文章信息
- 程晓莉, 安树青, 陈兴龙, 李国旗, 刘世荣.
- Cheng Xiaoli, An Shuqing, Chen Xinglong, Li Guoqi, Liu Shirong.
- 鄂尔多斯草地荒漠化过程与植被生物量变迁的关系
- THE CORRELATION BETWEEN THE DESERTIFICATION OF GRASSLAND AND THE CHANGE OF VEGETATION BIOMASS IN ERDUOSI
- 林业科学, 2001, 37(2): 13-19.
- Scientia Silvae Sinicae, 2001, 37(2): 13-19.
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文章历史
- 收稿日期:2000-05-18
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作者相关文章
2. 中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所 北京 100091
2. The Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, CAF Beijing 100091
荒漠化问题是困扰人类的全球性问题, 大面积的土地因此退化。全球干旱区面积为61 ×108 hm2, 其中我国有2.97 ×108 hm2, 干旱区均发生不同程度的荒漠化, 1984 ~ 1991年全球土地荒漠化以3.4 %的年速率增加, 随着全球气候的变化和人口的剧增, 荒漠化的问题将更加突出(慈龙骏, 1994)。遏制、治理荒漠化迫在眉睫。
荒漠化的发生, 源于良性生态系统的崩溃及其植被第一性生产力的过度减少或丧失。荒漠生态系统是比较脆弱的, 一旦遭到破坏, 会引起风蚀或流沙, 成为不毛之地, 其退化速度惊人, 且往往是不可逆的, 而其恢复却很困难而缓慢。因而, 详细了解荒漠化过程与植被生物量变迁的相互关系, 有助于对荒漠化发生过程的认识以及防止荒漠化的发生。本文从植被退化阶段生物量的变化、生物量的垂直分布和生物量的累积等方面, 对荒漠化过程中植被生物量的变迁进行了研究, 以便于荒漠化的综合防治。
1 研究地域概况实验区设在中国科学院鄂尔多斯沙地草地生态实验站, 该站位于鄂尔多斯高原南部毛乌素沙漠区的东北部, 39°02′N, 109°51′E。海拔1, 355 m, 属于干旱和半干旱区的过渡地带。年降水量380 ~ 400 mm; 年均日照时间为3, 011 h, 太阳辐射140.7 cal/cm2;平均温度6.2 ℃, 全年≥10 ℃积温2, 754 ℃; 无霜期137 ~ 154天; 地形地貌比较复杂, 梁地、块状沙地与低湿滩地相同, 以沙地为主, 有流动沙丘、半固定沙丘及固定沙丘(杨宝珍等, 1994)。
鄂尔多斯高原独特的地理位置和气候条件形成了其特有的植被类型, 有戈壁针茅(Stipa gobica)、沙生针茅(S.glareosa)、冷蒿(Artemisia frigida)以及超旱生灌木和半灌木组成的荒漠草原群落; 本氏针茅(Stipa bungeana)、达乌里胡枝子(Lespedeza dahurica)等组成典型的草原群落; 柠条(Caragana spp.)、沙柳(Salix cheliophila)、羊柴(Hedysarum mongolicum)和白沙蒿(Artemisia sphaerocephala)等为建群种组成的沙地植被, 半灌木油蒿(Artemisia ordosica)是沙生植物群落中分布最广泛的优势种; 局部滩地植被优势种有寸草苔(Carex stenophylla)、马蔺(Iris ensata)、芨芨草(Achnatherum splendens)和碱蓬(Suaeda corniculata)等(张新时, 1994)。
