宁化县紫色土侵蚀区治理年限对不同治理模式植物多样性的影响

谭建金，陈松林，2，禤虹杏，黄锦祥，廖善刚，2*

(1．福建师范大学地理科学学院，福州350007;2．湿润亚热带山地生态国家重点实验室培育基地，福州350007;3．福建省宁化县水土保持站，福建宁化365400)

水土流失是世界性的环境问题之一，对人类社会可持续发展构成严重威胁，水土流失治理非常迫切，治理措施种类多样，而生物措施一直是人们研究的焦点。国内外学者分别从斑块、坡面和流域(区域)尺度的植被与水土流失关系进行了大量的研究［1-5］。生物多样性作为生态系统健康程度的重要度量指标，目前相关研究主要集中于退化生态系统恢复过程中生物多样性研究以及生态恢复效果评价，研究方法主要为考察植被结构、物种多样性及生态系统过程［6-10］。宁化县以紫色土侵蚀区面积大且集中、流失程度激烈、治理难度大，亟需进行退化生态系统恢复和重建的综合整治。但该区域水土流失治理研究主要集中在不同措施生物量及生产力、能量生产力、养分利用、土壤抗蚀性、土壤肥力等治理效益方面［11-14］，治理措施生物多样性研究相对薄弱，对生态环境的重建和恢复的复杂性和规律认识深度也有欠缺。本研究拟对4种主要生物治理模式植物多样性进行分析，比较各治理模式在生态恢复过程中群落间的相似性与差异性，这将有助于判断植物群落恢复程度与修复方向，为研究区生态恢复措施的选择提供一些参考。

1 样地概况和研究方法

1.1 不同治理模式样地概况

油茶园改造模式:主要是通过保留原有油茶 (Camellia oleifera)的基础上补植油茶，并辅以工程措施。除补植油茶外，Y1样地开挖等高草带，草带上种植百喜草 (Paspalum notatum)，草带之间采取水平带深翻整地;Y2和Y3样地分别修筑隔坡梯田和水平梯田。

乔灌草混交模式:主要是通过乔灌草齐上并配套相应工程措施。Q1样地开挖水平沟，沟间配套鱼鳞坑，沟埂种胡枝子 (Lespedeza bicolor)，沟内和沟壁点播宽叶雀稗 (Paspalum wetsfeteini Hackel)、本地草种，鱼鳞坑内种锥栗 (Castanea henryi)、杨梅 (Myrica rubra)、木荷 (Schima superba)、油茶等经济作物。Q2样地开挖水平条沟，种植胡栀子、马尾松 (Pinus massoniana)、女贞 (Ligustrum lucidum)，点播本地草种。Q3样地工程措施为台地整理，植物措施主要是种植马尾松、黄栀子 (Gardenia jasminoides)，木荷、油茶，点播本地草种。

经济林模式:主要是通过种植经济作物，辅以草本作物，配套工程措施，寓开发于治理。J1样地修筑水平梯田，梯田种植杨梅、柑橘 (Citrus reticulata)、金柑 (Fortunella japonica)、黄桃 (Amygdalus persica)，套种豆科植物，梯壁和梯埂种草或黄花菜 (Hemerocallis citrina)。J2样地开挖内斜山边沟，沟间配套鱼鳞坑，沟内种植百喜草，鱼鳞坑内种金银花 (Lonicera japonica)。J3样地修筑土埂梯田，开挖竹节沟，梯田种植油茶，梯壁种植百喜草，田埂种植黄花菜，套种宽叶雀稗、圆叶决明 (Chamaecrista rotundifolia(Pers．)Greene)。

封禁治理模式:含F1和F2样地。主要采取封禁措施，减少人为干扰，使植被与土壤自然恢复。

表1 宁化县紫色土侵蚀区样地基本环境因子Table 1 Basic environmental factors of purple soil erosion area plots in Ninghua County

1.2 研究方法

1.2.1 样地调查

调查在2013年7月进行，共选取宁化县紫色土侵蚀区最具代表性的4种生态恢复模式，样地的设置采用典型取样方法，采用常规群落植物调查方法调查了12块样地，乔木、灌木和草本样方大小分别为20 m×20 m、5 m×5 m和2 m×2 m。每块样地各含1个乔木样方、2个灌木样方和4个草本样方，共84个样方;其中乔木样方12个，灌木样方24个，草本样方48个。分别记录各样方以下内容:1)生境因子，如经纬度位置、海拔、坡度、坡向、治理措施、天气。2)乔木的种类、株数、树高、枝下高、胸径、冠幅、郁闭度;灌木的种类、株数、树高、地径、树冠幅、盖度;草本的种类、丛数、草层高、盖度;在统计中，把乔木幼树归为灌木。

