不同退耕年限撂荒地植物多样性及生物量分析

2012-12-21师阳阳陈云明张光辉

水土保持研究 2012年6期

师阳阳，陈云明，2，张光辉，王兵

（1.西北农林科技大学林学院，陕西杨凌712100；2.西北农林科技大学黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室，陕西杨凌712100；3.北京师范大学地理学与遥感科学学院，北京100875）

我国是世界上水土流失最为严重的国家之一。20世纪80年代中期至今，我国水土流失分布格局总体变动不大，但水土流失变化趋势随不同区域而有所差别，西部黄土丘陵区仍是我国水土流失最严重的地区。黄土丘陵区由于人类长期的滥垦滥伐、不合理耕作和过度放牧，加之该区降雨量虽较少却集中，而黄土本身质地疏松易冲刷，导致黄土丘陵区生态环境系统严重破坏。

生态系统修复的核心是施行退耕还林（草）工程，提高林草覆盖率，对降雨进行截流，增加雨水就地入渗的能力，遏制自然因素、人为活动造成的水土流失，促进生态系统良性循环。

退耕还林（草）对降低区域水土流失效果显著［1］。退耕地植被恢复过程中研究群落变化有很多种，其中物种多样性颇受关注［2－5］。

此外，地上生物量是生态系统获取能量能力的集中表现，对生态系统结构和功能的形成具有十分重要的作用［6］，根系具有吸收、合成、输导水分和养分及固定植物体的作用，其分布与变化影响着植被恢复进程［7］，根冠比可反映分配给地下部的光合产物比例，也是评价不同草地特征差异的指标［8］。李永强［9］、杜峰［10］等分别就撂荒草地群落的物种多样性、生物量变化进行了研究，马祥华［11］、杨涛［12］等对退耕地群落演替规律进行了研究，张振国等［13］研究分析了退耕后不同植物群落的土壤抗蚀能力大小，武春华等［14］则专门研究了退耕草地根系的垂直分布特征。上述研究对于理解、分析退耕后群落演替、物种多样性、生物量等方面具有重要意义。但是退耕还林（草）工程自2002年在全国全面开展至今仅10a时间，有关撂荒地演替过程的相关研究仍处于初级阶段。因此，本文以黄土丘陵区安塞县纸坊沟流域为研究区，系统研究退耕37a间植被恢复过程及物种多样性，地上、地下生物量的变化规律，为黄土丘陵区退耕效益评价、水土保持措施配置、植被演替规律的研究提供理论基础。

1 试验材料与方法

1.1 研究区概况

研究区设在陕西省安塞县纸坊沟流域，位于东经109°19′30″，北纬36°51′30″，平均海拔1 200m。该区地形破碎，沟壑纵横，属典型的黄土丘陵沟壑区，境内水土流失严重，多年平均输沙模数达8 373t／km2，是西北典型的生态环境脆弱区，也是退耕还林（草）重点区域。安塞县属暖温带半干旱大陆性季风气候，年平均降水量505.1mm左右，且分布不均匀，集中分布在7—9月；年平均蒸发量1 463mm，无霜期160～180d，年日照时数2 415h，≥0℃积温3 733.5℃，年均气温8.8℃。植被地带属森林草原带，天然林已全遭破坏，荒坡植被主要是以铁杆蒿（Artemisia sacrorumLedeb.）、茭蒿（Artemisia giraldii）、达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）、长芒草（Stipa bungeana）和白羊草（Bothriochloa ischaemum）等为优势种的草本植物群落。土壤类型主要为黄绵土，其中粉粒占64%～73%，黏粒占17%～20%，土质疏松，通透性好，但抗蚀抗冲性差，水土流失严重。

1.2 样地选择

纸坊沟流域自1974年起开始实施退耕还林（草）措施，对遭到极大破坏的林草植被进行了恢复重建，林草地面积不断增加。综合实地踏查并根据当地退耕现状，本试验选取了人为干扰相对较少且立地条件相似，退耕年限分别为3～5，10，18，28，37a的6块撂荒样地，并选取类似立地条件的坡耕地作为对照样地作为研究对象。

1.3 样地调查

2011年7—8月对纸坊沟流域不同退耕年限样地地形及植物群落进行调查与采样，土壤类型为黄绵土，样地基本情况见表1。样地调查包括坡度、坡向、植物群落、海拔、经纬度等；每个样地随机选取6个具有代表性的1m×1m样方，进行植物种类、盖度、高度、株数、地上及地下生物量的调查。其中，样方内各物种盖度用目估法测定，样方总盖度采用照相法并用PCOVER［15］软件处理得到，地上生物量采用全收获法，地下生物量采用根钻法分层（0—10，10—20，20—40，40—60cm）获取。

