烏蘭布和沙漠綠洲東緣植被群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性研究

楊 光, 郝玉光, 包斯琴, 楊瑞杰

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200)

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烏蘭布和沙漠綠洲東緣植被群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性研究

楊 光1, 郝玉光2, 包斯琴1, 楊瑞杰1

(1.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué) 生態(tài)環(huán)境學(xué)院, 呼和浩特 010019; 2.中國林業(yè)科學(xué)研究院 沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心, 內(nèi)蒙古 磴口 015200)

根據(jù)烏蘭布和沙漠東北部綠洲東緣7個(gè)樣區(qū)25個(gè)樣地的樣方調(diào)查數(shù)據(jù)，對該區(qū)植物群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性進(jìn)行分析。結(jié)果表明：研究區(qū)自然植被共有52種，分屬17科45屬，以菊科為優(yōu)勢種，禾本科、豆科和藜科為亞優(yōu)勢種，其他13科為伴生種；群落結(jié)構(gòu)類型以灌木群落為主，草本群落次之；根據(jù)群落物種多樣性變化規(guī)律，可以將研究區(qū)劃分為南北兩部分，南部多樣性指數(shù)變化幅度較小且保持較高水平，北部多樣性指數(shù)變化幅度較大且相對較低；沙漠地區(qū)通過綠洲防護(hù)林建設(shè)，能有效改善綠洲外圍植物生長環(huán)境，增加植物群落物種多樣性，控制沙漠?dāng)U張。

烏蘭布和沙漠; 綠洲; 群落結(jié)構(gòu); 物種多樣性

群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性是一個(gè)群落功能復(fù)雜性的量度，表征著生物群落和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，體現(xiàn)了群落的結(jié)構(gòu)類型、組織水平、發(fā)展階段、穩(wěn)定程度和生境差異，是揭示植被組織水平的生態(tài)學(xué)基礎(chǔ)[1-2]。物種多樣性不僅反映了群落或生境中物種的豐富度、變化程度或均勻度，也反映了群落的穩(wěn)定性與動態(tài)以及不同自然條件與群落的相互關(guān)系，是生態(tài)學(xué)研究的重要內(nèi)容[3-4]。進(jìn)行群落物種多樣性分析能更好地評價(jià)群落結(jié)構(gòu)及其發(fā)展變化，同時(shí)植物群落物種多樣性的測定可以反映群落的保護(hù)狀態(tài)[5-6]，對于生態(tài)保護(hù)和生物資源的合理利用具有重要意義。

目前物種多樣性的研究包括所有植物、動物、微生物物種和它們所擁有的基因以及它們與其他生存環(huán)境形成的復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)[7]。我國學(xué)者對植物群落研究主要集中于較為敏感的生態(tài)脆弱區(qū)，包括荒漠化地區(qū)[1,8-13]、黃土高原地區(qū)[14-15]、山區(qū)[2,4,16-17]及濕地保護(hù)區(qū)[18-22]等。

烏蘭布和沙漠是中國八大沙漠之一，也是我國西北地區(qū)沙塵暴的策源地，大量流沙侵入或跨過黃河，增加了黃河泥沙含量，威脅周邊地區(qū)的生態(tài)安全。因此，對烏蘭布和沙漠沙地植被進(jìn)行有效保護(hù)或人工促進(jìn)，對本區(qū)自然生態(tài)環(huán)境和社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展都具有深刻和廣泛的影響[23]。同時(shí)，有關(guān)烏蘭布和沙漠地區(qū)及周邊植被建設(shè)也引起了相關(guān)學(xué)者的廣泛關(guān)注，學(xué)者們分別從烏蘭布和沙漠植物群落特征、群落空間格局、群落演替、物種多樣性等方面進(jìn)行了研究[24-31]。本論文研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部綠洲東緣，在植被調(diào)查的基礎(chǔ)上，分析綠洲東部植物群落結(jié)構(gòu)特征及物種多樣性，揭示在沙漠邊緣綠洲影響下天然植被的分布規(guī)律，以期為該區(qū)植被恢復(fù)及沙漠邊緣風(fēng)沙治理提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)概況

