喀斯特峽谷區(qū)石漠化演變中群落多樣性的響應(yīng)

陳亞娟,周忠發(fā),閆利會

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院,貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地,貴陽 550001)

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喀斯特峽谷區(qū)石漠化演變中群落多樣性的響應(yīng)

陳亞娟1,2,周忠發(fā)1,2,閆利會1,2

(1.貴州師范大學(xué) 喀斯特研究院,貴陽 550001; 2.貴州省喀斯特山地生態(tài)環(huán)境國家重點實驗室培育基地,貴陽 550001)

以喀斯特峽谷區(qū)石漠化生態(tài)系統(tǒng)中植物群落為研究對象，野外定點監(jiān)測群落的基本特征，實驗室分析石漠化不同演變階段植物群落的多樣性指數(shù)；運用空間代替時間方法，探討了石漠化演變過程中植物群落多樣性的響應(yīng)，旨在為典型喀斯特地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建提供參考。結(jié)果表明：(1)示范區(qū)內(nèi)植物群落以人工植被為主；(2)在潛在和輕度石漠化階段，重要值較高的植物群落有皇竹草(Pennisetum sinese Roxb)、藎草[Arthraxon hispidus (Thunb.)Makino]等，在中度和強度石漠化階段，重要值占據(jù)絕對優(yōu)勢的有花椒(Zanthoxylum bungeanum Maxim.)、砂仁(Amomum villosum Lour.)、仙人掌[Opuntia stricta (Haw.)Haw.var.dillenii (Ker-Gawl.)Benson]等植物；(3)伴隨著石漠化的演變，Simpson指數(shù)表現(xiàn)為逐漸下降的規(guī)律，Shannon-Winner多樣性指數(shù)表現(xiàn)出先增大后減小的規(guī)律，Pielou均勻度指數(shù)呈現(xiàn)出逐漸上升的規(guī)律，Margalef豐富度指數(shù)呈現(xiàn)出先揚后抑的規(guī)律。

喀斯特峽谷區(qū); 石漠化演變; 植物群落; 重要值; 多樣性

石漠化是喀斯特地區(qū)嚴(yán)峻的生態(tài)環(huán)境問題，它不斷吞噬土地，極大地影響著人們的生存環(huán)境，現(xiàn)與黃土高原的水土流失、西北地區(qū)的荒漠化并稱為三大生態(tài)災(zāi)害?；ńC合治理示范區(qū)是喀斯特干熱河谷生態(tài)環(huán)境的典型代表，是貴州省石漠化最為嚴(yán)重的區(qū)域之一。據(jù)統(tǒng)計，2013年石漠化面積2 786.92 hm2，占示范區(qū)總面積的53.98%。

目前，關(guān)于喀斯特石漠化地區(qū)的生態(tài)問題已涌現(xiàn)很多研究成果，喀斯特石漠化的成因研究較為深入，并且提出的相應(yīng)的治理對策[1-2]；關(guān)于石漠化地區(qū)的植物群落，王圳等[3]用空間代替時間的方式對花江喀斯特峽谷不同演替階段的群落物種組成和多樣性進行研究，結(jié)論是隨著演替的正向進行，群落結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜并在森林群落階段形成較為穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。而本研究以喀斯特峰叢峽谷區(qū)石漠化演變進程中植物群落為研究對象，通過對植物組成、重要值、多樣性等群落學(xué)特征的調(diào)查統(tǒng)計，分析石漠化演變過程中植物群落多樣性的響應(yīng)，以期為喀斯特地區(qū)的植被恢復(fù)提供依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

關(guān)嶺—貞豐花江石漠化綜合治理示范區(qū)，簡稱“花江示范區(qū)”，位于105°36′30″—105°46′30″E，25°39′13″—25°41′00″N。涉及北盤江鎮(zhèn)的查爾巖、銀洞灣和板貴鄉(xiāng)的木工、峽谷、壩山5個行政村以及花江鎮(zhèn)的法郎、干耳盤2個村民組?？λ固氐孛舶l(fā)育典型，地形破碎，基巖裸露率較高[4]，石漠化嚴(yán)重，生態(tài)脆弱。氣候類型為亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候，年平均氣溫18.4℃，年平均降水1 100 mm，5—10月多暴雨。土壤多為石灰土，結(jié)構(gòu)不良、質(zhì)地粘重、缺乏團粒。示范區(qū)內(nèi)以石生性、耐旱性和喜鈣性的石灰?guī)r植被為主，自然植被主要屬半濕潤常綠闊葉林。

