馬少薇, 郭建英, 藍(lán)登明, 李錦榮, 珊 丹, 趙杏花

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019; 2.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020)

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吳起縣不同退耕還林地群落恢復(fù)特征研究

馬少薇1, 郭建英2, 藍(lán)登明1, 李錦榮2, 珊 丹2, 趙杏花1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 草原與資源環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019; 2.水利部 牧區(qū)水利科學(xué)研究所, 呼和浩特 010020)

對(duì)陜西省吳起縣已退耕還林10年的7種退耕還林地的物種多樣性、生物量及其枯落物進(jìn)行了系統(tǒng)的調(diào)查研究，旨在探明不同退耕還林地類型的恢復(fù)情況和效果，為今后退耕還林工作中樹(shù)種選擇及合理配置提供理論依據(jù)。結(jié)果表明：吳起縣退耕還林10年后林下植被已趨于穩(wěn)定；沙棘×山杏混交林是吳起縣相對(duì)最為適合的混交林，有效的形成林草復(fù)合體系；不同退耕還林地群落的生物量具有明顯的差異，其中沙棘×山杏混交林的林下草本層生物量最高；除油松和山杏純林的枯落物生物量較小外，其他林地的枯落物生物量均大于天然草地。

退耕還林; 植物多樣性; 生物量; 群落演替

黃土丘陵區(qū)是世界上水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一，嚴(yán)重的水土流失使土地資源遭到破壞、土壤肥力和質(zhì)量下降，泥沙淤積河道引發(fā)洪水災(zāi)害，破壞地表植被，惡化生態(tài)環(huán)境，加劇土地和小氣候的干旱程度以及其他自然災(zāi)害的發(fā)生[1-2]。陜西省吳起縣從1998年開(kāi)始實(shí)施封山禁牧、退耕還林(草)，主要造林樹(shù)種有檸條(Caraganakorshinskii)、油松(Pinustabulaeformis)、沙棘(Hippophaerhamnoidessubsp.sinensis)、沙棘×山杏(Armeniacasibirica)、山杏、刺槐(Robiniapseudoacacia)×沙棘、刺槐。目前，吳起縣的林草覆蓋率由1997年的19.2%提高到62.9%，土地利用發(fā)生變化后，有關(guān)黃土丘陵區(qū)的研究主要是針對(duì)退耕還林工程建設(shè)的土壤理化性質(zhì)、土地利用覆蓋變化、生態(tài)效益評(píng)價(jià)及水土流失控制機(jī)理等方面的研究[3-10]，而關(guān)于退耕還林(草)后群落演替和植被多樣性的變化，尚缺乏定量分析和研究。本文以上述7個(gè)退耕還林地中林齡為10 a的不同樹(shù)種，和其林下植被為研究對(duì)象，研究其恢復(fù)情況、物種多樣性、生物量及其枯落物等，了解該地區(qū)群落的演替趨勢(shì)，從而為當(dāng)?shù)赝烁€林的人工植被配置結(jié)構(gòu)和可持續(xù)發(fā)展提供參考依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

吳起縣位于延安市西北部，地跨107°38′57″—108°32′49″E，36°33′33″—37°24′27″N，總土地面積3 791 km2。該地區(qū)屬典型的中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，冬季寒冷干燥，春季干旱多風(fēng)，夏季早澇相間，秋季溫涼濕潤(rùn)。年平均氣溫7.8℃，平均最低氣溫-7.7℃，平均最高氣溫21.5℃；極端最高氣溫37.1℃，極端最低氣溫-28.5℃。多年平均降水量478.3 mm，約62.4%的降水量集中在7—9月。年蒸發(fā)量891.23 mm，干燥度1.86。無(wú)霜期短，平均147 d；光照充足，多年平均日照時(shí)數(shù)2 370.7 h。干早、霜凍、冰雹、大風(fēng)、暴雨等自然災(zāi)害頻繁發(fā)生，極易出現(xiàn)一年數(shù)災(zāi)并發(fā)現(xiàn)象[6]。該縣地處溫帶草原地帶，地帶性植被以草本為主，主要的建群種為長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)和堿菀(Tripoliumvulgare)。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 植被組成特征調(diào)查 選取具有代表性的地段設(shè)立標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)樣地：選擇不同林種的退耕還林地作為固定試驗(yàn)樣地，農(nóng)耕地和天然草地作為對(duì)照樣地；選取具有代表性的林種：選擇立地類型基本相同，林齡為10 a的不同林種。每個(gè)樣地均調(diào)查3個(gè)樣方，樣方大小：?jiǎn)棠?0 m×20 m，灌木5 m×5 m，草本植物1 m×1 m。野外植被調(diào)查項(xiàng)目主要包括植物物種名稱、物種數(shù)量、植被蓋度、高度、密度、頻度等。選取的樣地群落特征見(jiàn)表1。