2 研究方法 2.1 荒漠化过程的确定杨宝珍等(1994)研究了沙地建群种油蒿的演替过程, 认为油蒿在流动沙丘旺盛生长, 随着沙丘的固定到具有结皮的沙丘, 油蒿的生长能力降低, 大量油蒿枯死, 油蒿将被其它物种所代替。如被本氏针茅所代替, 则有可能发展成本氏针茅草原, 向植被恢复的方向发展; 反之, 若被牛心朴子所侵占, 属于逆向演替, 向荒漠化方向发展。王庆锁(1997)等报道了油蒿群落顺向演替趋势为流动沙丘→流动沙地油蒿群落→固定沙地油蒿群落→具结皮的固定沙地油蒿+本氏针茅群→本氏针茅群落。本氏针茅群落是典型草原群落, 由于开垦、人为破坏与过度利用, 针茅群落的退化, 将被油蒿群落代替, 油蒿是半荒漠和荒漠的建种群, 其生境是固定沙丘和流动沙丘, 流动沙丘的出现导致沙漠化加速。荒漠化过程另一发展趋势是本氏针茅群落→油蒿群→牛心朴子群落。刘玉平等(1998)在沙地草场荒漠化评价的指标体系中指出油蒿群落的出现为中度退化, 牛心朴子群落的出现为极严重退化。牛心朴子是荒漠化过程中最后阶段的指示种, 是荒漠草原沙化标志之一。基于此, 我们选出了六个植被阶段:本氏针茅群落、本氏针茅+枯油蒿群落、本氏针茅+油蒿群落、油蒿群落、油蒿+牛心朴子群落和牛心朴子群落, 作为当地荒漠化过程的系列群落加以研究。
2.2 地上生物量的测定在6月初到10月初, 每隔两个月刈割地上的生物量并分种测定其鲜重。本氏针茅群落的测定样方面积为1 m×1 m, 本氏针茅+枯油蒿群落和本氏针茅+油蒿群落的测定样方面积为1 m ×2 m, 油蒿群落、油蒿+牛心朴子群落及牛心朴子群落的样方面积为2 m ×2 m。每植被类型选取5个样方。把样品带回实验室, 80 ℃恒温烘至恒重, 称干重。以10 cm为单位进行垂直分段, 称各段的鲜重和干重。将干重作为分析的主要依据。
2.3 地下生物量的测定采用《陆地生物群落调查观测与分析》中测地下生物量的方法(董鸣, 1996), 对六个退化阶段的植被的地下生物量进行测定, 测定面积都为1 m ×1 m, 取土深度50 cm。用土筛分离, 清水冲洗。分种并按粗根、细根分开, 以20 cm为单位进行垂直分段, 称鲜重。样品带回实验室, 80 ℃烘至恒重, 称干重。
2.4 生物量累积率的计算生物量的累积率用干重生物量与净第一生产力之比来表示, 如6 ~ 8月份生物量累积率=(8月份生物量干重-6月份生物量干重)(6月份生物量干重)计算出六个退化阶段植被在6 ~ 8月和8 ~ 10月的累积率。
3 结果和分析 3.1 植被生物量的变化不同植被阶段的生物量变化差别很大。本氏针茅群落和本氏针茅+枯油蒿群落生物量的变化趋势相同, 6月份达到最大值, 8月份大幅度下降, 10月份又回升, 变幅分别为-28.9 %~ 42.0 %和-46.5 % ~ 74.1 %。本氏针茅+油蒿群落和油蒿群落生物量随着季节而逐步下降, 到10月份生物量最低, 分别下降65.4 %和29.2 %。而油蒿+牛心朴子群落和牛心朴子群落物量有不同程度的增长, 到10月份生物量最高, 分别为193.8 g/m2和64.7 g/m2(图 1)。
同一时间上六个退化阶段植被的生物量比较, 针茅+油蒿群落的生物量在6月和8月份均达最高值, 分别为295.4 g/m2和289.2 g/m2, 本氏针茅+枯油蒿群落的生物量在6月份也很高, 为282.7 g/m2。本氏针茅+枯油蒿群落和油蒿+牛心朴子群落在10月份形成两个峰值, 分别为263.3 g/m2和193.8 g/m2。整个生长季节, 牛心朴子群落生物量最低, 仅有41.0 g/m2 ~ 64.7 g/m2。
