不同干扰方式对呼伦贝尔典型草原生态系统特征的影响

2018-09-03宋向阳卫智军郑淑华李兰花常书娟杨勇刘爱军

生态环境学报 2018年8期

宋向阳，卫智军，郑淑华，李兰花，常书娟，杨勇，刘爱军*

1. 内蒙古农业大学草原与资源环境学院，内蒙古呼和浩特 010011；2. 内蒙古草原勘察规划院，内蒙古呼和浩特 010051

草地生态系统退化是由于人为干扰或自然因素变化造成的生态系统结构简单化、功能衰退的过程，其最终结果是土地退化，生物种类和数量减少，生态系统自我维持的能量流动与养分循环部分中断（杜际增等，2015）。近几十年中，不同程度的放牧、割草地利用等草地利用方式已经使草地群落结构和特征等产生了变化，从而对草地生态系统生产力等生态系统功能造成影响（Li et al.，2014；Yang et al.，2013；Zhou et al.，2006）。

呼伦贝尔草地是中国北方保存相对比较完整的草原牧区，近年来由于滥垦乱伐、超载放牧、无节制樵采等不合理人为影响，草地沙化、植被退化、生物种类单一等形势日趋严重（万华伟等，2016；刘佳慧等，2017）。2002年以来，政府加大力度投资草地生态建设，使草地休养生息，逐步恢复草地生产力，改善生态环境（杨勇等，2015）。杨殿林等（2006）研究了不同放牧强度对贝加尔针茅（Stipa baicalensis）草原群落植物多样性和生产力产生影响，结果表明群落初级生产力和稳定性随着放牧强度的增加而逐渐下降；吕世海（2005）研究分析了围栏封育对沙化草地植被特征及生物多样性变化的影响，结果表明随着围封年限的增加，群落结构逐渐趋于合理，物种丰富度、多样性和群落均匀性不断增大，但沙化草地围封后的植被近自然恢复也是一个漫长的系统修复与竞争过程。但也有研究认为，放牧对土壤养分的影响具有不确定性，因为采食、践踏、粪尿回归对土壤养分的提高有可能具有正反馈效应，且一定强度的放牧可以增加凋落物质量，提高土壤微生物的数量和活性，从而促进养分的循环（Hao et al.，2014；Fensham et al.，2014；Wu et al.，2014）。

目前，有关退牧还草生态工程所采取的禁牧、休牧等人为干扰措施，对退化草地生态系统功能、群落结构、物种多样性等有怎样的影响仍缺乏系统研究，各种措施之间有怎样的差异以及怎样利用干扰措施来保护草地生物多样性，提高草地生态系统生产力，仍需要我们进行大量的研究工作（杨勇等，2015）。为此，本研究在呼伦贝尔典型草原以退牧还草工程项目区为研究对象，探讨了工程区中禁牧和休牧两种措施下植被恢复过程中生态系统功能的变化，明确典型草原植被自然恢复过程中植被演替的特征，为该地区的生态建设提供科学依据。

1材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于中国东北边陲内蒙古自治区呼伦贝尔市新巴尔虎右旗境内（如图 1），地处东经115°31′～117°43′，北纬 47°36′～49°50′，属于温性草原类，地带性植被为大针茅（Stipa grandis）、羊草（Leymus Chinensis）、多根葱（Allium polyrrhizum）等（张惜伟等，2018）。气候属于温带半干旱大陆性气候，冬季寒冷、漫长、干燥，夏季短暂、温凉，年平均气温21.6 ℃，年平均日照时数2800 h左右，年平均降雨量220～280 mm，由北向南递减，无霜期为128 d（万华伟等，2016；文都日乐，2011）。

1.2 试验设计

本试验于 2016年通过实地调查与走访，在新巴尔虎右旗境内选定地势平坦一致的4个样地，分别为禁牧10 a、对照（禁牧区外）10 a，休牧10 a、对照（休牧区外）10 a，样地草原类型为温性草原类平原、丘陵草原亚类，禁牧区和休牧区在围封之前全为自由放牧，禁牧区为全年禁牧；休牧区为每年的 5—6月禁牧，其他季节正常放牧，对照区为全年自由放牧。试验于2016年8月初进行。

