封育对典型草原植物群落物种多样性及土壤有机质的影响

赵 菲，谢应忠，马红彬，沈 艳

(宁夏大学草业科学研究所，宁夏 银川 750021)

草地退化已成为我国生态环境恶化的突出问题之一。据统计，我国天然草地近 1/3 的面积处于不同程度的退化之中[1]，草地生态恢复与重建成为生态环境恢复的主要内容[2]。在退化草地的恢复和植被重建过程中，草地围栏封育以其投资少、见效快的特点，已经成为退化草地恢复的重要措施之一，并被世界各国广泛采用[3]。在草地生态系统中，草地群落的物种多样性关系着草地生产力的大小，而草地土壤有机质含量多少则与草地土壤生产力的大小和健康状况密切相关。因此，研究草原恢复过程中植被物种多样性及土壤有机质的变化特征，是度量草地生态系统恢复程度的重要措施之一。

典型草原是欧亚草原植被的一个类型，是温带内陆半干旱气候条件下形成的草地类型，其植物主要为旱生和广旱生多年生丛生禾草，有时混生旱生灌木或半灌木。我国典型草原主要分布于35°～55° N，约占全国草地总面积的10.5%，是我国温带草原中一种有代表性和典型性的类型。宁夏典型草原主要分布在宁夏南部黄土丘陵区各县，海拔多在1 400 m以上，地形起伏大。主要由旱生多年生本氏针茅(长芒草)和大针茅为建群种的群落组成，盖度为30%～70%，是宁夏主要的生态屏障和牧业基地。但是，长期以来的自然和人为因素使宁夏干草原生态系统遭到严重破坏。2003年起宁夏实施天然草地禁牧以来，草地生态恢复显著，但是禁牧恢复后草地的效果尚需正确评估，而物种多样性和土壤有机质是评价恢复效果的主要内容。因此，本研究通过监测禁牧封育恢复中宁夏典型草原植物群落物种多样性和土壤有机质变化，揭示封育对典型草原物种和土壤有机质的影响，也为该区生态建设和草地科学管理提供依据。

1 研究区概况

研究区位于宁夏固原市云雾山草原自然保护区及保护区周边地区，位于黄土高原中部的黄土丘陵干旱区，地理位置为36°13′～36°19′ N，106°24′～106°28′ E，海拔为1 800～2 148 m，面积650 hm2，是我国西北黄土高原以长芒草为优势种的草原植物保留较好的典型地段。年均气温4～6 ℃，≥0 ℃的年积温2 370～2 880 ℃·d，无霜期112～137 d，月均温以7月最高，为24 ℃，年均降水量400～450 mm，年蒸发量1 500～1 700 mm，7-9月降水量占全年降水量的65%～75%。地带性土壤为山地灰褐上和淡黑垆土，土层分布均匀深厚，地下水位深，补水能力差[4]。草原类型为以本氏针茅和大针茅为建群种的干草原，伴生有百里香、糙隐子草、阿尔泰狗娃花、西山委陵菜、星毛委陵菜、冷蒿、铁杆蒿等植物。

2 研究方法

2.1试验设计 采用空间梯度代替时间梯度的方法，在云雾山草原自然保护区及保护区周边地区选择放牧草地(未封育)和禁牧封育2、3、5、10、15、20和25年的草地为研究对象。

2.2测定项目与方法

2.2.1草地植物群落特征 以放牧和不同禁牧年限草原植被与土壤有机质数据为分析材料。于2010年植被生长旺季(8月中下旬)在不同处理样地调查统计植被组成，测定各种植物的高度、盖度、质量、密度和频度。其中，高度测定自然高度，盖度采用针刺法测定，密度统计样方内各种植物的株数，频度采用样圆法测定。测定的样方面积为1 m×1 m，3次重复。

2.2.2土壤有机质含量的测定 在每一处理样地内以“S”形布点分别取0～5、5～10、10～20、20～30、30～40 cm共计5个土层的土样，将土样带回实验室风干处理后采用重铬酸钾氧化还原滴定法测定土壤有机质含量[5]。

