河西走廊中段荒漠草地地上生物量分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系

車 卓， 石 菁， 徐德亮

(1.甘肅省種子管理局, 甘肅 蘭州 730020； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)， 甘肅 蘭州 730070； 3.臨澤縣水務(wù)局, 甘肅 臨澤 734200)

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河西走廊中段荒漠草地地上生物量分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系

車 卓1,2， 石 菁2， 徐德亮3

(1.甘肅省種子管理局, 甘肅 蘭州 730020； 2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)， 甘肅 蘭州 730070； 3.臨澤縣水務(wù)局, 甘肅 臨澤 734200)

[目的] 揭示河西走廊中段荒漠草地地上生物量的空間分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系，為區(qū)域草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫及其變化評估提供基礎(chǔ)資料。 [方法] 利用從52個樣點獲得的樣方調(diào)查數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析。 [結(jié)果] (1) 河西走廊中段荒漠草地單位面積地上生物量的范圍為11.17～523.76 g/m2，平均值為149.67 g/m2，大致表現(xiàn)為西北高，東南低的分布特征； (2) 調(diào)查中共出現(xiàn)15種優(yōu)勢植物群落地，地上部生物量黑果枸杞群落最小，為49.88±7.42 g/m2，叉枝鴉蔥群落最大，為201.69±98.48 g/m2； (3) 地上生物量與經(jīng)度呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，與海拔呈顯著的正相關(guān)關(guān)系； (4) 土壤環(huán)境因子能夠解釋地上生物量39.8%的空間變異，其中土壤類型、土壤容重和土壤有機質(zhì)的影響較顯著，而土壤含水量的影響相對較弱。[結(jié)論] 河西走廊荒漠草地地上生物量趨勢為由西北至東南逐漸降低；海拔和土壤環(huán)境因子是影響分布格局的關(guān)鍵因子。

荒漠草地; 地上生物量; 空間分布; 環(huán)境因子; 河西走廊

文獻參數(shù)： 車卓， 石菁， 徐德亮.河西走廊中段荒漠草地地上生物量分布特征及其與環(huán)境因子的關(guān)系[J].水土保持通報，2016,36(4)：193-196.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.034

草地生態(tài)系統(tǒng)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中最重要、分布最廣的生態(tài)系統(tǒng)類型之一，在全球碳循環(huán)和氣候調(diào)節(jié)中起著重要作用[1]。掌握草地生態(tài)系統(tǒng)生物量大小及空間分布特征、揭示其與環(huán)境因子之間的關(guān)系，不僅對了解區(qū)域尺度上畜牧業(yè)發(fā)展?jié)摿?、生物多樣性現(xiàn)狀及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性有積極的作用，對準確評估草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫及其變化、評估CO2源匯功能、預(yù)測草地生態(tài)系統(tǒng)與全球變化的動態(tài)關(guān)系也具有重要的意義[2-3]。在中國天然草地分布廣闊，總面積約4.0×108hm2，是個巨大的碳庫，在中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)中扮演著重要角色[4]。近年來，隨著對草地生態(tài)系統(tǒng)在全球碳循環(huán)過程中重要性的認識，準確評估草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫及其變化成為了近年來的研究熱點[5]，因此，草地生物量分布及其影響因素開始受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛的關(guān)注。如樸世龍等[6]基于中國草地資源查清資料和遙感影像的模型估測我國草地植被總地上生物量為146.16 TgC；Jian[7]通過74個樣地的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析得出我國北方地上生物量平均值為325.3 g/m2；王娓等[8]得出中國北方天然草地的根冠比高于全球草地的中值和世界其他區(qū)域，并隨年降雨量增加而顯著降低。

