冀北沙荒地不同坡位黄柳生物沙障对物种组成及多样性的影响

刘歌畅，王安宁，陈海鹏，刘 佳，李玉灵*，徐学华

(1. 河北农业大学林学院,河北 保定 071000； 2.河北省木兰围场国有林场管理局,河北 围场 068450)

【研究意义】土壤沙漠化造成的植被退化问题在我国非常严重，加强土地退化生态系统生物多样性保护有重要的研究意义[1]，同时，物种组成和物种多样性是植被恢复的重要标志之一[2]。然而物种组成和物种多样性是由多种环境因素决定的[3]。【前人研究进展】坡位作为一个重要的因素，一方面，通过地貌的起伏程度直接影响物种的组成，另一方面，通过改变光、热、营养等资源的再分配等因素，从而间接对物种的组成与多样性产生影响[4]，在一定程度上坡位能够对物种组成与物种多样性分布影响显著[5]，因此坡位对植被的影响受到了广泛关注。冀北承德地区是围绕京津的重要生态屏障之一，该区地处半干旱农牧交错带，天气干旱少雨，风沙危害相对严重，环境条件极其脆弱，再加上当地牧民的过度开采，生态景观严重破坏。该地区属于农牧交错带风沙区，土层极薄，植被遭遇破坏后，土壤沙化程度加深，形成了大面积的沙荒坡地，在此开展植被的恢复与重建技术，是防治土地沙化程度加深的最根本措施。建立生物沙障，本身具有防风固沙的功能，同时生物沙障的“保姆效应”又为沙障内针阔叶乔木植被的恢复提供了可能。所以，生物沙障也有恢复沙化土地群落植被的功能[6]。是沙漠化土地治理的主要技术之一。黄柳(SalixgordejeviiChang et SkV.)，杨柳科柳属，别名小黄柳。前人研究发现，黄柳具有耐旱、耐沙化、抗风抗蚀的优点，再加之扦插苗实生苗成活率均较高，是非常珍贵的生物沙障建植材料之一[7]。但是沙荒坡地不同坡位风蚀、沙埋程度导致光、热、水等条件不同，植物生长的微域环境完全不同，黄柳沙障对障下物种多样性的影响也不尽相同。归根结底，影响到地域性植被恢复演替进程。为此，【本研究切入点】以南山嘴沙梁地黄柳生物沙障为本文的研究对象，研究了三个坡位黄柳生物沙障保护下的群落物种组成及物种多样性。【拟解决的关键性问题】旨在保护冀北沙漠化土地生物多样性，为后续的研究提供基本资料。

1 试验地概况

试验地位于河北省承德围场满族自治县孟滦林场南山嘴沙化土地封育区，处于滦河中上游带。地理坐标：东经115°42′～119°20′、北纬41°34′～43°38′，大致面积为9217.72 km2，海拔750～1998 m。属于温带大陆性季风性气候。年平均气温-1.0～5.0 ℃，极端高温40.1 ℃，极端低温-44.9 ℃，年均降水在440～500 mm，降雨集中在7～9月[8]。该区土壤质地为沙壤土[9]。区域内植被覆盖群落结构简单，乔木基本没有，灌木稀少，以1年和多年生草本和小灌木为主，小灌木有冷蒿(ArtemisiafrigidaWilld. Sp.)，1年生草本狗尾草(Setariaviridis(L.) Beauv.)和地肤，多年生草本野麻(Boehmeriagracilis)和胡枝子(LespedezabicolorTurcz) 。河北省木兰围场国有林场管理局于2002年对区域实施全面封育，在封禁条件下，沿等高线建立黄柳生物沙障约2000 hm2。

