民勤青土湖區(qū)不同年限退耕地對土壤水分與物種多樣性的影響

王 佳， 田 青， 王理德,， 何洪盛， 宋達(dá)成， 郭春秀

（1.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅省治沙研究所，甘肅 蘭州 730070）

在干旱區(qū)，內(nèi)陸河流域分布著眾多尾閭湖，隨著綠洲的開發(fā)，大量攔截和消耗地表水及地下水，造成尾閭湖萎縮、甚至消亡，使大片的耕地因缺水而撂荒，已嚴(yán)重影響了當(dāng)?shù)鼐用竦纳钏脚c荒漠綠洲的生態(tài)穩(wěn)定性［1］。作為民勤綠洲邊緣的青土湖，就是石羊河流域下游的尾閭湖［2-3］早期水域面積最大可達(dá)400 km2［4］，是阻止騰格里和巴丹吉林兩大沙漠的重要屏障。由于生態(tài)系統(tǒng)脆弱，植被物種單一，再加上人類大量開采地下水，使青土湖地區(qū)鹽堿化和荒漠化現(xiàn)象進(jìn)一步加劇［5］，特別是20世紀(jì)50年代，由于上游來水量減少，加之石羊河中游紅崖山水庫的修建，導(dǎo)致了青土湖快速干涸，加劇了下游民勤綠洲的沙漠化［6］。再加上中下游地區(qū)過度開采地下水等，石羊河下游地下水位下降、土地荒漠化、植被退化等的生態(tài)環(huán)境問題更加突出［7］。另外，當(dāng)?shù)仃P(guān)井壓田政策，致使大面積土地棄耕而撂荒，民勤綠洲生態(tài)環(huán)境受到嚴(yán)重破壞。因此，退耕地基礎(chǔ)研究及合理保護(hù)尤為重要。

植物多樣性是群落生態(tài)學(xué)研究的重要課題［8］，對生態(tài)系統(tǒng)的功能起著重要的作用［9］。目前，諸多學(xué)者對森林、高原、草原、草甸等多種生態(tài)系統(tǒng)的植物多樣性研究表明，影響植物多樣性的因素有自然因素（土壤、地形、氣候）和人為因素（退耕還林）［10-11］。秦潔等［12］研究表明植被和土壤是兩個相互作用并相互影響的系統(tǒng)，土壤含水量的分布格局是土壤與植被共同作用而產(chǎn)生的結(jié)果；Liu 等［13］研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量與半干旱區(qū)草原植被群落物種豐富度和Pielous 均勻度沒有相關(guān)性；張志南等［14］研究表明隨土壤含水量的不斷增加，物種豐富度隨之增加，物種多樣性也隨之增加；濮陽雪華等［15］研究表明土壤含水量與植被群落物種多樣性指數(shù)呈顯著正相關(guān)關(guān)系。李新榮等［16］研究表明土壤含水量的增加對物種多樣性影響并不明顯。由此可見，對于土壤含水量和植被群落特征的研究結(jié)論存在差異，這主要是研究區(qū)自然地理及環(huán)境條件差異而造成。

