干旱区盐渍化弃耕地不同恢复与重建模式下生物多样性分析

2012-11-10梁静张凤华庞玮

石河子大学学报（自然科学版） 2012年5期

梁静，张凤华，庞玮

（新疆兵团绿洲生态农业重点实验室／石河子大学农学院，石河子8320003）

我国干旱区绿洲化面积从20世纪50年代后期的2.5万km2扩大到目前的10.4万km2，沙漠化土地面积由5.3万km2扩大到11.4万km2，受盐渍化危害的耕地面积达到1.5万km2，占总耕地面积的30%［1］。绿洲化优化了局地生态环境，扩大了人类的生存空间，但绿洲无序的开发使绿洲稳定性下降，引发包括土地退化在内的一系列生态环境问题，由于水资源缺乏，生态环境的脆弱性，加之农业生产对水土资源的不合理利用，土壤次生盐渍化问题也日益突出，新疆现有盐渍化耕地120万hm2，占现有耕地面积的31.7%以上，其中强度、中度、轻度盐渍化面积分别占18%、33%和49%。全新疆因土壤盐渍化而弃耕的土地达13.3万hm2，平均每年因土地盐碱化造成的粮食损失达3亿kg，棉花0.8亿～1亿kg［2］。

弃耕地是指原来进行农业经营的土地不再进行农业耕种而撂荒的土地，弃耕是自然恢复土壤质量的一种方式，但我国耕地十分紧张的情况下，弃耕不可取，如何利用弃耕地进行生态重建，具有一定的现实意义［3］。目前我国对弃耕地生态恢复以自然恢复和人工辅助措施恢复为主。弃耕地的恢复与重建过程对对土壤养分的生态效应已引起了一些研究者的关注［4－5］。植被恢复过程中土壤养分和有机质等含量有所提高，而土壤养分的改善也会促进植被的恢复，土壤和植被具有互动效应［6］。本研究以新疆玛纳斯河流域盐渍化弃耕地为案例，研究不同恢复重建模式下植被与土壤环境的变化，从而确定弃耕地恢复重建的最佳模式，以期为盐渍化弃耕地的生态重建及进一步开发利用提供选择和依据。

1 材料与方法

1.1 研究地区概况

新疆玛纳斯河流域冲积平原典型的盐化弃耕地，位于E 85°37.275′，N 44°33.493′，海拔378 m。研究区为典型大陆性气候，干旱少雨，湿度小，蒸发量大，日照充足，≥10℃的活动积温达到3570～3729℃，年日照时数为2721～2818 h，无霜期为168～171 d，年平均降水量153.1 mm，年平均蒸发量为2005 mm，超过自然降水量的13倍，易发生次生盐渍化现象，土质多系盐碱土、荒漠灰钙土。在地貌和气候条件控制下，研究区自然植被以荒漠植被为主，主要群落类型有柽柳（Tamarix hispida）群落、角果藜（Ceratocarpus arenarius）群落、猪毛菜（Salsola collina）群落、花花柴（Karelinia caspica）群落、地白蒿（Seriphidium terraealbae）群落等，植物种类单调是当地植被的主要特征。

1.2 研究方法

1.2.1样地布设与调查

试验区面积33.33 hm2，共设置4个样地，分为人工恢复模式（棉田，模式Ⅰ）、自然恢复模式（模式Ⅱ）、围栏恢复模式（模式Ⅲ）、少量补水恢复模式（围栏条件下适量补水，模式Ⅳ）。草本植物每个样地内设3个1 m×1 m样方，灌木区每个样地内3个5 m×5 m样方。调查并记录样方内所有植物的物种组成、密度、高度、盖度、频度；在植物旺盛生长期，对样方内的植物齐地刈割，测定生物量。每个样地内分别选为梅花状5点取土，样品经风干研磨过筛装袋备用。

1.2.2植被多样性测度

α多样性测度方法［7］。将反映群落中物种丰富和个体在各物种中分布均匀程度的指标，称为α多样性。文中采用最常用的丰富度指数、Simpson多样性、Shannon－Wianer多样性指数、Pielou均匀度指数进行α多样性，其计算公式如下：

式（1）中：S为样地的植物物种数，N为样地植物重要值总和（重要值＝相对生物量＋相对盖度＋相对多度＋相对频度＋相对高度）。

Simpson多样性指数：

Shannon－Wianer多样性指数：

式（2）、（3）中：Pi＝Ni／N，N 为样地植物重要值总和；Ni样方中第i中植物的重要值，Pi为重要值比例。

式（4）中：H 同式（3），S为样地的植物物种数。

β多样性测度方法［8］。一般将随群落内环境异质性变化，或随群落间环境变化，而导致的物种丰富度和均匀度程度变化的指标，称为β多样性。相似性系数，是测度群落或生境β多样性的最简便方法。本文采用Jaccard指数（Cj），其计算公式如下：

