植被退化定量监测与评价研究进展

安 雁 ,上官铁梁 ,李新平 ,武秀娟

(1.山西大学黄土高原研究所 ,山西 太原 030006;2.山西省林业科学研究院,山西 太原 030012)

近 60 a来,由于人类不合理的活动及不利自然因素的影响,导致一系列环境失调问题,特别是陆地植被的大规模破坏已经极大地威胁到人类自身的生存和发展[1,2]。从20世纪60年代学术界就开始关注植被退化问题,在植被退化程度、退化的驱动力与退化防治对策等方面都进行过较为系统的研究[3,4]。本文重点对植被退化的研究历程和退化程度的定量监测评价方法加以回顾与总结,旨在为相关领域的深入研究提供理论参考。

1 研究历程

植被退化的研究始于20世纪60年代,最初关注的是放牧条件下草地植被退化和森林植被皆伐后的灌丛演替,在研究方法上沿用了数量生态学方法。经过30多年的研究基本形成了较成熟的理论体系,植被退化的评价方法也日趋完善。1989年我国特大洪水发生后,植被退化对森林水文造成了全国性灾害,其损失是建国后少有的,这就使得植被退化研究成为学术界关注的热点。其中,森林植被退化的成因和森林植被保护及恢复研究成为植被退化研究领域的主流,研究空间展开到全国不同地域。

21世纪以来,应用 3S技术对大空间尺度的植被退化研究成果颇多[5-9],这些研究成果把人类认识植被退化的视角从局部近距离直接介入性的研究推向区域性整体的定量模拟研究。广泛定量化分析手段的应用,极大地提高了植被退化理论研究的深度和可预见性。植被退化的研究对象涵盖了森林、草地和灌丛等多样性植被类型,研究内容包括植被退化的成因、退化过程和机理、退化植被生态特征等方面。研究理论更加系统,研究方法日臻完善,从而为植被退化的研究提供了全面系统的理论基础[10-13]。

2 研究方法

植被退化的分异性通常是采用梯度观测或干扰强度测定而实现的,如:过度放牧区可通过考察放牧强度变化,进而分析放牧区植被退化的空间格局随放牧强度的梯度变化[14]。借助排序法确定区域植被退化梯度被认为是有效的方法,通过排序能够反映出植被群落随主要环境因子的变化情况,进而确定出不同退化程度植被群落的分布格局[15]。据此,可由植被退化的不同梯度定量评价退化程度。

植被退化评价包括单项因子与多项因子的评价。单项因子评价是采用植被层的指示种、标志种、生物量等指标之一对植被退化程度进行监测评价。多项因子评价是采用植被层的多个数量指标或植被—土壤理化性质、植被—土壤微生物、植被—土壤种子库对植被退化程度进行监测评价。在对植被退化程度采用植被—土壤系统评价时,通常对土壤因子与植被层的部分数量指标建立回归等统计模型,进而确定植被退化的程度。

2.1 单项因子的植被退化评价

2.1.1 指示种或标志种评价

种类组成变化是植被演替的结果,他能够反映植被退化的性质和趋势。在数量生态学方法的基础上,采用统计学方法筛选出能反映不同退化程度的指示种或标志种,运用这些物种的数量特征可对植被退化梯度的植物群落类型做出定量评价。樊胜岳等[16]通过指示种狼毒的盖度将植被群落划分为不同程度的退化等级,并判定天然草原植被群落优势种逐渐由狼毒替代。 Lakhdar和 Daniel[17]对美国怀俄明州Thunder盆地国家草原进行主成分分析和聚类分析,筛选出能反映不同退化程度的主要植物,通过对主要植物指数判别分析,建立了不同退化系列的动态监测模型,提出最大监测值所对应的退化指数就是该植被当前所处的退化阶段的观点。我国内蒙古锡林郭勒草地退化程度的等级由主成分分析和聚类分析筛选出的主要植物物种来反映,所建立的不同退化程度的动态监测模型表明:最小监测值所对应的退化程度可代表该区域草地当前所处退化阶段[18]。