2 材料与方法

2.1 样地设置

样地位于南山嘴乡封育区域沙梁地上，坡度为11°，坡长约182.55 m。2002年沿沙梁地等高线布设黄柳生物沙障条带，用扦插的方法栽植苗木，带宽2 ～ 3 m。2010年7月分别在三个坡位上进行野外数据采集并调查，均用样方法。根据实际情况将沙梁地分为3个坡位：坡底、坡中、坡顶，海拔依次为1030、1048、 1066 m，在3个坡位上均设置20 m ×33 m的标准地，在标准地内进行物种组成调查。所设样地坡向坡面相同。

2.2 物种组成调查

在样地内选取标准地，不同的坡位上均设置3 m×3 m的灌木样方，三次重复；5个1 m×1 m的草本样方，三次重复。依次对样方内的物种种类、高度、盖度、数量进行测定。

2.3 物种多样性调查

通过对样方内草本植物的组成的调查来计算样方内草本植物的多样性指数、丰富度指数、均匀度指数和优势度指数等指标，进而分析不同坡位黄柳生物沙障保护条件下群落物种多样性状况。

重要值=(相对密度+相对盖度+相对高度)/3

相对盖度=某种的盖度/样方内全部种盖度之和×100 %

相对密度=某种的密度/样方内全部种密度之和×100 %

相对频度=某种的频度/样方内全部种频度之和×100 %

Shannon-Wiener多样性指数(H')：

Simpson多样性指数(D)：

Margalef丰富度指数(DMG)：

DMG=(S-1)/InN

Pielou均匀度指数(E)：

表1 不同坡位黄柳沙障内植物科种组成

Simpson优势度指数(C)：

式中，S代表草本物种的数量；N代表所有草本物种个体数总和；i代表第i个物种；Pi代表第i个物种的个体数占所有物种个体数的比值。

3 结果与分析

3.1 物种组成数量特征

如表1可知，在本研究区域内不同坡位黄柳沙障保护下均有植物出现。其中，坡中和坡顶均有4科8种植物，4科植物都属于：菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae) 、藜科(Chenopodiaceae) 、豆科(Leguminosae)，坡底共有7科17种植物，7科植物都属于：豆科、藜科、禾本科、菊科、亚麻科(Linaceae)、牻牛儿苗科(Geraniaceae)、木贼科(Equisetaceae)。坡顶、坡中、坡底均出现了豆科植物，坡底菊科与禾本科植物物种数比坡中、坡顶有所增加，并且坡底新出现了亚麻科、牻牛儿苗科、木贼科3科植物。总体来说，从坡底到坡顶，植物科种逐渐减少，说明植物生存条件逐渐变差。表明土壤基质稳定性在一定程度上减弱，土壤肥力有效性也跟随下降[10]。

3.2 植物生活型和重要值

在沙障的布设保护下，多见一年生、多年生草本植物(表2)，小灌木植物出现较少。在坡顶，出现了6属8种植物，以一年生草本和小灌木为主，优势种为地肤、山蒿(Artemisiabrachyloba)和狗尾草3种植物，重要值分别为40.3015、17.9865、11.4922，其优势度总和占坡底群落植物重要值总和的百分比为69.78 %，主要3种伴生种为花苜蓿、金色狗尾草(Setariaglauca(L.)Beauv．)和盐蒿(Artemisiahalodendron)；在坡中，有8属8种植物，以草本植物为主，一年生草本地肤和多年生草本花苜蓿、多花胡枝子重要值分别为44.3502、15.9835、15.7923，成为坡中群落的优势种，其优势度总和为76.1260 %， 金色狗尾草和山蒿为该群落的伴生种；在坡底，出现了10属15种植物，以草本为主，其中重要值占前3位的物种为多年生草本多花胡枝子、花苜蓿和一年生地肤，重要值分别为28.8366、22.5886、9.8600，其优势度总和占坡底群落植物重要值总和的百分比为61.2852 %，金色狗尾草、狗尾草、山蒿成为群落的伴生种。比较坡顶、坡中群落优势物种可知，一年生草本地肤为各个坡位的优势种，在坡底一年生草本重要值为9.86 %，优势度在坡底明显降低；比较坡中和坡底黄柳沙障下的物种可得出，多年生草本多花胡枝子和花苜蓿优势度都很高，在坡中和坡底均为优势种，在坡中和坡底2种草本之和占到各群落总优势度分别为31.7758 %、51.4222 %。总体而言，从坡顶到坡底，群落优势物种发生了显著的变化，逐渐从一年生草本地肤转变为多年生草本花苜蓿、多花胡枝子。坡底出现植物的种类最多，优势树种也相对较多，坡中随着物种逐渐增加，群落优势种的重要值逐渐趋于均匀。坡顶出现了2种半灌木，