式（5）中：j为2个样地共有的物种数；a和b分别为样地A和样地B的物种数。

1.2.3土壤微生物计数方法

取新鲜表层土样采用平板涂布培养计数法。细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基；真菌用马丁－孟加拉红培养基；放线菌用改良高氏一号＋2%重铬酸钾培养基［9］。

2 结果与分析

2.1 不同恢复模式下土壤水盐分变化

弃耕地不同恢复模式土壤物理性质见表1。

表1 弃耕地不同恢复模式土壤物理性质Tab.1 Soil physical properties under different recovery modes

由表1可见：盐渍化弃耕地不同恢复模式下土壤含水量的差异明显，模式Ⅰ与模式Ⅳ由于通过人为补充灌水，土壤含水量明显大于模式Ⅱ与模式Ⅲ，其中人工复垦为农田（模式Ⅰ）后土壤含水量分别比模式Ⅱ、模式Ⅲ、模式Ⅳ增加了110.6%、113.3%和58.0%。与土壤含水量相反，土壤盐分差异表现为模式Ⅱ、模式Ⅲ的电导率较大，模式Ⅰ最低，电导率为896μS／cm。模式Ⅰ分别比模式Ⅱ、模式Ⅲ、模式Ⅳ降低了38.6%、54.0%和29.6%。这是由于模式Ⅱ和模式Ⅲ缺少灌溉对盐分的淋洗，同时地下水中的盐分通过强烈的蒸发作用在土壤表层累积的作用。

2.2 弃耕地不同恢复模式下地上植被多样性变化

由表2可见，一年生旱生、耐盐碱草本植物扩散力强，对环境条件要求低，抗逆性强，生理期只需利用浅层土壤水，因此在盐渍化弃耕地初期恢复中，能够迅速占领生境成为群落的物种主要以一年生旱生、耐盐碱草本植物尖头叶藜和碱蓬为主［10］。由于采取不同恢复措施，植物种类及数量不同，其中模式Ⅲ与模式Ⅳ的植被种类较多；模式Ⅰ生物量最大，为812.23 g／m2，模式Ⅱ生物量最低，为547.78 g／m2。围栏处理减少牲畜践踏和人为干扰，种子萌发条件较好，生理期利用浅层土壤水，有利于植被种类与数量的迅速恢复。围栏并补水处理后，植被种类与生物量并没得到明显提高。我们推测，弃耕地短期恢复过程中通过围栏禁牧保护种子库，植被即可起到明显恢复效果。

表2 不同恢复模式下植被种类及生物量Tab.2 Vegetation species and biomass in the experimental fields

群落物种多样性作为生物多样性的重要组成部分，不仅是反映生态系统内物种组成、结构多样性和复杂化程度的客观指标，还是生态系统内生物群落对生物和非生物环境综合作用的外在反映。从分析结果（表3）来看，不同恢复模式多样性指数具体表现为模式Ⅲ＞模式Ⅳ＞模式Ⅱ，可见半人工恢复具有较好的植被恢复效果，其中围栏恢复模式的多样性指数分别为0.827、0.861；少量补水恢复模式的多样性指数分别为0.816、0.846。丰富度指数是反映群落物种种类和数量多少的度量指标，取决于各种生态因子以及非生态因子，如土壤含水量、土壤养分以及人为活动等。由表3可见，围栏补水模式下植被种类较多，丰富度指数R2为1.260，而自然恢复方式下R2为0.909。模式Ⅳ分别比模式Ⅲ、模式Ⅱ增加了16.0%和38.6%。不同恢复模式下均匀度指数差异不大，表现为模式Ⅲ＞模式Ⅳ＞模式Ⅱ，其中均匀度最大的是围栏恢复模式为0.392，分别比模式Ⅱ、模式Ⅳ增加了7.1%和6.5%。

表3 不同恢复模式植物群落α－多样性Tab.3 Speciesα－diversity under different recovery modes

β－多样性的生态学意义可以指示生境被物种分割的程度，可用来比较不同地段上生境的多样性。由表4可见，在研究区内，模式Ⅱ与模式Ⅳ的相似性系数最小0.31，说明两个群落间共有物种最少。模式Ⅲ与模式Ⅳ的相似性系数最大0.53，相异性系数最小0.47，说明两个群落间共有物种最多，环境的异质性最小。说明模式Ⅲ与模式Ⅳ两种措施在恢复初期对地上植被种类及多样性表现较为一致。

