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        重慶市郊不同棄耕年限旱地植物群落變化特征

        2021-11-10 02:50:44鄭明銘李笑寒黃力楊圣賀胡四維楊永川
        關(guān)鍵詞:植物多樣性

        鄭明銘 李笑寒 黃力 楊圣賀 胡四維 楊永川

        摘要:以重慶近郊區(qū)耕作旱地和3種不同棄耕年限的旱地為研究對(duì)象,采用空間代替時(shí)間的方法,對(duì)其植物群落的物種組成進(jìn)行調(diào)查并分析棄耕后物種組成與群落類型的動(dòng)態(tài)變化,以及植物多樣性的變化趨勢(shì)。結(jié)果發(fā)現(xiàn),春秋兩季共記錄了維管植物39科90屬99種;在TWINSPAN分類的二級(jí)水平上可以將耕作旱地、棄耕早期和棄耕晚期旱地分離,隨著棄耕年限的增加,植物群落的優(yōu)勢(shì)生活型由一年生植物逐漸過(guò)渡到多年生植物,木本植物開始成為優(yōu)勢(shì)種;植物多樣性在棄耕早期到中期階段逐漸升高,但在棄耕后期呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。

        關(guān)鍵詞:重慶近郊區(qū);棄耕旱地;群落調(diào)查;植物多樣性

        中圖分類號(hào):Q14文獻(xiàn)標(biāo)志碼:ADOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2021.02.013

        VariationcharacteristicsofplantcommunitiesatabandonedfarmlandsofdifferentagesintheChongqingsuburbanarea

        ZHENGMingming,LIXiaohan,HUANGLi,YANGShenghe,HUSiwei,YANGYongchuan

        (KeyLaboratoryoftheThreeGorgesReservoirRegionsEco-Environment(MinistryofEducation),ChongqingUniversity,Chongqing400045,China)

        Abstract:Inthisstudy,weinvestigatedtheplantspeciescompositionofthreetypesofabandonedfarmlandandcomparedwithcultivatedfarmlandintheChongqingsuburbanarea.Weanalyzeddynamicchangesinspeciescompositionandcommunitytypeaswellastrendsinplantdiversity.Theresultsshowedthatatotalof99species,90genera,and39familieswererecordedinthespringandautumn.AtthesecondleveloftheTWINSPANclassification,thecultivatedfarmland,earlyabandonedfarmland,andlateabandonedfarmlandcouldallbedistinguished.Asthenumberofyearssinceabandonmentofthefarmlandincreased,thedominantlifeformoftheplantcommunitygraduallytransitionedfromannualtoperennial,andwoodyplantsbegantobecomethedominantspecies.Plantdiversitygraduallyincreasedfromtheearlytomiddlestageofabandonment,butdeclinedduringthelaterstage.

        Keywords:Chongqingsuburbanarea;abandonedfarmland;communityinvestigation;plantdiversity

        0引言

        農(nóng)田植物群落是農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,是在長(zhǎng)期高強(qiáng)度人為干擾下演化而來(lái)的一類結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、物種組成特殊的群落類型,在防止土壤侵蝕、促進(jìn)養(yǎng)分積累與循環(huán)、凈化環(huán)境和調(diào)節(jié)農(nóng)田小氣候等生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能方面發(fā)揮著重要作用[1-4]。在快速城鎮(zhèn)化和工業(yè)化發(fā)展背景下,大量農(nóng)村勞動(dòng)力流向城市,農(nóng)田棄耕現(xiàn)象日益嚴(yán)重。近年來(lái),農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)和農(nóng)業(yè)景觀在農(nóng)村地區(qū)生物多樣性保護(hù)中的功能,以及農(nóng)田棄耕后植物群落變化趨勢(shì)和內(nèi)在驅(qū)動(dòng)因素的研究日益受到關(guān)注和重視[5-8]。

