不同人为干扰类型对城市近郊植物群落物种多样性的影响——以贵阳市花溪区为例

吴 庭,龙翠玲

(贵州师范大学 地理与环境科学学院,贵阳 550001)

不同人为干扰类型对城市近郊植物群落物种多样性的影响
——以贵阳市花溪区为例

吴 庭,龙翠玲

(贵州师范大学 地理与环境科学学院,贵阳 550001)

研究了贵阳市花溪区大学城附近植物群落在火烧、道路、弃耕和砂石堆放等4种人为干扰类型对植物多样性的影响。结果表明：物种丰富度指数和多样性指数均以弃耕地最高,其次为火烧迹地和道路干扰样地,砂石堆放地物种丰富度和多样性指数最低；均匀度指数以砂石堆放地最低,其余3种干扰类型样地差别不大。弃耕地与火烧迹地的相似性指数最高,而弃耕地与砂石堆放地的相似性指数最低；经过与土壤水分含量进行相关分析,丰富度和均匀度指数与土壤水分呈显著正相关,多样性指数和生态优势度指数与土壤水分相关性不显著。

人为干扰；植物多样性；土壤水分；贵阳市

城市近郊区不同层级的森林是城市森林生态系统的重要组成部分,城市近郊森林生态系统处于衔接城市与农村的过渡地带,在城市生态系统结构和功能的维护方面发挥着重要作用。随着城市化的发展,全世界的景观破碎化和生态环境破坏问题日趋严重,特别是城市周围地区的景观破碎化和植物受损程度尤其突出[1]。城市化被许多学者认为是改变自然环境、引起当地大多数物种快速减少和灭绝的最主要的驱动力之一[2]。城市化进程必然会对生态环境造成影响,致使城市及周边郊区的植被分布格局发生改变。同时,当地居民对多草被地区的开发利用,或放牧或进行城市基础设施建设,使原有稳定条件下有利于乔、灌、草发育的生态环境发生很大变化,呈现出不同程度的生态退化现象[3]。因此,人类干扰作用下植物多样性格局及其演变过程已经受到了国内外广大学者的重视和关注,这已经成为当前生态学研究的重点和热点领域之一。近年来,有许多学者研究人为干扰对城市近郊植物多样性的影响,但这些研究大多集中在城区,而把城区、郊区和农区结合起来同时进行研究的较少[4-5]。本文以贵阳市花溪区为例,把郊区和农区作为一个整体,研究不同人为干扰类型对植物多样性的影响,探寻郊区植物现状以及植物多样性的变化规律及原因,以期为城市近郊区的生物多样性保护和退化喀斯特区植被恢复提供参考。

1 研究区概况

研究区位于贵州省中部的贵阳市花溪区(26°11′～26°34′N,106°27′～106°52′E),地处黔中高原盆地,最低海拔999m,最高海拔1 655.9m。属亚热带季风性湿润气候,具有冬无严寒、夏无酷暑、雨量丰沛、气候温和、雨热同期的特点。该区年平均气温为15.2℃,年降水量为1 178mm,年均太阳辐射时数为1 214.6h,空气相对湿度为85%左右。主要成土母岩有碳酸盐岩、紫色砂页岩、砂岩、页岩。自然土壤以硅铝质黄壤、黄色石灰土分布最广,其次为硅质黄壤、黑色石灰土和紫色土,硅铁质黄壤面积较少。花溪区属典型的中亚热带常绿阔叶林带,主要森林植被类型有黔中山原湿润性常绿栎林、常绿落叶混交林及马尾松林等。

2 研究方法

2.1 样地调查

于2016年6月进行实地调查,在贵阳市花溪区大学城周边选取4种干扰年限相近(弃耕地干扰、砂石堆放地干扰、道路干扰、火干扰)的典型地段分别设置3个10m×10m的样地,在各样地内设置若干个1m×1m的小样方,统计样方内乔木和灌草的种类、数量、高度、胸径(或地径)、盖度等,并记录坡度和坡向等数据。在各个样地内进行土壤样品采集,由于研究样地属于典型的土层浅薄区域,故每个样地内随机采集3个土层较厚的不同点的土样混合,带回实验室进行土壤水分含量测试。