在我國北方地區(qū)西半部包括新疆、青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙西部等的沙漠前沿、平原綠洲外緣、山地平原等地區(qū)，荒漠草地是主要的草地類型，其面積約占北方草地總面積的47.4%，是重要的生態(tài)屏障和農(nóng)牧業(yè)基地[9]。近年來針對荒漠草地也開展了一些生物量分布空間分布等方面的研究，如張杰等[10]基于EOS/MODIS資料，采用光能利用率算法分析了我國西北荒漠草原生物量及其空間分布；馬文紅等[11]利用實際觀測的113個地面數(shù)據(jù)得出，溫帶荒漠草地地上生物量受氣候、土壤質(zhì)地、草地類型等因素的影響，但降水是其最主要的限制因子。針對不同尺度的荒漠草地開展實地調(diào)查，通過實測數(shù)據(jù)準確認識荒漠草地的生物量空間分布格局，對草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫及其變化準確評估極為重要。河西走廊位于甘肅省中部祁連山以北地區(qū)，荒漠草地總面積約5.43×106hm2[12]，目前，針對該區(qū)域荒漠草地地上生物量及其分布特征的研究報道仍較缺乏。因此，本研究利用2011年野外實地調(diào)查資料，采用多元統(tǒng)計分析等手段，揭示河西走廊中段荒漠草地地上生物量的空間分布特征，并對其環(huán)境影響機制進行初步探討。

1　材料和方法

1.1研究地區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省河西走廊中段金昌市、張掖市及酒泉市境內(nèi)，所屬轄區(qū)包括金川、永昌、甘州、民樂、山丹、臨澤、高臺、金塔、肅南等區(qū)縣，行政區(qū)劃面積約7.34×104km2。該地區(qū)屬溫帶大陸性干旱氣候類型，年均氣溫在5～10 ℃之間，年降雨量36～200 mm之間，年均蒸發(fā)量在1 624～2 466 mm之間。分布有灰棕漠土、灰鈣土、風(fēng)沙土等土壤類型，局部水位較高的河床地常出現(xiàn)不同程度的鹽化現(xiàn)象。調(diào)查區(qū)西南部為祁連山北坡沖積物、洪積物形成的隔壁平原，東北部為巴丹吉林沙漠邊緣的風(fēng)積地貌，地形自東向西，由南向北傾斜，海拔在1 400～2 900 km[13]。調(diào)查的荒漠草地主要分布在祁連山北麓的沖積、洪積平原，由于近年來農(nóng)業(yè)綠洲規(guī)模不斷擴張，導(dǎo)致荒漠草地呈現(xiàn)出不連續(xù)分布狀況?；哪莸胤植嫉闹饕獌?yōu)勢物種有合頭草(Sympegmaregelii)、紅砂(Reamurasoongorica)、珍珠豬毛菜(Salsolapasserina)、駱駝刺(Alhagisparsifolia)等草原化荒漠植被。

1.2野外樣地調(diào)查

在全國草地分布圖上確定調(diào)查樣地的位置(經(jīng)度和緯度)，于2011年7—9月，分別在研究區(qū)域內(nèi)用全球定位系統(tǒng)(GPS)找到樣地所處的實際位置，共選擇樣地52個。在樣地內(nèi)，依據(jù)典型性原則，選擇能夠代表整個草原植被、地形及土壤特征的地段，按一定方向設(shè)置100 m樣線，每隔20 m(灌木樣方)或10 m(草本樣方)布設(shè)一個樣方。每個樣地設(shè)置灌木樣方5個，草本樣方10個進行地上生物量的調(diào)查。其中，樣方面積為灌木5 m×5 m，草本1 m×1 m。對草本10個樣方、灌木5個樣方測定獲得的地上生物量調(diào)查數(shù)據(jù)求平均值，得到每處樣地的地上生物量。將每個行政區(qū)域所有樣方地上生物量數(shù)據(jù)求平均值，對各行政區(qū)域單位面積地上生物量值進行比較。在調(diào)查的同時，記錄各樣地的海拔高度、地貌及土壤類型等環(huán)境因子。每塊樣地間隔一個樣方用環(huán)刀采集0—20 m土層土壤樣品，每個樣方取5個重復(fù)，環(huán)刀樣品帶回實驗室稱重后在105 ℃烘干，稱重后計算土壤含水量及土壤容重值，取平均值估算每塊樣地土壤容重及含水量。在容重測定的每個樣方內(nèi)用土鉆采集混合土壤樣品，風(fēng)干后帶回實驗室，用重鉻酸鉀氧化—容量法測定土壤有機質(zhì)含量，取各樣方平均值估算每個樣土壤有機碳含量。

