王瑤, 錢金平, *, 董建新

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紅松洼自然保護(hù)區(qū)草地群落物種多樣性和土壤肥力與地上生物量的相關(guān)性研究

王瑤1, 錢金平1, *, 董建新2

1. 河北師范大學(xué)資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院, 石家莊 050000 2. 河北民族師范學(xué)院生物與食品科學(xué)學(xué)院, 承德 067000

物種多樣性與生物量之間的關(guān)系已經(jīng)成為現(xiàn)代生態(tài)學(xué)研究的重要問題, 而土壤肥力也是影響生物量的重要因素。文章以紅松洼自然保護(hù)區(qū)為例, 通過對紅松洼自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)植物的種類、數(shù)量、高度、蓋度、物候期的實(shí)地采樣調(diào)查, 以及對兩區(qū)土壤的含水量、有機(jī)質(zhì)含量、全氮含量、全磷含量的實(shí)地采樣調(diào)查, 系統(tǒng)地分析了紅松洼自然保護(hù)區(qū)植物物種多樣性、土壤肥力與草地地上生物量三者之間的相關(guān)性。結(jié)果表明, 草地群落植物物種多樣性與草地地上生物量呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 植物物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與草地地上生物量也呈顯著的正相關(guān)(＜0.05), 土壤肥力中土壤水分、土壤全氮含量與草地地上生物量之間并無顯著相關(guān)性(＞0.05), 但是與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著的正相關(guān)性(＜0.05), 與土壤全磷呈顯著的負(fù)相關(guān)性(＜0)。揭示可以通過提高植物物種多樣性和土壤有機(jī)質(zhì)含量來提高草地地上生物量。

物種多樣性; 地上生物量; 土壤肥力; 草原生產(chǎn)力; 相關(guān)性

1 前言

草原生態(tài)系統(tǒng)占陸地總面積的20%左右, 是當(dāng)前分布范圍最廣的植物類型[1]。草地植物群落的地上生物量是一種十分重要的草原生態(tài)系統(tǒng)功能[2]。出于科研目的和經(jīng)濟(jì)效益, 我們經(jīng)常對草地的地上生物量進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì), 從而更方便地維護(hù)草原植物群落的生態(tài)平衡。近年來, 草原受人為干擾退化嚴(yán)重, 草原生態(tài)安全問題已經(jīng)引起學(xué)者的重視, 其中關(guān)于生物量與生物多樣性的相關(guān)性研究層出不窮[3-6]。李中林等人認(rèn)為, 過度放牧導(dǎo)致草地植被蓋度減少, 生物多樣性喪失, 草地群落的高度、密度和地上生物量均降低[7]; 鄭偉等人認(rèn)為, 地上生物量與物種多樣性成單峰曲線關(guān)系, 即在中等生產(chǎn)力水平物種多樣性最高的觀點(diǎn)[8-9]; 白可喻等人認(rèn)為, 草地生物多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)與生物量之間呈極顯著的正相關(guān)關(guān)系, 即生物多樣性越高其生物量也越高, 而生物量與土壤水分相關(guān)性并不顯著, 與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤全氮含量呈顯著負(fù)相關(guān)[10]。還有一些國外學(xué)者認(rèn)為, 物種多樣性與生物量的關(guān)系表現(xiàn)為多種形式, 如單峰型、線性正相關(guān)、線性負(fù)相關(guān)、U型以及不相關(guān)關(guān)系[11]。