3.3 物种多样性指数分析

Margalef丰富度指数指群落尺度上物种丰富的程度，代表某群落或者生境内的物种的多少，与物种个数呈正相关关系[11-12]。由图1可知，坡顶、坡中和坡底的丰富度指数依次为4.8、4.4、6.0，三个坡位黄柳生物沙障保护下丰富度指数在坡底最高，坡顶次之，坡中最小，坡底的丰富度指数分别是坡中与坡顶丰富度指数的1.36、1.25倍，表明坡底植物丰富度最大。分别为山蒿和盐蒿，山蒿的重要值是盐蒿的2倍，半灌木的重要值占坡顶重要值之和的百分比为27.3491 %，即半灌木占山顶上植物的1/4。

由图2所示，不同坡位黄柳沙障内物种优势度有所差异，坡中优势度最高，为0.4507，坡底和坡顶黄柳沙障下草本优势度接近，分别为0.3315、0.3178，优势度指数在不同坡位的大小依次为：坡中>坡底>坡顶；从Pielou均匀度指数可以看出，坡顶略大于坡中和坡底，分别为0.8580、0.7233、0.7853。Pielou均匀度大小在不同的坡位表现为:坡顶>坡底>坡中。在不同的坡位物种优势度和Pielou均匀度指数正好相反。王志彬[11]等在燕山山地进行的生物多样性研究表明，物种的均匀度与优势度恰好是相对的，群落中优势种集中分布，则意味着群落中优势度值较大时，物种均匀度一般较低；反之，当群落中种群分布相对均匀。本文结果也表明，坡中优势度最大，均匀度最小，坡顶反之，坡底介于二者之间，说明坡底植物群落发育相对完好。

表2 不同坡位黄柳沙障内物种生活型及重要值

物种多样性可直接反映某群落的特征。物种多样性直接反映了群落种类组成及其数量对比变化关系，物种多样性可由样性指数来反映。本文在Shannon-Wiener多样性指数指数角度来分析，其中坡底呈现的指数最大，坡顶次之，坡中最小(图2)，指数依次为1.4100、1.3387、1.0721，也就是说Shannon-Wiener多样性指数随海拔的升高呈下降趋势。从Simpson多样性指数的角度来看，坡顶与坡底多样性指数大致相同，坡中相对较低，Simpson多样性指数随海拔增加先减少后增加，变化趋势与均匀度大致相同。关于物种多样性指数，许中旗[13]等指出，Shannon-Wiener指数与Margalef丰富度的关系最密切，Simpson指数对于Pielou均匀度更加紧密，这与本文的研究结论是一致的。说明坡底的多样性主要体现在物种的丰富性方面，而坡顶的多样性则是由物种的均匀性决定的。总体而言，虽然在不同的坡位多样性指数均不同，但是不同坡位黄柳沙障内植物群落多样性指数均无显著差异，说明坡位对黄柳沙障下群落的多样性尚未产生显著影响。

图1 不同坡位黄柳沙障下物种丰富度指数Fig.1 Species richness index in different slopes with Salix gordejevii sand-barrier