1.3數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

將已測定的經(jīng)緯度、海拔、土壤容重、含水量和土壤有機碳含量作為主要的環(huán)境影響因子，評估其對地上生物量空間分布的影響。利用一般線性模型(GLM， general linear model)來分析不同環(huán)境因子對地上生物量影響的顯著性，及其對地上生物量空間變異性的解釋率；通過回歸分析分析環(huán)境因子與地上生物量之間相互依賴的定量關(guān)系。采用SPSS統(tǒng)計分析軟件(SPSS 19.0 for Windows, Chicago, USA)進行數(shù)據(jù)相關(guān)及其它統(tǒng)計分析。

2　結(jié)果與分析

2.1荒漠草地地上生物量分布區(qū)域特征

通過分析52個樣地地上生物量數(shù)據(jù)的對比發(fā)現(xiàn)，河西走廊中段荒漠草地單位面積地上生物量的范圍為11.17～523.76 g/m2，平均地上生物量為149.67 g/m2。從行政區(qū)域間的比較來看，地上生物量大小順序呈：肅州區(qū)>永昌縣>高臺縣>金塔縣>山丹縣>甘州區(qū)>肅南縣>民樂縣>金川區(qū)>臨澤縣的變化趨勢(圖1)，大致表現(xiàn)為西北地區(qū)高，東南地區(qū)低的分布特征。其中生物量<100 g/m2的樣地21個，占40.4%；介于100～200之間的樣地19個，占36.5%；高于200的樣地12個，占20.1%。

注：圖中箱體內(nèi)的短橫線表示數(shù)據(jù)算數(shù)平均值，長橫線表示數(shù)據(jù)眾數(shù)，箱體表示數(shù)據(jù)標準差，上下短橫線分別為數(shù)據(jù)的最大值和最小值。下同。

圖1不同行政區(qū)域間荒漠草地地上生物量的分布

2.2典型植物群落地上生物量比較

圖2給出了河西走廊中段荒漠草地的優(yōu)勢植物群落地上生物量變異特征，在此次調(diào)查中共出現(xiàn)15個優(yōu)勢物種，分別包括叉枝鴉蔥(Scorzoneradivaricata)群落、鈍葉獨行菜(Lepidiumobtusum)群落、合頭草群落、黑果枸杞群落(Lyciumruthenicum)、紅砂群落、豬毛蒿群落(Artemisiascoparia)、蘆葦(Phragmitesaustralis)群落、駱駝刺群落、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)群落、苔草(Carextristachya)群落、茵陳蒿(Artemisiacapillaris)群落、針茅(Stipacapillata)群落、珍珠豬毛菜、紫菀木(Asterothamnusalyssoides)群落、醉馬草(Achnatheruminebrians)群落。地上部生物量平均值最小為黑果枸杞群落(49.88±7.42 g/m2)，最大的為叉枝鴉蔥群落(201.69±98.48 g/m2)。其中，地上部生物量平均值低于100 g/m2的植物群落有鈍葉獨行菜、黑果枸杞、紅砂、豬毛蒿、泡泡刺、苔草、醉馬草群落，介于100～200 g/m2之間的植物群落為合頭草、駱駝刺、茵陳蒿、針茅、珍珠、紫菀木群落，大于200 g/m2的有叉枝鴉蔥、蘆葦群落。

注：1叉枝鴉蔥群落；2鈍葉獨行菜群落；3合頭草群落；4黑果枸杞群落；5紅砂群落；6豬毛蒿群落；7蘆葦群落；8駱駝刺群落；9泡泡刺群落；10苔草群落；11茵陳蒿群落；12針茅群落；13珍珠豬毛菜群落；14紫菀木群落；15醉馬草群落。

