吳 庭,龍翠玲

(貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院,貴陽 550001)

不同人為干擾類型對城市近郊植物群落物種多樣性的影響
——以貴陽市花溪區(qū)為例

吳 庭,龍翠玲

(貴州師范大學 地理與環(huán)境科學學院,貴陽 550001)

研究了貴陽市花溪區(qū)大學城附近植物群落在火燒、道路、棄耕和砂石堆放等4種人為干擾類型對植物多樣性的影響。結(jié)果表明：物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均以棄耕地最高,其次為火燒跡地和道路干擾樣地,砂石堆放地物種豐富度和多樣性指數(shù)最低；均勻度指數(shù)以砂石堆放地最低,其余3種干擾類型樣地差別不大。棄耕地與火燒跡地的相似性指數(shù)最高,而棄耕地與砂石堆放地的相似性指數(shù)最低；經(jīng)過與土壤水分含量進行相關(guān)分析,豐富度和均勻度指數(shù)與土壤水分呈顯著正相關(guān),多樣性指數(shù)和生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)與土壤水分相關(guān)性不顯著。

人為干擾；植物多樣性；土壤水分；貴陽市

城市近郊區(qū)不同層級的森林是城市森林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,城市近郊森林生態(tài)系統(tǒng)處于銜接城市與農(nóng)村的過渡地帶,在城市生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的維護方面發(fā)揮著重要作用。隨著城市化的發(fā)展,全世界的景觀破碎化和生態(tài)環(huán)境破壞問題日趨嚴重,特別是城市周圍地區(qū)的景觀破碎化和植物受損程度尤其突出[1]。城市化被許多學者認為是改變自然環(huán)境、引起當?shù)卮蠖鄶?shù)物種快速減少和滅絕的最主要的驅(qū)動力之一[2]。城市化進程必然會對生態(tài)環(huán)境造成影響,致使城市及周邊郊區(qū)的植被分布格局發(fā)生改變。同時,當?shù)鼐用駥Χ嗖荼坏貐^(qū)的開發(fā)利用,或放牧或進行城市基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè),使原有穩(wěn)定條件下有利于喬、灌、草發(fā)育的生態(tài)環(huán)境發(fā)生很大變化,呈現(xiàn)出不同程度的生態(tài)退化現(xiàn)象[3]。因此,人類干擾作用下植物多樣性格局及其演變過程已經(jīng)受到了國內(nèi)外廣大學者的重視和關(guān)注,這已經(jīng)成為當前生態(tài)學研究的重點和熱點領(lǐng)域之一。近年來,有許多學者研究人為干擾對城市近郊植物多樣性的影響,但這些研究大多集中在城區(qū),而把城區(qū)、郊區(qū)和農(nóng)區(qū)結(jié)合起來同時進行研究的較少[4-5]。本文以貴陽市花溪區(qū)為例,把郊區(qū)和農(nóng)區(qū)作為一個整體,研究不同人為干擾類型對植物多樣性的影響,探尋郊區(qū)植物現(xiàn)狀以及植物多樣性的變化規(guī)律及原因,以期為城市近郊區(qū)的生物多樣性保護和退化喀斯特區(qū)植被恢復提供參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于貴州省中部的貴陽市花溪區(qū)(26°11′～26°34′N,106°27′～106°52′E),地處黔中高原盆地,最低海拔999m,最高海拔1 655.9m。屬亞熱帶季風性濕潤氣候,具有冬無嚴寒、夏無酷暑、雨量豐沛、氣候溫和、雨熱同期的特點。該區(qū)年平均氣溫為15.2℃,年降水量為1 178mm,年均太陽輻射時數(shù)為1 214.6h,空氣相對濕度為85%左右。主要成土母巖有碳酸鹽巖、紫色砂頁巖、砂巖、頁巖。自然土壤以硅鋁質(zhì)黃壤、黃色石灰土分布最廣,其次為硅質(zhì)黃壤、黑色石灰土和紫色土,硅鐵質(zhì)黃壤面積較少?；ㄏ獏^(qū)屬典型的中亞熱帶常綠闊葉林帶,主要森林植被類型有黔中山原濕潤性常綠櫟林、常綠落葉混交林及馬尾松林等。