表1 群落基本特征

注：沙棘×山杏混交為隔行混交，刺槐×沙棘混交的喬冠比例為1∶2，阿爾泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)、賴草(Leymussecalinus)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、胡枝子(Lespedezabicolor)、紅柴胡(Bupleurumscorzonerifolium)、牻牛兒苗(Erodiumstephanianum)、早熟禾(Poaannua)、遠(yuǎn)志(Polygalatenuifolia)。

1.2.2 生物量調(diào)查 喬木層地上部分生物量的測(cè)定采用解析木法，灌木層和草本層的地上部分生物量測(cè)定采用全部收獲法[11]。分別稱其鮮重，計(jì)算1 hm2的鮮生物量，并帶回實(shí)驗(yàn)室將其置于80℃的烘箱24 h，稱重，求干鮮重比率，進(jìn)而推算1 hm2的干生物量。

喬木層、灌木層和草本層的地下部分生物量測(cè)量：分層挖取0—20，20—40，40—60 cm的土層，挑出各土層中的根系，稱重，計(jì)算1 hm2喬木根系的生物量，并求出干鮮重比率，進(jìn)而推算1 hm2的干生物量(方法同上)。

枯枝落葉層現(xiàn)存量測(cè)量：收集每個(gè)樣方的枯枝落葉，分別稱其重量，計(jì)算1 hm2枯枝落葉現(xiàn)存量，同時(shí)求干鮮重比率，進(jìn)而推算1 hm2枯枝落葉現(xiàn)存量干重(方法同上)。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理

(1) 物種重要值。根據(jù)所調(diào)查群落的特征數(shù)據(jù)，以相對(duì)密度(Di)、相對(duì)蓋度(Ci)和相對(duì)高度(Hi)計(jì)算其重要值(IV)[12]。具體公式：

(1)

式中：種i的相對(duì)密度Di=種i的個(gè)體數(shù)目/全部植物的個(gè)體數(shù)目×100；相對(duì)蓋度Ci=種i的蓋度/全部種的蓋度之和×100；相對(duì)高度Hi=種i的平均高度/全部種的平均高度之和×100；

(2) 植物群落物種多樣性指數(shù)。根據(jù)馬克平和白永飛等[13-14]對(duì)物種多樣性的研究成果，選取群落物種多樣性、均勻度、豐富度的3個(gè)多樣性指數(shù)對(duì)樣地群落的物種多樣性進(jìn)行分析，選取的指數(shù)有Shannon-Wiener物種多樣性指數(shù)；Pielou均勻度指數(shù)；Margalef豐富度指數(shù)。各指數(shù)計(jì)算公式：

Margalef 豐富度指數(shù)：

(2)

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)：

H=-∑(ni/N)ln(ni/N)

(3)

Pielou 均勻度指數(shù)

安徽古井貢酒股份有限公司總經(jīng)理周慶伍認(rèn)為，中國(guó)白酒行業(yè)正走向高質(zhì)量發(fā)展之路，消費(fèi)者為王的時(shí)代更要滿足人們?nèi)找嬖鲩L(zhǎng)的消費(fèi)需求，因此開(kāi)創(chuàng)黃淮流域核心白酒產(chǎn)區(qū)新時(shí)代勢(shì)在必行，對(duì)此，他提出了3點(diǎn)建議：首先，重構(gòu)“淡雅濃香，黃淮名酒”的區(qū)域概念，提高中原白酒的地位，如強(qiáng)化產(chǎn)區(qū)表達(dá)，以中高端白酒品牌拉動(dòng)區(qū)域白酒整體發(fā)展，并加大品牌概念的輸出；其次，構(gòu)建四省白酒技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，突出產(chǎn)區(qū)整體風(fēng)格和個(gè)性品味；再次，建立四省白酒戰(zhàn)略協(xié)同機(jī)制，“趁勢(shì)而上”加強(qiáng)競(jìng)合，“借勢(shì)發(fā)展”重創(chuàng)新，“順勢(shì)而為”謀轉(zhuǎn)型，最終“各美其美，美美與共”，助推行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

