赵锦梅,张德罡,刘长仲,徐长林

(甘肃农业大学草业学院,草业生态系统教育部重点实验室,中-美草地畜牧业可持续发展研究中心,甘肃兰州 730070)

土地利用是指人类开发利用土地覆盖的目的[1],是人类对土地自然属性的利用方式和利用状况,也是一种人类活动[2],但是人类对土地不断开发利用的活动已经改变了人类生态环境[3],而且随着人类对土地利用的活动范围的不断增大,自然生态系统受人类活动干扰的程度也相应的越来越高,对生态系统的植物量和生态系统功能产生的影响也随之增大[3-5]。因此,分析区域土地利用/覆盖植被变化过程对植被植物量的影响已成为了土地利用/覆被变化环境效应研究的重要组成部分[6]。

祁连山东段属于高寒地带,地理条件和气候条件非常特殊,由于人类不断的对天然草地开垦和超载过牧等利用,使原本脆弱的生态环境雪上加霜。表现为草层高度急剧下降、物种数巨减、土地产出率下降、生态环境恶化等问题[7-9]。为此,对高寒地区不同土地利用方式下植物量进行研究分析,以期为高寒地区生态脆弱带的土地利用和生态恢复提供借鉴。

1 材料和方法

1.1 研究区概况

研究区位于祁连山东段天祝金强河E 102°40′～102°47′,N 37°11′～37°14′,海拔 2 900～4 300 m 。属大陆性高原季风气候,寒冷潮湿,年均温-0.1℃,月平均最低温-18.3℃(1月),最高温12.7℃(7月),＞0℃积温1 380℃;年日照时数2 600 h;降雨多为地形雨,集中于7、8、9月;年均降水量416 mm,年均蒸发量1 592 mm,为降水量的3.8倍;水热同期,气温变化大,无绝对无霜期,仅分冷热两季;春季多风,风速 1～3 m/s,最大风速28 m/s,年均大风日数63 d。区内土层较薄,厚40～80 cm,土壤从河漫滩,阶地至高山依次为亚高山草甸土,亚高山黑钙土,亚高山栗钙土,亚高山灌丛草甸土,高山灌丛草甸土[10,11]。

1.2 试验地设置

试验区的主要土地利用格局和变化,选取退耕自然恢复地、当年弃耕地、坡耕地和人工围栏种植的多年 生草地和天然草地5种土地利用类型(表1)。

表1 5种样地的基本状况Table 1 Discription of sample plots

1.3 样品的采集及分析

于2009年9月底对样地进行地上和地下植物量的测定。地上植物量采用收获法测定。每样地选择3个0.25 m×0.25 m的样方,齐地面分种剪草,称鲜重后,带回实验室置于干燥箱,于65℃下烘干12 h后称重,记录其干重。地下植物量的采用分层挖掘法测定。采集土块体积为20 cm×20 cm×10 cm,每层10 cm,取0～30 cm。采集的根系装入尼龙袋,置于流水中冲洗干净,拣出石砾和杂物,多次漂洗土壤后置于干燥箱内于65℃下烘干12 h称取烘干重。

统计分析和绘图在SPSS10.0和EXCEL2003系统下完成。

2 结果与分析

2.1 不同土地利用类型的地上植物量变化

土地利用方式变化后,主要植物群落和结构发生改变,致使地上植物量产生差异(图1)。退耕自然恢复地、当年弃耕地、坡耕地、多年生草地和天然草地地上植物 量分别 为 176.4、66.8、369.6、274.2 和211.1 g/m2。5种土地利用方式地上植物量相比较表现为:坡耕地＞多年生草地＞天然草地＞退耕自然恢复地＞当年弃耕地,不同土地利用方式地上植物量之间差异显著(P＜0.05);与坡耕地相比,多年生草地、天然草地、退耕自然恢复地和当年弃耕地的地上植物量分别减少了25.81%、42.88%、52.27%和81.93%。

2.2 不同土地利用类型的地下植物量变化

在不同土地利用方式下,地表植被类型的变化同样也会影响地下根系的分布。研究区在不同土地利用方式的干扰下,地下植物量有显著的变化。地下植物退耕自然恢复地、当年弃耕地、坡耕地、多年生草地和天然草地地上植物量均值分别为296.3、62.9、315.8、738.3和2928.8 g/m2。

图1 不同土地利用方式下植物群落地上植物量变化Fig.1 Variation of aboveground biomass under different land use patterns

图2 不同土地利用方式下植物群落地下植物量变化Fig.2 Variation of underground biomass under different land use patterns