2 研究方法

2.1 樣地調(diào)查

于2016年6月進行實地調(diào)查,在貴陽市花溪區(qū)大學城周邊選取4種干擾年限相近(棄耕地干擾、砂石堆放地干擾、道路干擾、火干擾)的典型地段分別設(shè)置3個10m×10m的樣地,在各樣地內(nèi)設(shè)置若干個1m×1m的小樣方,統(tǒng)計樣方內(nèi)喬木和灌草的種類、數(shù)量、高度、胸徑(或地徑)、蓋度等,并記錄坡度和坡向等數(shù)據(jù)。在各個樣地內(nèi)進行土壤樣品采集,由于研究樣地屬于典型的土層淺薄區(qū)域,故每個樣地內(nèi)隨機采集3個土層較厚的不同點的土樣混合,帶回實驗室進行土壤水分含量測試。

2.2 數(shù)據(jù)處理

選用4個常用的測度指標來進行物種多樣性計算,包括Margalef豐富度指數(shù)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù),并選用Jaccard相似性指數(shù)計算各干擾類型之間的相似性[6-10]。

1) Margalef豐富度指數(shù)(R1)

R1=(S-1)/log2N

2)Jaccard相似性指數(shù)(CJ)

Cj=j/(a+b-j)

3)Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(λ)

λ=∑ni(ni-1)/(N(N-1))

4)Shannon多樣性指數(shù)(H)

H=-∑Pilog2Pi

5)Pielou均勻度指數(shù)(J)

J=H/log2S

式中：S為物種數(shù),N為所有物種的個體數(shù)之和；Pi=ni/N為第i個物種的個體數(shù)ni占所有個體總數(shù)N的比例；a為群落A中所含的物種數(shù),b為群落B中所含的物種數(shù),j為群落A,B共有的物種數(shù)。

土壤水分測定采用恒溫烘干法,通?？梢酝ㄟ^把土樣放在電烘箱內(nèi)烘干(溫度控制在250℃左右),然后從土壤孔隙中測得釋放的水量作為土壤水分含量。圖表用Excel表格制作,相關(guān)分析采用SPSS16.0軟件進行。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同干擾類型樣地的物種組成

各干擾類型樣地中共記錄到植物138種,隸屬于43科110屬,以菊科、豆科、薔薇科、禾本科植物為主。樣地中主要的喬木樹種有月月青(Iteailicifolia)、刺槐(Robiniapseudoacaia)、女貞(Ligustrumlucidum)、鹽膚木(Rhuschinensis)、構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)、榛樹(Corylusheterophylla)、柘樹(Cudraniatricuspidata)、樸樹(Celtissinensispers)等；主要的灌木種有小果薔薇(RosacymosaTratt)、懸鉤子(Rubuscorchorifolius)、杭枝稍(Campylotropis)、馬桑(CoriarianepalensisWall.)、火棘(Pyracanthafortuneana)、老虎刺(Pterolobiumpunctatum)、莢蒾(Viburnumdilatatum)、菝契(SmilaxchinaL.)等；主要的草本種有竹葉草(Armgrass)、蔞蒿(Artemisia)、艾蒿(Artemisiaargyi)、白芒(Miscanthussinensis)、千里光(Senecioscandens)、針茅(Sipacapillata)、藎草(Amaurornisphoenicurus)等；主要的藤本植物有地瓜藤(Ficustikolla)、野葡萄(VitisamurensisRupr)、雞矢藤(Paederiascandens)、鵝絨藤(Cynanchumchinense)、崖豆藤(Millettiadielsiana)、蛇藤(Duchesneaindica)等。由此可知,由于人類干擾的加劇所導致的喬木稀少、灌木次之、草本為主的現(xiàn)狀,是該區(qū)域以草本和低矮藤刺灌木為主的原因。

3.2 各干擾類型樣地的物種多樣性

不同人為干擾類型的物種多樣性指數(shù)的變化情況如圖1所示,Margalef豐富度指數(shù)與Shannon多樣性指數(shù)的變化趨勢相似,其中道路干擾對2種多樣性指數(shù)的影響存在差異；而另外2種指數(shù)的變化趨勢則剛好相反,表現(xiàn)為生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)高,其均勻度指數(shù)則變低,以砂石堆放地干擾樣地最為明顯；棄耕地干擾和道路干擾2種類型樣地的物種豐富度最高,分別為6.979 6和5.183 3,火燒樣地次之,砂石堆放地干擾樣地最少,為4.113 8；棄耕地干擾樣地的Shannon 多樣性指數(shù)最高,為5.263 3,而道路干擾樣地的多樣性最低,為4.572 9；Simpson 指數(shù)以道路干擾樣地和砂石堆放樣地最高,火燒樣地次之,棄耕地樣地最低；Pielou均勻度指數(shù)以砂石堆放地最低,為0.708 7,其余3種干擾類型樣地差別不大。究其原因,由于干擾方式和干擾強度不同所造成生態(tài)環(huán)境的破壞程度出現(xiàn)差別,使得生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的小生境發(fā)生特殊性變化,而生境發(fā)生變化,則必然會造成區(qū)域內(nèi)物種組成、群落結(jié)構(gòu)、演替機制發(fā)生明顯變化。