        土地棄耕對(duì)生物多樣性的影響是復(fù)雜的,在不同地區(qū)和不同分類群之間可能會(huì)有所不同,并且受歷史農(nóng)業(yè)活動(dòng)的影響[9]。在日本的某些地區(qū),農(nóng)田長(zhǎng)期棄耕會(huì)導(dǎo)致大量傳統(tǒng)農(nóng)田植物消失,農(nóng)田生境甚至?xí)蔀椴糠痔赜修r(nóng)田植物和受威脅物種的棲息地[10-11]。此外,隨著農(nóng)田的棄耕,人類的選擇與干擾強(qiáng)度和頻度逐漸減少,農(nóng)田植物群落內(nèi)原有的競(jìng)爭(zhēng)平衡被打破,導(dǎo)致農(nóng)田植物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生相應(yīng)的變化[12-13]。在自然演替的情況下,農(nóng)田棄耕后期植物群落會(huì)經(jīng)歷草本植物群落、灌叢植物群落和喬木群落等不同階段,在喬木群落階段達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),一般歷時(shí)50年左右[14]。鄂爾多斯高原棄耕農(nóng)田植物群落最終向地帶性植被演替[15],豫西丘陵坡地棄耕農(nóng)田群落演替緩慢,演替系列不明顯[16],西北鹽漬化棄耕地群落結(jié)構(gòu)趨向于單一化[17-18]。這些研究結(jié)果表明農(nóng)田植物群落的演替過(guò)程受到當(dāng)?shù)刂参锓N源、土壤種子庫(kù)、氣候條件和人為干擾強(qiáng)度等因素的影響,因而在不同的地區(qū)可能呈現(xiàn)不同的動(dòng)態(tài)特征[19-20]。研究廢棄農(nóng)田植物群落動(dòng)態(tài)變化和生物多樣性變化趨勢(shì)對(duì)廢棄農(nóng)田的管理和利用、傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)景觀的保育和對(duì)農(nóng)村地區(qū)生物多樣性保護(hù)至關(guān)重要。

        中國(guó)是世界上農(nóng)耕文化最為悠久的國(guó)家之一,傳統(tǒng)精耕細(xì)作的方式維持了農(nóng)村地區(qū)人與自然的平衡和多樣的農(nóng)田植物。近幾十年來(lái),中國(guó)經(jīng)歷了人類歷史上罕見的經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展過(guò)程,快速的城鎮(zhèn)化伴隨著農(nóng)村地區(qū)大量農(nóng)田的棄耕。城市近郊區(qū)是城鎮(zhèn)化過(guò)程中受影響程度最大、變化最為劇烈的區(qū)域。一方面,城市的快速擴(kuò)展侵占了近郊區(qū)的大量耕地,農(nóng)村勞動(dòng)力大量涌入城市;另一方面,長(zhǎng)期耕作改變了土壤的水力學(xué)特性,降低了土壤的持水和導(dǎo)水能力,耕地條件變差,導(dǎo)致更多的農(nóng)田被遺棄[21-22]。在南方地區(qū),人們主要以稻米為主食,旱地棄耕現(xiàn)象更為明顯[23]。

        城市近郊區(qū)農(nóng)田棄耕后植物群落類型和物種多樣性的變化趨勢(shì)是本文關(guān)注的重點(diǎn)。本研究以重慶近郊區(qū)的旱地為研究對(duì)象,采用空間代替時(shí)間的方法,調(diào)查了耕作旱地和不同棄耕年限旱地中植物群落的物種組成,分析了旱地棄耕后植物群落物種組成與群落類型的動(dòng)態(tài)變化,探討了旱地棄耕后植物多樣性的變化趨勢(shì)。以期為重慶近郊區(qū)農(nóng)田植物多樣性保護(hù)提供數(shù)據(jù)支持,同時(shí)對(duì)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)景觀的保育、棄耕農(nóng)田的管理以及農(nóng)田植物群落的恢復(fù)與重建提供理論支持。

        1研究地概況

        研究地點(diǎn)位于重慶市沙坪壩區(qū)土主鎮(zhèn)五一村,距沙坪壩區(qū)中心城區(qū)13.1km,屬于典型的城市近郊區(qū)。地理位置為29°38′33.55″N,106°21′55.55″E,屬亞熱帶季風(fēng)性氣候,年均氣溫18.3℃,年均降雨量1092mm。地形以丘陵為主,平均海拔263m[24]。土壤以黃壤為主,因嚴(yán)重的侵蝕,現(xiàn)在土壤類型主要為黃色石灰土、紫色土和水稻土3類[25]。研究區(qū)域內(nèi)農(nóng)業(yè)以旱地經(jīng)濟(jì)作物為主,夾雜少量的水田。因缺乏勞動(dòng)力,大量土地被棄耕。

