干旱沙区土壤空间异质性变化对植被恢复的影响

资源类型:pdf 资源大小:416.00KB 文档分类:环境科学、安全科学 上传者:经素

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【作者】 李新荣 

【关键词】腾格里沙漠 固沙植被 土壤异质性 演替 生态恢复机理 

【出版日期】2005-04-20

【摘要】许多涉及草地荒漠化或退化过程的假说及概念模型认为,干旱、半干旱地区的草地植被灌丛化是草地发生退化或荒漠化的显著特征,即原来以草本植物为优势的群落被灌丛群落所替代,该过程增加了草地原生植被土壤资源的时空分布异质性,使土壤-植被系统的生物过程愈来愈多的集中在灌丛植冠下的沃岛范围内.大量的研究支持了这一针对荒漠化或草地退化过程的生物生态学解释.从另一个方面来看,缀块状分布的灌木植被也是草地恢复或荒漠化逆转的基础,并且在我国沙漠治理的实践中得到了证明.沙坡头地区人工固沙植被近50年的演变与区域生境的恢复就是荒漠化逆转的理论范式和成功的实践例证.该地区人工植被的建立是以设置防风固沙沙障和种植旱生灌木而开始的.在降水不足200mm的无灌溉条件下,由于灌木植被的作用,使原来质地相对均一的流沙发生了资源分布的空间异质性变化,促进了土壤成土过程,为沙土表层隐花植物(藻类、苔藓和地衣)结皮的形成和一年生及多年生草本植物的入侵与定居创造了条件.而这一过程却减少降水向土壤深层的入渗量,使固沙植被区灌木主要根系分布层(100~300cm)的土壤含水量减少,导致了灌木种在群落中的优势和盖度降低,土壤资源分布的空间异质性程度也相应地减弱.固沙植被趋于以草本植物为优势的、与邻近草

【刊名】中国科学(D辑:地球科学)