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北緣磴口縣境內(nèi)的中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心第一實(shí)驗(yàn)場東部，地理位置106°56′E，40°20′N。該區(qū)屬于溫帶荒漠大陸性氣候，多年平均降水量144.5 mm，多年平均蒸發(fā)量2 380.6 mm；年平均氣溫7.8℃，年平均風(fēng)速3～3.7 m/s；土壤類型屬荒漠向草原化荒漠過渡帶，地帶性土壤發(fā)育不完全，風(fēng)沙土為其主要類型。植被以荒漠植被占主導(dǎo)地位，喬木以梭梭(HaloxylonammodendronC. A. Mey. Bunge)、多枝檉柳(TamarixramosissimaLedeb.)為主，灌木及半灌木以白刺(NitrariatangutorumBor.)、黑沙蒿(ArtemisiadesertorumSpreng. Syst. Veg.)為主，草本植物以蘆葦(PhragmitesaustralisCav. Trin. ex Steud.)、沙地旋覆花(InulaammophilaBge.)、羊草(AstragalusmembranaceusFisch. Bunge.)、苦豆子(SophoraalopecuroidesL.)、堿蓬(SuaedaglaucaBunge Bunge)、風(fēng)毛菊(SaussureajaponicaThunb. DC.)、鹽爪爪(KalidiumfoliatumPall. Moq.)等為主。

2　研究方法

2.1樣地布設(shè)與調(diào)查

研究區(qū)位于烏蘭布和沙漠東北部中國林業(yè)科學(xué)研究院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心一場東側(cè)，綠洲是以楊樹為主形成的農(nóng)田防護(hù)林網(wǎng)。2014年7—8月對烏蘭布和沙漠東北部綠洲東緣天然植被進(jìn)行了全面調(diào)查。首先將調(diào)查區(qū)劃分為7個(gè)樣區(qū)，由南向北排列，為減小人為主觀影響，樣區(qū)設(shè)置為固定的地理坐標(biāo)經(jīng)差和緯差形成的網(wǎng)格區(qū)域，其中樣區(qū)3為經(jīng)差20″，緯差10″，其余樣區(qū)為經(jīng)差10″，緯差20″。每個(gè)樣區(qū)劃分為4個(gè)樣地，采用樣線法進(jìn)行樣方調(diào)查，每條樣線上分別設(shè)7～8個(gè)樣方。樣方的設(shè)置規(guī)格為喬木樣方10 m×10 m，灌木樣方5 m×5 m，草本樣方1 m×1 m，每個(gè)喬木樣方內(nèi)按對角線設(shè)置2個(gè)灌木樣方，每個(gè)灌木樣方內(nèi)設(shè)3個(gè)草本樣方。本次共調(diào)查植被群落樣地25個(gè)，分別用S1—S25代表各樣地，包括喬木樣方20個(gè)，灌木樣方114個(gè)，草本樣方374個(gè)。調(diào)查內(nèi)容包括喬木或灌木種類、個(gè)體數(shù)量、高度、冠幅和草本植物種類、個(gè)體數(shù)量、高度、蓋度等指標(biāo)。調(diào)查過程中同時(shí)記錄每個(gè)樣方的經(jīng)緯度、海拔高度、土壤質(zhì)地、景觀地貌類型等。

2.2多樣性指數(shù)計(jì)算

重要值Ⅳ=(相對密度+相對頻度+相對優(yōu)勢度)×100/3

(1)

(2)

(3)

J′=H′/lnS

(4)

式中：H′——Shannon-Winer多樣性指數(shù)；Ds——Simpson′s優(yōu)勢度指數(shù)；J′——Pielou均勻度指數(shù)；Ni——種i的個(gè)體數(shù)；N——群落中全部物種的個(gè)體數(shù)；S——物種數(shù)目；Pi——屬于種i的個(gè)體在全部個(gè)體中的比例，其中Pi=Ni/N。

