陳 芝

(成都理工大學(xué)，四川 成都 610059)

引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國黃河源區(qū)退化草地約有357.13×104hm2，占區(qū)內(nèi)草地總面積的1/3，其中完全沙化草地面積占退化草地面積的近1/3[1]。草地退化和土壤沙化是自然因素如極端天氣、鼠兔災(zāi)害和人為因素如過度放牧相互作用而成。若爾蓋草原作為黃河上游重要的水源涵養(yǎng)地，目前面臨著濕地退化和草原沙化等2大生態(tài)問題[2]。退化草地如果不及時(shí)治理和修復(fù)，將會(huì)導(dǎo)致草地生產(chǎn)力下降、生態(tài)多樣性降低、水源涵養(yǎng)能力降低、生態(tài)系統(tǒng)功能減弱[3,4]。

草地退化意味著喪失其原本的生態(tài)功能和生產(chǎn)功能，大量研究表明，草地生態(tài)系統(tǒng)的退化，核心是地上植被的逆向演替和生物多樣性的喪失[5]。草地物種多樣性與草原生態(tài)系統(tǒng)的持續(xù)性、穩(wěn)定性以及草原生產(chǎn)力息息相關(guān)，草原生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性和生產(chǎn)力的維持在很大程度上依賴于植物群落的生物多樣性[6]，王震洪等[7]研究表明，植物多樣性的提高有助于促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)以及土壤水土保持和養(yǎng)分維持功能的穩(wěn)定。草地退化的標(biāo)志之一就是牧草生產(chǎn)力下降，物種豐富度降低，宋明華等[8]認(rèn)為草地植物的物種組成是草地生態(tài)系統(tǒng)功能的重要調(diào)節(jié)因子，物種豐富度的提高有利于草地生產(chǎn)力的提高。

草原生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性及豐富度較森林生態(tài)系統(tǒng)簡單，外界因素下其生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性往往更容易遭受破壞，其穩(wěn)定性更依賴于植物的數(shù)目、數(shù)量及其物種組成結(jié)構(gòu)，因此，物種多樣性的研究是草地生態(tài)系統(tǒng)功能中非常重要的內(nèi)容。嚴(yán)重退化的草地如半固定沙地和流動(dòng)沙地依靠自身的生態(tài)調(diào)節(jié)和自然演替很難實(shí)現(xiàn)草地的自然修復(fù)，此時(shí)必須依靠人工輔助實(shí)現(xiàn)草地的生態(tài)修復(fù)。晏和飄等[9]研究表明，退化草地結(jié)合自然—人工輔助恢復(fù)能提高植被的物種多樣性，有助于退化草地的生態(tài)恢復(fù)。本文研究了高寒退化草地在人工輔助修復(fù)過程中物種豐富度、植物多樣性的變化規(guī)律，以期為高寒退化草地的生態(tài)修復(fù)提供理論支撐。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于四川省阿壩州若爾蓋縣唐克鎮(zhèn)索格藏村(E102°34′44″～102°35′5″，N33°11′58″～33°11′41″)。若爾蓋縣位于青藏高原東部邊緣地帶，地處阿壩藏族羌族自治州北部，該區(qū)域?qū)儆诟咴疁貛駶櫦撅L(fēng)氣候，氣候比較寒冷，年平均氣溫約為0～2℃，年降水量約為600～700mm，降雨多集中于5月下旬—7月中旬，年均相對濕度69%，無絕對無霜期。若爾蓋海拔為3400～3600m，紫外線照射強(qiáng)烈。整個(gè)研究區(qū)域流動(dòng)沙地占地面積42hm2，半固定沙地42.27hm2，固定沙地面積34.84hm2，于2019年5月針對不同退化沙地進(jìn)行了圍欄封育及人工建植修復(fù)。

2 研究方法

2.1 植物調(diào)查

選取了適合草地的植物多樣性調(diào)查的方法即大樣方—樣線法[10]，在流動(dòng)沙地、半固定沙地、固定的沙地區(qū)域各隨機(jī)選取4條100m長的樣線，每條線上隨機(jī)設(shè)置5個(gè)1m×1m的小樣方，小樣方交替在樣線的兩側(cè)，如圖1所示。整個(gè)植被調(diào)查工作分3次完成，于2019年5月進(jìn)行第1次植物多樣性和豐富度的調(diào)查，調(diào)查時(shí)，記錄每個(gè)小樣地內(nèi)植物總數(shù)目、植物類別及數(shù)量、本土種和外來種以及優(yōu)勢種。2020年5月進(jìn)行第2次調(diào)查，2021年5月進(jìn)行第3次調(diào)查。