1.2.2 多样性指数及计算

群落多样性的测度选用丰富度指数、均匀度指数和物种多样性指数3类，其计算公式如下:

(1)多样性指数

Shannon-wiener指数 (H')

H'=－∑piln pi

Simpson指数 (D)

D=1－∑p2i

式中pi为一个样地中种i的个体数占样地物种个体总数的比例。

(2)均匀度指数

Pielou均匀度指数 (Jsw和Jsi)

Jsw= (－∑piln pi)/ln S

Jsi= (1－∑p2i)/(1－1/S)

式中pi含义同上，S为所在样地物种数目。

(3)物种丰富度指数S式中S含义同上。

2 结果与分析

由于大部分调查样地还处于生态恢复的初期阶段，仅有4个样地出现乔木层，且结构还不稳定，同时乔木层物种均包含于灌木层中，因此本研究主要对调查样地的植物群落、灌木层和草本层植物多样性进行探讨。

2.1 群落的物种多样性

大部分样地 (J1样地除外)群落多样性、丰富度、均匀度指数值均高于对照区。J1样地土地利用方式为园地，黄花菜和扁豆播种数量占该样地植物个体总数的94%，导致物种均匀度指数Jsw仅为0.366，只及对照区的0.51倍，从而导致其多样性指数低。

物种丰富度指数在各治理模式中总体表现为治理年限越长，指数值越大 (表2)。治理年限为29～64年、2年、14年样地，物种数均值分别为22.667、15.333、9.500，差异显著。

表2中Jsw显示，随着治理年限延长，均匀度指数在油茶园和乔灌草模式中减小，在封禁模式中增大。

多样性指数在乔灌草混交及封禁治理模式，表现为治理年限越长，指数越大;这符合群落演替过程中多样性动态的一般规律，即随着演替进程，在治理初期和中期物种多样性增加，到了后期下降［15］。但在油茶园改造模式中多样性指数值随治理年限变化不明显，这是由于多样性指数为丰富度指数和均匀度指数的综合，而在油茶园改造模式中丰富度与均匀度指数变化趋势相反。

经济林模式由于治理年限较短，受治理措施的影响，植物多样性差异大，其物种多样性指数随治理年限的变化有待于后续观察。J1、J2、J3样地Shannon-wiener指数值分别为0.990、1.616、2.826，J3样地指数值分别为J1、J2样地的2.85和1.75倍，J3样地多样性指数位列各样地第二，与抚育期施肥作用联系紧密，相关研究也证明土壤养分的增加与多样性指数的增大呈正相关关系［15］。

表2 不同治理模式植物群落物种多样性Table 2 The species diversity of plant communities under different treatments

2.2 灌木层物种多样性

表3中Jsi均匀度指数显示，随着治理年限的增加，各治理模式指数值增大;但与对照区相比，油茶园改造模式、乔灌草混交和封禁模式治理年限短的样地均匀度指数小于对照区。主要是均匀度指数与物种数无关，而与物种分布的均匀程度相关［16］，受人为干扰反而会降低群落均匀度指数。Q2样地物种均匀度最低，是由于当年治理时配置了胡栀子、马尾松和女贞等3个乔灌物种，经过多年自然演替，马尾松成为灌木层的优势种，胡枝子为亚优势种，白檀 (Symplocos paniculata)和石斑木 (Rhaphiolepis indica)成为稀有种，个体数差异悬殊，分别40株、19株、1株、1株。虽然马尾松耐贫瘠且常作为植被恢复的先锋树种，但其抗病虫害能力弱且易燃，优势度过大不利于群落的长期稳定［17］。因此，从群落的多样性角度来看，建议未来补充木荷等对土壤适应性较强且耐火、抗火、难燃的阔叶树种，逐渐形成针阔混交林，使生态系统恢复到相对健康的状态。

多样性与丰富度指数变化趋势基本一致，即治理年限越长，指数值越大。Pearson相关性分析表明，灌木层Shannon-wiener指数与S显著相关，相关系数r=0.972。陈志辉、王克林等人在喀斯特环境移民迁出区的植物多样性植物多样性研究也发现各样地灌木层物种多样性指数总体上有缓慢递增趋势［18］。但在治理年限为2年的样地，由于治理措施特别是植物措施的差异，各样地间物种多样性与丰富度指数差异较大。

表3 不同治理模式灌木层物种多样性Table 3 The species diversity of shrub layer under different treatments