从图2看出,不同土地利用方式0～10、10～20和20～30 cm土层,地下植物量分别在112.5～5 210.0,53.8～2 003.8和22.5～1 572.5 g/m2。5种土地利用方式的0～10 cm土层地下平均植物量占0～30 cm土层总地下植物量的62.74%。不同的土地利用方式其0～10 cm土层的地下植物量不同,其中退耕自然恢复地为627.5 g/m,占0～30 cm土层总地下植物量的70.60%;当年弃耕地为112.5 g/m2,占0～30 cm土层总地下植物量的 59.60%;坡耕地为567.5 g/m2,占0～30cm土层总地下植物量的59.89%;多年生草地为1423.8 g/m2,占 0～30 cm土层总地下植物量的64.28%;天然草地为5 210.0 g/m2,占0～30 cm土层总地下植物量的59.30%。可见,研究区地下植物量主要分布在0～10 cm土层内。

2.3 地上、地下植物量、植被盖度、物种数间的相关性

对不同土地利用方式地上、地下植物量、植被盖度、物种数进行相关性分析。结果表明(表2),地上植物量与植被盖度极显著相关(P＜0.01),与地下植物量和物种数相关性不显著;地下植物量与植被盖度和物种数极显著相关(P＜0.01),但与地上植物量相关性不显著。由于地上和地下的植物量分别与地表的植被盖度或物种数显著或极显著相关,因此,土地利用方式的改变,影响了地表的植被群落结构和组成,进一步影响了地上和地下的植物量。

分析表明,植物地上和地下植物量随着植被盖度和植物种数的变化呈现出一定的变化规律,为进一步分析变化规律,对地上和地下植物量随着植被盖度和植物种数的变化关系进行了曲线方程拟合。拟合结果显示(表3),地上植物量与植被盖度的变化关系拟合二次函数,其相关系数分别为0.854,为极显著相关(P＜0.01);地下植物量与植被盖度、物种数的变化关系分别拟合对数和二次函数,其相关系数分别为0.803和0.517,为极显著相关(P＜0.01)。

表2 不同土地利用方式地上、地下植物量、植被盖度,物种数间的相关性分析Table 2 Regressive analysis between vegetation coverage,species and aboveground and underground biomass under different of land use patterns

表3 不同土地利用方式地上、地下植物量与植被盖度和物种数的的函数式Table 3 Formula between aboveground and underground biomass and vgetation coverage and species under different land use patterns

3 讨论与结论

(1)地上植物量是反应生态系统稳定性的指标[12]。研究区不同土地利用方式地上植物量表现为坡耕地＞多年生草地＞天然草地＞退耕自然恢复地＞当年弃耕地;不同土地利用方式间地上植物量差异显著(P＜0.05)。分析认为,坡耕地和多年生草地主要以种植当地一年生燕麦和优质多年生牧草为主,植被总盖度大,植株生长势好,因此,地上植物量较大;天然草地原生植被主要以寒冷中生、湿中生和旱中生多年生密丛短根茎地下嵩草属植物为建群种,植株低矮、密集,所以地上植物量较低;当年弃耕地植被总盖度很小,植被生长势弱,因此,地上植物量在5种土地利用方式中最低。

(2)植物的地下根系具有贮藏营养物质,供给地上部分营养和水分,调节植物的生长发育,支持植物躯体等基本功能,对于地上植物量的形成乃至对整个植物的生长发育都起着重要的作用[13,14]。研究区不同土地利用方式地下植物量表现为天然草地＞多年生草地＞坡耕地＞退耕自然恢复地＞当年弃耕地;地下植物量受植物根系分布的影响,地下植物量主要分布在0～10 cm土层。依次排序:天然草地＞多年生草地＞坡耕地＞退耕自然恢复地＞当年弃耕地。研究结果表明,植被的地下植物量分配特征与高寒地区的气候和土壤密切相关[14]。天然高寒草地的嵩草属植物和禾本科优良牧草是典型高寒草甸的优势种植物,是家畜的优良牧草,属于密丛须根型多年生植物,可以形成庞大的地下植物量,因此,天然草地的地下植物量最大,这与柳小妮等的研究结果一致[8]。同时研究发现,地下0～10 cm土层平均植物量占0～30 cm土层总地下植物量的62.74%,可见地下植物量主要分布在0～10 cm土层,这与他人对青藏高原地下植物量的研究结果一致[15]。

(3)地上植物量与植被盖度极显著相关(P＜0.01),地下植物量与植被盖度和物种数极显著相关(P＜0.01),但地上与地下植物量相关性不显著。地上植物量随植被盖度变化关系拟合二次函数变化;地下植物量随植被盖度、物种数的变化关系分别拟合对数和二次函数,均为极显著相关(P＜0.01)。

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