數(shù)據(jù)處理采用Excel和SPSS 19.0完成。

3　結(jié)果與分析

3.1群落種類組成與數(shù)量特征分析

由表1可知，研究區(qū)自然植被共有52種，分屬17科45屬。檉柳科2屬2種，菊科12屬14種，禾本科5屬6種，豆科8屬10種，藜科6屬7種，蒺藜科2屬2種，報(bào)春花科、蓼科、百合科、茄科、莧科、旋花科、胡頹子科、蘿藦科、莎草科、木賊科及鳶尾科各1屬1種。該區(qū)的植物以菊科為優(yōu)勢種，禾本科、豆科和藜科為亞優(yōu)勢種，其他13科為伴生種。菊科有沙地旋覆花、歐亞旋覆花(InulabritannicaL.)、黑沙蒿、艾蒿(ArtemisiaargyiH. Lév. & Vaniot)、苣荬菜(SonchusbrachyotusDC.)、風(fēng)毛菊、亞洲蒲公英(Tarax-acumasiaticaDahlst)、蒼耳(XanthiumsibiricumPatrin ex Widder)、藍(lán)刺頭、乳苣(MulgediumtataricumLinn. DC.)、頂羽菊(AcroptilonrepensL. DC.)、馬蘭(KalimerisindicaLinn. Sch.)、鴉蔥(ScorzoneraaustriacaWilld)、苦苣(CichoriumendiviaL.)，占總種數(shù)的26.92%；豆科有黃芪(AstragalusmembranaceusFisch. Bunge.)、斜莖黃芪(AstragalusadsurgensPall.)、披針葉黃華(ThermopsislanceolataR. Br.)、苦豆子、紫花苜蓿(MedicagosativaL.)、甘草(GlycyrrhizauralensisFisch.)、苦馬豆(SphaerophysasalsulaDC.)、花棒(HedysarumscopariumFisch. et Mey.)、小花棘豆(OxytropisglabraDC.)，占總種數(shù)的19.23%；藜科有堿蓬、茄葉堿蓬(SuaedaprzewalskitBge.)、梭梭、鹽爪爪、灰菜(ChenopodiumalbumL.)、地膚(KochiascopariaL. Schrad.)、霧冰藜(BassiadasyphyllaFisch. & C. A. Mey. Kuntze)，占總種數(shù)的13.46%；禾本科有羊草、賴草(LeymussecalinusGeorgi Tzvel.)、蘆葦、芨芨草(AchnatherumsplendensTrin. Nevski)、沙鞭(PsammochloavillosaTrin. Bor)和狗尾草(SetariaviridisL. Beauv.)，占總種數(shù)的11.45%。

由表2可以看出，在調(diào)查區(qū)52種荒漠植物中，喬木有1種，點(diǎn)總數(shù)的1.92%；小喬木有3種，占總數(shù)的5.77%；灌木有2種，占總數(shù)的3.85%；半灌木有3種，占總數(shù)的5.77%，多年生草本有33種，占總數(shù)的63.46%，處于優(yōu)勢地位；二年生草本1種，占總數(shù)的1.92%；一年生草本9種，占總數(shù)的17.31%。

3.2群落類型與結(jié)構(gòu)特征

根據(jù)本次調(diào)查樣地物種重要值大小，將研究區(qū)內(nèi)植被劃分為1個(gè)喬木群落、8個(gè)灌木群落和7個(gè)草本群落。各群落主要植物組成及重要值見表3。

由表3可知，研究區(qū)植物群落組成以灌木群落為主，其次為草本群落，僅有沙棗群落為喬木群落。

灌木群落是研究區(qū)主要群落組成，通過樣地主要植物組成和環(huán)境特征分析，大體可以分成以黑沙蒿群落、花棒群落、黑沙蒿+梭梭群落、白刺+梭梭群落為主的沙地群落類型和以紅柳群落、檉柳群落、白刺群落、檉柳+白刺群落為主的鹽堿地群落類型。鹽堿地群落主要分布于研究區(qū)東南部和西北部，由于地勢低洼且離公路較近，導(dǎo)致地下水位升高，地表土壤鹽堿化程度較高。沙地群落主要分布于研究區(qū)中部，且分布面積較大，地表沙化嚴(yán)重，部分地方可看到明顯的裸露小沙丘。