2.2 数据处理

选用4个常用的测度指标来进行物种多样性计算,包括Margalef丰富度指数、Simpson优势度指数、Shannon多样性指数和Pielou均匀度指数,并选用Jaccard相似性指数计算各干扰类型之间的相似性[6-10]。

1) Margalef丰富度指数(R1)

R1=(S-1)/log2N

2)Jaccard相似性指数(CJ)

Cj=j/(a+b-j)

3)Simpson优势度指数(λ)

λ=∑ni(ni-1)/(N(N-1))

4)Shannon多样性指数(H)

H=-∑Pilog2Pi

5)Pielou均匀度指数(J)

J=H/log2S

式中：S为物种数,N为所有物种的个体数之和；Pi=ni/N为第i个物种的个体数ni占所有个体总数N的比例；a为群落A中所含的物种数,b为群落B中所含的物种数,j为群落A,B共有的物种数。

土壤水分测定采用恒温烘干法,通常可以通过把土样放在电烘箱内烘干(温度控制在250℃左右),然后从土壤孔隙中测得释放的水量作为土壤水分含量。图表用Excel表格制作,相关分析采用SPSS16.0软件进行。

3 结果与分析

3.1 不同干扰类型样地的物种组成

各干扰类型样地中共记录到植物138种,隶属于43科110属,以菊科、豆科、蔷薇科、禾本科植物为主。样地中主要的乔木树种有月月青(Iteailicifolia)、刺槐(Robiniapseudoacaia)、女贞(Ligustrumlucidum)、盐肤木(Rhuschinensis)、构树(Broussonetiapapyrifera)、榛树(Corylusheterophylla)、柘树(Cudraniatricuspidata)、朴树(Celtissinensispers)等；主要的灌木种有小果蔷薇(RosacymosaTratt)、悬钩子(Rubuscorchorifolius)、杭枝稍(Campylotropis)、马桑(CoriarianepalensisWall.)、火棘(Pyracanthafortuneana)、老虎刺(Pterolobiumpunctatum)、荚蒾(Viburnumdilatatum)、菝契(SmilaxchinaL.)等；主要的草本种有竹叶草(Armgrass)、蒌蒿(Artemisia)、艾蒿(Artemisiaargyi)、白芒(Miscanthussinensis)、千里光(Senecioscandens)、针茅(Sipacapillata)、荩草(Amaurornisphoenicurus)等；主要的藤本植物有地瓜藤(Ficustikolla)、野葡萄(VitisamurensisRupr)、鸡矢藤(Paederiascandens)、鹅绒藤(Cynanchumchinense)、崖豆藤(Millettiadielsiana)、蛇藤(Duchesneaindica)等。由此可知,由于人类干扰的加剧所导致的乔木稀少、灌木次之、草本为主的现状,是该区域以草本和低矮藤刺灌木为主的原因。

3.2 各干扰类型样地的物种多样性

不同人为干扰类型的物种多样性指数的变化情况如图1所示,Margalef丰富度指数与Shannon多样性指数的变化趋势相似,其中道路干扰对2种多样性指数的影响存在差异；而另外2种指数的变化趋势则刚好相反,表现为生态优势度指数高,其均匀度指数则变低,以砂石堆放地干扰样地最为明显；弃耕地干扰和道路干扰2种类型样地的物种丰富度最高,分别为6.979 6和5.183 3,火烧样地次之,砂石堆放地干扰样地最少,为4.113 8；弃耕地干扰样地的Shannon 多样性指数最高,为5.263 3,而道路干扰样地的多样性最低,为4.572 9；Simpson 指数以道路干扰样地和砂石堆放样地最高,火烧样地次之,弃耕地样地最低；Pielou均匀度指数以砂石堆放地最低,为0.708 7,其余3种干扰类型样地差别不大。究其原因,由于干扰方式和干扰强度不同所造成生态环境的破坏程度出现差别,使得生态系统内的小生境发生特殊性变化,而生境发生变化,则必然会造成区域内物种组成、群落结构、演替机制发生明显变化。