1.3 调查方法

采用样方法，在每个样地分别设置3个圆心，以圆心为中心分别设置3条30 m长样线，每两条样线间夹角为120°，在每条样线上每隔10 m设置1个1 m×1 m的样方（如图2），分别调查每个样方内出现的物种，记录每个物种的高度、盖度、多度。将其地上绿色部分齐地面刈割并分种存放于塑封袋中，将其立枯与凋落物分别收集于塑封袋中，带回实验室分别称量其鲜质量，然后在 65 ℃烘箱中烘干至恒质量，称量其干质量。分别在每条样线的20 m处挖1个30 cm的土壤剖面，分0～10、10～20、20～30 cm共3层取样，装入铝盒称鲜质量，然后在105 ℃烘箱中烘干至恒质量，称量其干质量。

1.4 计算方法

1.4.1 地上生物量

地上现存量=活体生物量+立枯量+掉落物量。

1.4.2 重要值

重要值（Pi）=相对高度+相对密度+相对生物量。

1.4.3 物种多样性分析

图1 研究区域地理位置Fig. 1 Location of study area

图2 样线设置示意图Fig. 2 Schematic diagram of line transect setting

采用丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数进行多样性分析（刘文亭等，2017），其计算公式如下：

丰富度指数：

R=S （1）

Shannon-Wiener多样性指数：

Pielou均匀度指数：

E=H′/lnS （3）

式中，S为样方内物种总数；Pi为物种i的重要值。

1.5 数据分析

运用 Excel 2010对数据进行初步整理；运用SPSS 19.0统计软件计算不同工程措施下物种多样性、地上生物量、土壤含水量、土壤容重等相关指标的平均值和标准差，采用One-way ANOVA对数据进行显著性差异分析和均值的比较，方差检验数据结果以平均值±标准误差表示（Mean±SE）。

2结果与分析

2.1 不同工程措施下物种多样性与生物量的关系

不同的工程措施对物种多样性都有不同程度的影响（表1）。物种多样性指数和丰富度指数的整体趋势表现为禁牧区＞禁牧区外＞休牧区＞休牧区外，其中，多样性指数在禁牧区和休牧区有显著性差异（P＜0.05），其值分别为1.73和1.47；丰富度指数在禁牧区和禁牧区外没有显著差异（P＞0.05），在休牧区和休牧区外有显著差异（P＜0.05）；均匀度指数在不同的工程措施下没有显著差异（P＞0.05）；地上生物量在禁牧区内、外没有显著差异（P＞0.05），在休牧区显著大于休牧区外，其值分别为 42.83 g∙m-2和 15.61 g∙m-2（P＜0.05）。

对不同的工程措施下的地上生物量和多样性指数、丰富度指数、均匀度指数进行相关性分析（表2），结果表明，多样性指数在禁牧区、禁牧区外、休牧区外和地上生物量都是呈现为正相关关系，在休牧区呈现为负相关关系，而休牧区的地上生物量值是4个工程措施区中最大的，为42.83 g∙m-2。丰富度指数和地上生物量的相关系数在4个工程措施区中的变化趋势基本和多样性指数一致，其在禁牧区的相关系数达到0.51，呈现出中等程度相关性。均匀度指数在禁牧区、休牧区、休牧区外都呈现为负相关性，在禁牧区外为微弱正相关，其相关系数为0.08。

表2 不同工程措施下物种多样性与地上生物量的相关关系Table 2 Relationship between aboveground biomass and species diversity with different engineering measure

表1 不同工程措施下物种多样性和地上生物量Table 1 Aboveground biomass and species diversity with different engineering measure

2.2 不同工程措施下土壤含水量与土壤容重

2.2.1 不同工程措施下的土壤含水量

对不同工程措施下不同土层土壤含水量进行单因子方差分析，结果表明（表3），比较土壤取样深度的层次性可知，4个工程措施区中全部表现在20～30 cm 深度土壤含水量高于 0～10 cm 和 10～20 cm处，休牧区10～20 cm处土壤含水量为3.50%，显著高于 0～10 cm 处（P＜0.05）。比较不同工程措施可知，在 0～10 cm 处，禁牧区的土壤含水量为4.57%，休牧区为2.80%，禁牧区显著高于休牧区，而休牧区外显著高于休牧区（P＜0.05）；在10～20 cm处和 20～30 cm 处土壤含水量没有显著性差异（P＞0.05）。