(4)

式中：S為群落中的總種數(shù)；ni為第i種的個(gè)體總數(shù)；N為觀察到的總個(gè)體數(shù)。

所有數(shù)據(jù)均采用Microsoft Excel 2010，SPSS 17.0軟件處理分析。采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD)分析不同退耕林地多樣性、人工林(灌)生物量、林下草本層生物量及枯落物的差異顯著性(α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同退耕還林地群落物種組成與重要值分析

由于退耕還林地主要以單優(yōu)樹(shù)種為主，除草本層外，灌木層和喬木層都是單層結(jié)構(gòu)，因此只針對(duì)林下植被進(jìn)行對(duì)比研究。林下植被對(duì)于促進(jìn)整個(gè)系統(tǒng)的物種多樣性，特別是人工林系統(tǒng)的多樣性顯得尤為重要。林下植被的優(yōu)勢(shì)種組成差異在一定程度上反映著群落的結(jié)構(gòu)多樣性特征[15]。采用重要值作為種群優(yōu)勢(shì)度指標(biāo)可以比較全面地反映植被不同的發(fā)育時(shí)期種群在群落中的功能地位和種群在群落中的分布格局[16]。

從表2中可以看出林地中草本植物種類相對(duì)較豐富，有32個(gè)種，其中優(yōu)勢(shì)種有：長(zhǎng)芒草、糙隱子草、阿爾泰狗娃花、早熟禾、賴草。偶見(jiàn)種為：南牡蒿、鴉蔥、火絨草。長(zhǎng)芒草、糙隱子草在不同的林地類型中均有分布，且與天然草地的重要值相近，說(shuō)明在退耕還林10 a左右，林下植被已趨于穩(wěn)定。早熟禾也是林下常見(jiàn)的植物，在沙棘林、刺槐×沙棘林、刺槐林、油松林下都有分布。天然草地中，不是以單優(yōu)種為建群種，而是由長(zhǎng)芒草和星毛委陵菜共同組成建群種，重要值分別為0.156和0.157。

表2 不同退耕還林地林下物種及其重要值

注：二裂委陵菜(Potentillabifurca)、菊葉委陵菜(Potentillatanacetifolia)、冰草(Agropyroncristatum)、蒲公英(Taraxacummongolicum)、冷蒿(Artemisiafrigida)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、草木樨狀黃耆(Astragalusmelilotoides)、香青蘭(Dracocephalummoldavica)、堿蒿(Artemisiaanethifolia)、龍膽(Gentianascabra)、麻花頭(Serratulacentauroides)、米口袋(Gueldenstaedtiavernasubsp.multiflora)、糙葉黃耆(Astragalusscaberrimus)、多裂委陵菜(Potentillamultifida)、地梢瓜(Cynanchumthesioides)、中華小苦荬(Ixeridiumchinense)、火絨草(Leontopodiumleontopodioides)、紫花地丁(Violaphilippica)、披堿草(Elymusdahuricus)、刺兒菜(Cirsiumsetosum)、鴉蔥(Scorzoneraaustriaca)、南牡蒿(Artemisiaeriopoda)。

2.2 不同退耕還林地林下物種的α多樣性分析

表3 不同退耕還林地林下物種多樣性指數(shù)

注：同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

從表3可以看出，不同退耕還林類型地林下草本植物群落中，Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)的變化趨勢(shì)基本一致，即天然草地>沙棘×山杏混交林>檸條林>沙棘林>刺槐林>油松林>山杏林>刺槐×沙棘混交林。方差分析表明，7種林地的Margalef指數(shù)均與天然草地均有顯著性差異，沙棘×山杏混交林的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與天然草地均無(wú)顯著性差異?？梢?jiàn)在吳起縣沙棘×山杏混交林是最適合的混交林，可以使生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益兼顧，其林下植被特征與天然草地相接近，有效的形成林草復(fù)合體系，對(duì)促進(jìn)植被的恢復(fù)效果佳；檸條是當(dāng)?shù)氐南蠕h植物，適應(yīng)性強(qiáng)，并且林下植被穩(wěn)定；沙棘雖然適應(yīng)性強(qiáng)，但其屬于一種克隆性植物，且克隆生長(zhǎng)較快，導(dǎo)致林分結(jié)構(gòu)較差，比較適用于混交，但與刺槐混交效果較差，林下植被較為單一，且以賴草為主，其促進(jìn)林下植被的恢復(fù)效果較差。