2.2.3数据处理 应用Excel 2003、DPS统计软件对数据进行数据转换、标准化处理、方差分析、相关分析，采用Excel 2003作图。

2.3数据分析

2.3.1重要值

2.3.2丰富度指数 物种的丰富度指数用S[7]表示，即每个样方中出现的物种数。

2.3.3均匀性指数 均匀性指数用Simpson均匀性指数Esi[6]表示：

式中，ni是第i个物种的个体数，S为样地中出现的物种数，N为物种的个体总数。

2.3.4多样性指数 多样性指数用Menhiniek多样性指数Dme[6]表示：

式中，S为样地中出现的物种数，N为物种的个体总数。

3 结果与分析

3.1封育对物种组成及其重要值的影响 重要值反映物种在群落中所起作用和所占地位的重要程度，重要值最大的物种是群落的优势种。它们在群落结构中的作用非常重要，决定群落内较大范围的生境条件。优势种组成差异在一定程度上反映着群落的结构多样性特征[7]。不同封育年限典型草原的主要物种及其重要值存在差异(表1)。未封育的典型草原的主要植物有9种，分别为猪毛蒿、长芒草、西山委陵菜、百里香、星毛委陵菜、赖草、糙隐子草、阿尔泰狗娃花、冷蒿；封育2年的典型草原的主要植物有7种，分别为扁穗冰草、长芒草、白颖苔草、阿尔泰狗娃花、大针茅、蒙古冰草、扁蓿豆；封育3年的典型草原的主要植物有7种，分别为扁穗冰草、长芒草、白颖苔草、阿尔泰狗娃花、大针茅、蒙古冰草、扁蓿豆；封育5年的典型草原的主要植物有11种，分别为白羊草、百里香、猪毛蒿、扁穗冰草、阿尔泰狗娃花、长芒草、大针茅、赖草、糙隐子草、银灰旋花、扁蓿豆；封育10年的典型草原的主要植物有11种，分别为大针茅、白颖苔草、长芒草、白羊草、赖草、百里香、扁蓿豆、星毛委陵菜、风毛菊、阿尔泰狗娃花、二裂委陵菜；封育15年的典型草原的主要植物有7种，分别为长芒草、大针茅、阿尔泰狗娃花、铁杆蒿、赖草、扁蓿豆、蓬子菜；封育20年的典型草原的主要植物有7种，分别为长芒草、铁杆蒿、扁穗冰草、二裂委陵菜、猪毛蒿、冷蒿、瞿麦；封育25年的典型草原的主要植物有9种，分别为长芒草、大针茅、风毛菊、蓬子菜、阿尔泰狗娃花、赖草、异叶青兰、百里香、瞿麦。随着封育年限的不断增加，长芒草、大针茅、银灰旋花、阿尔泰狗娃花、扁蓿豆等饲用价值较高的优质牧草的重要值总体上在增加，而冷蒿、猪毛蒿、星毛委陵菜、西山委陵菜等草地退化指示植物的重要值呈明显下降，尤其是棘豆、狼毒、淡味獐芽菜、披针叶黄华等有毒有害草类几乎没有了。另外，随着封育年限的不断增加，草原植被植物种类有所增加，并有多年生草类代替一年生草类成为草原优势种的趋势。

表1 不同封育年限典型草原植被主要物种及其重要值

3.2封育对物种多样性的影响 物种多样性是反映群落结构、功能特征的有效指标，是生态系统稳定性的量度[8]。物种丰富度指数及多样性指数均以封育5年最大，封育10年居中，未封育最小；均匀性指数以封育10年最大，封育5年居中，封育3年最小。典型草原封育后，随着封育年限的增加物种丰富度和多样性呈先增加后降低的趋势，封育10年后，物种丰富度和多样性较封育5年小。典型草原的物种丰富度指数、均匀性指数及多样性指数不同封育年限均存在显著差异(P<0.05)(图1)。均匀性指数的变化总体与多样性指数呈相反趋势，这可能是由于封育年限越长，物种向优势群落演替，导致均匀性指数变小。