關(guān)于石羊河下游退耕地的相關(guān)研究主要集中在土壤、水分、植被等方面［17-20］，而對于石羊河下游青土湖區(qū)不同年限退耕地的土壤水分和植被間的相關(guān)性研究較少。因此，本文采用空間代替時間法，對石羊河下游青土湖不同年限退耕地植被自然演替特征和土壤水分變化及其相關(guān)性進(jìn)行分析研究，旨在為該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供科學(xué)理論依據(jù)，為民勤及其相似地區(qū)的生態(tài)環(huán)境建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于甘肅省武威市民勤縣的西渠鎮(zhèn)，地理位置39°01′44.11″～39°03′57.53″N、103°35′9.84″～103°37′55.49″E，平均海拔為1305 m，西靠甘肅省金昌市，東部和北部與內(nèi)蒙古接壤，南鄰甘肅省武威市，多年的平均氣溫為7.4 ℃，極端最低氣溫是-28.8 ℃，極端最高氣溫達(dá)38.1 ℃，年總輻射量為6000 MJ·m-1；年日照時數(shù)2832.1 h；年平均風(fēng)速2.3 m·s-1；年均降水量110 mm，主要集中在7—9月，占年均降雨量的73%。無霜期175 d，沙塵暴日數(shù)26.8 d。光照充足、蒸發(fā)強烈、晝夜溫差大、降雨稀少、氣候干旱，屬于典型的溫帶大陸性干旱氣候；土壤以灰棕漠土為主，鹽堿化程度高；該地區(qū)的地貌類型主要以風(fēng)沙地貌、低山地貌和平原地貌3種類型為主；灌木植物主要有紅砂（Reaumuria songarica）、黑果枸杞（Lycium ruthenicum）、白刺（Nitraria tangutorum）、鹽爪爪（Kalidium foliatum）、小果白刺（Nitraria sibirica）等；草本植物主要以駱駝蒿（Peganum nigellastrum）、蒙古豬毛菜（Salsola ikonnikovii）、堿蓬（Suaeda glauca）、田旋花（Convolvulus arvensis）、鹽生草（Haloge-ton arachnoideus）、藜（Chenopodium album）、駱駝蓬（Peganum harmala）、虎尾草（Chloris virgata）等為主，不同年限退耕地基本特征如表1所示。

表1 不同年限退耕地基本特征Tab.1 Basic characteristics in abandoned land in different years

1.2 樣地設(shè)置與植物群落調(diào)查

在2018 年8—9 月，走訪調(diào)查了民勤縣林業(yè)部門和當(dāng)?shù)鼐用?，?zhǔn)確掌握了試驗樣地退耕時間、次生草地植被以自然恢復(fù)為主，該區(qū)域的海拔高度相差不超過10 m，不同樣地距離較近，可以排除海拔和緯度等指標(biāo)對植被生長結(jié)果的影響。并且樣地未受自然因素和人為因素影響。在保證不同樣地成土母質(zhì)基本相同的情況下，選擇退耕1 a、2 a、4 a、8 a、13 a、20 a、30 a、40 a和耕地（CK）作為對照樣地，共9 個樣地。CK 要求種植的農(nóng)作物，在施肥、灌水等管理措施與其他樣地退耕前種植的農(nóng)作物及管理措施相同或者相近，測量并詳細(xì)記錄在每個樣方中的群落類型、海拔高度、地理坐標(biāo)及土壤類型，樣地面積為1 hm2（100 m×100 m），在每一個樣地的中心和四角分別布設(shè)5個10 m×10 m的樣方用于測定灌木、半灌木植物群落特征及其個體數(shù)、高度、植被覆蓋度以及冠幅等指標(biāo)；在灌木、半灌木的樣方內(nèi)選擇5個（1 m×1 m）草本樣方用于測定一年生、多年生草本植物群落特征及其個體數(shù)、高度和植被覆蓋度指標(biāo)。

1.3 土壤采集

2018 年9 月19—20 日，植被調(diào)查的同時運用S形的方法在不同年限退耕樣地中，布設(shè)5個點進(jìn)行土樣的采集，分別在0～20 cm、20～40 cm土層用環(huán)刀取土樣，同一樣地、同一土層所采取的5個土樣混合均勻后為一個土樣，3個重復(fù)，將采集的樣本裝到自封PC袋里，迅速帶回試驗室采用烘干法測定土壤含水量。

1.4 測定方法

1.4.1 土壤含水量的測定方法 土壤含水量采用烘干法測定［21］，以重量百分?jǐn)?shù)表示土壤含水量，以土壤中所含水分重量占烘干土重的百分?jǐn)?shù)表示，計算公式為：

1.4.2 物種多樣性的測定 選用Margalef 豐富度指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和重要值等對青土湖區(qū)不同年限退耕地植被群落進(jìn)行測定分析［22］。計算公式如下：