        2研究方法

        2.1野外調(diào)查方法

        本研究于2016年春季(3月上旬)和秋季(10月上旬)各進(jìn)行了一次調(diào)查。在研究區(qū)內(nèi)分別選擇耕作旱地、棄耕2年(棄耕Ⅰ)、棄耕5年(棄耕Ⅱ)和棄耕10年(棄耕Ⅲ)的旱地,棄耕的時(shí)間通過(guò)走訪當(dāng)?shù)厝罕娨约皹淠灸贻喎治龅姆绞酱_定。在每種土地類型中設(shè)置5—7條樣帶,每條樣帶由若干1m×1m的連續(xù)樣方組成。調(diào)查并記錄每個(gè)樣方中出現(xiàn)的植物物種名稱,測(cè)量其最大高度,估計(jì)蓋度,如果一條樣帶連續(xù)3個(gè)樣方都沒(méi)有新的植物出現(xiàn),則該樣帶調(diào)查完成。

        2.2數(shù)據(jù)處理和分析方法

        文中所有植物的中文名稱和拉丁名均以FloraofChina(www.iplant。cn/foc/)為準(zhǔn)。依據(jù)《中國(guó)植被志》[26]和《中國(guó)雜草原色圖鑒》[27]劃分植物的生活型(Lifeform)(見表1)。

        相對(duì)優(yōu)勢(shì)度(Relativedominancevalue,RD)參考Kitazawa等的計(jì)算[28];根據(jù)各物種在樣帶中的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度,對(duì)每個(gè)季節(jié)調(diào)查到的樣帶數(shù)據(jù)進(jìn)行TWINSPAN分析[29],劃分植被類型。采用優(yōu)勢(shì)度分析法確定每條樣帶的優(yōu)勢(shì)種(d),以出現(xiàn)頻率最高的3個(gè)優(yōu)勢(shì)種命名群落類型,如果優(yōu)勢(shì)種少于3種,則以實(shí)際數(shù)量命名。相關(guān)參數(shù)計(jì)算公式如下:

        相對(duì)優(yōu)勢(shì)度

        優(yōu)勢(shì)種

        式(1)式(2)中:VRD表示相對(duì)優(yōu)勢(shì)度;Hi表示某一樣帶中物種i的最大高度;Ci表示某一樣帶中物種i的蓋度;N為物種總數(shù);x表示以優(yōu)勢(shì)種數(shù)量確定的優(yōu)勢(shì)種理想百分比;xi為前i位物種的相對(duì)優(yōu)勢(shì)度值;T為物種數(shù)量;xj為剩余種的百分比(U)。如果只有1個(gè)優(yōu)勢(shì)種,那么優(yōu)勢(shì)種的理想百分比為100%;如果有2個(gè)優(yōu)勢(shì)種,則理想百分比為50%;如果有3個(gè)優(yōu)勢(shì)種,則理想百分比為33.3%,依次類推[30]。

        3研究結(jié)果

        3.1物種組成特征

        春秋兩季共調(diào)查到維管植物99種,隸屬39科90屬。其中,包含物種最多的科為菊科和禾本科,分別有20種和16種,其他含種較多的科有唇形科、蓼科和鴨跖草科(見表2)。單種科有22科,占總科數(shù)的56.41%。

        3.2群落類型的劃分

        將春季4個(gè)用地類型的24條樣帶進(jìn)行TWINSPAN分類,可劃分為4個(gè)群落類型(見圖1和表3)。群落類型1為黃鵪菜(Youngiajaponica)-小蓬草(Erigeroncanadensis)-酢漿草(Oxaliscorniculata)群落,一年生植物占優(yōu)勢(shì),主要分布在耕作旱地;群落類型2為喜旱蓮子草(Alternantheraphiloxeroides)-蛇莓(Duchesneaindica)-竊衣(Torilisscabra)群落,以一年生植物和多年生植物占優(yōu)勢(shì),分布在棄耕早中期的旱地(棄耕2年和5年);群落類型3為狗牙根(Cynodondactylon)-喜旱蓮子草-構(gòu)樹(Broussonetiapapyrifera)群落,群落類型4為狗牙根-喜旱蓮子草群落,這兩個(gè)群落類型都分布在棄耕后期(棄耕10年)的旱地,其優(yōu)勢(shì)種除了多年生植物外,還包括構(gòu)樹等喬木樹種。