表4 不同恢复模式植物群落β－多样性Tab.4 Speciesβ－diversity under different recovery modes

2.3 弃耕地不同恢复模式对土壤微生物多样性的影响

土壤微生物区系及数量分布是土壤生物分布的具体表现，可以敏感反应乃至预测土壤有机质以及土壤环境的变化过程具有重要作用。

本研究对弃耕地4种不同恢复模式下土壤微生物及其组成进行了测定，研究结果（表5）表明：三大类微生物类群组成比例大体一致，其中细菌数量最多，占微生物总数的88.24%～93.42%，在土壤微生物中占绝对优势，放线菌数量次之，真菌最少，在微生物总数中分别占5.81%～8.56%和0.77%～3.20%。

从微生物总数来看，盐渍化弃耕地4种不同利用方式土壤微生物数量存在一定差异，具体表现为模式Ⅰ＞模式Ⅳ＞模式Ⅲ＞模式Ⅱ。其中人工恢复方式下微生物数量最多，高达119.21万个／g土，自然恢复方式下最低，仅为35.63万个／g土。由于土地的利用方式不同，使其土壤属性发生了改变，从而影响土壤微生物数量。

表5 不同恢复模式对土壤微生物多样性的影响Tab.5 The influence of different recovery modes on the amount of soil microorganism

2.4 弃耕地不同恢复模式下土壤因子、植被多样性与微生物数量的相关性分析

由表5可见，土壤含水量与土壤微生物数量呈极显著相关，与地上植被多样性呈显著相关，说明土壤水分含量是影响土壤微生物数量及地表植被多样性的敏感因素，但土壤含水量与地表生物量无相关性。土壤微生物数量与地表植物生物量呈现显著相关性，说明地上部植被生物量与土壤中微生物数量有密切关系，地上部植被生物量越大，土壤微生物数量越多。

表6 不同恢复模式下土壤因子、植被多样性与微生物数量的相关性分析Tab.6 Correlation analysis among soil factors，vegetation diversity and soil microorganism quantity

3 结论

1）盐渍化弃耕地不同恢复模式下土壤含水量、盐分差异明显，人工种植模式与围栏补水模式条件下，含水量明显大于其它模式。人工恢复模式下土壤盐分最低，电导率为896μS／cm。由于人为增加灌溉，提高土壤含水量，同时对土壤盐分的淋洗作用，降低土壤表层盐分含量。这与前人的研究一致。

2）盐渍化弃耕地不同恢复模式下植物物种多样性及生物量均存在差异。半人工恢复模式条件下植被的丰富度指数及综合多样性指数均较高。说明只要采取合适的封育与保护措施，弃耕地植被可以得到一定的恢复。其中半人工恢复中围栏模式和围栏补水模式对植被恢复中多样性及生物量的影响不明显，短期实验为2009－2010年，但2种恢复模式的结果差异不明显。

3）不同恢复方式下土壤微生物数量存在一定差异，表现为模式Ⅰ＞模式Ⅳ＞模式Ⅲ＞模式Ⅱ。其中人工恢复方式下微生物数量最多，高达119.21万个／g土，自然恢复方式下最低，仅为35.63万个／g土。微生物作为反映土壤特性的敏感指标，可体现土壤水分的影响作用。

4）土壤微生物数量与地上生物量呈显著正相关，土壤含水量与其地上植被多样性和土壤微生物数量呈显著相关和极显著相关。土壤水分的增加可以增强地表植被群落稳定，从而增加地上生物量。关于地表植被多样性与土壤微生物多样性之间是否具有显著相关性，有待于今后的进一步研究。

4 讨论

本研究的调查结果表明，研究样地植被种类稀少，植被群落发育初期基本依赖于土壤种子库植被更新潜力［11］。因此试验中不同弃耕地恢复模式下植被种类及多样性特征取决于弃耕期间土壤中种子库的组成、可萌发种子多样性及种子幼苗建成能力［12］。本研究通过开垦农田、围栏禁牧、围栏补水几种措施处理，对种子库影响不同，植被数量无论从种类和数量都有较大差异。人工开垦对种子库损失最大，围栏处理减少牲畜践踏和人为干扰，种子萌发条件较好，因而植被的种类和数量也较多。因为实验仅2年时间，在围栏与围栏少量补水2种措施间植被种类无太大差异。但是土壤微生物数量在二者间差异明显。我们推测，短期来看，弃耕地恢复过程中围栏禁牧、减少人为破坏对植被群落重建起着关键作用，而干旱区弃耕地长期恢复过程中土壤水分仍然是关键因素。加强对干旱荒漠区土壤种子库的研究，掌握干旱荒漠区土壤种子库的特点和规律，对于干旱荒漠区植被的保护和恢复起着重要的作用［13］。

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