雖然學(xué)者們對物種多樣性或土壤肥力與生物量的相關(guān)性做了大量研究, 但卻主要集中在對其中兩者之間的比較, 同時(shí)探討三者間相關(guān)性的研究較少, 并且大都是針對不同區(qū)域大領(lǐng)域范圍的研究, 在同一區(qū)域不同利用方式下三者間的相關(guān)性研究較少。對于紅松洼國家級自然保護(hù)區(qū)來說, 由于草地利用方式不同, 導(dǎo)致物種多樣性和土壤肥力不同, 同樣也造成草地地上生物量發(fā)生顯著變化。為了更好地保持草原生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定和可持續(xù)發(fā)展, 保證草地地上生物量能長久保持在較高水平, 文章在前者的基礎(chǔ)上深入討論, 實(shí)地采集了2015年、2016年紅松洼地區(qū)物種多樣性數(shù)據(jù)、地上生物量數(shù)據(jù)、土壤肥力數(shù)據(jù), 構(gòu)建三者的關(guān)聯(lián)性, 并對保護(hù)區(qū)內(nèi)核心區(qū)、實(shí)驗(yàn)區(qū)三者的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行空間差異分析, 利用2015年和2016年的數(shù)據(jù)作對比, 分析不同利用方式下三者關(guān)系的時(shí)間演變格局, 在時(shí)間和空間上分析紅松洼自然保護(hù)區(qū)物種多樣性、土壤肥力與地上生物量之間的作用關(guān)系, 建立綜合相關(guān)性評價(jià)體系, 嘗試從物種多樣性和土壤肥力方面維護(hù)草地生態(tài)系統(tǒng)平衡,從而為保護(hù)各級自然保護(hù)區(qū)提供科學(xué)的依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 研究區(qū)自然概況

紅松洼自然保護(hù)區(qū)位于河北省圍場滿族蒙古族自治縣境內(nèi), 地理坐標(biāo)為N42°10′—N42°20′, E117°18′—117°35′, 總面積7300公頃, 是清代皇家獵苑木蘭圍場的一部分。1994年經(jīng)河北省人民政府批準(zhǔn)建立, 并于1998年晉升為國家級自然保護(hù)區(qū), 是一個(gè)以亞高山草甸為主要植被類型的自然保護(hù)區(qū), 屬于中溫型大陸季風(fēng)氣候, 冬季寒冷漫長, 夏季涼爽短暫, 晝夜溫差大, 積雪期長達(dá)7個(gè)月, 平均年降水量為450 mm—550 mm。主要以山地為主, 海拔在1600 m—1800 m之間。保護(hù)區(qū)內(nèi)有種子植物595 種, 藥用植物81 種, 觀賞植物60 多種, 物種多樣性豐富, 植被覆蓋度達(dá)到67.76%。土壤多為草甸土和山地黑土, 命名為紅松洼黑土, 土壤肥力肥沃, 腐殖質(zhì)含量為6.54%, 氮含量為0.294%, 磷含量為0.108%, 土壤pH值為6.5—6.9, 剖面30 cm以下有中量白色二氧化硅粉末。1 m以下出現(xiàn)大量銹紋銹斑(圖1)。

2.2 研究方法

2.2.1 群落調(diào)查和取樣方法

紅松洼自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)實(shí)施了圍欄封育的政策, 導(dǎo)致各區(qū)植物生長狀態(tài)發(fā)生改變。因此在紅松洼自然保護(hù)區(qū)的核心區(qū)和實(shí)驗(yàn)區(qū)各設(shè)置一個(gè)正南正北方向100 m×100 m的大樣方, 樣地選在較為平坦且無灌木的地方, 保持兩地的光照條件和地形情況相同, 核心區(qū)的大樣方記做H1, 實(shí)驗(yàn)區(qū)的大樣方記做H2, 用GPS機(jī)定位樣地坐標(biāo), 并記錄。之后在每個(gè)大樣方中設(shè)置25個(gè)1 m×1 m的小樣方, 樣方采取從東南角開始每隔20 m選取一個(gè)小樣方的平均取樣法, 并按Z字形排列, 以保證取樣的隨機(jī)性和記錄的方便性。在核心區(qū)將每個(gè)小樣方按照順序分別記做H1-1—H1-25, 在實(shí)驗(yàn)區(qū)記做H2-1—H2-25。在植物生長高峰期的7月和8月期間[12], 將小樣方內(nèi)地上植物齊地割下, 測定群落的種類組成和其特征值(數(shù)量、高度、蓋度、干重), 測量樣方中各種植物的地上生物量, 并記錄位置信息。

