西北半干旱區(qū)不同治理措施下的植被恢復(fù)對(duì)比分析

王海星，張克斌，邊 振，盧曉杰，王黎黎

（水土保持與荒漠化防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院，北京 100083）

近年來(lái)，隨著人口數(shù)量的增長(zhǎng)和經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高強(qiáng)度人類(lèi)活動(dòng)及其導(dǎo)致的全球氣候變化已深刻地改變了荒漠生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其生物學(xué)過(guò)程，降低了荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及其整體生態(tài)服務(wù)功能水平，這突出表現(xiàn)在：荒漠區(qū)植被退化，生物多樣性銳減；地表風(fēng)蝕過(guò)程加強(qiáng)，風(fēng)沙災(zāi)害日趨嚴(yán)重，荒漠化土地面積呈現(xiàn)快速擴(kuò)展態(tài)勢(shì)?；哪鷳B(tài)系統(tǒng)的退化已嚴(yán)重制約了荒漠地區(qū)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，使這類(lèi)地區(qū)成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)，社會(huì)發(fā)展落后和生態(tài)環(huán)境最脆弱的區(qū)域。尋求有效維護(hù)，改善和恢復(fù)荒漠生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，功能及其穩(wěn)定性的技術(shù)途徑和管理模式，對(duì)于遏制荒漠化的發(fā)展，保護(hù)和維持生物多樣性，確保我國(guó)北方的生態(tài)安全，實(shí)現(xiàn)我國(guó)全面建設(shè)小康社會(huì)的戰(zhàn)略目標(biāo)，具有重要的科學(xué)意義和現(xiàn)實(shí)意義。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

西北干旱半干旱地區(qū)包括新疆全境，青海，甘肅，寧夏的大部分和陜西西北部。鹽池縣位于寧夏回族自治區(qū)東部、毛烏素沙漠的南緣，屬于陜、甘、寧、蒙四?。▍^(qū)）交界地帶，坐標(biāo)為北緯37°04′～38°10′，東經(jīng)106°30′～107°41′。全縣南北長(zhǎng)110 km，東西寬66 km，轄區(qū)總面積8 661.3 km2，是寧夏面積最大的縣，占全區(qū)總面積的16.7%。鹽池縣內(nèi)地勢(shì)南高北低，海拔高度在1 295～1 951 m之間，南部為黃土丘陵區(qū)，中部為鄂爾多斯緩坡丘陵區(qū)。該縣屬于典型中溫帶大陸性氣候，年均氣溫為8.1℃，極端最高溫為34.9℃，極端最低溫為－24.2℃，年均無(wú)霜期為165 d；年降水僅250～350 mm，從南向北，從東南向西北遞減。鹽池縣因干旱少雨，風(fēng)大沙多，蒸發(fā)強(qiáng)烈，日照充足，決定了該縣的自然景觀(guān)為溫帶草原和荒漠草原。地形主要為剝蝕的準(zhǔn)平原地形，土壤類(lèi)型以灰鈣土為主，其次是黑壚土和風(fēng)沙土，此外還有黃土，少量的鹽土、白漿土等。

在研究區(qū)內(nèi)，選取了鹽池縣的溝沿和上灘村的退耕還林區(qū)（自2001年國(guó)家退耕還林工程的實(shí)施以及自2002年11月1日全縣范圍內(nèi)禁牧等荒漠化治理措施的實(shí)行的退耕還林）、溝沿的撂荒地和柳楊堡的人工封育區(qū)3種不同的治理措施進(jìn)行植被調(diào)查。進(jìn)一步分析以及在人工封育區(qū)中：1991年封育的老封育區(qū)、2003年封育的新封育區(qū)和一直半封育的對(duì)照區(qū)的3種封育措施之間的對(duì)比。

1.2 研究方法

1.2.1 野外調(diào)查方法 布設(shè)樣線(xiàn)結(jié)合《國(guó)家荒漠化定位監(jiān)測(cè)》項(xiàng)目，依據(jù)當(dāng)?shù)刂饕恋乩妙?lèi)型和主要荒漠化治理工程種類(lèi)，按照典型性、代表性和科學(xué)性的設(shè)置原則。采用GPS對(duì)固定樣地進(jìn)行定位，并于2005～2009年每年7月份進(jìn)行了外業(yè)調(diào)查，調(diào)查內(nèi)容是：植物種類(lèi)、數(shù)量、蓋度、高度、生物量（鮮重）等。調(diào)查方法采用樣方法和樣線(xiàn)法，樣線(xiàn)內(nèi)每隔50 m取一個(gè)樣方（或根據(jù)實(shí)際情況來(lái)定樣方）。樣方的大小取1 m×1 m。