表1　研究區(qū)天然植被科屬種統(tǒng)計(jì)

表2　研究區(qū)天然植被生活型統(tǒng)計(jì)

草本植物遍布于整個(gè)研究區(qū)，既有沙生植物，也有鹽生植物，分散于研究區(qū)從南向北各個(gè)區(qū)域，多為喬木或灌木林下植被，獨(dú)立的草本群落大面積集中分布較少。獨(dú)立草本群落以蘆葦和羊草等較高大的草本組成的群落為主，由于這些高大草本分布密集，在調(diào)查樣地占主導(dǎo)地位，其他喬木或灌木植物難以入侵。

沙棗群落分布于研究區(qū)最北端，林下無灌木，該樣地地勢低洼，地表有積水現(xiàn)象，因此土壤鹽堿化程度高，林下草本植物以抗鹽堿能力強(qiáng)的風(fēng)毛菊、蘆葦、苦豆子、沙地旋覆花、鹽爪爪等為主。

3.3植物群落的多樣性

由圖1可知，Shannon-Winer多樣性指數(shù)(H′)為0.67～2.05，變化幅度較大。從H′變化趨勢來看，總體上可以將研究區(qū)劃分為南北兩部分，南部包括樣地S1—S11，H′變化幅度較小且保持較高水平，北部包括樣地S12—S25，H′值相對較低且變化幅度較大。根據(jù)實(shí)地調(diào)查，北部沙地與低洼積水地相間分布，是引起物種多樣性變幅增大的重要因素。南部H′值較高的樣地有S3(梭梭+黑沙蒿群落)、S4(黑沙蒿群落)、S7(紅柳群落)、S9(紫花苜蓿+沙地旋覆花+堿蓬群落)和S11(檉柳+白刺群落)，其H′值均保持在1.90以上；南部H′值較低的樣地有S1(花棒群落)、S6(蘆葦群落)和S8(檉柳群落)，其H′值均在1.60以下。從植物組成分析來看，南部H′值較低的樣地，其植物組成以鹽生或堿生植物為主，土壤鹽堿化制約了更多植物的生長繁衍。北部H′值較高的樣地有S20(羊草+芨芨草群落)、S24(黑沙蒿群落)和S25(蘆葦群落)，其H′值均保持在1.80以上；北部H′值較低的樣地有S17(白刺群落)、S18(羊草群落)和S21(白刺+黑沙蒿群落)，其H′值均在0.80以下，且為整個(gè)研究區(qū)H′值最低的樣地。從植物組成分析來看，北部H′值較低的樣地，主要組成植物中均有1種草本植物在整個(gè)樣地中占據(jù)主導(dǎo)地位，且其重要值均達(dá)到40以上，使得競爭力弱的植物難以入侵，物種多樣性降低。

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(Ds)及Pielou均勻度指數(shù)(J′)分別為0.32～0.85，0.36～0.89，變化趨勢與Shannon-Winer多樣性指數(shù)相似，但變化幅度較小，總體上保持比較穩(wěn)定狀態(tài)。

表3　群落類型及主要物種組成和重要值

注：主要物種組成以重要值>10為判別標(biāo)準(zhǔn)。

圖1研究區(qū)各樣地群落多樣性指數(shù)