3.3封育对土壤有机质的影响 土壤有机质是土壤的重要组成部分，土壤的物理、化学、生物等许多属性都直接或间接地与有机质的存在有关。同时，土壤有机质也是衡量土壤肥力的重要指标之一，土壤肥力是土壤物理、化学、生物等性质的综合反映，而土壤有机质对土壤肥力的这3个方面均有影响[9]。不同封育年限土壤有机质含量存在显著差异(P<0.05)，封育15年、25年的典型天然草地土壤有机质含量较高，封育5年、20年的典型天然草地土壤有机质含量居中，未封育的典型天然草地土壤有机质含量最低。不同封育年限土壤不同深度有机质的含量存在差异，各处理下土壤有机质含量随土层深度的增加呈下降趋势，而且随着封育年限的不断增加，典型天然草地土壤各层有机质含量差距有减少的趋势(图2)。

图1 不同封育年限物种多样性

图2 不同封育年限典型草原土壤有机质含量

3.4不同封育年限物种多样性和土壤有机质含量的相关分析 不同封育年限植被多样性及土壤有机质含量相关分析表明，不同封育年限物种丰富度指数与多样性指数和土壤有机质含量有负相关关系(相关系数分别为-0.225 3和-0.363 5)，均匀度指数与土壤有机质含量有正相关关系(相关系数为0.226 8)，但相关性均不显著，这是因为草原植被物种多样性增大，对土壤有机质的利用也就增加，而植被均匀性指数的变化总体与多样性呈相反趋势。

4 结论

随着封育年限的增加，典型天然草原植被中杂类草逐渐减少，而禾草类及豆科植物逐渐增多，表明其优质饲草所占比值有所提高。典型草原封育后，随着封育年限的增加物种丰富度和多样性呈先增加后降低的趋势，封育5年左右物种多样性指数最大，均匀性指数和多样性指数变化相反。一般较高的均匀性指数反映群落内物种间竞争较弱，配置趋于均匀，物种多样性降低。

土壤有机质是土壤的重要组成成分之一，在保持土壤质量方面起着重要的作用，是影响土壤其他功能的一个关键因子。物种多样性是所有生命系统的固有特征，是人类赖以生存的基础，物种多样性与生态系统功能作用的研究是生物多样性研究的核心领域之一[10]。随着封育年限的不断增长，不同封育年限物种丰富度指数与多样性指数和土壤有机质含量有负相关关系，均匀度指数和土壤有机质含量有正相关关系。在没有放牧等外界干扰的情况下，初期植物多样性增大，对土壤有机质利用也增加，但随着封育时间增长，物种多样性减小，对土壤有机质等养分的利用也相对减少，土壤有机质的含量有了表层向下层积累的趋势，草原土壤养分含量的升高，给其他种类植物迁移提供了良好的物质基础，有利于草原植被物种种类数的增加。

[1]赵云.不同退化程度高寒草甸草原土壤理化特征的研究[D].兰州：甘肃农业大学，2009.

[2]米文宝，谢应忠.生态恢复与重建研究综述[J].水土保持学报，2006，13(2)：49-53.

[3]何玉惠，赵哈林，刘新平，等.封育对沙质草甸土壤理化性状的影响[J].水土保持学报，2008，22(2)：159-161.

[4]红梅.锡林河流域草地境划分及其健康评价[D].呼和浩特：内蒙古农业大学，2005.

[5]中国科学院南京土壤研究所.土壤理化分析[M].上海:上海科学技术出版社，1984：126-128.

[6]任继周.草业科学研究方法[M].北京：中国农业出版社，1998：15-28.

[7]谢应忠.植物生态学导论[M].银川：宁夏人民出版社，2000：130-138.

[8]马红彬，谢应忠，魏巧花.宁夏南部黄土丘陵区不同整地方式对草地植物群落物种多样性的影响[J].农业科学研究，2006，27(4)：1-4.

[9]张勇，庞学勇，包维楷，等.土壤有机质及其研究方法综述[J].世界科技研究与发展，2005，27(5)：72-78.

[10]高超.东祁连山不同退化程度高寒草甸草原土壤有机质特性及其对草地生产力的影响[D].兰州：甘肃农业大学，2007：6.