1.2.2 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理及計(jì)算公式（1）植被重要值計(jì)算[1]。根據(jù)調(diào)查的當(dāng)?shù)氐纳程卣髟谥匾档挠?jì)算中加入相對(duì)生物量，內(nèi)業(yè)整理計(jì)算出相對(duì)多度、相對(duì)高度、相對(duì)蓋度、相對(duì)頻度和相對(duì)生物量[2]，并通過(guò)5個(gè)因素計(jì)算出重要值，重要值公式如下：

（2）群落結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)的測(cè)度[6-11]。采用EXCEL構(gòu)建年度調(diào)查植物種/樣方二維數(shù)據(jù)庫(kù)；運(yùn)用多元統(tǒng)計(jì)軟件計(jì)算軟件等對(duì)種群格局指數(shù)、群落結(jié)構(gòu)等指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。群落組成結(jié)構(gòu)的測(cè)定可以通過(guò)以下3個(gè)方面指標(biāo)來(lái)進(jìn)行。

式中SP為Simpson指數(shù)，Pi為重要值比例。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)：

其中：Pi＝Ni/N

式中SW為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，N為一定區(qū)域植物重要值總和；Ni樣方中第i種植物的重要值，Pi為重要值比例，S為樣帶的植物物種數(shù)。

式中E為均勻度指數(shù)，SW為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，S為樣帶的植物物種數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 退耕還林區(qū)植被群落結(jié)構(gòu)

鹽池縣自2002年11月1日全縣實(shí)行退耕還林以來(lái)，植被退化得到有效控制。從表1可看出，2005～2009年，群落生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)呈波動(dòng)的趨勢(shì)。2005年群落的生態(tài)優(yōu)勢(shì)度、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)較高，主要受年降水量及降水滯后效應(yīng)的影響。其他年份的植被恢復(fù)的情況穩(wěn)定。

表1 退耕地2005～2009年植被群落結(jié)構(gòu)

2.2 撂荒地植被群落結(jié)構(gòu)

從表2可看出，2007年的生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和多樣性指數(shù)都是最高的，分別為：19.722、3.226。2006年和2008年的各項(xiàng)指數(shù)下降幅度最大，降幅為13.404。是5 a來(lái)最低的一年。分析2006年和2008年撂荒地群落生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和多樣性指數(shù)均較低的主要原因：自撂荒以來(lái)未再耕作，使植被得到有效恢復(fù)。隨著撂荒時(shí)間的延長(zhǎng)，部分農(nóng)田雜草優(yōu)勢(shì)逐漸突顯，如刺沙蓬等，占據(jù)了大量的資源空間，尤其在植物生長(zhǎng)季節(jié)和降水較為豐富的年份，使多年生草本植物生長(zhǎng)受到抑制，導(dǎo)致群落總體優(yōu)勢(shì)度水平降低。

表2 撂荒地2005～2009年植被群落結(jié)構(gòu)

2.3 人工封育區(qū)植被群落結(jié)構(gòu)

以2005～2009年為例，計(jì)算并分析每年的老封育區(qū)、新封育區(qū)和對(duì)照區(qū)的群落結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)（見(jiàn)表3、表4）。從表中可以看出，不同年限封育的植被群落特征存在較大差異。多樣性指數(shù)SW受生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)雙重影響，綜合反映了區(qū)域植被群落特征、群落物種多樣性。從人工封育措施群落多樣性指數(shù)SW計(jì)量結(jié)果來(lái)看，老封育區(qū)的年平均多樣性指數(shù)SW是所有樣地類(lèi)型中最高的，為2.553，其次是新封育區(qū)和對(duì)照區(qū)，分別為2.265和1.910。同SW指數(shù)一樣，老封育區(qū)年平均生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)SP仍然是所有樣地類(lèi)型中最高的。新封育區(qū)的年平均群落均勻度指數(shù)是最大的，為0.780，而之后是老封育區(qū)和對(duì)照區(qū)，分別是0.730、0.719。