圖1 紅松洼國家級自然保護(hù)區(qū)遙感影像圖

土壤取樣是在小樣地中, 用土鉆鉆取每個(gè)小樣方地下0—30 cm深土樣, 并按照位置進(jìn)行標(biāo)記, 將土壤標(biāo)號后帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測。過篩后稱量濕重, 而后烘干(烘干采用放入恒溫80 ℃的烘干機(jī)中進(jìn)行烘干), 測量干重[12]。烘干后測定土壤的基本養(yǎng)分, 測量土壤的全磷、全氮、有機(jī)質(zhì)的含量。土壤全磷用鉬銻抗比色法[12], 土壤的全氮含量采用凱氏定氮法(Foss kjeltec 2300)測定[12], 土壤有機(jī)質(zhì)的測定選擇重鉻酸鉀法[13]。

2.2.2 物種多樣性測度測定方法

根據(jù)2014年國家環(huán)保部發(fā)布的《生物多樣性觀測技術(shù)導(dǎo)則—陸生維管植物》環(huán)境保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)公告, 該研究利用多樣性的測度方法。多樣性是指在棲息地或群落中的物種多樣性, 用以測度群落內(nèi)的物種多樣性。測度多樣性采用物種豐富度(物種數(shù)量)、辛普森(Simpson)指數(shù)、香農(nóng)—維納(Shannon- wiener)指數(shù)、皮洛(Pielou)均勻度指數(shù)和Margale指數(shù)[14]。

物種豐富度指數(shù):=(此時(shí)為總物種數(shù))

Simpson多樣性指數(shù)():

=1?∑(/)2

Shannon-wiener指數(shù)():

=-∑L∕ln(/)

Margalef指數(shù)():

=(-1)/ln

Pielou均勻度指數(shù)():

=/ln

式中,為Shannon-wiener指數(shù),為群落中的物種總數(shù)目,為觀察到的個(gè)體總數(shù),為第個(gè)物種所在樣方的物種數(shù)。

Simpson指數(shù)是測定物種多樣性的一個(gè)有力指標(biāo), 可以明確表示出物種的豐富度和物種的均勻度; Shannon指數(shù)用來表示群落多樣性的高低, 從而對比計(jì)算出數(shù)據(jù), 得出結(jié)論; Margelaf指數(shù)用來表示物種豐富度; Pielou均勻度指數(shù)用來表示物種分布的均勻程度。

2.2.3 分析方法

運(yùn)用Excel2007對所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸入和簡單運(yùn)算處理, 對于復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理如雙變量相關(guān)分析, 則采用spss16.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和統(tǒng)計(jì)。利用Pearson進(jìn)行相關(guān)性分析, 并通過雙尾進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同草類對草地生物量的貢獻(xiàn)

我們可以將草地按功能分類, 分別為牧草、雜草和藥用草。從整體上看, 三種草類物種數(shù)量核心區(qū)均多于實(shí)驗(yàn)區(qū), 對樣地內(nèi)草類進(jìn)行更細(xì)致的統(tǒng)計(jì)分析, 得出2015年核心區(qū)牧草為12 種、雜草15 種、藥用草28 種; 實(shí)驗(yàn)區(qū)牧草11 種、雜草9 種、藥用草22 種; 2016年核心區(qū)牧草10 種、雜草14 種、藥用草19 種;實(shí)驗(yàn)區(qū)牧草7 種、雜草12 種、藥用草18種。得出結(jié)論:核心區(qū)植物種類數(shù)量為藥用草＞雜草＞牧草;實(shí)驗(yàn)區(qū)植物種類數(shù)量在2015年為藥用草＞牧草＞雜草, 2016年為藥用草＞雜草＞牧草。藥用草無論在試驗(yàn)區(qū)還是在核心區(qū)種類都最多。