3.2 优势种生物量的变化植被生物量随季节的变化主要由几个优势种和常见伴生种的消长造成(表 1)。在本氏针茅群落中, 本氏针茅和油蒿的生物量变化与群落生物量的变化是一致的, 为先降后升的过程, 分别是55.8 g 2m —40.6 g/m2 —63.4 g/m2和14.6 g/m2 —2.7 g/m2 —5.6 g/m2; 分别占总量的44.0 %、45.1 %、63.7 %和11.5 %、3.0 %、4.4 %。在本氏针茅+枯油蒿群落中, 油蒿、糙隐子草和绵蓬的生物量变化趋势和群落生物量一致, 分别是14.7 g/m2 —83.5 g/m2 —21.9 g/m2、9.2 g/m2 —5.3 g/m2 —6.9 g/m2和48.4 g/m2 —0 —9.4 g m 2;分别占总量52.1 %、55.2 %、80.1 %、3.2 %、3.5 %、2.6 %和17.1 %、0、3.6 %, 本氏针茅的生物量为33.5 g/m2 —27.3 g/m2 —24.5 g/m2。在本氏针茅+油蒿群落中, 本氏针茅、达乌里胡枝子和冷蒿的生物量和群落生物量变化一致, 分别为11.3 %—8.2 %—6.1 %、12.4 %—2.8 %—1.7 %和6.7 %—0 —0, 油蒿的生物量为185.2 g/m2 —221.9 g/m2 —139.0 g/m2, 占总量的62.7 %—73.2 %—79.5 %。在油蒿群落, 油蒿、达乌里胡枝子的生物量是逐步下降的, 其中油蒿为220.8 g/m2 —170.8 g/m2 —133.5 g/m2, 占总量的82.2 %—87.7 %—88.7 %, 决定了该群落生物量的变化趋势。在油蒿+牛心朴子群落中, 油蒿的生物量逐步增加, 为108.2 g/m2 —115.3 g/m2 —159.3 g/m2, 占79.4 %—76.3 %—82.2 %, 牛心朴子生物量为16.1 g m 2 —15.4 g/m2 —9.5 g/m2。在牛心朴子群落中, 本氏针茅和油蒿的生物量是逐步增加, 和群落生物量变化一致, 分别占5.0 %—5.6 %—23.4 %和2.4 %—4.4 %—15.6 %, 牛心朴子的生物量为26.4 g/m2 — 41.2 g/m2 —24.4 g/m2。同一群落中, 优势种的生物量变化与其所占的百分率变化有所不同, 这主要由于每个优势种随季节和降水的变化而有不同程度的消长。
每个物种的生物量在不同的群落中消长有所不同。本氏针茅, 在本氏针茅群落中先降后升; 在本氏针茅+枯油蒿群落和本氏针茅+油蒿群落中逐步下降; 而在牛心朴子群落中, 本氏针茅的生物量是逐步上升的, 尤其从8 ~ 10月大幅度增加, 说明本氏针茅的生物量与季节降水有关, 处于不稳定状态; 同时表明在油蒿群落退化时, 存在着两种演替趋势, 本氏针茅群落或牛心朴子群落。油蒿, 在本氏针茅+枯油蒿群落和油蒿+牛心朴子群落中, 10月份时生物量大幅度回升, 主要由于枯油蒿返青; 在本氏针茅+油蒿群落中, 生物量先上升后下降; 而在油蒿群落中是一直下降的。油蒿的生物量虽然很高, 但一直处于不稳定和下降状态, 说明油蒿处于不稳定或退化过程。牛心朴子的生物量在6 ~ 8月份是增加的, 在8 ~ 10月份略有下降。达乌里胡枝子的生物量在每个群落中都是逐步下降的; 糙隐子草在本氏针茅群落和油蒿群落中是逐步下降的, 在牛心朴子群落逐步增加, 在其他3个群落中都是6 ~ 8月份有所增加, 10月份下降; 草本樨状黄芪在本氏针茅群落、油蒿群落和牛心朴子群落中都是增长的, 在其他群落中是先增后降, 尤其在8月份油蒿群落的草木樨状黄芪生物量大幅度增加, 百分率达到12.5 %。这些主要伴生种的生物量变化在一定程度上影响群落生物量的动态。