表1 样地基本情况

1.3.1 物种多样性指标选取常用的物种丰富度指数（Margalef指数R）、多样性指数（Simpson指数D和Shannon-Wiener指数H′）和Pielou均匀度指数（E）表征不同退耕年限群落物种多样性，各指标计算公式如下：

其中：S——样方内物种数目；N——所有物种个体数之和；Pi——种i的相对重要值；Rc——物种相对盖度；Rf——物种相对多度。

1.3.2 根系测定方法将野外采集的根系土样进行冲洗，阴干，装入信封放置冰箱内保鲜（6℃），扫描，根系长度采用CIAS 2.0图像分析系统［16］计算获取。扫描后将根系装入信封烘干（65℃，24h），称重，得到根系生物量。

1.4 数据处理

采用Excel 2003进行数据处理，用SPSS 16.0统计分析软件进行单因素方差分析，不同参数之间多重比较采用Duncan新复极差法。

2 结果与分析

2.1 不同退耕年限物种多样性

本试验5个退耕地草本植物群落的物种多样性变化情况见图1，随着退耕年限的增长，Margalef丰富度指数、Simpson多样性指数、Shannon-Wiener多样性指数、Pielou均匀度指数变化趋势基本一致，均表现为增大—减小—增大的过程。退耕初期（0～10 a），由于之前的长期耕作，退耕地表层土壤养分含量较高，苦苣菜（S.oleraceus）、牵牛花（P.nil）、狗尾草（S.viridis）等1a生草本植被竞相生长，物种繁多，群落生境有所改善，使得一些适应性强的茵陈蒿（A.capillaries）、二裂委菱菜（P.bifurca）等多年生草本植被也开始生长，1a生草本竞争力慢慢减弱，逐渐向多年生草本演替，物种的丰富度及均匀度均有所增大。随着植被恢复演替，退耕10～30a间，由于多年生草本逐步占优势，群落内不断有铁杆蒿、达乌里胡枝子、长芒草等新物种侵入，各物种间竞争加剧，1a生草本多数被多年生草本所代替，因此物种丰富度及均匀度均有所下降。退耕到30～40a间，经过演替前期物种的相互激烈竞争，铁杆蒿、长芒草等优势物种和平共处，群落逐渐达到相对稳定，物种丰富度及均匀度又呈上升趋势，但是与演替初期相比，均匀度指数还是有所下降。

图1 不同退耕年限植被物种多样性特征

2.2 不同退耕年限植被盖度

植被盖度是刻画地表植被数量的重要参数。对退耕37a间样地植被盖度的测定结果（表2）表明，随着退耕年限的增加，植被盖度呈阶梯式增加趋势，由退耕3a的39.67%分别增加到退耕10，18，28，37a的35%，52.33%，55.33%，63.33%，总增幅达到0.6倍，仅在退耕10a左右有所下降，植被盖度出现了一定波动。总体来看，退耕对提高植被盖度效果显著，使林草覆盖率有所增加，这对黄土丘陵区水土保持有一定功效。

2.3 不同退耕年限植被生物量

2.3.1 地上生物量由表2可知，植被地上生物量由对照样地最初的132.13g／m2分别增加到退耕3，10，18，28，37a撂荒地的165.44，147.47，286.43，335.94，344.90g／m2，分别增加了0.25，0.12，1.17，1.54倍和1.61倍，说明随退耕年限的延长，撂荒地植被地上生物量较坡耕地均不同程度地递增，且除退耕10a样地外，退耕时间越长植被地上生物量越大。对退耕37a间撂荒地地上生物量进一步采用单因素方差分析表明，植被地上生物量差异达极显著（P＜0.001）水平，说明退耕地不同年限下植被地上生物量差别较大，且总体呈上升趋势。

2.3.2 根系生物量由图2可知，不同退耕年限撂荒地的根系生物量均随土层深度增加迅速减少，根系生物量集中分布在表层10cm土层中，占0—60cm土层根系总生物量的50%～70%左右，土层深度超过10cm后，根系生物量迅速降低，且90%以上根系生物量分布在0—40cm土层，超过40cm后，根系生物量分布很少；对同一撂荒地不同土层根系生物量的方差分析结果显示，28a撂荒地各层根系生物量无显著差异，其余撂荒地各层根系生物量均存在显著或极显著差异。比较不同退耕年限撂荒地间根系生物量垂直分布可发现，随退耕年限的增加，除28a年撂荒地外，各层根系生物量均呈增加趋势，依次为0a＜3 a＜10a＜18a＜37a＜28a；对不同年限撂荒地同一土层根系生物量进行方差分析发现，各年限撂荒地同一土层间根系生物量都达到显著水平（P＜0.05），说明随退耕年限的延长，根系生物量变化显著。