图1 各干扰类型的物种多样性指数

3.3 各干扰类型植物的相似性

由于不同干扰程度所造成的环境条件不同,造成各样地植物物种组成存在差异。由表1可知,弃耕地干扰类型和火烧迹地干扰类型之间的相似性指数最高,为0.411 2；弃耕地干扰类型与砂石堆放地干扰类型的相似性指数最低,为0.094 0。造成相似性指数高低的原因可能为：弃耕地干扰类型和火烧迹地干扰类型对生境的影响程度相当,而砂石堆放地干扰下的生境条件更加恶劣。在弃耕地干扰和火烧迹地干扰2个样地区域,呈现的是土层相对较厚,有利于植被的生长发育；弃耕地干扰样地乔木覆盖度低,多为一年或者多年生草本,草本植物为该区域的主要组成种群；草本植物的种子和大量的无性繁殖萌生速度快,使得更新换代速度快；加上2个区域都有过耕种的痕迹,所以原有种在这些区域继续生长发育得到了有利的条件,因此植物物种相似度高。然而,砂石堆放地由于多为人类活动过程中搬运的水泥沙石为主,土层浅薄,形成土壤肥力低、保水能力差、生境恶劣的环境,没有足够肥力的土壤来满足植物的萌发,不利于植物的生长,导致这些区域植物物种稀少以及与其他干扰类型的植物物种多样性相似程度低。

表1 各干扰类型Jaccard相似性指数

3.4 土壤水分对各干扰类型植物多样性的影响

由表2可知,各干扰类型样地表层土壤水分从高到低表现为火烧干扰>道路干扰>弃耕地干扰>砂石堆放干扰,土壤水分含量由高到低依次为24.5%,24.1%,20.33%,17.16%。土壤水分跟几种多样性指数的相关性系数存在很大的差别。其中,与丰富度指数和均匀度指数存在正相关关系,且相关性显著；与多样性指数和生态优势度指数存在负相关关系,但相关性不显著。这与研究区域的统计结果所存在的规律是一致的,土壤水分含量越高,则物种就越丰富,物种数就越均匀,土壤水分含量越低,则物种种类就越少,均匀度也就越低。

表2 土壤水分与植物多样性的相关性系数

4 结论与讨论

1) 贵阳市花溪区大学城附近的植被类型主要以草本植物为主,灌木次之,高大乔木最为稀疏。在这些研究区域中Margalef丰富度指数以弃耕地干扰类型最高,其次为道路干扰类型、火烧迹地干扰类型,砂石堆放地干扰类型最低,Shannon多样性指数以弃耕地最高,其次为砂石堆放地、火烧迹地,道路干扰类型最低,Simpson 生态优势度指数以道路干扰类型最高,其他2种干扰类型指数差别不大；Pielou均匀度指数以砂石堆放地最低,其余3种干扰类型均匀度系数很相近,原因可能是砂石堆放地受人为干扰最为剧烈,致使原生生境遭到严重破坏,不利于原生植物的生长,但少数适应性强的物种能够在此地大量繁殖,占据主导优势,因而均匀度低。其中,丰富度指数和多样性指数在4种不同干扰类型中的变化规律与周光兵等[11]的研究结果存在差异,原因可能是不同研究区的生境条件、植被类型、干扰程度和土壤条件不同的缘故。植物群落的相似性与共有物种数成正比,这与李融等[12]的研究结果一致,群落的共有物种多,则相似性高。

2) 人为干扰导致土壤环境改变,对群落的更新、结构组成等产生影响[13]。花溪区大学城附近砂石堆放地干扰类型样地内物种比较单一、优势种类明显、均匀度指数最低,主要是因为该地土层薄而松散,连续性差,水分含量较低的缘故[14]。在对土壤水分含量与植物多样性的影响研究发现：土壤水分与丰富度和均匀度呈显著正相关,与多样性指数和生态优势度指数呈现的相关性不显著。原因则为土壤水分含量高的样地,自然环境比较优越,给植物种子萌发和生长提供了先决生存条件,有利于植物的更新与繁殖；土壤水分含量低的样地,自然条件比较恶劣,没有生存所必须的水分的支持,植物很难生存,仅仅适合一些耐旱植物的生长,如土层浅薄的砂石堆放样地就生长着大量的针刺状藤本植物。因此,土壤水分是退化喀斯特区植物生长的限制因子。

