滕玉風(fēng)，馬 力，占玉芳，甄偉玲，錢萬建，穆 剛，魯延芳，田曉萍

(張掖市林業(yè)科學(xué)研究院，甘肅 張掖 734000)

荒漠化是干旱地區(qū)重大的生態(tài)環(huán)境問題，土壤荒漠化致使荒漠化地區(qū)的植被和地表形態(tài)在風(fēng)沙等外力作用下偏離健康的演替軌跡，造成大量可利用土地被風(fēng)沙淹沒[1]，生態(tài)環(huán)境遭到破壞，人類的生存空間受到威脅[2]。河西生態(tài)環(huán)境十分脆弱，是中國土地沙化發(fā)展趨勢(shì)最快的地區(qū)之一，在綠洲向荒漠環(huán)境退化的過程中具有非常典型的代表性[3]。多年來由于人類不合理的開發(fā)和過度利用，以風(fēng)力侵蝕作用為主而形成的土地沙化逐步加重，土地的沙化不斷蠶食耕地面積，使耕地的地力衰退，農(nóng)作物產(chǎn)量下降，生態(tài)環(huán)境急劇惡化。民勤地處石羊河中下游，被騰格里沙漠和巴丹吉林沙漠包圍，是全國干旱和土地荒漠化最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是全國沙塵暴源區(qū)和輸送路徑之一[4-5]，已對(duì)所在地區(qū)的公眾生活、生產(chǎn)和發(fā)展造成十分不利的影響[6]，在很大程度上阻礙了當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展[7]。通過對(duì)民勤沙漠人工梭梭林群落的物種多樣性進(jìn)行研究，可以為河西走廊人工沙漠植被的物種多樣性保護(hù)和恢復(fù)利用提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省民勤縣，河西走廊東北部，石羊河流域下游，地理位置102°02′～104°02′E、38°05′～39°06′N，東西長206 km，南北寬156 km，總面積1.59萬km2，東、西、北三面被騰格里和巴丹吉林大沙漠包圍，是一個(gè)半封閉的內(nèi)陸荒漠區(qū)。氣候?qū)俚湫偷拇箨懶曰哪畾夂?，其特點(diǎn)為：氣候干燥，降水稀少，蒸發(fā)強(qiáng)烈，風(fēng)大沙多。多年平均氣溫7.6 ℃，年平均氣溫日較差為15.2 ℃，≥10 ℃年積溫為3 036.4 ℃，日照時(shí)數(shù)為3 073.5 h，無霜期176 d。多年平均降水量115.41 mm，主要集中在每年的7—9月，占年均降水量的60%以上，多年平均蒸發(fā)量2 664 mm，是降水量的23倍之多。多年平均風(fēng)速2.5 m/s，年≥8級(jí)大風(fēng)日數(shù)為27.8 d，全年盛行西北風(fēng)、西北偏西風(fēng)，是全國浮塵、揚(yáng)沙、沙塵暴發(fā)生最嚴(yán)重的地區(qū)之一，也是我國沙塵暴的主要源地之一[8]。自然植被主要是荒漠植被，組成種類少、層片結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)力低[9]。民勤人工梭梭林面積約為9.00萬hm2，主要分布在民勤綠洲邊緣的泉山林場、勤峰灘、東湖鎮(zhèn)、三角城林場、大灘、西沙窩等地[10]。

2 研究方法

2.1 調(diào)查方法

2.1.1 樣地調(diào)查

2016年9月在民勤治沙綜合試驗(yàn)站、紅崖山水庫保護(hù)站、勤鋒灘沙生植物自然保護(hù)區(qū)管理站、老虎口防沙治沙示范區(qū)、三角城機(jī)械林場5個(gè)區(qū)域各選1個(gè)人工梭梭林樣地，采用樣方法進(jìn)行調(diào)查，每個(gè)樣地面積為50 m×50 m，采用典型取樣方法在每個(gè)樣地選取3個(gè)4 m×4 m的灌木樣方和3個(gè)1 m×1 m的草本樣方，分層記錄樣方內(nèi)植物的種類、株數(shù)、株高、冠幅、蓋度等。

2.1.2 土壤水分測(cè)定

在每個(gè)樣地內(nèi)沿對(duì)角線法設(shè)5個(gè)點(diǎn)，采用土壤水分分析儀測(cè)定每個(gè)點(diǎn)的土壤含水量，測(cè)定深度分0～20、20～40、40～60 cm三個(gè)層次，該樣地各層土壤含水量取5個(gè)點(diǎn)的平均值。

2.2 數(shù)據(jù)處理

2.2.1 重要值的計(jì)算

植物物種在群落中的相對(duì)重要性采用重要值(IV)來測(cè)度，公式為

IV=(相對(duì)密度+相對(duì)蓋度+相對(duì)頻度)/3

(1)