4　討論與結(jié)論

通過野外調(diào)查和室內(nèi)分析可知，研究區(qū)自然植被共52種，分屬17科45屬，以菊科為優(yōu)勢種，禾本科、豆科和藜科為亞優(yōu)勢種，群落類型以灌木群落為主，草本群落次之。研究區(qū)南部由于土壤性狀及水分條件優(yōu)越，群落多樣性指數(shù)總體上高于北部，且變化幅度小。王君厚等[32]研究了中國林科院沙漠林業(yè)實(shí)驗(yàn)中心二場綠洲外圍不同群落物種多樣性，其結(jié)果表明綠洲外圍植物群落以黑沙蒿群落、白刺+黑沙蒿群落為主，植物群落多樣性指數(shù)變化范圍為0.603～2.984，均勻度指數(shù)變化范圍為0.337～0.691，優(yōu)勢度指數(shù)變化范圍為0.195～0.724，研究結(jié)論與本文研究結(jié)果相似，近一步證明了綠洲在控制沙漠?dāng)U張及改善生態(tài)環(huán)境的積極作用。據(jù)沙漠林業(yè)中心老一輩科技工作人員介紹，研究區(qū)在未建綠洲防護(hù)林前，地表以流沙為主，植被稀少，蓋度低，僅有零星可見的黑沙蒿或白刺沙包分布其間。因此，通過烏蘭布和沙漠綠洲防護(hù)林建設(shè)，改善了綠洲邊緣植物生長繁衍的自然條件，物種多樣性有了極大提高且逐漸趨于穩(wěn)定。

植物群落多樣性研究方面，大部分學(xué)者選擇調(diào)查樣區(qū)時(shí)以優(yōu)勢植物作為劃定研究樣區(qū)的依據(jù)，本研究在劃分樣區(qū)過程中，以研究區(qū)自然地理坐標(biāo)圍成的區(qū)域?yàn)椴煌芯繕訁^(qū)，避免了人為主觀影響，使調(diào)查數(shù)據(jù)更具有代表性。

從環(huán)境特征來看，影響研究區(qū)植物群落組成及分布特征的環(huán)境因子主要是地形、土壤性狀及氣候條件，其中，土壤含鹽量是關(guān)鍵性因素。研究發(fā)現(xiàn)，在所調(diào)查的25個(gè)樣地中，物種多樣性較低的群落樣地其共同特點(diǎn)是土壤鹽堿化程度高，出現(xiàn)大量土壤鹽堿化指示性植物，物種組成趨向單一。本論文在研究綠洲東緣群落結(jié)構(gòu)及多樣性時(shí)，未充分考慮植物生長的環(huán)境特征，只是從部分指示性植物的存在倒推出土壤鹽堿化程度等環(huán)境特征，不能充分反映環(huán)境特征的變化對群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性的影響以及植物群落對環(huán)境特征的改善效應(yīng)，今后在此方面應(yīng)加大研究力度。

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Study on the Community Structure and Species Diversity in the Eastern Margin of the Ulanbuh Desert Oasis

YANG Guang1, HAO Yuguang2, BAO Siqin1, YANG Ruijie1

(1.CollegeofEcologyandEnvironmentalScience,InnerMongoliaAgriculturalUniversity,Hohhot010019,China; 2.ExperimentalCenterofDesertForestry,ChineseAcademyofForestry,Dengkou,InnerMongolia015200,China)

According to quadrat survey data belonging to 25 sample plots of 7 sample areas in the oasis of northeastern margin of Ulanbuh desert, we analysed the community structure and species diversity of plant. The results show that there are 52 species of natural plants in the study area, which belong to 17 families and 45 genera, compositae is the dominant species, gramineae, leguminosae and chenopodiaceae are the sub dominant species, other 13 families are companion species; Most of community structure types are shrub communities, the second is herbaceous communities; According to the changes of species diversity, the research area can be divided into two parts: north and south, the range of diversity index change is small and the index maintains a high level in southern area, in northern area, the range of diversity index change is relatively larger and the index maintains a low level; Construction of oasis shelter forest can effectively improve plant growth environment around oasis, increase the species diversity of the plant community, control the expansion of desert.

Ulanbuh Desert; oasis; community structure; species diversity

2015-06-14

2015-06-23

內(nèi)蒙古自治區(qū)高等學(xué)?？茖W(xué)研究項(xiàng)目(NJZY14086);國家科技支撐項(xiàng)目(2012BAD16B0103)

楊光(1974—),男,內(nèi)蒙古鄂爾多斯人,博士,副教授,主要從事荒漠化遙感監(jiān)測研究。E-mail:yg331@126.com

郝玉光(1963—),男,內(nèi)蒙古五原縣人,博士,研究員,主要從事荒漠化研究。E-mail:hyuguang@163.com

Q948.15

A

1005-3409(2016)03-0257-05