2.3.3 根冠比对不同撂荒年限根冠比的测定（表2）表明，退耕地植被与坡耕地植被根冠比值相比，增长幅度极为明显，由对照样地的0.03增加到退耕37 a的1.68，平均增幅达60倍，根冠比值在撂荒前28a间呈递增趋势，仅在10a时有波动，根冠比达最大值；撂荒至37a左右，根冠比值基本达到稳定，保持在2.00左右。

表2 不同退耕年限植被盖度、地上生物量、根冠比值及增长百分比

图2 不同退耕年限根系生物量

2.4 不同撂荒年限根长密度

同一撂荒地不同土层根长密度（图3）与根系生物量变化趋势相似，在土壤垂直剖面上表现为随土层深度增加而不断减少，经方差分析表明，同一撂荒地不同土层根长密度均存在显著差异（P＜0.05）。不同撂荒地相同土层根长密度变化与物种多样性变化趋势相似，随撂荒年限的延长表现为先增加后减小，最后再增加，但是0—10cm土层根长密度在37a又出现下降，而40—60cm土层根长密度表现为随撂荒年限增加而增加的趋势，对不同撂荒年限地相同土层根长密度方差分析表明，所有土层根长密度均呈显著或极显著差异。

图3 不同撂荒年限下不同土层根长密度变化

Gale等［17］于1987年研究不同树种不同演替阶段根系垂直分布特征并提出了根系垂直分布的模型：

式中：Y——一定土层深度根系累积百分比（%）；d——土层深度（cm）；β——根系消减系数。β值可反映根系在土层中的分布比例，β值越大，根系越集中分布于深层土壤中，β值越小，根系在表层土壤分布较多。不少学者利用此公式拟合了草地植被根系的垂直分布特征［18－19］，得到了较好的拟合效果。

分别对撂荒3～5，10，18，28，37a及坡耕地植被根系生物量和根长密度用公式Y＝1－βd对根系垂直分布特征参数β拟合并求解，结果见表3。用根系生物量拟合出的根系消减系数β表现为28a＞37a＞0 a＞10a＞18a＞3～5a，用根长密度拟合出的根系消减系数β表现为37a＞28a＞10a＞18a＞3～5a＞0 a，说明退耕初期根系在表层土壤中分布的比例较大，退耕后期根系趋于向深层土壤中分布。

表3 不同退耕年限撂荒地植被根系消减系数

表4 不同年限植物群落各测定指标相关性分析

不同撂荒年限植被各参数间相关性各不相同（表4），撂荒初期的10a，植被地上生物量、根长密度均与地下生物量呈显著正相关，而地上生物量与根长密度由初始的显著负相关转变为正相关，这与根系发达的多年生草本逐渐代替1a生草本植被有关；撂荒至18a，植被盖度与地上生物量达到极显著正相关，其余参数间相关性不明显；撂荒28a和37a样地参数分析结果显示，由于此阶段群落植被已基本趋于稳定，地上生物量变化不明显，因此根冠比与地下生物量呈显著相关。

3 结论

本试验结果表明，退耕撂荒37a的植物物种多样性与退耕初期3～5a相比增幅不明显。说明在地形地貌复杂、水土流失严重、气候相对干旱的黄土丘陵区，退耕地植被的自然恢复演替是一个较缓慢的过程，有必要加强对退耕区内植被恢复的长期监测与研究，开展类似施肥、引进更高一级植物种、增加降水入渗等人工促进植被恢复的演替试验，缩短植被恢复年限，以促进退耕植被发挥更大的生态服务功能。

以空间代替时间的研究在样地选择上存在一定缺陷，本研究中退耕10a样地的植被盖度、地上生物量、根冠比值均出现了波动，植被盖度和地上生物量与其它退耕年限样地相比均为最低值，地上生物量最低又导致根冠比达最大值。经调查发现该样地曾有过放牧等人为干扰活动，建议在这一地区应加强控制性试验的布设与研究，为更精确的研究退耕地植被恢复演替提供可靠的基础试验资料。

退耕撂荒地经过近40a的恢复演替，群落内植物物种丰富度指数、多样性指数、均匀度指数均有一定程度的增加；植被盖度、地上生物量随退耕年限的延长而增加，分别由对照样地的33.5%，132.12g／m2增加到退耕37a的63.33%，344.90g／m2，增长幅度为4%～89%、12%～161%；根系生物量、根长密度均随土层深度增加而减少，不同年限撂荒地相同层根系生物量整体表现为随退耕年限的延长而增加，在28a达最大值，相同层根长密度表现为增大—减小—增大的过程；相关性分析表明不同撂荒年限植被各参数间相关性各不相同。

实施退耕还林（草）工程，可加速黄土丘陵区生态系统的恢复，改善当地的生态环境，促进农民脱贫致富。但退耕工程不能盲目开展，要科学地确定退耕还林（草）的目标、规模、范围、布局以及进度等［20］，以更好的为生态系统的修复提供理论依据，为黄土丘陵区生态环境建设提供可靠保障。

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