在空間位置上對不同草類的地上生物量做比較, 總體來看, 地上生物量核心區(qū)均大于實(shí)驗(yàn)區(qū), 2015年實(shí)驗(yàn)區(qū)比核心區(qū)低21.2%, 2016年實(shí)驗(yàn)區(qū)比核心區(qū)低68%, 而兩年核心區(qū)地上總生物量變化不明顯, 說明實(shí)驗(yàn)區(qū)的草地可能處于加速退化階段。牧草地上生物量在2015年實(shí)驗(yàn)區(qū)比核心區(qū)低64.8%, 在2016年實(shí)驗(yàn)區(qū)比核心區(qū)低53%, 總體上仍表現(xiàn)為實(shí)驗(yàn)區(qū)低于核心區(qū);雜草類地上生物量在2015年兩區(qū)的差距不大, 實(shí)驗(yàn)區(qū)較核心區(qū)低4%, 而在2016年實(shí)驗(yàn)區(qū)較核心區(qū)低75.3%, 可以看出實(shí)驗(yàn)區(qū)雜草類的退化情況嚴(yán)重;藥用植物地上生物量在2015年實(shí)驗(yàn)區(qū)較核心區(qū)低55%、在2016年實(shí)驗(yàn)區(qū)較核心區(qū)低2.3%(表1)。在該區(qū), 人類干擾主要包括公路建設(shè)、旅游開發(fā)、風(fēng)電開發(fā)建設(shè)、草地圍欄、放牧(全年放牧、冷季放牧、暖季放牧、春秋放牧)、采集等活動。上述人類干擾在一定程度上均會對草地種類和生物量產(chǎn)生影響, 其中對牧草影響最大的是放牧, 大量牦牛、羊的選擇性進(jìn)食導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)區(qū)草地地上生物量降低;對雜草影響最大的是旅游和風(fēng)電, 兩者會對土壤造成破壞, 降低土壤養(yǎng)分, 雜草無法汲取足夠的養(yǎng)分引起退化; 對藥用植物影響最大的是草地圍欄和采集, 由于并未對實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行圍欄封育, 當(dāng)?shù)鼐用瘛⒂慰蛯λ幱弥参锏倪x擇性采摘, 降低了實(shí)驗(yàn)區(qū)藥用植物的數(shù)量, 而核心區(qū)藥用植物數(shù)量的急劇下降是由于種間競爭引起的, 藥用植物競爭力較弱, 逐漸被牧草替代。

再對數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間上的對比。在核心區(qū), 2016年比2015年的各類草種數(shù)量都有所減少, 總干重也較2015年有所減少, 總地上生物量差異雖不太明顯, 但是雜草和藥用草類生物量減少, 而牧草類生物量較上年上升了227%(表1)。牧草種類雖然減少但是地上生物量卻呈上升趨勢, 主要是由于物種間的競爭效應(yīng)引起的, 優(yōu)勢種逐漸代替劣勢種, 說明牧草已經(jīng)成為核心區(qū)的優(yōu)勢種。在實(shí)驗(yàn)區(qū), 除牧草種以外, 2016年比2015年其他草類種數(shù)都有所下降, 其中雜草類數(shù)量和總干重差異最為顯著, 是由于旅游、科研、風(fēng)電開發(fā)等活動造成的破壞比放牧造成的破壞更為嚴(yán)重, 造成實(shí)驗(yàn)區(qū)牧草種逐漸替代雜草和藥用植物, 處于優(yōu)勢地位, 從總體上造成草地嚴(yán)重退化的后果。得出以下結(jié)論:由于實(shí)驗(yàn)區(qū)允許放牧、采摘、科研、旅游、風(fēng)電等活動進(jìn)行, 牛羊?qū)?yōu)良牧草的選擇性進(jìn)食, 人類對有利用價(jià)值的藥用草類有目的性采摘等, 都是造成實(shí)驗(yàn)區(qū)牧草地上生物量低于核心區(qū)的根本原因。而核心區(qū)由于圍欄封育, 對草原保護(hù)良好, 牧草的地上生物量不斷提高, 又由于在一定范圍內(nèi)物種的種間競爭, 造成牧草種逐步成為優(yōu)勢種, 而雜草和藥用植物成為劣勢種, 處于退化階段。