3) 贵阳市花溪区大学城近几年呈现出前所未有的飞速发展状态,大量市政设施的建设使该区域景观破碎化,区域内植物多样性被严重破坏,使城市近郊区植被系统的结构和功能稳定性受到威胁。为了对该区域的生态环境进行有效保护,应该采取一些切合实际的方法和措施来进行生态恢复和生物多样性维持。首先,需要郊区乡村制定行之有效的“放牧制度”和“割草制度”,如近年来采取的“禁牧、休牧、春季禁牧、返青期禁牧等”方式可以用来进行该区的草地修复。其次,研究区为喀斯特生态脆弱区,在进行生物多样性的保护和植被恢复时,切忌只引进单一物种,而要根据环境特性选取耐旱、喜钙的多物种配置方式进行。再次,由于受干扰区域缺乏乔木树种,生态系统恢复速度缓慢,应适当种植乔木树种来改善群落结构,利于森林生态系统的自然恢复和生态系统功能的稳定。最后,需要政府管理部门的正确引导和公众的积极参与,使建设中的花溪大学城成为风景优美、气候宜人、生态功能稳定的城市新区。

[1]张金屯.城市化对森林植被、土壤和景观的影响[ J].生态学报,1999,19(5):655-658.

[2]Huste A,Boulinier T.Determinants of local extinction and turnover rates in urban bird communities[J].Ecological Applications,2007,17:168-180.

[3]王烨,尹林克.19种荒漠珍稀濒危植物的物候研究[J].干旱区研究,1991,8(3):45-56.

[4]McDonell M J,Picket S T A.Ecosystem structure and function along urban-rural gradients:an unexploited opportunity for ecology[J].Ecology,1990,71:1231-1237.

[5]Roxburgh S H,Shea K,Wilson J B.The intermediate disturbance hypothesis:patch dynamics and mechanisms of species coexistence[J].Ecology,2004,85(2):359-371.

[6]Margalef R.Information Theory in Ecology[J].General System,1957(3):37-71.

[7]马克平.生物群落多样性的测度方法Ⅱβ多样性的测度方法[J].生物多样性,1995,3(1):38-43.

[8]Simpson E H.Measurement of Diversity [J].Nature,1949(163):688.

[9]Hannon C E,WIENER W.The Mathematical Theory of Communication [M].Urban:University of Illinois Press,1949.

[10]Pielou E C.Ecological Diversity [M].New York:Wiley Liss,1977.[11]周光兵,龙翠玲.人为干扰对城市近郊区森林植物多样性的影响——以贵阳市乌当区为例[J].西南师范大学学报:自然科学版,2011,36(5):98-103.

[12]李融,张庆忠,姜炎彬,等.不同干扰下兴凯湖湿地植物群落的物种多样性研究[J].湿地科学,2011,9(2):179-184.

[13]张承琴,王普昶,龙翠玲,等.贵州喀斯特峰丛洼地不同石漠化等级土壤化学性质特征.贵州师范大学学报:自然科学版,2014,32(2):25-28.

[14]盛茂银,熊康宁,崔高仰,等.贵州喀斯特石漠化地区植物多样性与土壤理化性质[J].生态学报,2015,35(2):434-448.

Effects of Human-induced Disturbances on Plant Diversity in Urban Suburbs —a Case Study of Huaxi Area in Guiyang,Guizhou Province

WU Ting,LONG Cuiling

(SchoolofGeographyandEnvironment,GuizhouNormalUniversity,Guiyang550001,China)

Characteristics of plant diversity of urban suburbs where such disturbances by human activities take place as farmland interference,road interference,engineering waste interference and fire interference were studied.The results showed that the species richness index and species diversity index of abandoned farmland were the highest,the second were road interference and fire interference types and the engineering waste interference was the lowest.Evenness index of engineering waste interference was the lowest and the three other types were not different obviously.The similarity indexes of abandoned farmland interference types and burned area interference type were the highest,but the similarity indexes of abandoned land and engineering waste interference land were the lowest.Correlation analysis with soil moisture content showed that soil moisture was positively correlated with richness index and evenness index,but not significantly correlated with diversity index and ecological dominance index.

human interference,plant diversity,soil moisture,Guiyang

2017-03-15；

2017-05-07

国家自然科学基金项目(31660107)；贵州省自然科学基金项目[黔科合J字(2012)2280号]

吴庭(1993-),男,贵州大方人,在读硕士,主要从事自然地理学方面的研究。Email：1433437050@qq.com

龙翠玲(1973-),女,教授,博士,主要从事环境生态学研究。Email：longcuiling898@163.com

S718.54

A

1002-6622(2017)03-0075-05

10.13466/j.cnki.lyzygl.2017.03.015