表3 老封育區(qū)2005～2009年植被群落結(jié)構(gòu)

表4 新封育區(qū)2005～2009年植被群落結(jié)構(gòu)

表5 對(duì)照區(qū)2005～2009年植被群落結(jié)構(gòu)

2.4 對(duì)比與分析

（1）不同保護(hù)措施下植被群落恢復(fù)結(jié)構(gòu)特征。從圖1可見(jiàn)，人工封育區(qū)和退耕還林地植被群落生態(tài)優(yōu)勢(shì)度、多樣性指數(shù)及群落均勻度指數(shù)在2006年、2008年和2009年均高于較撂荒地，表明這人工封育和退耕還林是行之有效的[12]，2005年撂荒地的各項(xiàng)指數(shù)均大于人工封育區(qū)，是因?yàn)辂}池縣的封育區(qū)是1991年封育的老封育區(qū)、2003年封育的新封育區(qū)，老封育區(qū)隨著封育年限的增加，植被種類(lèi)先增加后又呈下降趨勢(shì)，而新封育區(qū)僅2 a，所以2005年封育區(qū)的植被的各項(xiàng)指數(shù)都較低。2007年撂荒地的各項(xiàng)指數(shù)均大于退耕還林，是因?yàn)?007年降雨量是最多，作為撂荒地，以一年生和多年生草本植物居多，這些種群受生長(zhǎng)期降水量影響較大，因此2007年撂荒地的各項(xiàng)指數(shù)較高。

圖1 不同保護(hù)措施下植被群落恢復(fù)與結(jié)構(gòu)特征值

（2）人工封育不同年份植被恢復(fù)特征。2003年封育的人工封育草地封育2～3 a之間，為新封育區(qū)，群落各項(xiàng)指標(biāo)均較高，到2007年，封育區(qū)群落生態(tài)優(yōu)勢(shì)度、群落均勻度等指標(biāo)均達(dá)到最大值，成為老封育區(qū)，此后呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而封育4～5 a后各項(xiàng)群落結(jié)構(gòu)指標(biāo)出現(xiàn)不同程度的下降，表明封育對(duì)植被恢復(fù)并不是呈簡(jiǎn)單的線(xiàn)性關(guān)系。老封育區(qū)則主要是隨封育時(shí)間的延長(zhǎng)（1991年底封育），黑沙蒿逐漸發(fā)展壯大，占據(jù)了大量的資源空間，限制了其它物種的生長(zhǎng)，甚至從封育區(qū)消失，從而導(dǎo)致老封育區(qū)群落均勻性指數(shù)較低。人工封育草地在完全封育無(wú)人為干擾的情況下群落均勻度指數(shù)較小，表明長(zhǎng)期完全人工封育對(duì)區(qū)域植被恢復(fù)并不一定能起到較好的效果。

3 結(jié)論

在3種不同保護(hù)措施與植被恢復(fù)中情況不同，撂荒地群落各項(xiàng)指標(biāo)均是最低，表明撂荒地的植被恢復(fù)效果不及人工封育和退耕還林。經(jīng)過(guò)多年的治理，各種措施下的植被狀況有了一定的恢復(fù)，人工封育和退耕還林措施的效果較好，適合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況。但從固沙角度講，隨著封育時(shí)間的延長(zhǎng)，土壤表面形成結(jié)皮并逐漸變厚，使固沙效果明顯得到加強(qiáng)[12]，國(guó)內(nèi)外對(duì)干旱區(qū)草場(chǎng)長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的結(jié)果同樣表明，長(zhǎng)期封育并不能提高草場(chǎng)的植被覆蓋度及生物量[13-18]。故該地區(qū)封育周期以2～3 a為宜，以2～3 a為封育周期進(jìn)行輪牧或刈割，這樣一方面可以使結(jié)皮松動(dòng)，有利于有限的降水被植物充分利用；另一方面可抑制優(yōu)勢(shì)種的擴(kuò)展，使伴生種、特化種獲得生存空間，從而增加物種多樣性和植物特征值，使生產(chǎn)力得到提升。

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