4 讨 论

由于在一定的海拔范围内，坡位影响着土壤水分和养分的再分配状况。受重力作用的影响，上坡位水土保持能力最差，流失最为严重，从坡顶至坡底，土壤有机质含量与土壤养分增加。高雪松[14]等研究者通过研究不同坡位的土壤养分特征，表明土壤营养向下坡位聚集，并且营养含量高于上坡位与中坡位。其他学者在对坡位与土壤理化性质分析及土壤养分特征研究中均发现了类似规律。即：坡底营养成分最高，坡中与坡顶的养分有向坡底流失的趋势[15-16]。杨林[17]通过对人工林土壤水分及群落特征研究，表明该地区土壤水分呈现出的规律是：坡底>坡中>坡顶。对于坡底来说，坡顶、坡中环境相对较差，年风沙侵蚀较大，经降雨对其根部进行冲刷，根系难以生存。而坡底地势平坦，水资源丰富，光照条件较好，在加之降雨冲刷过程会从上坡位冲刷下部分植物种子，长期下来，增加了坡底物种种类[18]。可见坡底为更多的物种提供了适宜的生存环境，所以坡底出现的植物种类明显高于坡顶和坡中。秦伟[19]等对陕北黄土区植物群落物种多样性进行研究发现，坡顶和坡中的物种多样性均小于坡底，此结果与本文相一致。

不同坡位黄柳沙障内植物群落物种丰富度指数坡底>坡顶>坡中。物种丰富度的相关变化说明在沙荒地不同坡位栽植黄柳生物沙障后，从坡顶到坡底植物种类呈现出逐渐增多的趋势，物种的丰富度的增加会提高生态系统的多样性，从而提高生态系统的稳定性[20]。坡底的Simpon多样性指数和Pielou均匀度指数高于坡中和坡顶，表明坡底植物分布均匀并且优势种突出。由于坡底丰富度大，物种数量多，物种间有竞争关系，每种植物均占有各自的生态位，分布区域相对均匀，优势种明显。但总体来说，不同坡位黄柳沙障内植物群落多样性指数均无显著差异，可能由于黄柳沙障种植年数有限，对于沙障保护下群落的多样性尚未产生明显影响。张珍明[21]等通过研究种植年限对山银花土壤质量的影响，结果表明，土壤养分随种植年限的增加呈先增加后减小的趋势，但由于年数的限制，对在开始的前几年周围环境物种的多样性无明显差异，可见种植年限对于物种多样性也有一定的限制。刘彤[22]等通过对不同坡位植物物种多样性的研究，分析表明，伴随红松人工林林龄的不同草本层植物各个多样性指数无明显差异，与本文的多样性指数分析结果一致。但无论不同坡位物种多样性差异是否显著，本文结果表明，栽植黄柳沙障后不同坡位均不同程度的增加了物种数和物种数量，退化植被恢复达到了显著效果，殷晓洁[23]等通过对冀北沙荒地植被恢复的研究，结果表明，栽植黄柳沙障区植被覆盖度显著高于未栽植黄柳沙障区覆盖度，2007和2008年栽植区植被覆盖度度比未栽植区分别高出42. 5 %和44. 8 % ，说明未栽植黄柳沙障地区的植被覆盖状况显著低于栽植黄柳沙障区域，可见栽植黄柳沙障对于沙漠化土地的植被恢复有积极的作用，为冀北沙漠化土地上植被的生长提供了良好的生存和栖息环境，因此栽植黄柳沙障是冀北沙漠化土地植被恢复的有效措施[6]。

图2 不同坡位黄柳沙障下物种多样性Fig.2 Species diversity in different slopes with Salix gordejevii sand-barrier

5 结 论

不同坡位建立黄柳生物沙障，植被恢复效果明显，从坡顶到坡底，群落物种数量逐渐增加，群落优势物种发生了显著的变化，逐渐从一年生草本地肤转变为多年生草本花苜蓿、多花胡枝子。不同坡位黄柳沙障内植物群落物种丰富度指数坡底>坡顶>坡中。栽植黄柳沙障后不同坡位均不同程度的增加了物种数和物种数量，退化山地的植被恢复得到了明显的改善。