表1 不同利用方式下的地上生物量

圖2 地上生物量變化

綜上所述, 在核心區(qū)對地上生物量貢獻(xiàn)最多的物種是雜草類, 但是由于圍欄封育政策的實(shí)施, 核心區(qū)牧草種地上生物量呈現(xiàn)出逐年遞增的局面, 在未來牧草種將成為核心區(qū)的優(yōu)勢種, 提高草地地上生物量。在實(shí)驗(yàn)區(qū), 雜草類和藥用植物類都受到人類活動的影響, 地上生物量處于快速退化的階段, 而牧草種由于牛羊的進(jìn)食反而增加了它的生長速度, 整體來看變化不明顯, 處于輕微退化階段。

3.2 草地植物物種多樣性和土壤肥力

實(shí)驗(yàn)得出, 兩個(gè)樣方中核心區(qū)的植物物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均高于實(shí)驗(yàn)區(qū)(表2), 并且Simpson多樣性指數(shù)和Shannon-wiener多樣性指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)均呈正相關(guān)(＜0.05), Margalef指數(shù)與Pielou均勻度指數(shù)相關(guān)性不顯著(＞0.05)(表4), 說明在植物物種多樣性比較高的核心區(qū), 物種均勻度也較高, 兩者呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)性(＜0.05)。2015年核心區(qū)植被覆蓋率為66%, 實(shí)驗(yàn)區(qū)為45%;2016年核心區(qū)植被覆蓋率為65%, 實(shí)驗(yàn)區(qū)為32%。核心區(qū)的植被覆蓋率顯著高于實(shí)驗(yàn)區(qū), 也表明核心區(qū)的植物物種多樣性高于實(shí)驗(yàn)區(qū)。對兩年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 該結(jié)果主要是由人為干擾引起的。核心區(qū)草地嚴(yán)格實(shí)施圍欄封育策略, 實(shí)施禁牧、禁入、不允許開發(fā)風(fēng)電和旅游項(xiàng)目等措施, 使核心區(qū)草地受到良好的保護(hù);在實(shí)驗(yàn)區(qū)由于超載放牧、人為踐踏、車輪碾壓、實(shí)驗(yàn)科研、開發(fā)風(fēng)電旅游等活動, 造成實(shí)驗(yàn)區(qū)物種多樣性減少, 其多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)均顯著低于核心區(qū), 造成兩地的植被覆蓋率差異顯著。

本研究中, 土壤肥力主要是指土壤有機(jī)質(zhì)含量、土壤含水量、土壤全氮全磷含量。在紅松洼自然保護(hù)區(qū), 土壤肥力除了土壤全氮含量在2015年是H2＞H1以外, 其余均為H1＞H2。分析其原因, 土壤全氮主要是由植物根部的根瘤菌將空氣中的氮素固定到土壤中;土壤磷肥主要來源于生物的排泄物和生物遺體, 核心區(qū)物種數(shù)量多, 植株數(shù)量大, 動物排泄物和動植物在秋冬季節(jié)遺體數(shù)量均較多, 土壤中磷肥含量也隨之增加。由于核心區(qū)長期圍欄封育, 物種多樣性較高, 草類種類增多, 個(gè)體數(shù)量增加, 秋季枯物數(shù)量增加, 導(dǎo)致土壤有機(jī)質(zhì)含量增加。總體來說, 兩年土壤肥力H1＞H2。

表2 多樣性指數(shù)計(jì)算

表3 土壤肥力含量

3.3 草地物種多樣性與地上生物量之間的關(guān)系

草地地上生物量, 2015年核心區(qū)多于實(shí)驗(yàn)區(qū)1133.6388 kg·hm-2, 實(shí)驗(yàn)區(qū)占核心區(qū)的78.9%; 2016年核心區(qū)高于實(shí)驗(yàn)區(qū)3466.5536 kg·hm-2, 實(shí)驗(yàn)區(qū)僅占核心區(qū)的33.2%。而核心區(qū)兩年的地上生物量基本沒有變化, 保持在5200 kg·hm-2, 屬于較高生產(chǎn)力;實(shí)驗(yàn)區(qū)的地上生物量平均值為2900 kg·hm-2, 地上生物量相對較低, 且正處于退化階段(表2)。數(shù)據(jù)對比說明, 實(shí)驗(yàn)區(qū)的草場退化十分嚴(yán)重, 是亟待解決的草原生態(tài)問題。