植被多樣性調(diào)查的同時(shí)進(jìn)行苜蓿、披堿草、錦雞兒、沙棘等植物的植株高度和植株根系的測量，每次測量至少重復(fù)10次，植物根系測量需用鏟子將植物周圍的土壤刨除，刨除時(shí)注意避免將根系破壞，根系取出后立即測量根系長度，最后周圍土壤回填以防止破壞草地。

2.2 數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計(jì)分析

2.2.1 數(shù)據(jù)處理

植物多樣性指數(shù)的計(jì)算公式如下[11]。

Patrick豐富度(R0)：

R0=S

(1)

Shannon-Weiner多樣性指數(shù)(H′)：

Pi=Ni/N

(2)

(3)

Pielou均勻度指數(shù)(J)：

J=H/lnS

(4)

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)：

(5)

式(1)～(5)中，S表示全部物種數(shù)量；Pi為屬于種i的個(gè)體在全部個(gè)體中的比例；Ni為種i的個(gè)體數(shù)；N為群落中全部物種的個(gè)體數(shù)。

2.2.2 統(tǒng)計(jì)分析

利用Microsoft Excel 2019和Origin對數(shù)據(jù)處理和作圖，SPPS 26.0軟件進(jìn)行單因素方差分析(one-way ANOVA)，采用HSD方法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)(P<0.05)。

3 結(jié)果與分析

3.1 植物高度和根系的變化

隨著修復(fù)年限的增加，苜蓿、披堿草、錦雞兒和沙棘的植株高度和根系均有所增長，見圖2、圖3。苜蓿、披堿草、錦雞兒和沙棘3a來的植株高度增幅分別為達(dá)到了173.1%、32.6%、105.7%和110%，根系長度的增幅分別達(dá)到了226.1%、105.6%、261.5%和435.7%。灌木類如沙棘和錦雞兒的增長較為迅速，苜蓿次之，而披堿草增長較為緩慢?，F(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，披堿草未抽穗時(shí)的植株高度一般在10～15cm，而抽穗高度可達(dá)到50～60cm。方差分析表明，不同修復(fù)年限的植物高度和根系長度的變化均達(dá)到了顯著性水平(p<0.05)，僅苜蓿和披堿草不同修復(fù)年限間的植株高度差異性不顯著(p>0.05)。

圖2 植株高度變化

圖3 植株根系變化

3.2 退化草地植物豐富度變化

調(diào)查結(jié)果顯示，整個(gè)研究區(qū)域的植物科主要為禾本科、豆科、莎草科，菊科、藜科等，植物優(yōu)勢物種主要為多年生禾本科草本植物，主要有賴草(Leymus secalinus (Georgi)Tzvel)、垂穗披堿草(Elymus nutans Griseb)、羊茅(Festuca ovina L)、針茅(Stipa capillata L)、問荊(Equisetum arvense L)、藍(lán)花側(cè)金盞(Adonis caerulea)、淡黃香青(Anaphalis flavescens Hand.-Mazz)、黃帚橐吾(Ligularia virgaurea (Maxim.)Mattf)等，灌木類有高山柳(Salix cupularis)、沙棘(Hippophae rhamnoides Linn)、錦雞兒(Caragana sinica (Buc′hoz)Rehder)等。與天然草甸層相比，退化草地的物種組成簡單，且隨著草地退化程度的加劇物種結(jié)構(gòu)組成呈現(xiàn)遞減的趨勢。流動(dòng)沙地的物種組最簡單，在治理前幾乎都是裸沙，無植物生長，治理后引入外來物種披堿草、苜蓿和沙棘等植物鎖住沙土中的水分和養(yǎng)分，第3年可發(fā)現(xiàn)本地物種賴草和問荊在流動(dòng)沙地扎根和生長，實(shí)現(xiàn)流動(dòng)沙地中植物從無到有的一個(gè)演替過程。隨著治理時(shí)間的增加，半固定沙地和固定沙地的群落組成也逐漸增加。