2.3 不同退耕還林地生物量研究

2.3.1 退耕還林地不同林種生物量對(duì)比 由表4和圖1可以看出，由于受林種本身的生物學(xué)特性的影響，不同植物群落生物量的積累具有明顯的差異，即檸條>刺槐>沙棘>刺槐×沙棘>沙棘×山杏>山杏>油松，方差分析結(jié)果表明，檸條的總生物量顯著高于其他林種類型，而油松的總生物量顯著低于其他林種類型。檸條生長(zhǎng)旺盛，根系特別發(fā)達(dá)，深可達(dá)十幾米深，根系生物量可達(dá)11 403.5 kg/hm2，約為地上部分的1.6倍，其他樹(shù)種的生物量均為地上部分大于地下部分?？梢?jiàn)檸條具有極強(qiáng)的抗旱性，同時(shí)發(fā)達(dá)的根系對(duì)改善土壤環(huán)境，減少水土流失具有重要作用。油松生長(zhǎng)緩慢，林齡10 a的油松生物量?jī)H為1 985.1 kg/hm2，因此應(yīng)該與生長(zhǎng)較快的灌木樹(shù)種混交，可解決因前期生長(zhǎng)緩慢而使地表裸露造成的水土流失。

表4 退耕還林地不同林種的生物量對(duì)比

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

圖1 不同退耕還林地林種的總生物量

2.3.2 林帶間草本層生物量對(duì)比 草本層是土壤表層的草本植物，它是阻止雨水引起的濺蝕、板結(jié)的最后屏障，它能有效消除經(jīng)喬木截留后雨滴最后的能量，并能阻留徑流的產(chǎn)生，防止徑流侵蝕。由表1可見(jiàn)，不同林地林帶間的草本群落差異較大，導(dǎo)致帶間草本層的生物量也變化較大。由表5可見(jiàn)，實(shí)施退耕還林10 a來(lái)，改善了當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，林下草本植物得到有效的恢復(fù)，沙棘×山杏混交林的林下草本層生物量最高，為1 178.0 kg/hm2，較接近于天然草地；而山杏純林的林帶間草本生物量最低，僅849.9 kg/hm2，約為天然草地的一半，顯著低于其他林地的草本生物量。

表5 不同退耕還林地林帶間草本生物量

注：同列不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

2.3.3 枯落物生物量測(cè)定 由于枯枝落葉層覆蓋地表，可以減少林地表層土壤水分的蒸發(fā)，并且枯枝落葉層的分解物增加了土壤養(yǎng)分，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了林地土壤貯水保水作用。從圖2可以看出，不同林種的退耕還林地內(nèi)，枯落物的積累不同，油松和山杏純林的枯落物生物量顯著低于其他林地的枯落物，其他均無(wú)顯著性差異。從趨勢(shì)來(lái)看，除油松和山杏純林外其他林地的枯落物生物量均大于天然草地，而山杏林地和油松林地的枯落物生物量不到天然草地的三分之一。很明顯通過(guò)合理的造林，可以提高林下的枯落物量和草本層的生物量，形成喬木—草本—枯落物、灌木—草本—枯落物的復(fù)合截留體系，使其截留量隨著林地年限的增加而逐漸增大。且枯落物增多，可有效地促進(jìn)雨水的下滲，減少地表徑流的產(chǎn)生，阻留和減緩了地表徑流的流速。并且枯枝落葉層的分解物增加了土壤養(yǎng)分，從而改善了土壤結(jié)構(gòu)，增加了林地土壤貯水保水作用。