對調(diào)查樣地的草地植物物種多樣性和草地地上生物量做Pearson相關(guān)性分析, 可以看出草地地上生物量與Simpson多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 草地地上生物量與Pielou均勻度指數(shù)呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 說明物種多樣性越豐富, 物種分布越均勻, 抵御外界干擾的能力越強(qiáng), 草原地上生物量越大, 草原生態(tài)系統(tǒng)越穩(wěn)定, 兩者呈線性正相關(guān)(表4)。

3.4 土壤肥力與草地地上生物量之間的關(guān)系

實(shí)驗(yàn)對土壤含水量、有機(jī)質(zhì)含量、土壤全氮、土壤全磷和地上生物量做Pearson相關(guān)性分析, 可以看出土壤有機(jī)質(zhì)與草原地上生物量呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 與土壤全氮、土壤含水量相關(guān)性不顯著(＞0.05), 與土壤全磷呈顯著的負(fù)相關(guān)(＜0), 全氮含量與全磷含量呈現(xiàn)出負(fù)的相關(guān)性(＜0)(表4)。說明地上生物量隨有機(jī)質(zhì)含量的增加而增加, 隨土壤全磷含量的增加而減少, 與土壤全氮、土壤含水量無顯著相關(guān)性。

對上述結(jié)果進(jìn)行分析, 在土壤有機(jī)質(zhì)含量方面, 核心區(qū)與實(shí)驗(yàn)區(qū)相比, 前者植物物種多樣性較大, 植物數(shù)量較多并且土壤有機(jī)質(zhì)99%來源于植被的腐殖質(zhì), 秋冬季植物腐殖質(zhì)較多, 包括各種植物殘?bào)w、微生物、動物殘?bào)w都會增加土壤有機(jī)質(zhì)含量從而增強(qiáng)土壤肥力;而在實(shí)驗(yàn)區(qū), 植被覆蓋度較低, 裸露的地表由于沒有草層覆蓋導(dǎo)致土壤肥力逐年降低, 土層破壞嚴(yán)重, 物種種類較為單一, 動植物殘?bào)w形成的土壤有機(jī)質(zhì)含量較少, 土壤肥力下降, 草地地上生物量也隨之下降, 從而形成一個(gè)惡性循環(huán)系統(tǒng), 所以土壤有機(jī)質(zhì)含量與草地地上生物量呈顯著正相關(guān)。在土壤含水量方面, 本實(shí)驗(yàn)結(jié)果與一些學(xué)者研究相符[11], 我認(rèn)為這一結(jié)果是片面的, 該結(jié)論在同一地塊成立, 在不同地塊應(yīng)相反。在紅松洼自然保護(hù)區(qū)H1、H2兩地地理位置靠近, 土壤含水量差別不大, 屬于同一地塊, 所以在本研究中土壤含水量與草地地上生物量之間并無相關(guān)性。在土壤全氮含量方面, 雖然核心區(qū)固氮作用較大, 但是植物生長消耗的氮素也多, 因此與草地地上生物量之間的相關(guān)性不顯著。在土壤全磷含量方面, 物種對于磷肥的吸收越多, 物種多樣性越豐富, 反而導(dǎo)致土壤含磷量減少, 形成顯著負(fù)相關(guān)性(＜0)。

表4 地物種多樣性與土壤肥力和草地地上生物量的皮爾森(Pearson)相關(guān)性分析

注:: Simpson多樣性指數(shù);: Shannon-wiener指數(shù);: Margalef指數(shù);: Pielou均勻度指數(shù);: 地上生物量;: 土壤全磷;: 土壤全氮;: 土壤有機(jī)質(zhì);: 土壤含水量; *<0.05。