圖4、圖5顯示了不同類型沙地中植物的數(shù)目和數(shù)量與修復(fù)年限的關(guān)系，隨著時(shí)間的增加，退化草地中的物種數(shù)目和植株總數(shù)量均呈現(xiàn)上升的趨勢。其中，固定沙地的物種數(shù)目增加了4種，植物總數(shù)量增加了74株·m-2；半固定沙地由最初的3種增加到了7種，植物總數(shù)量為158株·m-2，增加了121株·m-2；流動(dòng)沙地修復(fù)治理的2a后物種數(shù)目從無到有，增加了5種，總數(shù)量達(dá)到132株·m-2。物種數(shù)目和數(shù)量整體上呈現(xiàn)固定沙地>半固定流動(dòng)沙地>流動(dòng)沙地。

圖4 物種數(shù)目變化

圖5 物種數(shù)量變化

3.3 不同退化程度草地植物多樣性分析

植物多樣性指數(shù)是植物群落的演替、退化草地的植被恢復(fù)中的一個(gè)重要指標(biāo)，客觀地反映了草地植物群落的演替過程[6]。此次草地植物多樣性調(diào)查主要采用了α多樣性的分析方法，即單位面積內(nèi)的物種數(shù)目和物種數(shù)量的分析，又稱為生境內(nèi)的多樣性，包括Shannon-Weiner多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)以及Simpson優(yōu)勢度指數(shù)等。

表1為退化草地在3a修復(fù)期間植物多樣性指數(shù)的變化情況，結(jié)果表明，固定沙地、半固定沙地、流動(dòng)沙地的植物多樣性指標(biāo)均發(fā)生了不同程度的提升。其中，以半固定沙地的增長最為明顯，第2年半流動(dòng)沙地的Shannon-Weiner多樣性指數(shù)較第1年增長了92.01%，Pielou均勻度指數(shù)提高了98.91%，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)提高了60.45%，第3年的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)分別較第2年增長了200.8%、132.7%和160.2%；流動(dòng)沙地在治理前期基本上無植物存活，經(jīng)過治理后植物開始生長，植物多樣性從無到有，第3年的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)較第2年分別提高了113.08%、89.87%和39%；固定沙地的植物多樣性指標(biāo)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)呈現(xiàn)出穩(wěn)步增長的狀態(tài)，但增長幅度不大，約在15.82%～23.77%。各類型沙地的植物多樣性指數(shù)大小表現(xiàn)為固定沙地>半固定沙地>流動(dòng)沙地。

表1 植物多樣性指數(shù)變化

方差分析表明，半固定沙地的Shannon-Weiner多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)以及Simpson優(yōu)勢度指數(shù)在不同修復(fù)年限上均達(dá)到了顯著性水平(p<0.05)；流動(dòng)沙地不同修復(fù)年間的Shannon-Weiner多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)差異顯著(p<0.05)；固定沙地的Simpson優(yōu)勢度指數(shù)差異性水平不顯著(p>0.05)，這表明了固定沙地的植物種類和各類植物數(shù)量處于一個(gè)較為均衡的水平。

4 結(jié)論

調(diào)查結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著修復(fù)年限的增加，苜蓿、沙棘、錦雞兒的高度和根系長度均大幅度增長；修復(fù)期間，固定沙地、半固定沙地、流動(dòng)沙地的物種數(shù)目和植物總數(shù)量逐步增長，物種豐富度提升。退化草地修復(fù)過程中植物多樣性指數(shù)總體上表現(xiàn)為固定沙地>半固定沙地>流動(dòng)沙地，且Shannon-Weiner多樣性指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)以及Simpson優(yōu)勢度指數(shù)隨著修復(fù)年限的增加呈現(xiàn)出上升的趨勢，其中以半固定沙地中的植物多樣性指數(shù)增長最為迅速，第3年的多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)分別較第2年增長了200.8%、132.7%和160.2%；與草地自身調(diào)節(jié)和自然修復(fù)相比，人工輔助修復(fù)更能加快草地生態(tài)修復(fù)效率，增加植物多樣性。