圖215種優(yōu)勢荒漠植物群落類型地上生物量比較

2.3環(huán)境因子對荒漠草地地上生物量分布的影響

從GLM模型(表1)和簡單回歸分析結(jié)果可以看出，在整個研究區(qū)域內(nèi)，荒漠草地地上生物量隨經(jīng)度的增加而降低，隨緯度和海拔的升高而增加。相關(guān)分析顯示，河西走廊荒漠草地地上生物量與經(jīng)度之間呈顯著的負相關(guān)關(guān)系(R2=0.088，p<0.05)，與海拔高度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系(R2=0.030，p<0.05)，而與緯度間的相關(guān)不顯著(R2=0.015，p>0.05)。土壤環(huán)境因子中的土壤類型、土壤含水量、土壤容重和土壤有機質(zhì)含量分別解釋了河西走廊地上生物量13.0%，0.6%，11.7%和14.4%的空間變異。其中地上生物量的空間分布受土壤類型、土壤容重(R2=0.230，p<0.01)和土壤有機質(zhì)含量(R2=0.031，p<0.01)的影響較顯著，而受土壤含水量的影響相對較弱(R2=0.018，p>0.05)。

表1　土壤因子對河西走廊中段荒漠草地地上生物量變異的解釋

3　討 論

根據(jù)本項目調(diào)查研究的結(jié)果，與其他國家和地區(qū)的溫帶草地相比較，河西走廊中段荒漠草地地上生物量平均值149.67 g/m2，低于全球水平(378.4 g/m2)，而與馬文紅等估算的內(nèi)蒙古溫帶草地地上生物量(135.3 g/m2)較為接近[10]。馬文紅等[10]認為，內(nèi)蒙古溫帶草地較低的生物量與我國北方的干旱氣候條件和長期強烈的人為活動有關(guān)。河西走廊中段與內(nèi)蒙古西南部相鄰，氣候類型及人為活動方式相似，因此，干旱的氣候條件和長期強烈的人為活動也是影響河西走廊中段荒漠草地生物量整體水平的主要因素。

從本研究的數(shù)據(jù)可以看出，河西走廊中段地區(qū)地上生物量的分布與地理位置有顯著的關(guān)系，表現(xiàn)為在經(jīng)向上逐漸減少，在緯向上逐漸增加。這與崔奪等[13]的研究結(jié)果不一致，其主要原因可能與研究范圍的較大差異有關(guān)，崔奪等的研究區(qū)域西自塔里木盆地西端，東至渾善達克沙地東端，其研究結(jié)論為廣大北方荒漠及荒漠化草地的整體生物量分布趨勢，而本研究結(jié)論為僅適合河西走廊中段地區(qū)的局部生物量分布趨勢。樸世龍等[6]的研究表明，在1 350～3 750 m這一海拔梯度內(nèi)，隨海拔的升高草地單位面積地上生物量增加，本研究樣點海拔高度介于1 160～2 560 m，研究結(jié)果也符合隨海拔高度的升高生物量增加的變化趨勢。多數(shù)研究均表明，氣候(尤其是降水)是影響草地地上生物量分布差異的主要原因[5]，河西走廊中段為位于東經(jīng)、北緯之間的狹長區(qū)域，地形為自東向西，由南向北傾斜，這種地形和地理分布造成的區(qū)域氣候差異可能是造成荒漠草地地上生物量空間分布差異的主要原因。另外一些研究則指出，土壤因子也是影響草地地上生物量的主要因素[14]，本研究主要關(guān)注了土壤環(huán)境因子對河西走廊荒漠草地空間分布差異的影響。從研究結(jié)果可以看出，土壤類型、土壤含水量、土壤容重和土壤有機質(zhì)含量的總體解釋率將近40%，這意味著土壤環(huán)境因子是影響河西走廊荒漠草地地上生物量空間分布的關(guān)鍵因子之一。其他研究中也有有關(guān)土壤環(huán)境因子對荒漠草地地上生物量分布影響的報道，如安尼瓦爾·買買提等[15]報道了新疆地區(qū)荒漠草地地上生物量與土壤含水量、土壤總氮含量正相關(guān)。在本研究中，盡管土壤含水量對地上生物量空間分布的解釋率盡管只有0.6%，但隨土壤含水量的增加地上生物量增加的變化趨勢則與安尼瓦爾·買買提等的研究結(jié)論相似。從上述的討論可以看出，盡管近年來針對荒漠草地生物量分布格局開展了大量的研究，但由于研究方法和數(shù)據(jù)來源方面存在較大差異，導(dǎo)致研究結(jié)果存在一定的差異?；谀壳暗那闆r，仍需在采用統(tǒng)一調(diào)查方法的基礎(chǔ)上獲取大量的實測數(shù)據(jù)以提高荒漠草地生物量估算和草地生態(tài)系統(tǒng)碳庫變化評估的精度和準確性。