4 討論

經(jīng)過對物種重要值分析, 計(jì)算出核心區(qū)優(yōu)勢種為: 寬葉蒿()、細(xì)葉苔草()、裂葉蒿()、硬質(zhì)早熟禾()、直穗鵝觀草()、山巖黃芪()、地榆()、小黃花菜()、無芒雀麥();實(shí)驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢種為: 細(xì)葉苔草()、硬質(zhì)早熟禾()、珠芽蓼()、裂葉蒿()、寬葉蒿()、地榆()、越桔柳()、毛茛()、柳葉蒿()。其中, 雖然雜草對地上生物量貢獻(xiàn)最大, 但是雜草卻處于退化階段, 未來將會被牧草替代。但在整體上并不影響物種多樣性與地上生物量之間的正相關(guān)性。實(shí)驗(yàn)區(qū)生態(tài)環(huán)境遭受破壞嚴(yán)重, 土壤肥力退化, 造成物種多樣性減少, 草原地上生物量降低。

對植物物種多樣性、土壤肥力與地上生物量的相關(guān)性分析研究, 不僅從空間上對比兩塊樣地利用方式不同所造成的差異, 還從時(shí)間上討論了兩地植物物種多樣性與草原地上生物量的發(fā)展趨勢, 從三維空間分析了二者之間的相關(guān)性。本研究表明, 物種多樣性與地上生物量之間存在顯著正相關(guān)關(guān)系(＜0.05), 說明物種多樣性與植物分布的均勻度成正比, 與王長亭(2004)[12]、Aarssen L.W(2004)[22]等人的研究結(jié)果一致, 而與鄭偉、董全民(2013)[9]等人研究生物量與物種多樣性成單峰曲線關(guān)系的結(jié)果不一致。對土壤肥力與草地地上生物量進(jìn)行多方位分析, 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 草地地上生物量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 與李亞娟(2016)[25]等人的地上生物量與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)的結(jié)果一致; 與土壤全磷呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0), 由于植物對磷肥的吸收作用, 隨著植物數(shù)量增多土壤磷肥含量減少。這與左小安(2007)[18]等人的研究結(jié)果相違背, 草地地上生物量與土壤肥力之間并不是簡單的線性關(guān)系。

本研究結(jié)論只考慮了影響生物量的植物物種多樣性、土壤肥力兩個(gè)因素。除此以外, 草原地上生物量還與其他諸多因素如氣候、人類干擾等密切相關(guān), 還有待進(jìn)一步研究。

5 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)研究得出以下結(jié)論: 1、雜草類對草地地上生物量的貢獻(xiàn)值最大, 但目前處于退化階段; 其次是牧草的地上生物量, 并且牧草的地上生物量處于上升階段;藥用植物對草地地上生物量的貢獻(xiàn)最小。2、核心區(qū)的優(yōu)勢種有寬葉蒿、細(xì)葉苔草、裂葉蒿、硬質(zhì)早熟禾、直穗鵝觀草、山巖黃芪、地榆、小黃花菜、無芒雀麥;實(shí)驗(yàn)區(qū)優(yōu)勢種為細(xì)葉苔草、硬質(zhì)早熟禾、珠芽蓼、裂葉蒿、寬葉蒿、地榆、越桔柳、毛茛、柳葉蒿。兩區(qū)優(yōu)勢種稍有不同, 但數(shù)量差異顯著。3、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener指數(shù)、Margalef指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)均是核心區(qū)＞實(shí)驗(yàn)區(qū)。土壤有機(jī)質(zhì)含量核心區(qū)＞實(shí)驗(yàn)區(qū), 并且核心區(qū)呈逐年減少, 實(shí)驗(yàn)區(qū)呈逐年增多的趨勢;土壤全氮含量、土壤全磷含量均為核心區(qū)＞實(shí)驗(yàn)區(qū), 但兩者與地上生物量關(guān)系不大。4、Simpson多樣性指數(shù)、Shannon-wiener指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均呈現(xiàn)顯著正相關(guān)(＜0.05); Simpson多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)均與地上生物量成顯著正相關(guān)(＜0.05)。說明草地地上生物量受草原植物物種多樣性與植物物種分布均勻度的直接影響, 呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。5、草原地上生物量與土壤有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)(＜0.05), 與土壤全磷呈顯著負(fù)相關(guān)(＜0), 與土壤含水量和土壤全氮相關(guān)性不顯著(＞0.05), 表明土壤有機(jī)質(zhì)含量增加有利于草類植物生長, 土壤磷肥與草原地上生物量成逆向增長模式, 本研究中草原地上生物量與土壤含水量和全氮含量無明顯關(guān)系。因此, 在一定范圍內(nèi), 相同氣候條件下, 植物物種多樣性越高、土壤有機(jī)質(zhì)含量越高, 草地地上生物量越高。我們在提高生物量時(shí)應(yīng)著重從物種多樣性和土壤有機(jī)質(zhì)方面入手, 通過人工干擾(例如禁牧、規(guī)劃放牧、種植牧草、人工施肥等措施), 在物種較稀少地區(qū)人工提高物種豐富度, 通過最大化植物物種多樣性來提高草地地上生物量, 或者在植被植物多樣性較弱地區(qū)實(shí)施人工增加土壤有機(jī)質(zhì)肥, 從而達(dá)到提升產(chǎn)量的效果。提高草原生態(tài)平衡能力, 還要注意防止其他物種入侵引起的影響。綜上所述, 只有植物均勻分布且植物物種多樣性、土壤有機(jī)質(zhì)均保持在較高水平, 才能保持草地地上生物量的較高水平。