3.3 生物量的垂直空间分布以10月份的数据进行垂直空间分布分析。本氏针茅群落的地上生物量大都集中在0 ~ 10 cm高度, >10 cm以上的生物量很少, 仅有极少量的花梗、花序。在0 ~ 10 cm高度, 6个群落中本氏针茅+油蒿群落的生物量最多, 为100.8 g/m2, 占该群落地上总重的50.7 %, 牛心朴子群落最低, 仅有30.8 g/m2(表 2)。在这层生物量的分配中, 从本氏针茅群落到油蒿群落, 百分率是逐步下降的, 从100 %到43.9 %; 从油蒿群落到牛心朴子群落, 百分率逐步增加, 从43.9 %到51.0 %, 但绝对生物量的变化与百分率正相反。在10 ~ 20 cm层和20 ~ 30 cm中, 每个群落的生物量分布趋势相似, 从本氏针茅+枯油蒿群落到油蒿群落生物量和百分率都呈上升趋势, 从油蒿群落到牛心朴子群落生物量呈下降趋势, 百分率变化不明显。群落生物量的89.6 %~ 97.2 %集中在0 ~ 10 cm、10 ~ 20 cm和20 ~ 30 cm三层, 这对于防风固沙及保护地面有良好的作用。随着高度的增加, 生物量逐渐减少, 在30 ~ 40 cm群落生物量占2.2 %~ 7.5 %, 40 cm以上只占0.6 %~ 2.9 %。
本氏针茅群落地下生物量为155.8 g/m2, 牛心朴子群落为120.8 g/m2, 全部分布在0 ~ 20 cm深度。在这一层, 其它4个群落的生物量在174.9 ~ 329.5 g/m2之间, 占地下生物量的85.5 %~ 88.4 %。在20 ~ 40 cm, 地下生物量剧减, 本氏针茅+枯油蒿仅占9.7 %; 油蒿群落仅有11.7 %; 油蒿+牛心朴子群落为12.0 %。在深度40 cm以下的根系分布很少, 只占地下总量的2.1 %~ 2.5 %。不同退化阶段植物群落的根冠比变化表现为:从本氏针茅群落到油蒿群落再到牛心朴子群落是先增后降的过程, 即为0.48 →0.88→0.50, 这与群落生物量的变化基本上一致。从冠根比来看, 油蒿群落最大, 本氏针茅群落与牛心朴子群落相近。
3.4 生物量的累积从6月份到8月份, 本氏针茅群落、本氏针茅+枯油蒿群落、本氏针茅+油蒿群落和油蒿群落生物量的累积率均为负值, 分别为-0.29、-0.47、-0.04和-0.23(表 3)。油蒿+牛心朴子群落和牛心朴子群落生物量的累积率为正值, 分别为0.14和0.52。从8月份到10月份, 六个退化阶段植被中, 本氏针茅+油蒿群落和油蒿群落生物量的累积率仍为负值, 其他植被群落的生物量的累积率都为正值。说明本氏针茅+油蒿群落和油蒿群落生物量一直处于消耗状态, 而其他群落的生物量处于累积状态。
从每个植物群落的生物量的累积率来看, 生物量的累积率变化与其群落生物量的变化一致。本氏针茅群落和本氏针茅+枯油蒿群落生物量的累积率的变化大致相同, 从6月份到8月份, 植被的生物量处于消耗状态, 8月份到10月份, 植被的生物量处于累积状态; 本氏针茅+油蒿群落和油蒿群落的生物量一直处于消耗状态; 油蒿+牛心朴子群落和牛心朴子群落生物量一直处于累积状态。其中在6 ~ 8月份期间, 本氏针茅+枯油蒿群落消耗率最大, 牛心朴子群落累积率最高。在8 ~ 10月份期间, 本氏针茅+油蒿群落消耗率最大, 本氏针茅+枯油蒿群落累积率最高。