4　結(jié) 論

河西走廊中段荒漠草地單位面積地上生物量的范圍為11.17～523.76 g/m2，平均地上生物量為149.67 g/m2，低于全球水平(378.4 g/m2)，而與馬文紅等[11]估算的內(nèi)蒙古溫帶草地地上生物量(135.3 g/m2)較為接近。其分布與地理位置有顯著的關(guān)系，與經(jīng)度之間呈顯著的負相關(guān)關(guān)系，而與緯度間的相關(guān)不顯著，趨勢大致為由西北至東南逐漸降低。地上生物量與海拔高度呈顯著的正相關(guān)關(guān)系，表現(xiàn)出隨海拔的升高而增加。土壤環(huán)境因子是河西走廊荒漠草地地上生物量分布格局影響的關(guān)鍵因子之一，土壤環(huán)境因子中的土壤類型、土壤含水量、土壤容重和土壤有機質(zhì)含量分別解釋了河西走廊地上生物量13.0%，0.6%，11.7%和14.4%的空間變異，表明土壤類型、土壤容重和土壤有機質(zhì)含量對其空間分布有顯著的影響，而土壤含水量的影響相對較弱。

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Aboveground Biomass Distribution of Desert Grasslands and Its Responses to Environmental Factors in Middle Regions of Hexi Corridors

CHE Zhuo1,2, SHI Jing2, XU Deliang3

(1.GansuPlantSeedAdministrativeStation,Lanzhou,Gansu730020,China; 2.AgronomyCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou，Gansu730070,China; 3.LinzeWaterAffairsBureau,Linze,Gansu734200,China)

[Objective] Spatial distribution of aboveground biomass and its relationship with environmental factors were studied in desert grassland in the middle part of Hexi Corridor to provide a reliable data for the assessment of grassland ecosystem carbon stock, and to illustrate its change at regional scale. [Methods] The present study, based on a total of 52 sampling sites in desert grasslands in the middle region of Hexi Corridors, illustrated the regional distribution pattern of aboveground biomass and its response to environmental factors were investigated. [Results] The results showed that aboveground biomass of desert grasslands ranged from 11.17～523.76 g/m2, with an average of 149.67 g/m2, and increased from the southeast to the northwest in the survey area. There were 15 communities with dominant species appeared in these 52 sampling. Average aboveground biomasses ofLyciumruthenicumandScorzoneradivaricatecommunity were 49.88±7.42 g/m2and 201.69±98.48 g/m2, respectively, which were also the minimum and maximum of aboveground biomass among the 15 communities. Aboveground biomass was significantly and negatively correlated with longitude, and was significantly and positively correlated with elevation. 39.8% of the spatial variation of aboveground biomass can be interpreted by soil factors. Among which, soil type, soil bulk density and soil organic matter were significantly affected aboveground biomass distribution of desert grassland, while the effects of soil moisture on aboveground biomass was weak. [Conclusion] Aboveground biomass in desert grassland of Hexi Corridor increased from the southeast to the northwest. Altitude and soil environmental factors are the key factors affecting the distribution pattern.

desert grasslands; aboveground biomass; spatial pattern; environmental factors; Hexi Corridors

2015-11-13

2015-12-18

車卓(1984—),男(漢族)，甘肅省文縣人，碩士研究生，研究方向為農(nóng)業(yè)生態(tài)。E-mail:chezhuo1110@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0193-04

Q948.1