        秋季4個(gè)用地類型的24條樣帶也可劃分為4個(gè)群落類型(見圖2和表4)。群落類型1為馬唐-竊衣-喜旱蓮子草群落,以一年生植物占優(yōu)勢(shì),主要分布在耕作旱地和棄耕5年的旱地;群落類型2為馬唐(Digitariasanguinalis)-喜旱蓮子草-求米草(Oplismenusundulatifolius)群落,以一年生植物和多年生植物占優(yōu)勢(shì),分布于棄耕早期的旱地(2年);群落類型3為狼尾草(Pennisetumalopecuroides)-狗牙根-白茅(Imperatacylindrica)群落,以多年生植物占優(yōu)勢(shì),植被類型4為樟(Cinnamomumcamphora)群落,以喬木樟為優(yōu)勢(shì)種,群落類型3和4都分布在棄耕后期(10年)的旱地。

        3.3棄耕后物種多樣性變化

        在春季,棄耕5年的旱地Shannon-Wiener指數(shù)顯著高于其他3種用地類型,而棄耕10年的旱地Shannon-Wiener指數(shù)顯著低于其他3種土地類型(見圖3(a)),p<0.01);耕作旱地樣帶平均物種數(shù)顯著低于棄耕旱地(見圖3(b)),p<0.01)。在秋季,棄耕旱地Shannon-Wiener指數(shù)顯著高于耕作旱地(見圖3(c)),p<0.01);棄耕5年的旱地樣帶平均物種數(shù)顯著高于其他3種土地類型??偟膩?lái)看,旱地棄耕后物種多樣性指數(shù)呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)。

        4討論

        4.1旱地植物組成特征

        農(nóng)田植物群落作為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,對(duì)農(nóng)村區(qū)域生物多樣性維持具有重要意義[8,10]。本研究共調(diào)查到99種植物,低于Kitazawa和Ohsawa[28]在日本千葉縣調(diào)查到的215種、Uchida等[31]在日本兵庫(kù)縣和新潟縣分別調(diào)查到的272種和248種,高于石丹等[32]在重慶巫山調(diào)查到的46種、張海峰[33]在陜西寧陜縣調(diào)查到的51種,與彭陽(yáng)[34]在湖南會(huì)同縣調(diào)查到的89種基本持平。不同研究中調(diào)查到的物種數(shù)差異較大的原因可能與取樣方法有關(guān)。比如,石丹[32]按照坡位進(jìn)行取樣,張海峰[33]按照網(wǎng)格化隨機(jī)取樣,彭陽(yáng)[34]按坡位選取標(biāo)準(zhǔn)樣地后進(jìn)行分層調(diào)查,本研究則以樣帶法進(jìn)行調(diào)查。盡管如此,這些研究結(jié)果表明,農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)有較高的植物物種豐富度。并且,這些物種中的大多數(shù)都是本地種,維持了當(dāng)?shù)剜l(xiāng)土植物的多樣性。

        本研究中菊科和禾本科是包含物種數(shù)最多的兩個(gè)科。主要是因?yàn)榫湛坪秃瘫究莆锓N為r-對(duì)策者,對(duì)異質(zhì)化生境有很強(qiáng)的適應(yīng)性[35-36],并且部分菊科植物還具有化感作用,會(huì)抑制其他植物的生長(zhǎng)[37],因而能在棄耕后的農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位[35]。我國(guó)大多數(shù)地區(qū)農(nóng)田植物以菊科和禾本科占據(jù)優(yōu)勢(shì),但在不同經(jīng)度梯度上,這兩科含有的物種相對(duì)數(shù)量有所差異。比如,在東南沿海地區(qū),禾本科物種數(shù)比例高于菊科,但是在內(nèi)陸地區(qū),菊科比例一般高于禾本科[38-41]。本研究中,菊科物種數(shù)多于禾本科,與大尺度上耕地植物優(yōu)勢(shì)科組成的變化規(guī)律一致。

        4.2旱地棄耕后植物群落動(dòng)態(tài)