2.1.2 生物量评价

植物群落的生物量生产力是研究森林物质生产和群落养分动态的基础[19],然而传统研究只是采用样方收获法或回归模型法测定生物量,从而对不同退化系列的植被群落进行定量评价。魏兴虎等[14]通过方差分析对那曲高寒草甸围栏禁牧区和不同程度放牧区地上现存总生物量及建群种生物量两两之间进行比较,进而客观、定量地评价出该放牧区植被退化的相异程度。近年来运用地统计学理论对生物量空间分布异质性的研究也受到关注。Huenneke[20]对美国新墨西哥州 Chihuanhuan沙漠植被研究后,指出半干旱草地退化到荒漠灌丛,灌丛植被生产力的空间分布异质性增强。安树青等[21]采用地统计学软件对鄂尔多斯草地荒漠化过程中的不同植物群落个体生物量建立最优模型后,定量评价出不同退化程度植物群落的空间分布异质性。

2.2 多项因子的植被退化评价

2.2.1 植被层的多个数量指标评价

将单一指标作为植被退化的分类依据往往会出现一定偏差,采用多指标综合判断植被退化程度能够更客观准确地反映退化现状[14]。因此,采用多指标综合评价植被退化的研究相对较多。如:刘东霞等对呼伦贝尔退化草地的高度、盖度、密度、地上生物量、物种多样性[22,23]、质量指数[24]及群落结构组成进行定量分析后,评价出该草地不同退化程度的状况[25]。李裕元等[26]对黄土高原紫花苜蓿草地不同退化阶段群落结构组成、种群密度、重要值及总生产力定量分析后,评价出了各阶段的退化特征。樊胜岳等[27]在甘肃省祁连山区对退化草地群落优势种的地上生物量、密度、盖度、重要值及物种多样性进行定量分析后,评价出该地区草地所处的不同退化程度。马世震等[28]在黄河源头比较了退化区与未退化区的植被盖度、物种多样性及群落结构组成,进而定量分析出该地区高寒草原退化的特征。全晓毅等[29]在青海省共和盆地比较了退化区与未退化区的群落结构组成、植被盖度及物种多样性,从而定量评价了该地区温性草原退化的特征。

2.2.2 基于土壤理化性质的评价

20世纪 90年代初,张为政等[30-32]采用回归分析方法对松嫩平原不同退化程度的牧草的相对盖度、重要值及相对地上生物量与土壤电导率和碱化度之间的关系进行了研究,并得到合理的结果。近年来,曲国辉等[33]在松嫩平原通过对不同退化阶段群落生物量与土壤 pH值、含盐量、碱化度、土壤腐殖质和全氮含量进行一元回归分析,得到群落的生物量与土壤 pH值、含盐量、碱化度呈负相关,与土壤腐殖质和全氮含量呈正相关的结论。文海燕等[34]在内蒙古科尔沁退化沙质草地采用 Spearman's次相关分析和回归分析法描述各退化阶段草本植被与土壤理化性质的关系,并得出退化过程中草本植被各数量特征与土壤有机质、全氮、全磷及有效氮含量呈极显著正相关水平的结论。也有一些学者未采用任何统计学方法,但也得出较为合理的结论。如:周华坤等与张劲峰等[35,36]分别对青藏高原高寒草甸和云南西北亚高山林地退化植被—土壤系统进行了评价,在划分好的各个退化程度不同的草地和林地上,分别采用植被数量指标和土壤理化指标对其进行评价,最后得到了较为客观合理的结论。曹广民等[37]在中国科学院海北生态定位站研究高寒草甸—土壤系统时,利用土壤—牧草氮素的供需情况来评价处于不同退化阶段的草甸类型,表明前 3个退化程度依次加重的草甸类型的需氮总量依次增多,并且都远远超出其土壤氮素供给,只有退化程度最严重的杂类草草甸的需氮总量才低于其土壤氮素的供给。