圖1 各干擾類型的物種多樣性指數(shù)

3.3 各干擾類型植物的相似性

由于不同干擾程度所造成的環(huán)境條件不同,造成各樣地植物物種組成存在差異。由表1可知,棄耕地干擾類型和火燒跡地干擾類型之間的相似性指數(shù)最高,為0.411 2；棄耕地干擾類型與砂石堆放地干擾類型的相似性指數(shù)最低,為0.094 0。造成相似性指數(shù)高低的原因可能為：棄耕地干擾類型和火燒跡地干擾類型對生境的影響程度相當,而砂石堆放地干擾下的生境條件更加惡劣。在棄耕地干擾和火燒跡地干擾2個樣地區(qū)域,呈現(xiàn)的是土層相對較厚,有利于植被的生長發(fā)育；棄耕地干擾樣地喬木覆蓋度低,多為一年或者多年生草本,草本植物為該區(qū)域的主要組成種群；草本植物的種子和大量的無性繁殖萌生速度快,使得更新?lián)Q代速度快；加上2個區(qū)域都有過耕種的痕跡,所以原有種在這些區(qū)域繼續(xù)生長發(fā)育得到了有利的條件,因此植物物種相似度高。然而,砂石堆放地由于多為人類活動過程中搬運的水泥沙石為主,土層淺薄,形成土壤肥力低、保水能力差、生境惡劣的環(huán)境,沒有足夠肥力的土壤來滿足植物的萌發(fā),不利于植物的生長,導致這些區(qū)域植物物種稀少以及與其他干擾類型的植物物種多樣性相似程度低。

表1 各干擾類型Jaccard相似性指數(shù)

3.4 土壤水分對各干擾類型植物多樣性的影響

由表2可知,各干擾類型樣地表層土壤水分從高到低表現(xiàn)為火燒干擾>道路干擾>棄耕地干擾>砂石堆放干擾,土壤水分含量由高到低依次為24.5%,24.1%,20.33%,17.16%。土壤水分跟幾種多樣性指數(shù)的相關(guān)性系數(shù)存在很大的差別。其中,與豐富度指數(shù)和均勻度指數(shù)存在正相關(guān)關(guān)系,且相關(guān)性顯著；與多樣性指數(shù)和生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)存在負相關(guān)關(guān)系,但相關(guān)性不顯著。這與研究區(qū)域的統(tǒng)計結(jié)果所存在的規(guī)律是一致的,土壤水分含量越高,則物種就越豐富,物種數(shù)就越均勻,土壤水分含量越低,則物種種類就越少,均勻度也就越低。

表2 土壤水分與植物多樣性的相關(guān)性系數(shù)

4 結(jié)論與討論

1) 貴陽市花溪區(qū)大學城附近的植被類型主要以草本植物為主,灌木次之,高大喬木最為稀疏。在這些研究區(qū)域中Margalef豐富度指數(shù)以棄耕地干擾類型最高,其次為道路干擾類型、火燒跡地干擾類型,砂石堆放地干擾類型最低,Shannon多樣性指數(shù)以棄耕地最高,其次為砂石堆放地、火燒跡地,道路干擾類型最低,Simpson 生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)以道路干擾類型最高,其他2種干擾類型指數(shù)差別不大；Pielou均勻度指數(shù)以砂石堆放地最低,其余3種干擾類型均勻度系數(shù)很相近,原因可能是砂石堆放地受人為干擾最為劇烈,致使原生生境遭到嚴重破壞,不利于原生植物的生長,但少數(shù)適應(yīng)性強的物種能夠在此地大量繁殖,占據(jù)主導優(yōu)勢,因而均勻度低。其中,豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)在4種不同干擾類型中的變化規(guī)律與周光兵等[11]的研究結(jié)果存在差異,原因可能是不同研究區(qū)的生境條件、植被類型、干擾程度和土壤條件不同的緣故。植物群落的相似性與共有物種數(shù)成正比,這與李融等[12]的研究結(jié)果一致,群落的共有物種多,則相似性高。