        農(nóng)田是一類特殊的生態(tài)系統(tǒng),特殊的生境條件和周期性的人為干擾維持著農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中特殊的植物類群[42]。隨著農(nóng)田棄耕,生境條件的改變和人為干擾的消失將導(dǎo)致耕地植物群落結(jié)構(gòu)和物種組成特征的改變[31,42]。農(nóng)田棄耕后,植物群落恢復(fù)屬于次生演替[43]。隨著棄耕時(shí)間推移,植物群落結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單到復(fù)雜,伴隨著植物物種組成的變化。本研究結(jié)果顯示,棄耕后優(yōu)勢(shì)植物群落類型發(fā)生了較大變化。在TWINSPAN分類的二級(jí)水平上可以將耕作旱地、棄耕早期和棄耕晚期的旱地分離,每個(gè)土地類型對(duì)應(yīng)著特殊的植物群落。尚在耕作的旱地以馬唐、黃鵪菜等一年生植物占據(jù)優(yōu)勢(shì),棄耕早期的旱地以竊衣等一年生植物和蛇莓等多年生植物占據(jù)優(yōu)勢(shì),棄耕中后期的旱地則以多年生植物占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)??傮w趨勢(shì)是:隨著棄耕年限的增加,植物群落的優(yōu)勢(shì)生活型由一年生植物逐漸過(guò)渡到多年生植物,并且木本開始成為優(yōu)勢(shì)種,此結(jié)果和日本千葉縣和兵庫(kù)縣、中國(guó)陜北和重慶巫山等地的研究結(jié)果相似[31-33,41]。

        土壤遭受的干擾,在不同程度上影響甚至破壞植物的地上或地下部分,進(jìn)而控制植物物種間的競(jìng)爭(zhēng)[44]。在耕作過(guò)程中,土壤干擾強(qiáng)度大,割草、踐踏等人為活動(dòng)常常抑制多年生植物生長(zhǎng),使其無(wú)法完成生活史[31];而一年生植物可以利用耕作的間隙,完成其較短的生活史。因此,常分布于此類生境中[45],并在耕作的旱地中占據(jù)優(yōu)勢(shì)。豐富的土壤種子庫(kù)是棄耕后植被重建的基礎(chǔ)[46],棄耕早期的旱地中、土壤種庫(kù)中一年生植物的種子十分豐富,并且生境變化程度較弱,因而其仍然能占據(jù)優(yōu)勢(shì)。但隨著棄耕年限的增加,相比于多年生植物,一年生植物較短的生活史成為劣勢(shì),并且對(duì)光的競(jìng)爭(zhēng)能力較弱[47],因此多年生植物和木本植物逐漸成為優(yōu)勢(shì)種。

        4.3旱地棄耕后植物多樣性的變化

        傳統(tǒng)的耕作模式是維持農(nóng)村地區(qū)生物多樣性的關(guān)鍵因素,一些競(jìng)爭(zhēng)能力較弱,同時(shí)又依賴于人為干擾生存的物種與傳統(tǒng)的耕作模式密切相關(guān)[28,31]。農(nóng)田棄耕后,隨著人為干擾的減弱甚至消失,部分物種可能消失,從而對(duì)區(qū)域尺度上生物多樣性的維持產(chǎn)生負(fù)面影響[28,42]。本研究在春、秋兩個(gè)季節(jié)都發(fā)現(xiàn),植物多樣性在棄耕早期到中期階段逐漸升高,但在棄耕后期卻呈現(xiàn)下降趨勢(shì)(見圖3)。棄耕后,部分多年生植物開始侵入,與適應(yīng)于耕作生境的一年生植物共同占據(jù)著空間,導(dǎo)致物種多樣性升高。隨著棄耕年限增加,多年生植物因其較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)能力逐漸在群落中占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),一年生植物優(yōu)勢(shì)度降低,部分物種逐漸消失,導(dǎo)致生物多樣性下降。在日本的一些地區(qū),隨著農(nóng)田大量棄耕,許多傳統(tǒng)農(nóng)田草本植物的生存面臨較大的威脅,部分物種甚至成為受威脅物種[28,31,42]。通過(guò)調(diào)查分析可以預(yù)見,城市郊區(qū)的一些農(nóng)田隨著棄耕時(shí)間增加,其植物群落逐漸會(huì)由多年生植物和喬木占據(jù)優(yōu)勢(shì),一年生植物持續(xù)消失。作為傳統(tǒng)農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)特殊成分的一年生草本植物,在城市化進(jìn)程中的適應(yīng)與保護(hù)應(yīng)當(dāng)引起足夠的持續(xù)關(guān)注。

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        (責(zé)任編輯:張晶)

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