2　樣地選擇與試驗方法

2.1石漠化演變階段的劃分

采用2013年的OLI遙感數(shù)據(jù)，1∶20萬區(qū)域水文地質(zhì)圖、貴州省1∶20萬土壤類型分布圖、1∶1萬地形圖等主要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依據(jù)建立的石漠化分級指標(biāo)體系，確定石漠化分類等級，將石漠化分為潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化[5]。運用空間代替時間的方法，在ArcGIS和ENVI平臺交互操作獲取2013年花江示范區(qū)石漠化演變階段分布圖(圖1)。

圖1　2013年花江示范區(qū)石漠化演變階段分布

2.2樣地的選擇及評價

在對研究區(qū)詳細踏查的基礎(chǔ)上，選取石漠化演變進程中4個典型階段為研究對象，共設(shè)立15個樣地。結(jié)合遙感影像圖與手持GPS野外測量結(jié)果，統(tǒng)計出各樣地基本情況(表1)。

隨后運用ArcGIS軟件中Geostatistical Analyst工具，對所選樣地的空間位置做自相關(guān)性分析[6]?；ń痉秴^(qū)的植被樣地在空間上具有較大的相關(guān)性，半變異圖中點不是一條水平直線，說明數(shù)據(jù)存在一定的相關(guān)性。距離遠的樣地(X軸右側(cè)方向移動和Y軸朝上方移動)，它們的方差較大，而距離近的樣點(X軸右側(cè)和Y軸下部)的值具有較大的相似性，結(jié)果表明樣地及屬性在空間是有空間相關(guān)性的，半變異函數(shù)圖點的變化規(guī)律是東北—西南方向比西北—東南方向具有更遠的空間距離，且樣點布置在東北—西南方向上不是一條水平線上，所以樣點選取是合理的。

2.3樣地植物群落調(diào)查

在每個樣地內(nèi)，設(shè)置10 m×10 m的喬木標(biāo)準(zhǔn)樣方、10 m×10 m的灌木標(biāo)準(zhǔn)樣方和1 m×1 m的草本標(biāo)準(zhǔn)樣方，調(diào)查內(nèi)容包括：(1)調(diào)查喬木和灌木的種類、株(叢)數(shù)、平均高度、胸(基)徑、蓋度；草本的種類、株(叢)數(shù)、平均高度、蓋度；(2)生境因子，如海拔、巖性、土壤類型、植物配置方式、土地利用類型等。

2.4計算方法

在植物群落學(xué)研究中優(yōu)勢種的確定通常以重要值的大小為重要依據(jù)[7]，計算采用宋永昌[8]編著的《植被生態(tài)學(xué)》計算方法，將物種分喬木、灌木和草本分別計算。群落多樣性的測度與尺度有很強的依賴關(guān)系，所以計算時采用α多樣性[9]測度方法。

2.4.1重要值計算以重要值(Important Value，IV)作為判定群落各層次優(yōu)勢種和劃分群落類型的主要指標(biāo)，其中：

喬木物種IV=(RP+RD+RF)/3

(1)

灌木和草本物種IV=(RD+RF+RC)/3

(2)

式中：RP為相對顯著度；RD為相對密度；RF為相對頻度；RC為相對蓋度。

2.4.2多樣性計算α多樣性的測度選用Simpson指數(shù)(D)，Shannon-Winner指數(shù)(H)，Pielou均勻度指數(shù)(J)和Margalef豐富度指數(shù)(R)[10]4類，相應(yīng)的計算公式如下：

(3)

H=-∑PilnPi

(4)

J=H/lnS

(5)

R=(S-1)/lnN

(6)

式中：Pi=Ni/N，即物種i的相對重要值；Ni為第i個物種的重要值；N為群落中所有物種重要值之和；S為物種i所在樣方的物種總數(shù)；N為樣地中的總個體數(shù)。