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The grass species diversity and soil fertility research of biomass on the ground of Hongsongwa Nature Reserve

WANG Yao1, QIAN Jinping1, *, DONG Jianxin2

1. Resources and EnvironmentalScience of Hebei Normal University, Shijiazhuang 050000, China 2.College of Biology and Food ScienceofHebei Normal University, Chengde 067000, China

The relationship between biodiversity and biomass has become an important problem in modern ecology research. Plant growth and development are related with soil factors. We took Hongsongwa Nature Reserve as an example, to investigatethe relationship by analyzing the plant species, quantity, height, and coverage, as well as the parameters including soil water content, organic matter content, total nitrogen, and total phosphorus content. The results showed that species diversity and above biomass of grassland were significantly and positively correlated (< 0.05); the grass species diversity index and evennessindex and above biomass of grassland also were significantly and positively correlated (< 0.05). Soilmoisture and soil total nitrogen content were not related with the above biomass of grassland (> 0.05), positively related with the soil organic matter content (< 0.05), but negatively related with soil total phosphorus (< 0). The biomass of grassland can be increased by increasing species diversity and soil organic mattercontent.

species diversity; ground biomass; soil fertility; grassland productivity; correlation

10.14108/j.cnki.1008-8873.2018.06.004

Q178

A

1008-8873(2018)06-030-08

2017-01-20;

2018-01-09

國家環(huán)保部關(guān)于紅松洼自然保護(hù)區(qū)生物多樣性調(diào)查(005049); 河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目: 太行山森林植被變化水文生態(tài)效應(yīng)研究(D2013205187); 河北省承德市財(cái)政局資助項(xiàng)目(CZ3013003)

王瑤(1993—) , 女, 河北邯鄲人, 碩士, 主要從事草原生態(tài)環(huán)境、資源與環(huán)境影響評價(jià)研究, E-mail:793496049@qq.com

錢金平, 男, 碩士, 教授, 主要從事區(qū)域資源開發(fā)利用規(guī)劃生態(tài)環(huán)境保護(hù)的研究, E-mail: 793496049@qq.com

王瑤, 錢金平, 董建新. 紅松洼自然保護(hù)區(qū)草地群落物種多樣性和土壤肥力與地上生物量的相關(guān)性研究[J]. 生態(tài)科學(xué), 2018, 37(6): 30-37.

WANG Yao, QIAN Jinping, DONG Jianxin. The grass species diversity and soil fertility research of biomass on the ground of Hongsongwa Nature Reserve[J]. Ecological Science, 2018, 37(6): 30-37.