2) 人為干擾導致土壤環(huán)境改變,對群落的更新、結(jié)構(gòu)組成等產(chǎn)生影響[13]?；ㄏ獏^(qū)大學城附近砂石堆放地干擾類型樣地內(nèi)物種比較單一、優(yōu)勢種類明顯、均勻度指數(shù)最低,主要是因為該地土層薄而松散,連續(xù)性差,水分含量較低的緣故[14]。在對土壤水分含量與植物多樣性的影響研究發(fā)現(xiàn)：土壤水分與豐富度和均勻度呈顯著正相關(guān),與多樣性指數(shù)和生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)呈現(xiàn)的相關(guān)性不顯著。原因則為土壤水分含量高的樣地,自然環(huán)境比較優(yōu)越,給植物種子萌發(fā)和生長提供了先決生存條件,有利于植物的更新與繁殖；土壤水分含量低的樣地,自然條件比較惡劣,沒有生存所必須的水分的支持,植物很難生存,僅僅適合一些耐旱植物的生長,如土層淺薄的砂石堆放樣地就生長著大量的針刺狀藤本植物。因此,土壤水分是退化喀斯特區(qū)植物生長的限制因子。

3) 貴陽市花溪區(qū)大學城近幾年呈現(xiàn)出前所未有的飛速發(fā)展狀態(tài),大量市政設(shè)施的建設(shè)使該區(qū)域景觀破碎化,區(qū)域內(nèi)植物多樣性被嚴重破壞,使城市近郊區(qū)植被系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性受到威脅。為了對該區(qū)域的生態(tài)環(huán)境進行有效保護,應(yīng)該采取一些切合實際的方法和措施來進行生態(tài)恢復和生物多樣性維持。首先,需要郊區(qū)鄉(xiāng)村制定行之有效的“放牧制度”和“割草制度”,如近年來采取的“禁牧、休牧、春季禁牧、返青期禁牧等”方式可以用來進行該區(qū)的草地修復。其次,研究區(qū)為喀斯特生態(tài)脆弱區(qū),在進行生物多樣性的保護和植被恢復時,切忌只引進單一物種,而要根據(jù)環(huán)境特性選取耐旱、喜鈣的多物種配置方式進行。再次,由于受干擾區(qū)域缺乏喬木樹種,生態(tài)系統(tǒng)恢復速度緩慢,應(yīng)適當種植喬木樹種來改善群落結(jié)構(gòu),利于森林生態(tài)系統(tǒng)的自然恢復和生態(tài)系統(tǒng)功能的穩(wěn)定。最后,需要政府管理部門的正確引導和公眾的積極參與,使建設(shè)中的花溪大學城成為風景優(yōu)美、氣候宜人、生態(tài)功能穩(wěn)定的城市新區(qū)。

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Effects of Human-induced Disturbances on Plant Diversity in Urban Suburbs —a Case Study of Huaxi Area in Guiyang,Guizhou Province

WU Ting,LONG Cuiling

(SchoolofGeographyandEnvironment,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China)

Characteristics of plant diversity of urban suburbs where such disturbances by human activities take place as farmland interference,road interference,engineering waste interference and fire interference were studied.The results showed that the species richness index and species diversity index of abandoned farmland were the highest,the second were road interference and fire interference types and the engineering waste interference was the lowest.Evenness index of engineering waste interference was the lowest and the three other types were not different obviously.The similarity indexes of abandoned farmland interference types and burned area interference type were the highest,but the similarity indexes of abandoned land and engineering waste interference land were the lowest.Correlation analysis with soil moisture content showed that soil moisture was positively correlated with richness index and evenness index,but not significantly correlated with diversity index and ecological dominance index.

human interference,plant diversity,soil moisture,Guiyang

2017-03-15；

2017-05-07

國家自然科學基金項目(31660107)；貴州省自然科學基金項目[黔科合J字(2012)2280號]

吳庭(1993-),男,貴州大方人,在讀碩士,主要從事自然地理學方面的研究。Email：1433437050@qq.com

龍翠玲(1973-),女,教授,博士,主要從事環(huán)境生態(tài)學研究。Email：longcuiling898@163.com

S718.54

A

1002-6622(2017)03-0075-05

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.015