沙地不同治理模式对其植物物种多样性的影响

崔琳,王力刚,张玉柱，毕广有,曹志伟，毕宇

(黑龙江省森林与环境科学研究院，黑龙江 齐齐哈尔 161005)

沙漠化是中国面临最为严重的生态环境问题之一，会引起沙地风蚀、耕地毁种、草原沙漠化、生产力下降、侵胁村镇，阻塞交通，淤积水利设施，给生产生活都带来了严重灾难[1]。植被恢复是遏制沙漠化发展的最有效措施，而植被恢复模式是植被恢复成败的关键[2]。嫩江沙地是科尔沁沙地的重要组成部分，主要分布在杜尔伯特蒙古自治县、泰来等9个市县，沙地面积80.628万hm2，是黑龙江省西部生态环境建设的重点之一[3]。目前嫩江沙地经过治理取得了很大的成效，从前的流动沙地经过多年的植被恢复治理已经逐渐固定，各种植被恢复模式也发挥了其应有的作用。本文以嫩江沙地不同植被恢复模式下植物群落为研究对象，调查研究流动沙地经人工治理后的植物物种多样性变化的情况和规律，旨在揭示治理模式对植被恢复的影响，以期为嫩江沙地的治理和开发利用、植被的恢复重建提供科学依据。

1 研究区域概况

1.1 自然概况

杜尔伯特蒙古族自治县位于黑龙江省西部，是黑龙江省西部重点沙区县，地理坐标为123°45′00″—124°42′28″ E，45°53′00″—47°08′40″ N。地貌的基本特征为起伏的沙岗地、湖泡沼泽地、盐碱低平地、江河滩地。温带大陆性季风气候，春季多风少雨，夏季炎热，降雨集中，秋季早霜，冬季漫长，严寒少雪。年平均气温3.6～4.4 ℃，年平均日照时数2 780.9 h，无霜期151 d，多年平均降水量411.6 mm，降水年内分配不均，年均蒸发量为1 774.4 mm。土壤主要有风沙土、黑钙土、盐碱土、沼泽土等，其中风沙土面积最大，占60.5%[4]。

1.2 植被概况

研究地区在人工植被建立以前，除了固山贝子草原外的三个研究地点均为尚在活动的沙丘和半固定沙丘，土体极为松散，有少许植物根系和棕色植物残体，而草原也因为过度放牧重度退化。针对上述问题，1993年开展了嫩江沙地综合治理开发模式区的建立及其效益的研究，对沙丘及草原现有林草植被进行不同模式治理，包含封育，在固沙区栽植樟子松容器苗，丘间低地引种落叶松(Larixgmelinii)、云杉(Piceakoraiensis)、沙棘(Hippophaerhamnoides)，以及播种优良固沙植物胡枝子(Lespedezabicolor)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、小叶锦鸡儿(Caraganamicrophylla)、花棒(Hedysarumscoparium)。

人工植被建立初期试验栽植的树种有20种之多，但由于很多树种不能适应该地区环境，到目前只有少数几种灌木保存了下来，如花棒、小叶锦鸡儿等。随着固沙年限的延长，固定沙地局部小环境的改善和植被区生物结皮的形成为草本植物的入侵提供了有利的条件，伴随植物入侵，使原有流动沙地演变成了一个复杂的人工-天然荒漠植被复合体。

2 研究方法

2.1 样地调查

采用样方调查的方法，在研究区域内选取7种沙地植被恢复模式植物群落类型〔⒈樟子松固沙林治理，⒉小叶锦鸡儿(播种)+樟子松固沙林治理，⒊封育治理，⒋花棒(播种)+封育治理，⒌天然草场封育，⒍天然草场封育+樟子松固沙林治理，⒎小叶锦鸡儿(播种)治理〕，对每种沙地植物群落类型分别设置了3个样地，在每个样地随机设置4个样方(草本样方为1 m×1 m，灌木样方为4 m×4 m)测定植物群落的植物种类、数量、高度、盖度。

2.2 数据分析

对采集标本进行鉴定，应用SPSS版本统计软件对数据进行处理分析。

本研究釆用Margalef物种丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数来描述样地的多样性[5,6]。

Margalef丰富度指数：R=(S-1)/lnN

式中S为物种数目，N为所有物种的个体数之和。

Shannon-Wiener指数：H=-∑PilnPi

Simpson多样性指数：D=1-∑Pi2

式中Pi为物种i的相对重要值。Pi=pi/P，Pi为第i个物种的相对重要值，pi为物种i的重要值，P为全部物种重要值之和。

式中:Pi为物种i的相对重要值，S为物种数目。

3 结果与分析

3.1 杜蒙沙地植物区系科属组成

植物科、属、种的统计是了解某一地区，或者是某一时期，某一分类群，某类植被植物区系组成的基础[7]。研究区域在人工植被建立之前，由于风沙活动强烈，植物在流动的沙面难以存活，覆盖度仅为1%～2%。人工植被建立以后，积累的大量尘土，加上分解的枯枝落叶，增加了沙地的肥力，促使大量的草本植物侵入到人工植被区中，丰富了植物种类。

在7种沙地治理模式植物群落中，共出现26种植物，其生活型主要包括1年生草本、2年及多年生草本、灌木三种类型。物种分别属于11科，其中禾本科 7 种、豆科 3种、百合科 3 种、菊科 3种、萝藦科 2种、莎草科 2种、藜科2种、玄参科 1 种、马齿苋科1种、蒺藜科1种、旋花科1种，物种组成有限。植物种组成中，草本占88.46%(其中1年生草本26.92%，2年及多年生草本 61.54%)，灌木占11.54%。统计生活型可知草本是该研究区域的主要生活型。

