、荒漠等。

2　研究方法

2.1樣地布設(shè)與調(diào)查

以毛烏素沙地西南緣的柳楊堡人工封育區(qū)委研究區(qū)，該研究區(qū)域自2002年以來實(shí)行完全封育措施，不受人類活動(dòng)(如放牧、樵采)的影響。本研究結(jié)合“國(guó)家荒漠化定位監(jiān)測(cè)”項(xiàng)目，根據(jù)當(dāng)?shù)刂饕恋乩?荒漠化)類型和主要荒漠化治理工程種類(人工封育區(qū))，遵循典型性、代表性和科學(xué)性的原則，采用GPS定位，設(shè)置固定樣地(100 m×100 m)。在樣地內(nèi)隨機(jī)布設(shè)1 m×1 m樣方，共設(shè)置20個(gè)樣方，分別在2010—2014年的7—8月進(jìn)行樣方調(diào)查。調(diào)查內(nèi)容包括：植物名稱、植物種數(shù)、株數(shù)、蓋度、群落高度、生物量和降水量等。

根據(jù)鹽城縣氣象資料，2010—2014年每年平均降水量分別為247.8、352.6、308.4、290.4、289.7 mm。

2.2數(shù)據(jù)處理

草地植被波動(dòng)強(qiáng)度計(jì)算的方法。根據(jù)草地植被生態(tài)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，借鑒有關(guān)專家的研究成果，構(gòu)建草地植被波動(dòng)強(qiáng)度模型，公式為：

式中：I為草地植被波動(dòng)強(qiáng)度；Ci為第i年草地植被的蓋度；Bi為第i年草地植被的生物量；Di為第i年草地植被的密度；Hi為第i年草地植被的群落高度；a、b、d、h分別為相應(yīng)的權(quán)重系數(shù)；r為觀測(cè)年限(本研究為5 a)。

植被特征值權(quán)重的確定。本文采用專家評(píng)定法來確定權(quán)重參數(shù)。選擇10位相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域的專家對(duì)本研究選取的植被特征值(蓋度、生物量、密度和群落高度)進(jìn)行權(quán)值評(píng)定。4個(gè)指標(biāo)權(quán)重之和為4。最終權(quán)重系數(shù)為10位專家分別評(píng)定的4種植被特征值的平均值(見表1)。

表1　北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶草地植被專家權(quán)重值

重要值。重要值是研究某個(gè)種在群落中的地位和作用的綜合數(shù)量指標(biāo)[11]。重要值是反映種群的大小、多少和分布狀況的綜合性指標(biāo)。具體計(jì)算方法如公式為[12]：A=(D+C+P+H)/4。式中：A為重要值；D為相對(duì)多度；C為相對(duì)蓋度；P為相對(duì)頻度；H為相對(duì)高度。

3　結(jié)果與分析

3.1鹽池人工封育區(qū)草地植被數(shù)量特征值波動(dòng)

由表2可知，研究區(qū)內(nèi)植被蓋度多年平均值為36.01%，植被蓋度最高的是2010年(46.05%)，2013年植被蓋度最低(28.05%)。2010—2013年，植被蓋度一直呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而2014年又開始增大。

2010—2014年，研究區(qū)內(nèi)植被生物量平均值為243.61 g·m-2。2012年的植被生物量最少(200.69 g·m-2)，2014年的植被生物量最多(319.18 g·m-2)。2010—2012年，植被生物量呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)，2012年以后，植被生物量逐漸增加。本文采用的植被生物量是20個(gè)樣方植被生物量的平均值，其值的大小受植被密度和高度的影響較大。

表2　鹽池縣人工封育區(qū)草地植被數(shù)量特征值

注：波動(dòng)率中“-”表示下降。

2010—2014年每年植被高度平均值分別為11.87、13.22、12.11、10.94、11.11 cm。植被平均高度為11.85 cm。植被高度在2011年達(dá)到較大值，最主要的原因是2011年的降水量為最大。本文植被高度系指樣方植被平均高度，能一定程度上反映植被生長(zhǎng)狀況，但影響較小，故專家權(quán)重值也較小，僅為0.27。

由表2可以看出，植被密度受外業(yè)調(diào)查前期降水的影響較大，2014年植被密度達(dá)到最大為159.45株/m2，這是因?yàn)樵?014年調(diào)查前期，研究區(qū)降水較為豐富，1年生植物大量生長(zhǎng)。

從年降水量調(diào)查結(jié)果中可以看出，2011年降水量最大，2012年降水量也較為豐富。而2011年植被密度達(dá)到最低值為69.68株/m2，這是因?yàn)樵?011年調(diào)查前期，研究區(qū)降水量最低，從降水量數(shù)據(jù)知道2010年降水量最低，植物生長(zhǎng)受到限制。2010年、2012年、2014年植被密度分別為95.05、130.00、159.45株/m2。