式中：相對(duì)密度=某個(gè)種的密度/所有種的密度之和×100%；相對(duì)蓋度=某個(gè)種的蓋度/所有種蓋度之和×100%；相對(duì)頻度=某個(gè)種的頻度/所有種的頻度之和×100%。

2.2.2 物種多樣性測(cè)定方法[11-14]

物種多樣性采用多度(調(diào)查樣地內(nèi)某個(gè)植物種的個(gè)體數(shù))、物種豐富度(群落中所有物種的數(shù)量S)、Margalef物種豐富度指數(shù)(F)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、Pielou均勻度指數(shù)(J)、Simpson指數(shù)(D)等來測(cè)定。計(jì)算式分別為

F=(S-1)/lnN

(2)

(3)

J=H/lnS

(4)

(5)

上四式中：S為樣方內(nèi)所有物種的數(shù)量；N為個(gè)體總數(shù)；Pi為第i種的個(gè)體數(shù)ni占總個(gè)體數(shù)N的比例，即Pi=ni/N。

2.3 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 17.0數(shù)據(jù)分析軟件分析。

3 結(jié)果與分析

3.1 民勤人工梭梭林物種組成及重要值分析

物種的重要值可以反映該種植物在群落中的地位和作用，重要值越大，表明該種植物在群落中的地位越重要，對(duì)群落的影響越大。在調(diào)查的5個(gè)人工梭梭林樣地中，共有植物16種，分屬8科14屬。其中，雙子葉植物有7科13屬15種，分別占總的科、屬、種的87.5%、92.9%和93.3%，僅1種植物是單子葉植物(禾本科)。雙子葉植物主要是藜科，共有9種植物，隸屬于7個(gè)屬。物種重要值結(jié)果見表1。

民勤人工梭梭林群落灌木層植物有6種，草本層植物有10種。灌木層植物優(yōu)勢(shì)種是梭梭，其重要值為56.82%，亞優(yōu)勢(shì)種為駱駝刺，其重要值為19.39%；草本層植物優(yōu)勢(shì)種是霧冰藜，重要值為35.78%，亞優(yōu)勢(shì)種為沙蓬、刺沙蓬、長刺豬毛菜，重要值分別為13.80%、10.70%和10.43%。灌木層植物種類按科統(tǒng)計(jì)，藜科、豆科、蓼科、蒺藜科、菊科、檉柳科各1種。草本層植物種類按科統(tǒng)計(jì)，藜科8種、白花丹科1種、禾本科1種；該層中藜科植物種最為豐富，共有8種，重要值均較高，在該群落中占有重要地位，其他科的植物在群落中均居次要地位。

表1 民勤人工梭梭林物種組成及重要值

可以看出，民勤人工梭梭林群落物種多樣性主要取決于草本層植物種類，主要是通過草本植物多樣性來影響整個(gè)群落的物種多樣性。由于民勤沙漠氣候干燥，蒸發(fā)量大，人工梭梭林群落中植物種較少，梭梭、駱駝刺在灌木層片中為優(yōu)勢(shì)種，霧冰藜、沙蓬在草本層片中為優(yōu)勢(shì)種，均反映了沙漠植被的特征。

3.2 群落的物種多樣性特征

群落的物種多樣性指數(shù)可直接反映出群落的結(jié)構(gòu)特征。民勤人工梭梭林群落主要由灌木和草本組成，其群落結(jié)構(gòu)分為灌木層和草本層。通過對(duì)民勤人工梭梭林5個(gè)樣地30個(gè)樣方物種多樣性指數(shù)計(jì)算可知(表2)：總體上看，研究區(qū)荒漠植物群落物種多樣性水平較低，植物群落結(jié)構(gòu)簡單，物種組成稀少。

表2 物種多樣性指數(shù)、均勻度指數(shù)

由表2還可看出，人工梭梭林群落的物種豐富度和Margalef物種豐富度指數(shù)均表現(xiàn)出草本層>灌木層的特點(diǎn)，表明群落整體的物種數(shù)量主要受草本物種數(shù)量的影響。Shannon-wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)均表現(xiàn)為灌木層>草本層，Simpson指數(shù)表現(xiàn)為灌木層<草本層，這是由于灌木層優(yōu)勢(shì)種梭梭經(jīng)人工栽植分布比較均勻，呈現(xiàn)出灌木層物種集中程度偏低的規(guī)律，而草本植物種類雖然較多，但草本層的霧冰藜、沙蓬、刺沙蓬局部優(yōu)勢(shì)突出，使其他草本植物種個(gè)體數(shù)分布不均勻，影響了草本層的均勻度指數(shù)。