对科属进行分析，含2种及2种以上的科有禾本科、豆科、百合科、菊科、萝藦科、莎草科、藜科，占总科数的63.63%，占总种数的84.61%。单种科有玄参科、马齿苋科、蒺藜科、旋花科，占总科数的36.36%，占总种数的15.38%。单属科和多属科占总科数的比例相差不大，但在总种数上比例相差巨大，说明沙地植物组成中以多科属植物为主。禾本科是研究区域分布最广的科，含有7种，占总种数的26.92%，是沙生植物群落建群植物和先锋植物。

3.2 不同沙地治理模式植物的种类组成

杜蒙沙地在不同治理方式下，经过近20年的演变，从前的流动沙地均向固定沙地转变，随着人工植被固沙年限的增长，其他适合在固定沙地上生长的植物逐步入侵，植物的种类越来越丰富。

表1 沙地治理模式下植物群落组成

注：At：樟子松固沙林治理；At(Sh)：小叶锦鸡儿(播种)+樟子松固沙林治理；Ex：封育治理；Ex(Sh)：花棒(播种)+封育治理；Eg：天然草场封育治理；Eg(At)：天然草场封育+樟子松固沙林治理；Osh：小叶锦鸡儿(播种)治理。下同

从表1可以看出，采取小叶锦鸡儿(播种)+樟子松固沙林治理比单纯营建樟子松固沙林植物种类丰富；花棒(播种)+封育治理也比单纯封育治理的植物种类丰富；相同封育条件下，樟子松固沙林的营建并未给草原的植物种类带来太大的影响；而单纯播种小叶锦鸡儿并且未能进行封育，导致植物种类单一，仅有播种的小叶锦鸡儿大面积存活，但已经开始衰退，树下可见天然下种更新，500～600株·m-2，此外零星分布少量蒺藜。

3.3 不同治理模式下沙地植物的主要科属变化

不同治理模式下沙地植物的主要科属组成如表2所示。

表2 不同治理模式下沙地植物科属组成

研究表明：除了小叶锦鸡儿(播种)治理模式下植物种类仅有2科2种外，其他模式沙地内的植物群落的科属都保持在5科以上，其中以花棒(播种)+封育治理模式下植物群落的植物种类最为丰富，达到了8科9种。

治理模式不同，植物群落的种类也有所变化。其中，菊科和百合科植物在不同治理模式下相差不大，维持在1～2种，表现对各种恢复模式自然环境条件均能适应。柳穿鱼仅在小叶锦鸡儿(播种)+樟子松固沙林治理模式下出现，表明这种模式下改良的自然环境已经适于多年生植物的生长。其他科属植物在不同群落中差异较大，如马齿苋科、蒺藜科、旋花科均只出现在一种恢复模式的沙地上，可作为一种区别其他模式的指示性植物。

3.4 不同治理模式下沙地植物的多样性分析

表3表明了不同治理模式下沙地植物群落类型的Margalef指数、Shannon-Wiener指数、Simpson指数及Pielou均匀度指数变化规律。小叶锦鸡儿(播种)治理模式下植物群落的Margalef指数(R=0.171 6)，Shannon-Wiener指数(H=0.356 0)，Pielou均匀度指数(J=0.405 8)，Simpson指数(D=0.202 9)，表明该治理方式下群落的物种多样性水平最低；小叶锦鸡儿(播种)+樟子松固沙林治理模式下植物群落的Margalef指数R=1.750 4，Shannon-Wiener指数H=2.199 7，Pielou均匀度指数J=0.934 1，Simpson指数D=0.883 0，表明该状态下群落的物种多样性水平最高。

表3 不同治理模式下沙地植物多样性指数(均值±标准差)

注：同列数据后有不同字母者为差异显著(P<0.05)

和未播种灌木的样地相比，小叶锦鸡儿(播种)+樟子松固沙林治理模式和花棒(播种)+封育治理模式下沙地的物种多样性指数均较高。这表明：通过在沙地播种灌木的人为活动，流动沙丘在被逐渐固定，随时间推移，人工固沙灌木林生态系统特征发生系列演变，植物种类与数量发生明显变化。天然草场和天然草场+人工林模式下，物种多样性指数、丰富度指数及均匀度指数并未表现出变化一致的规律。

4 结论

杜蒙县一心乡沙地不同治理模式下共有26种植物出现，隶属于11科，其中禾本科7种，占总种数的26.92%，是沙生植物群落建群植物和先锋植物。植物种组成中，草本占88.46%，为该研究区域的主要生活型。

不同治理模式下植物种类与数量发生明显变化，人工治理措施实施后，沙地群落的优势种主要为小叶锦鸡儿和花棒等人工建植的灌木种，表现出良好的生长状态且处于优势地位，且植物种类也较未播种灌木治理模式丰富，人工林+播种灌木治理模式和封育+播种灌木治理模式下植物群落的植物种类最为丰富，丰富度达到10种和9种；播种单一灌木未封育最低，丰富度仅为2种。

灌木播种对沙地植物群落的丰富度、多样性和均匀度指数均有影响，不同治理模式下群落物种组成与多样性特征总的趋势为：人工林+播种灌木模式>封育+播种灌木模式>人工林模式、天然草场、封育模式>天然草场+人工林模式>单一灌木未封育模式。

总之，在不同沙地治理模式固定流动沙丘过程中，采取人工固沙林+播种灌木模式和封育+播种灌木模式均可以迅速稳定流沙，促进多年生植物的侵入，进一步提高植物物种丰富度；对于天然草场，人工林的栽植并没有提高物种丰富度，可以选择对草场进行适度轮牧，增大群落盖度。