表3 不同工程措施下的土壤含水量Table 3 Soil water content with different engineering measure

2.2.2 不同工程措施下的土壤容重

对不同工程措施下不同土层土壤容重进行单因子方差分析，结果表明（表 4），比较土壤取样深度的层次性可知，在4个不同的工程措施区中，10～20 cm处的土壤容重高于0～10 cm和20～30 cm处，在禁牧区、禁牧区外、休牧区外0～10 cm深度土壤容重高于20～30 cm处。比较不同的工程措施可知，在0～10 cm深度，禁牧区和禁牧区外的土壤容重同为 1.51 g∙m-3，而休牧区容重为 1.52 g∙m-3，休牧区外容重为1.40 g∙m-3，休牧区显著大于休牧区外（P＜0.05）；在10～20 cm处，不同的工程措施区中土壤容重没有显著差异（P＞0.05）；在 20～30cm处，土壤容重的变化表现为休牧区＞禁牧区外＞禁牧区＞休牧区外，其中休牧区和休牧区外存在显著差异。

表4 不同工程措施下的土壤容重Table 4 Soil bulk density with different engineering measure

3讨论

3.1 不同工程措施对群落物种多样性的影响

群落的物种多样性指数、丰富度指数、均匀度指数是群落的重要特征，任何一种干扰因子对群落结构影响的研究都离不开物种多样性问题（杨崇曜等，2017），多样性指数是用来判定群落或生态系统的稳定性指标（徐炜等，2016；刘文亭等，2017），丰富度指数是表明群落中物种多少的参数，均匀度指数是用来估测群落物种分布均匀与否的参数。关于物种多样性国内外已有很多研究进行了探讨，刘忠宽等（2004）在休牧后土壤养分空间异质性和植物群落α多样性中结果表明，休牧后，物种多样性指数和均匀度指数均有降低趋势，即群落物种多样性增加，均匀度降低。本试验中，休牧区和休牧区外相比，多样性指数和丰富度指数增加，均匀度指数降低，基本符合此规律。

3.2 不同工程措施对草地生产力的影响

在很多相关研究中，草地生产力随着物种数量的增加而增加（苏日娜等，2017；Liang et al.，2015）。植物间存在共生的现象，随着物种的增加，不同物种的生态位互补，有利于植物有效地利用有限的土壤和水分等自然资源，从而提高系统生产力，即所谓的“生态位互补”效应（Ali et al.，2017）。这些试验和调查都是建立在排除或者不考虑自然环境和人类干扰的前提下的，这种多样性和生产力的正相关关系，反映了物种间相互竞争和共生在空间变化下的动态平衡（Zhou et al.，2006）。然而，自然生态系统中存在不同形式和强度的环境干扰，例如降水量、温度等，自然植物群落中没有有力的证据证明多样性和生产力有直接的相关关系（孙小丽等，2015；Kanhmen et al.，2005）。本试验中，休牧区地上生物量和多样性指数、丰富度指数、均匀度指数均表现为负相关，而在禁牧区外表现为正相关。这可能与放牧的干扰有关系，放牧干扰使其生境发生了改变，生境的改变使生产力提高而物种丰富度有所降低，反之中强度放牧增加了多样性的空间异质性，从而降低生态系统的生产力（刘佳慧等，2017）。

3.3 不同工程措施对土壤含水量的影响

土壤含水量是衡量土壤坚实度和土壤渗透率的主要指标（兰志龙等，2017）。天然草地土壤水分贮存除了与降水密切相关外，还与放牧有关。放牧对土壤的含水量具有一定的影响，主要原因可能是家畜对草地的啃食和践踏，导致草地表层土壤紧实度增加，孔隙度减少，毛细管作用增强，土壤含水量相应减少（敖伊敏等，2011）。本试验研究表明，在4个工程措施区中，20～30 cm深度土壤含水量高于0～10 cm和10～20 cm处，在同一深度禁牧区的土壤含水量大于休牧区，该结论进一步印证了以上研究结果，说明放牧导致土壤表层含水量减少，一定时期的禁牧可以改善土壤含水量。

3.4 不同工程措施对土壤容重的影响

放牧对表层土壤物理性质的影响较大，土壤容重是土壤紧实度的指标之一，它与土壤的孔隙度和渗透率密切相关。容重的大小主要受土壤有机质含量、土壤质地及放牧家畜践踏程度的影响。王天乐等（2017）研究结果表明，不放牧与各放牧处理之间土壤容重差异显著，这种表现与戎郁萍等（2001）的试验结果也是一致的。本研究认为，在同一深度土壤中，休牧区的土壤容重大于禁牧区，这可能是由于在休牧区牲畜的践踏改变了土壤的紧实度和孔隙度，使土壤的结构坚硬致密，通透性变差，为了更好地保护草原，选择适当的工程措施，对于土壤水分和肥力保持以及养分供给有较大意义（单贵莲等，2009）。