3.3 民勤各區(qū)域人工梭梭林的土壤水分含量

民勤不同區(qū)域人工梭梭林0～60 cm土層的土壤含水量測(cè)定結(jié)果見表3。由表3可知，在各區(qū)域的人工梭梭林中，以勤鋒灘沙生植物自然保護(hù)區(qū)管理站的各土層土壤含水量為最高，老虎口防沙治沙示范區(qū)、三角城機(jī)械林場的各土層土壤含水量次之，紅崖山水庫保護(hù)站、民勤治沙綜合試驗(yàn)站較低。

表3 民勤不同區(qū)域人工梭梭林的土壤含水量 %

3.4 民勤各區(qū)域人工梭梭林群落物種多樣性特征分析

由圖1可看出，民勤各區(qū)域人工梭梭林樣地0～60 cm土層含水量對(duì)灌木層物種豐富度、多度的影響不大，灌木層的物種豐富度、多度不隨0～60 cm土層含水量的升高而增大，說明灌木層種的豐富度、多度與0～60 cm土層土壤含水量均無顯著的相關(guān)關(guān)系。草本層的物種豐富度與灌木層表現(xiàn)一致，也表現(xiàn)出物種豐富度不隨0～60 cm土層含水量的增加而增大的規(guī)律，表明草本層物種豐富度與0～60 cm土層水分含量無顯著的相關(guān)關(guān)系，但草本層的多度卻呈現(xiàn)出隨0～60 cm土層含水量的增加而大幅度增大的規(guī)律，其多度與0～60 cm土層含水量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明草本植物對(duì)0～60 cm土層水分含量有較高的依賴。民勤各區(qū)域人工梭梭林樣地按草本層多度大小排序?yàn)椋呵阡h灘沙生植物自然保護(hù)區(qū)管理站(433株)>老虎口防沙治沙示范區(qū)(152株)>三角城機(jī)械林場(104株)>紅崖山水庫保護(hù)站(83株)>民勤治沙綜合試驗(yàn)站(57株)。

圖1 不同區(qū)域人工梭梭林地土壤含水量與物種多樣性關(guān)系

民勤各區(qū)域人工梭梭林群落的物種豐富度、多度均是草本層大于灌木層，說明人工梭梭林植物群落草本層的物種豐富度比灌木層高，且草本層的植株數(shù)量比灌木層多。

4 討論與結(jié)論

(1)民勤生態(tài)環(huán)境脆弱，人工梭梭林群落物種組成簡單，共有植物16種，分屬8科14屬，其中灌木層植物有6種、草本層植物有10種。灌木層植物優(yōu)勢(shì)種是梭梭，亞優(yōu)勢(shì)種為駱駝刺，草本層植物優(yōu)勢(shì)種是霧冰藜，亞優(yōu)勢(shì)種為沙蓬、刺沙蓬、長刺豬毛菜，均反映了沙漠植被的特征。

(2)總體上看，民勤人工梭梭林群落物種多樣性水平較低。草本層的物種豐富度比灌木層高，整個(gè)植物群落的物種數(shù)量主要受草本層物種豐富度的影響。群落中灌木層的Shannon-wiener指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)均比草本層的大，Simpson指數(shù)比草本層的小，反映出灌木層物種的集中程度偏低、草本層物種的均勻度偏低的規(guī)律。

(3)本研究區(qū)極端干旱，降水稀少，植物多樣性在物種豐富度和多度兩個(gè)層次上對(duì)0～60 cm土層土壤水分變化響應(yīng)的差異反映了荒漠植物多樣性維持的特點(diǎn)。植物種的豐富度對(duì)水分變化沒有顯著的響應(yīng)，說明荒漠植物經(jīng)長期生態(tài)進(jìn)化，已演變成中旱生、旱生或超旱生生態(tài)型植物，已完全適應(yīng)荒漠區(qū)極度干旱的環(huán)境，這是植物對(duì)土壤水分降低具有的特殊生理生態(tài)學(xué)適應(yīng)對(duì)策[11，15]；草本層種的多度對(duì)水分變化的顯著響應(yīng)說明有限的水分決定著草本層植物種群的大小。0～60 cm土層水分含量與灌木植物的物種豐富度和多度無顯著的相關(guān)關(guān)系，這是由于灌木根系分布較深，可解釋為灌木的生物學(xué)特性對(duì)物種豐富度和多度的貢獻(xiàn)大于土壤含水量的差異。0～60 cm土層水分含量對(duì)草本植物，特別是對(duì)一年生及短命和類短命植物種的豐富度和多度的影響明顯高于對(duì)灌木的影響，說明一年生及短命和類短命植物種的根系主要分布在淺層土壤，是對(duì)淺層土壤水分利用較好的結(jié)果。