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生态恢复作为应用生态学的一个新兴研究领域,可以追溯到上世纪50年代,其主要侧重的是矿区、热带雨林、湿地和工业污染的生态恢复研究[1~4].尔后随着“恢复生态学”概念的提出[5]和系列国际会议的召开及国际恢复生态学会的成立,使生态恢复的研究成为国际生态学界十分活跃的热点领域.但目前针对干旱-半干旱地区生态恢复的主要报道多源自于北美、澳大利亚等国的草地退化与恢复研究[6~8].这362中国科学D辑地球科学第35卷SCIENCE IN CHINA Ser.D Earth Sciences些研究中对草地退化的机制进行了详细的研究,提出了许多假说和概念模型,其中,多数研究认为草地原生植被(以草本植物为主的植物群落)被以灌丛为优势的群落所替代是草地退化或草地荒漠化的显著特征[6,9~12].一些研究者通过对沃岛效应的形成机理分析来解释这一生态过程[6,10,13~16].Lal[17]以缀块状分布的灌丛植被为切入点并从恢复生态学的角度出发,认为缀块状分布的灌丛植被是干旱、半干旱地区植被恢复的基础.上世纪50年代,尽管我国在干旱、半干旱地区开展了系列生态恢复与生态工程的建设,但涉及退化草地的植被恢复,特别是人为促进下的植被恢复或荒漠化的逆转过程的生态学机理的研究报道相对较少.位于腾格里沙漠东南缘,始建于1956年的沙坡头人工固沙植被确保了包兰铁路在该地区近半个世纪畅通无阻,堪称全球交通干线沙漠治理与生态恢复的成功范式[18,19],同时也为区域生态恢复研究提供了长期的、定位的连续观测资料.人工固沙植被建立后经过半个世纪的演变,使该区域的生态环境得到了改善,沙面的固定为许多动植物的繁衍创造了条件,植被区地表隐花植物结皮经过50年的拓殖和演变,其主要组成中含有真菌类达9种,苔藓5种,藻类24种[20,21].50年后的植被组成中除了人工种植的灌木柠条(Caragana korshinskii)、花棒(Hedysarum scoparium)、中间锦鸡儿(Caragana in-termedia)以外,还有天然定居的雾冰藜(Bassia dasy-phylla)、小画眉草(Eragrostis poaeoides)、狗尾草(Setaria viridis)、苣荬菜(Sonchus brachyotus)、刺沙蓬(Salsola ruthenica)、茵陈蒿(Artemisia capillaris)、虎尾草(Chloris virgata)、三芒草(Aristida adscensionis)、隐子草(Cleistogenes squarrosa)、沙葱(Allium mongo-licum)、叉枝鸦葱(Scorzonera divaricata)、虫实(Corispermum declinatum)、地锦(Euphorbia humi-fusa)、沙蓝刺头(Echinops gmelinii)、沙米(Agriophyllum squarrosum)、籽蒿(Artemisia sphaero-cephala)、沙旋覆花(Inula salsoloides)、叉枝繁缕(Stellaria dichotoma)、沙生针茅(Stipa glareosa)和油蒿(Artemisia ordosica)等;植被区昆虫由原来的5种增加到50种[22];鸟类数目多达28种,其他动物23种,其中鼠类9种.由于大量物种的繁殖和定居,使原有的以流动沙丘为主的沙漠景观演变成了一个复杂的人工-天然的荒漠生态系统[23].本文利用中国科学院沙坡头沙漠试验研究站近50年来定位观测的数据,采用地统计学分析方法,研究了干旱沙漠地区固沙植被区土壤空间异质性的变化及对固沙植被演变的影响,该研究将有益于深入探讨利用生态工程措施促进区域植被恢复的生态学机理.1研究区概况宁夏沙坡头地区位于腾格里沙漠东南缘(37°32′N,105°02′E),是荒漠化草原向草原化荒漠的过渡地带,也是沙漠与绿洲的过渡区[24].沙区天然植被以花棒和沙米等沙生植物为主,盖度1%左右[23].该地区海拔1339m;以高大、密集的格状新月形沙丘链连绵分布而著称.土壤基质为疏松、贫瘠的流动风沙土,沙层稳定含水量仅2%~3%[25],而地下水埋深达80m,植物无法利用[26].该地区年均气温10.0℃,低温极值为?25.1℃,高温极值是38.1℃,全年日照时数为3264h,年均降水量180.2mm,年潜在蒸发量为3000mm,年均风速2.9m·s?1.年均沙暴天数59d.为了确保包兰铁路沙坡头沙漠地段的畅通无阻,中国科学院和铁路等相关单位于1956年开始相继建立了“以固为主、固阻结合”的植被固沙防护体系[27]:首先在流动沙丘上垂直于主风的方向扎设机械阻沙栏,然后在阻沙栏后面扎设1m×1m的麦草方格作为固沙屏障,在无灌溉条件下栽植柠条、油蒿、花棒、中间锦鸡儿、沙拐枣(Calligonum arborescens)和沙木蓼(Atraphaxis bracteata)等为主的旱生灌木,其株距与行距为1m×2m或2m×3m.建立了在铁路北侧宽为500m,南侧宽为200m的植物固沙带,该固沙带全长16km.2研究方法在不同年代的固沙植被区(1956,1964和1982年)及相邻的天然植被区(天然植被组成中以沙生针茅(Stipa glareosa)(相对盖度32%)、细叶苔草(Carex capilliformis)(相对盖度15%)、胡枝子(Lespedeza durica)(相对盖度15%)为优势种,隐子草(Cleistogenes squarrosa)(相对盖度5%)、三芒草第4期李新荣:干旱沙区土壤空间异质性变化对植被恢复的影响363www.scichina.com(Aristida adscensionis)(相对盖度8%)、长芒草(Stipa bungeana)(相对盖度5%)、砂珍棘豆(Oxytropis psammocharis)(相对盖度5%)等多年生草本为常见伴生种.