注：不同字母表示差異顯著(p<0.05)。

圖2 不同退耕還林地林內(nèi)枯落物生物量

3 結(jié)論與討論

吳起縣退耕還林地的林齡為10 a，從林下草本植物的重要值變化情況來(lái)看，長(zhǎng)芒草、糙隱子草在不同的林地類型中均有分布，且與天然草地的重要值相近，說(shuō)明在退耕還林10 a左右，林下植被已趨于穩(wěn)定。不同造林類型地林下的草本植物群落中，沙棘×山杏混交林的Shannon-Wiener多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)與天然草地均無(wú)顯著性差異，可見(jiàn)沙棘×山杏混交林是吳起縣相對(duì)最為適合的混交林，可以使生態(tài)效益與經(jīng)濟(jì)效益兼顧，其林下植被特征與天然草地相接近，有效的形成林草復(fù)合體系，對(duì)促進(jìn)植被的恢復(fù)效果佳。林種之間的生物量由大到小的順序?yàn)椋簷帡l>刺槐>沙棘>刺槐×沙棘>沙棘×山杏>山杏>油松。其中檸條生長(zhǎng)旺盛，根系生物量約為地上部分的1.6倍，其他樹(shù)種的生物量均為地上部分大于地下部分；林下草本植物得到有效的恢復(fù)，沙棘×山杏混交林的林下草本層生物量最高，較接近于天然草地；而山杏純林的林帶間草本生物量最低，約為天然草地的一半。不同林種的退耕還林地內(nèi)枯落物的積累不同，且除油松和山杏純林的枯落物生物量較小外，其他林地的枯落物生物量均大于天然草地，其中沙棘林的枯落物生物量最大，而山杏林地不到天然草地的三分之一。

吳起縣退耕還林10 a后林下植被已趨于穩(wěn)定，但植被是否呈現(xiàn)正向演替趨勢(shì)，最終形成喬草或灌草結(jié)合的穩(wěn)定群落結(jié)構(gòu)，還有待于進(jìn)一步的觀測(cè)；從林下草本植物的重要值變化情況來(lái)看，賴草在沙棘×山杏混交林、刺槐×沙棘混交林的重要值都較大，且均大于0.8，是由林分結(jié)構(gòu)還是種間競(jìng)爭(zhēng)造成的，也有待于進(jìn)一步觀察研究。沙棘雖然適應(yīng)性強(qiáng)，但其屬于一種克隆性植物，且克隆生長(zhǎng)較快，導(dǎo)致林分結(jié)構(gòu)較差，比較適用于混交。經(jīng)科研人員對(duì)黃土高原地區(qū)的研究，沙棘與針葉樹(shù)種油松混交的效果較佳，也符合該地區(qū)地帶性植被的演替規(guī)律[21-23]。實(shí)施退耕還林過(guò)程中，樹(shù)種的選擇及其如何合理配置樹(shù)種至關(guān)重要，對(duì)當(dāng)?shù)卮嗳跎鷳B(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)效果及恢復(fù)時(shí)間有較大的影響。

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Study on Community Restoration Characteristics of Different Conversions of Croplands to Forestlands in Wuqi County

MA Shaowei1, GUO Jianying2, LAN Dengming1, LI Jinrong2, SHAN Dan2, ZHAO Xinghua1

(1.CollegeofGrassland,ResourcesandEnvironment,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China; 2.InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResources,Hohhot010020,China)

A systematic study was carried out in different types of lands with conversions of croplands to forestlands from species diversity, biomass and litter in Wuqi County of Shaanxi Province, aiming at discussing the restoration situation and effect of different types of lands. The results show that conversion of cropland to forest project promotes positive vegetation succession for 10 years.Hippophaerhamnoidessubsp.sinensis×Armeniacasibiricamixed forests is relatively suitable forest in Wuqi County, forming the combining system of forest and grass effectively. Community biomass of different restored lands has significant difference. And herbaceous biomass ofHippophaerhamnoidessubsp.sinensis×Armeniacasibiricamixed forests is the greatest. Except thatPinustabulaeformisandArmeniacasibiricapure forest have smaller litter biomass, litter biomass of other woodland is greater than the natural grassland. The conclusion will provide a theoretical basis for the reasonable selection and allocation of tree species in the project of returning cropland to forestland in the future.

conversion of cropland to forestland; plant diversity; biomass; community succession

2015-12-01

2016-01-06

國(guó)家自然科學(xué)基金“放牧強(qiáng)度對(duì)典型草原土—草—畜耦合界面水力侵蝕的影響機(jī)制”(41301302)

馬少薇(1992—),女,內(nèi)蒙古包頭人,博士研究生,主要從事植物多樣性保護(hù)與利用方面的研究。E-mail:mashaowei1992@163.com

藍(lán)登明(1961—),男,內(nèi)蒙古察右后旗人,教授,碩士,主要從事植物多樣性保護(hù)與利用方面的研究。E-mail:landengming@163.com

S718.54+2

A

1005-3409(2016)06-0204-06