3.2鹽池人工封育區(qū)草地植被波動(dòng)率

植被波動(dòng)率代表植被波動(dòng)程度，能在一定程度上反映植被生長(zhǎng)狀況。植被波動(dòng)具有方向性，其植被波動(dòng)率可以分為正向波動(dòng)和負(fù)向波動(dòng)[1]。正向波動(dòng)是指植被逐年逐季的使植被群落結(jié)構(gòu)更優(yōu)化的波動(dòng)，即波動(dòng)后的植被群落結(jié)構(gòu)優(yōu)于波動(dòng)前的群落結(jié)構(gòu)。負(fù)向波動(dòng)與之相反，波動(dòng)后的群落結(jié)構(gòu)較波動(dòng)前的差。在這里，波動(dòng)率大于0的為正向波動(dòng)，波動(dòng)率小于0的為負(fù)向波動(dòng)。

從表2可知，研究區(qū)2010—2014年草地植被波動(dòng)率分別為0.059、-0.092、-0.109、-0.058、0.200。2010—2014年，整體波動(dòng)率的變化并不顯著。其中正向波動(dòng)以2014年最大，草地植被波動(dòng)率為0.200，其次為2010年，草地植被波動(dòng)率為0.059。負(fù)向植被波動(dòng)率最大值為-0.109，出現(xiàn)在2012年(對(duì)負(fù)向波動(dòng)的波動(dòng)率比較采用波動(dòng)率數(shù)量結(jié)果的絕對(duì)值)，其次為2011年，負(fù)向植被波動(dòng)率為-0.092。降水是影響半干旱區(qū)植被生長(zhǎng)的重要生態(tài)因子，對(duì)比表2和表3可知，調(diào)查期內(nèi)草地植被波動(dòng)趨勢(shì)與調(diào)查前期降水(4—6月)大體一致[13]。

表3　2010—2014年調(diào)查前期降水　mm

2014年草地植被正向波動(dòng)值最大，說明2014年是研究區(qū)近年來植被狀況較好的一年。2013—2014年，草地植被正向波動(dòng)值由小變大，表明草地植被的逐年波動(dòng)使草地植被群落結(jié)構(gòu)趨于優(yōu)化，2014年波動(dòng)后的草地植被群落結(jié)構(gòu)優(yōu)于2013年的草地植被群落結(jié)構(gòu)。負(fù)向波動(dòng)與之相反，2012年是研究區(qū)草地植被群落結(jié)構(gòu)負(fù)向波動(dòng)最大的一年，表明2012年是近年來草地植被群落結(jié)構(gòu)較差的一年。2011—2012年，草地植被負(fù)向波動(dòng)由-0.092變?yōu)?0.109，絕對(duì)值由小變大，表明2012年草地植被群落結(jié)構(gòu)比2011年的差。

4　結(jié)論和討論

研究區(qū)域2010—2014年植被波動(dòng)率變化范圍-0.109～0.200，整體波動(dòng)率的變化并不顯著。其中正向波動(dòng)以2014年最大，植被波動(dòng)率為0.200；負(fù)向波動(dòng)最大值出現(xiàn)在2012年，植被波動(dòng)率為-0.109，是調(diào)查期內(nèi)草地植被生長(zhǎng)狀況最差的年份。且2010—2011年和2013—2014年呈現(xiàn)植被波動(dòng)可逆性。

針對(duì)本研究區(qū)域植物種群，影響其波動(dòng)的重要生態(tài)因子為降水。2010—2014年植被波動(dòng)強(qiáng)度變化趨勢(shì)與調(diào)查前期降水(4—6月)大體一致。2012年植被波動(dòng)出現(xiàn)異?，F(xiàn)象的原因，可能是受到了生物結(jié)皮的影響。

本文所選研究區(qū)是鹽池縣柳楊堡鄉(xiāng)的人工封育示范區(qū)，研究其2010—2014年的草地植被波動(dòng)情況，與前人的研究相比較，在時(shí)間序列上進(jìn)行了延續(xù)，豐富了草地植被波動(dòng)在北方農(nóng)牧交錯(cuò)帶的相關(guān)研究?jī)?nèi)容。所選研究區(qū)從1996年開始封育，隨著封育年限增加，地表會(huì)出現(xiàn)生物結(jié)皮，且結(jié)皮的蓋度和厚度要高于封育年限短的區(qū)域[14]。張克斌等[15]對(duì)沙地生物結(jié)皮的研究，結(jié)果表明生物結(jié)皮蓋度與植被蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)。生物結(jié)皮的形成，阻礙了有效降水的入滲和植被對(duì)水分及肥料的吸收，同時(shí)也不利于植被的出苗，因此，會(huì)造成植被蓋度和生物量等指標(biāo)的降低。研究封育區(qū)草地植被時(shí)要考慮生物結(jié)皮的影響，生物結(jié)皮達(dá)到一定的蓋度和厚度時(shí)會(huì)與周邊植物產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)作用，影響植被的正常生長(zhǎng)，因此，需要對(duì)生物結(jié)皮進(jìn)行干擾。

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Grassland Vegetation Quantitative Fluctuation in the Northern Farming Pastoral Zone-A Case Study of Yanchi County//

Li Meijun, Du Qing, Zhang Kebin

(Key Laboratory of Soil and Water Conservation and Desertification Combating, Beijing Forestry University, Beijing 100083, P. R. China); Liu Xiaodan(Enviroment Management College of China)//Journal of Northeast Forestry University，2016,44(1)：48-51.

Northern farming pastoral zone; Artificial enclosure; Grassland vegetation; Quantitative fluctuation

S812.5