由于长期围栏封育,群落总盖度达90%)[28]已有的固定观测样地中分别选择10个样地作为本研究的数据来源,在长期和连续的土壤-植被系统要素的综合观测的基础上,继续进行原有观测指标的观测:即每年调查记录样地植物种的丰富度、群落盖度,其中对灌木植被的调查样方面积为10m×10m,对草本植物的调查样方为1m×1m.同时,测定土壤理化性质:土壤水分测定用土钻取样烘干法(0~40cm层)和中子水分仪法(40~300cm层);土壤质地分析用导管法、土壤全氮、有机质等分析均按中国生态系统研究网络标准分析法进行[29].在进行土壤资源异质性研究时,我们把不同年代植被固沙区的初始状态的土壤特性看作是一致的和均一分布的,这是因为在不同年代进行植被固沙之前,土壤均为流动沙丘,其形态为格状沙丘,它们的质地组成、有机质含量和理化性质均相同[19].而且不同年代进行植被固沙时所采用的方法相同,即设置草方格沙障后再按同样的密度栽植同样配置的旱生灌木,然后将固定观测样地围栏封育,禁止放牧和人为干扰[27].这样就可以用这些观测样地的数据来比较土壤资源空间异质性程度随固沙植被的演变(随时间)的动态变化.土壤异质性分析采用了地统计学方法[30].在不同年代固沙植被区10m×10m的范围机械地布设100个取样点,其横向与纵向间隔均为1m,取样区内地形相对平坦,土样为0~20cm土层的混合样.本研究选择粘粒的百分含量来代表土壤质地的特性,用土壤有机质含量和土壤全氮反映土壤的养分状况,而土壤水分则根据草本植物和灌木根系的主要分布深度来分别测定0~40cm和40~300cm土层的含水量.这是因为在一定的尺度范围内,在降水相同的条件下,土壤质地被认为是决定草地植被结构、组成变化的重要因素[31,32],而土壤水分则是干旱区所有生态过程的驱动力[33],此外,许多研究也特别强调了土壤有机质和全氮含量在植被格局和过程中的重要性[34,35].计算中土壤特性空间异质性通过计算变异函数γ(h)来分析和进行生态解释,该方法已在土壤异质性分析中得到了大量的应用[6,30,36,37].其计算公式如下:[]21()()(),2h E Z x Z x hγ=?+其中Z(x)为系统某属性Z在空间位置x处的值,Z(x+h)是在x+h处的值的一个区域化变量.根据变异函数及变异函数曲线图可得到4个重要的参数:(1)当变异函数随间隔距离h的增大,从非零值达到一个稳定常数,即基台值(Co+C);(2)当h=0时,γ(0)=Co,即为块金值;(3)当γ(h)达到基台值时的间隔距离(变程)和分维数D,D由γ(h)和h之间的关系确定(2γ(h)=h(4?2D))[38].数据处理由地统计学软件GS+(Version5,Gamma Design Software,Michigan,USA)完成.3研究结果3.1近50年固沙植被的时空变化特征在固沙植被建立初期,沙面经扎设草方格得到初步固定,但沙面蒸发强烈,沙面形成较厚的干沙层(10~25cm),在无灌溉条件下种植草本不易成活,而旱生灌木幼苗由于较草本植物根系深,栽植时根系处于较深的湿沙层,其次灌木抵抗沙区冬春季节的风蚀能力也较强,因此在植被建设时仅选择了灌木种进行栽植.在此期间植被组成中出现的草本植物仅为流沙中原有的天然零星分布的一年生沙米[18,23,24].固沙植被建立15年后灌木层的最大盖度达到33%,随着进一步的演变,一些灌木种如中间锦鸡儿、沙木蓼和沙拐枣等从原来植被中逐渐退出,40余年后灌木的盖度也逐渐下降至6%(图1).当栽植灌木3年后,草本植物开始在灌木植被区侵入和定居,优势种仍以在流沙上散生的沙米为主,其盖度小于1%;植被建立5年后,一些一年生草本如雾冰藜、小画眉草、叉枝鸦葱等开始在群落中定居,30年后,草本植物种达到14种,其中除了雾冰藜、小画眉草仍为优势种外,沙蓝刺头、三芒草、狗尾草、刺沙蓬、虫实在植被区成为常见种,一些种禾本科多年生草本如沙生针茅也在植被区出现.固沙植被建立后30年到47年期间,草本种的丰富度一直介于12到15种之间.而相邻天然植被组成364中国科学D辑地球科学第35卷SCIENCE IN CHINA Ser.D Earth Sciences图1腾格里沙漠东南缘流沙固定后固沙植被随时间的动态变化成分中草本种多达34种[28].这在一定的程度上反映了植物多样性的恢复是一个漫长的过程.从草本植物的侵入和定居开始到近50年的时间内,草本盖度随时间有逐渐增加的趋势,但与年降水量有较高的相关性(图2),而植被中灌木的盖度与降水无显著的相关关系(图3).图2固沙植被建立15年后草本植物总盖度与年降水量之间的关系图3固沙植被建立15年后灌木种总盖度与年降水量之间的关系3.2植被演变过程土壤特性的变化由图4和5可见,在流动沙丘上建立固沙植被后,土壤特性发生了显著的变化.不同年龄的固沙植被的表土层(0~20cm)土壤特性差异显著(p<0.01):随着固沙年限的增加,土壤质地组成中粘粒和粉粒的百分含量明显增加,较大粒径的砂粒含量明显减少,并逐步趋于天然植被土壤质地粒径组成状况;土壤总的N,P和K含量也随固沙时间的增大而增加,特别是N含量的增加更为显著(p<0.01).但相对于天然植被,固沙植被区土壤养分状况仍较低(图5).3.3土壤特性的空间异质性随固沙植被年龄的变化表1列出了土壤参数测定结果的统计特征.土壤质地组成中粘粒的百分含量的平均值随固沙时间的增加而增大,其值在较晚固沙植被区(1982)变异大于较早的固沙植被区(1956).不同固沙植被区之间表土层(0~40cm)的平均含水量差异较小,且均小于天然植被区土壤表层的平均含水量;土壤深层(40~300cm)的平均含水量差异较大,即较晚固沙植被区的深层土壤含水量(1982)高于较早的固沙植被区(1956)的含水量,而天然植被区深层土壤含水量高于固沙植被区.固沙植被区表土层含N量和有机质的含量随固沙时间的增大而明显增加.表1中土壤参数统计特征表明,这些测定参数的分布基本符合正态分布,符合变异

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