4 讨论鄂尔多斯草地荒漠化过程主要表现为植物群落结构的变化。由于人为干扰和自然环境的改变, 导致生态系统的破坏, 植物群落结构的改变, 如灌丛、小灌丛增多, 导致土地养分的异质化(Kielft et al., 1998), 从而加速了鄂尔多斯草地荒漠化过程。从本氏针茅群落到油蒿群落, 生物量剧增, 从油蒿群落到牛心朴子群落, 生物量剧减。植被生物量这种变化主要由植被的生活型所决定。在植物丰富度一定的情况下, 一般灌丛植物的生物量高于草本植物, 草本植物的生物量与物种的丰富度呈正相关(Guo et al., 1998), 同样是草本植物群落, 本氏针茅群落的生物量大于牛心朴子群落, 进一步证明从本氏针茅群落→油蒿群落→牛心朴子群落是荒漠化程度逐步加深的过程。鄂尔多斯沙地的沙优势覆盖和水分特点决定了灌丛在该地区为优势生活型的地位(李新荣, 1997), 油蒿为沙地植被的建群种, 油蒿群落虽然有较高的生产力, 但随季节逐步下降, 处于消耗状态。生产力的下降源于该生态系统中, 水分和养分的流失以及土壤的退化(Shachak et al., 1998), 这说明油蒿群落处于退化阶段。退化阶段植被的生活型不同, 地上生物量的垂直空间分布不同, 植被生物量的高低在沙地草地中很大程度上决定于草本与灌木的比率, 而草本植物和灌丛的比率在很大程度上又反映出本地利用的状态(Breshears et al., 1999)。退化阶段植被的伴生种大多为多年生草本以及草本半灌木, 其地上和地下生物量均分布在第一层之内。退化阶段植被生物量累积率的变化动态与其群落的生物量的变化趋势一致, 年降雨量的多少和旱季的长短直接影响植被生物量的变化(Lavee et al., 1998), 主要表现在群落中主要优势种的消长动态上。本氏针茅群落生物量处于消耗和增长过程, 油蒿群落生物量一直处于消耗状态, 而牛心朴子群落生物量处于累积状态, 表明该草地仍然在退化或不稳定的恢复过程。在人为干扰下沙地草地荒漠化过程, 同时具有自我恢复或进一步退化的能力(Keya et al., 1998);在牛心朴子群落中出现了大量的本氏针茅, 说明油蒿群落衰退时, 既可向本氏针茅群落演替, 也可向牛心朴子群落退化。在草原荒漠化过程中, 植物生长的限制因子是水分, 植被的生长取决于植物吸收和利用水分的能力, 植物吸收水分的来源是大气降水和土壤水, 但在荒漠草原和干草原, 年降雨量少, 因此土壤水起着关键作用(Fischer et al., 1978)。植物的吸收和利用的能力取决与冠根比的大小, 油蒿群落虽然有很高生物量, 但油蒿群落的冠根比大于本氏针茅群落和牛心朴子群落, 说明油蒿群落的地上部分蒸发和耗水量都远大于其他群落, 吸水和持水能力低于本氏针茅群落和牛心朴子群落。本氏针茅群落和牛心朴子群落虽然生物量很低, 但牛心朴子群落冠根比小于油蒿群落, 在干旱的环境下, 牛心朴子保持较高的吸水和持水能力, 比油蒿群落更能适应干旱环境。在鄂尔多斯, 高密度的油蒿群落, 因过量地消耗水分, 导致土壤旱化, 而被更耐旱的本氏针茅和牛心朴子所取代; 低密度的油蒿群落, 因对沙优势覆盖有较强的适应, 而排斥本氏针茅和牛心朴子的入侵。在油蒿群落退化时, 在没有或仅有轻度人为干扰的条件下, 出现本氏针茅群落; 而在强度或过度放牧等人为干扰的情况下, 出现适口性很差的牛心朴子群落。这表明, 在该区域, 高生物量和高冠根比的群落会加速土壤的旱化, 直至群落本身的崩溃; 而低生物量和低冠根比的群落才是荒漠化草原的稳定群落。当油蒿群落向本氏针茅演替时, 油蒿生物量的消耗有利于本氏针茅的发展, 对于草地恢复是有益的; 而向牛心朴子演替时, 油蒿生物量的累积可维持群落的覆盖度, 减少表面沙粒的流动, 对于防治荒漠化又是有利的。然而, 从生物量动态、冠根比和水分消耗的角度看, 适宜密度和适当高度的油蒿对于防治鄂尔多斯草地的荒漠化才具有最好的效果。
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