2.3 草本层物种多样性

随着治理年限增加，物种丰富度指数在油茶园改造和乔灌草混交模式中减小，在封禁模式中小幅增大 (表4)。出现2种截然相反的趋势，主要是由于封禁治理区治理前自然基底较好，草本物种数处于中等水平，经过一定年限的封禁治理，草本物种数增加不明显或者少量增加。而油茶园改造模式和乔灌草混交模式在治理前乔灌植物稀疏，通过治理初期的种草、施肥与工程措施，草本植物快速覆盖，物种丰富度较高;但随着治理年限的增加，乔灌层逐渐成为群落优势种，乔木层郁闭度和灌木层盖度增大，林下光照条件变差，反而会在一定程度上抑制草本植物的生长，草本物种丰富度有所下降［19-20］。

表4中Jsi显示，草本层均匀度指数变化趋势与丰富度指数相反，即随治理年限增加，均匀度指数在封禁治理模式下降，在油茶园改造以及乔灌草混交模式中小幅上升。

表4中Simpson指数显示，随演替进展，各治理模式草本层物种多样性指数逐渐降低。王世雄等人在陕西子午岭植物群落演替过程的研究中也发现同样的规律［21］。从Simpson指数看，指数值最高的3个样地 (Y1、Y2、J3)治理年限均为2年，这主要是受人为强烈干扰、样地生境以及草本植物生长特性共同作用而形成。

2.4 植物多样性与植物生长型的关系

植物生长型是表征植物群落外貌特征和垂直结构的重要指标［16］。本研究中的生长型分类主要参照whittarker等［22］的分类系统，而考虑到本研究大部分样地缺失乔木树种，因此只对灌木和草本进行研究。

图1(a)显示，物种丰富度指数在群落间变化表现为，治理初期草本层大于灌木层，随着治理年限的增加，灌木层物种数将逐渐大于草本层;且治理后期草本层与灌木层指数值差异要大于治理初期。治理年限为2年的样地，草本层与灌木层平均物种数分别为9种、6.3种，草本层物种数为灌木层的1.43倍;治理年限在29～64年间样地，草本层与灌木层平均物种数分别为4.6种、17.6种，灌木层物种数为草本层的3.83倍。

图1(b)显示，Jsw均匀度指数的变化，在油茶园改造及乔灌草混交模式中草本层大于灌木层;而在经济林和封禁模式中，多表现为灌木层大于草本层。

图1(c)显示，群落多样性指数随治理年限的变化与丰富度指数基本一致，因此在治理初期，群落多样性指数主要受草本层影响，而在治理后期则主要受灌木层影响。治理年限为2年的样地，草本层与灌木层多样性指数均值分别为1.62、1.27，草本层﹥灌木层;治理年限在29～64年间样地，草本层与灌木层多样性指数均值分别为1.33、2.23，灌木层﹥草本层。陈志辉等人在移民迁出区植物多样性研究中得出相似结论:随着群落演替，灌木层多样性指数会超过草本层［18］。

图1 不同治理模式草本层及灌木层物种多样性变化Figure 1 The species diversity of herb and shrub layer under different treatment

3 结论与建议

1)经过治理，各治理模式群落多样性指数均有不同程度的提高，群落结构趋于复杂稳定。因此侵蚀劣地生态系统的恢复与重建需要人为干预，但生物多样性的提高并不能一蹴而就，在生态恢复过程中应注重抚育期的施肥和后期持续管护。目前乔木层优势种以马尾松为主，后续应进行树种结构调整和补植修复，增加木荷等物种，形成树种结构相对合理、生物多样性比较丰富、森林群落较为稳定的林分结构。

2)治理年限越长，群落多样性指数值在乔灌草混交模式以及封禁模式中增大，但在油茶园改造模式变化不明显。主要由于在治理后期，乔灌草混交模式的灌木层多样性指数和草本层均匀度指数增大;封禁模式的灌木层多样性指数增大;油茶园改造模式草本层物种数减小。

3)植物多样性与植物生长型的关系:物种丰富度和多样性指数在治理初期为草本层大于灌木层，随着群落演替的进展，灌木层逐渐大于草本层;均匀度指数的变化，在油茶园改造及乔灌草混交模式中草本层大于灌木层，而在经济林和封禁模式中，多表现为灌木层大于草本层。因此，针对不同治理阶段和治理模式，生态恢复侧重点要有差异。在治理初期应注重草本植物快速覆盖的效果，中后期应加强对灌木层的抚育;提高物种多样性，在油茶园改造及乔灌草混交模式应多关注灌木层，而在经济林和封禁模式中则应多从草本层着手。

4)治理年限较短样地，受人为干扰强烈，植物多样性差异较大。生物措施应合理配置乔灌草物种数和个体数，尤其在经济林和油茶园改造模式中要兼顾生态与经济效益，防止因植物多样性指数过低而影响群落结构的稳定性和生态恢复效果。

志谢:

参加野外植物群落调查的还有陈志彪教授、陈志强教授、方玉霖老师等，在此致以衷心的感谢。

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