由于植被类型是以群落优势种为指标的,所以,研究植被类型与土壤理化性质关系时,只需对不同退化程度的草地类型或林地类型的土壤理化因子进行定量分析,即可达到监测评价的目的。李贵才等[38-40]在云南哀牢山中山湿性常绿阔叶林地区,采用单因素方差分析和 Duncan多重比较检验分析了不同退化程度林地类型土壤无机氮库的差异,作为有效氮主要形式的铵态氮呈极显著正相关水平,硝态氮差异也呈极显著水平,但硝态氮的含量远低于铵态氮。

2.2.3 基于土壤微生物的评价

土壤微生物在土壤中的数量和分布既反映了土壤各因子对微生物的影响,也反映了微生物对植物生长发育、土壤肥力的影响和作用[41,42]。人天志指出土壤微生物指标被公认为是生态系统变化的预警和敏感指标[43]。国内外对退化植被—土壤微生物系统的研究报道也较多。Stephan A等[44]在2000年开展了植物多样性与草地土壤微生物关系的研究,在数据分析中采用多元逐步回归方法对物种多样性与土壤微生物类群菌数进行相关性分析。尚占环等[45]于 2007年在青藏高原江河源区对不同退化程度的草地的植被数量特征与土壤微生物相关分析得知细菌数量与植被盖度呈正相关,真菌数量与植被物种数呈显著正相关,放线菌数量与植被总生物量呈显著负相关。林超峰等[46]于2007年在青海三江源通过比较不同植被类型生态区土壤微生物数量得知土壤微生物3大类群菌数随退化程度的加重呈下降趋势,真菌和放线菌的种类组成趋于简单化。

2.2.4 基于土壤种子库的评价

土壤种子库是一个潜在的植物群落体系,是退化植被恢复发展的重要物质基础,可以在一定程度上反映植被的未来发展方向,对植被的演替和更新具有重要的意义[48]。鉴于此,通过植被—土壤种子库来评价植被退化程度具有非常重要的意义。但是,对土壤种子库的调查相对繁琐,因为土壤中的种子要采用萌发试验才能研究其数量特征,进而与地表植被的数量特征进行比较分析。 Touzard B等[47]在法国西部研究过湿地退化对土壤种子库和地表植被的影响[48]。国内于 21世纪初开展过此类研究,如:徐海量等[49,50]在塔里木河下游选出不同程度的退化区作为研究对象,调查各个退化区样地内的植物种类、各种个体数、各种盖度和各种频度,并计算其生物多样性。种子库与地表植被的相似性采用Sorensen相似性系数计算,结果表明:随着退化程度的加重,地上植被密度和盖度普遍降低;土壤种子库密度呈下降趋势,物种减少,多样性指数降低,优势种组成趋于单一;土壤种子库物种组成与地表植被物种组成的相似性呈递减趋势。沈有信等[51]在云南东南部典型岩溶地点调查并计算了不同退化植被类型土壤种子库的数量、密度、垂直分布,以及各生活型的主要物种及其种子储量占总储量的比例,总结出各退化区域种子密度都随土层的加深而逐渐减少,且随着退化程度的加重,减少的趋势也会加重。欧祖兰等[52]在广西西南峰丛洼地对不同退化阶段植被土壤种子库的密度、物种类型及丰富度、种子垂直分布格局进行调查,并分析了草丛阶段到乔灌林阶段地上植被与土壤种子库的相关性,得知二者间的相关性呈降低趋势。

3 问题与展望

植被退化研究的方法缺乏综合与集成,虽然部分研究已逐步注重定量化,但多数研究仍局限在单项技术或方法上,并且方法也千差万别,如:对不同区域植被层的物种评价结果与生物量评价结果根本无法比较,某一区域中植被与土壤理化性质的关系与另外区域植被与土壤微生物的关系也同样无法比较。因此对各评价方法的优化集成和综合化是当务之急。另外,研究方法仍然多以定性分析为主,缺乏更深入的定量研究,也缺乏多学科、多角度、全面研究植被退化的视野[53]。目前由 Ludwig JA等[54]针对牧场和矿区编写的景观功能监测与评价方法(Landscape Function Analysis LFA)已经引入我国,他是一种全面系统、快速简单的监测评价方法,预计未来将会在我国乃至世界的植被退化监测评价中发挥很大的作用。

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