表1　調(diào)查樣地的基本信息

3　結(jié)果與分析

3.1石漠化不同演變階段植物群落調(diào)查結(jié)果

花江峽谷是典型的干熱河谷氣候區(qū)，其生境條件干燥、暖熱，人為活動破壞嚴(yán)重，現(xiàn)存植被群落以人工植被為主。據(jù)野外調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計，示范區(qū)有喬木50余種，灌木30余種，草本較少。

石漠化不同演變階段具有不同的生境條件，這就決定了不同的植物組合類型。潛在石漠化階段，水土流失不太明顯，但坡度相對較大、土層厚度較薄，生境干燥、缺水、易旱，植物組合類型為皇竹草、藎草等。輕度石漠化階段，坡度在15°以上，土被覆蓋35%以下，植物組合類型為花椒、構(gòu)樹等。中度石漠化演變階段，土壤遭受嚴(yán)重侵蝕，土被覆蓋不足20%，且零星分布，土層的平均厚度較小，人為干擾強烈，植物組合類型為花椒、荊條、砂仁等。強度石漠化階段，土壤侵蝕強烈，甚至無土可流，現(xiàn)存土壤多殘留于巖石裂隙中，土被覆蓋度低，坡度陡，以低矮灌叢為主，植被覆蓋度低于20%，植被組合方式主要為花椒、仙人掌等。

3.2石漠化不同演變階段植物群落優(yōu)勢種變化規(guī)律

重要值是衡量植物在群落中是否處于優(yōu)勢種的重要指標(biāo)之一[11-12]。根據(jù)公式(1)—(2)計算石漠化不同演變階段植物的重要值(表2)。

表2　石漠化不同演變階段植物群落物種的重要值　%

在潛在和輕度石漠化階段，草本植物占據(jù)優(yōu)勢，主要是皇竹草和藎草，其次是桃樹、栗子樹等喬木相對密度高，因而具有較高的重要值，花椒、砂仁等灌木的重要值相對較低，屬于伴生種，藤本植物火龍果則屬于偶見種；在中度和強度石漠化階段，草本植物不再占據(jù)優(yōu)勢，花椒、砂仁、仙人掌相對頻度高，重要值占據(jù)優(yōu)勢，構(gòu)樹、欒樹等喬木的重要值有所下降，淪為偶見種。

在樣方調(diào)查時發(fā)現(xiàn)，以花椒為代表的灌木群落，部分階段是優(yōu)勢種，而在有些階段是伴生種，這可能與該階段的生境密切相關(guān)。隨著石漠化從潛在向強度演變，基巖裸露率不斷變高，土層厚度逐漸變薄，干旱更加嚴(yán)重，花椒隨之旺盛，對群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響明顯。

3.3石漠化不同演變階段植物群落多樣性變化規(guī)律

植被恢復(fù)是減緩喀斯特地區(qū)石漠化演變的前提，關(guān)鍵是物種多樣性的恢復(fù)與發(fā)展。采用α多樣性測度方法對花江示范區(qū)的植物群落多樣性按潛在石漠化、輕度石漠化、中度石漠化和強度石漠化分別進行測度，得到石漠化不同演變階段植物群落的多樣性指數(shù)(圖2)。

圖2　石漠化不同演變階段植物群落多樣性指數(shù)的變化

在石漠化不同演變階段，植物群落的多樣性指數(shù)各不相同：Simpson指數(shù)在石漠化從潛在演變到強度的過程中呈現(xiàn)出逐漸下降的規(guī)律；Shannon-Winner多樣性指數(shù)在石漠化從潛在演變到中度的過程中逐漸上升，從中度到強度則逐漸下降；Pielou均勻度指數(shù)在石漠化從潛在演變到強度的過程中出現(xiàn)逐漸上升的規(guī)律，Margalef豐富度指數(shù)在石漠化從潛在演變到中度的過程中上升，從中度到強度則下降。

物種多樣性是生物多樣性的簡單度量，是衡量一定地區(qū)生物資源豐富程度的一個客觀指標(biāo)，可以反映出不同生境條件下植物群落多樣性的變化規(guī)律。石漠化不同演變階段植物群落Simpson指數(shù)、Shannon-Winner指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)隨著石漠化演變的進行而呈現(xiàn)出獨特的變化趨勢，這與近年來石漠化地區(qū)大力開展石漠化綜合治理工作[13]有關(guān)。

4　結(jié) 論

在喀斯特生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)重建中，植被恢復(fù)是關(guān)鍵和核心，是改善生態(tài)環(huán)境的必要方法。在中度和強度石漠化階段的地區(qū)應(yīng)以保持水土為主要目標(biāo)，提高植被覆蓋度，增加生物多樣性，選擇容易存活且生態(tài)效益高的鄉(xiāng)土植被類型，采取人工播種以促進更新，加快恢復(fù)速度。在潛在和輕度石漠化階段的地區(qū)以水源涵養(yǎng)為目標(biāo)，選擇擁有經(jīng)濟效益的樹種，主要采取人造林更新，結(jié)合天然更新，形成穩(wěn)定喬林群落，達到保持水土和涵養(yǎng)水源的目的，同時要盡可能保留原有植被，形成較為穩(wěn)定的環(huán)境。提高生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，從而可以提高喀斯特地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定程度[14]。

石漠化各類型之間的演變具有轉(zhuǎn)移、多變、“此消彼長”的特點[15]，其演變過程極為復(fù)雜，采用空間代替時間的方法研究石漠化的演變過程中植物群落的響應(yīng)存在一定的局限性，有待繼續(xù)研究。另外，植被樣地的選取方法需要進一步的完善。

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Response of Plant Community Diversity to Rocky Desertification Succession in Karst Valley Area

CHEN Yajuan1,2,ZHOU Zhongfa1,2,YAN Lihui1,2

(1.School of Karst Science,Guizhou Normal University,Guiyang 550001,China; 2.State Key Laboratory Incubation Base for Karst Mountain Ecology Environment of Guizhou Province,Guiyang 550001,China)

In view of plant community in Karst valley area,the diversity of plant communities at different stages of the rocky desertification was studied by field survey and laboratory analysis.Using the method of space instead of time,the response of plant community diversity in the process of rocky desertification evolution is discussed in order to provide a reference for the restoration and reconstruction of ecosystem in typical Karst area.The results show that: (1)the plant community in the demonstration area is dominated by artificial vegetation; (2)at potential and slight rocky desertification stage,the important values of Pennisetum sinese Roxb and Arthraxon hispidus (Thunb.)Makino are high,at moderate and high stages,the IV of Zanthoxylum bungeanum Maxim.,Amomum villosum Lour.and Opuntia stricta (Haw.)Haw.var.dillenii (Ker-Gawl.)Benson occupy the superiority; (3)along with the evolution of Karst rocky desertification,Simpson index decreased gradually,Shannon-Winner index increased first and then decreased,Pielou index presented a gradually rising trend,Margalef index ascended slightly prior to the intensive decline.

Karst valley area; rocky desertification; plant community; important value; diversity

2015-10-27

2015-11-17

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)課題“人為干預(yù)下喀斯特山地石漠化的演變機制與調(diào)控”(2012CB723202);貴州省重大應(yīng)用基礎(chǔ)研究項目“喀斯特石漠化生態(tài)修復(fù)及生態(tài)經(jīng)濟系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)控研究”(黔科合JZ字[2014]200201);國家自然科學(xué)基金青年項目“喀斯特峰叢洼地地貌形態(tài)耦合模式及機制研究”(41301504);2012年貴州省國際科際合作計劃“不同生態(tài)恢復(fù)措施干預(yù)下喀斯特石漠化演變及調(diào)控研究”(黔科合外G字[2012]7022號)

陳亞娟(1991—),女,河南漯河人,碩士研究生,研究方向為GIS與生態(tài)環(huán)境。E-mail:1498194550@qq.com

周忠發(fā)(1969—),男,貴州遵義人,博士生導(dǎo)師,教授,主要從事喀斯特生態(tài)環(huán)境研究。E-mail:fa6897@163.com

Q145

A

1005-3409(2016)05-0205-05