式中：IV為重要值；RHI為相對高度；RCO為相對蓋度；RFE為相對頻度。

相對高度=（某種植物的高度/全部植物的總高度高度）×100%

相對蓋度=（某種植物的蓋度/全部植物的總蓋度）×100%

相對頻度=（某種植物的頻度/所有種的頻度總和）×100%

式中：Pi表示頻度；Ni是第i個類群的個體數(shù)；S是類群數(shù)目；N是所有類群的總個體數(shù)。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗數(shù)據(jù)用Excel 2013 軟件進(jìn)行統(tǒng)計整理，用SPSS 20.0 軟件對植被和土壤數(shù)據(jù)進(jìn)行單因素方差分析和相關(guān)性分析，在差異顯著條件下采用LSD 進(jìn)行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤水分變異特征

不同年限、不同土層退耕地土壤含水量變化趨勢如圖1所示，隨退耕年限的不斷增加，土壤含水量整體呈先降低后增加再逐漸趨于穩(wěn)定。土壤含水量在退耕0～8 a 時逐漸降低，在退耕8～20 a 時逐漸增加，在退耕20～40 a時逐漸趨于穩(wěn)定。其中，CK中8～20 a、20～40 a土層土壤含水量均大于其他年限退耕地，分別為9.41%、10.26%，并與其他退耕地土壤含水量呈顯著差異；退耕8 a時土壤含水量降到最低點，在0～20 cm土層中土壤含水量為4.43%，在20～40 cm土層中土壤含水量為4.41%，并且表現(xiàn)出顯著差異。

圖1 不同年限退耕地土壤水分特征Fig.1 Soil moisture characteristics of fallow land in different years

2.2 不同年限退耕地植物群落物種組成及重要值

由表2和表3可知，在青土湖區(qū)退耕40 a的植被自然演替過程中，調(diào)查的樣地中共出現(xiàn)42 種植物，其中一年生草本（15種）占總物種數(shù)的35.71%、多年生草本（16 種）占總物種數(shù)的38.10%、灌木（8 種）占總物種數(shù)的19.05%，木質(zhì)落葉大藤本、落葉喬木和纏繞草質(zhì)藤本各1 種占總物種數(shù)的7.14%，而且藜科（9 屬13 種）、禾本科（7 屬7 種）和蒺藜科（2 屬5種）3種植物種類占總物種數(shù)的59.52%，分別占總屬數(shù)的28.13%、21.88%和6.25%；剩余物種包括十字花科、菊科、檉柳科分別為2屬2種，茄科為1屬2種共占總物種數(shù)的19.05%。其余物種如白花丹科（黃花補血草Limonium aureum）、豆科（甘草Glycyrrhiza uralensis）、胡頹子科（沙棗Elaeagnus angustifolia）、蘭雪科（瑪多黃花補血草Limonium aureumvar.maduoensis）、蘿藦科（鵝絨藤Cynanchum chinense）、葡萄科（地錦Parthenocissus tricuspidata）、傘形科（茴香Foeniculum vulgare）、十字花科（獨行菜Lepidium apetalum）和紫草科（砂引草Messerschmidia sibiricaLinn.）分別為1科1屬。

表2 退耕地生活型組成特征Tab.2 Life type composition characteristics of fallow land

表3 不同退耕年限植被群落的物種組成和重要值Tab.3 Species composition and importance values of vegetation communities in different years of fallowing

不同年限退耕地植被群落的物種組成和重要值由表3 可知，在退耕1 a 后，田間大部分為一年生草本［田旋花（Convolvulus arvensis）、藜（Chenopodium album）和地膚（Kochia scoparia）等］和少數(shù)多年生草本植物［賴草（Leymus secalinus）、砂引草（Tournefortia sibirica）和細(xì)葉駱駝蓬（Peganum harmala）等］，并伴有少數(shù)灌木，如鹽爪爪（Kalidium foliatum）、檉柳（Tamarix chinensis）等植物，物種數(shù)量比較多；退耕2 a后，一年生草本鹽生草、地膚、藜和狗尾草的重要值明顯減少為7.72、6.33、7.60、0.41；退耕4 a后，植物群落中一年生和多年生草本植物種類明顯減少，其重要值也隨之降低。堿蓬、田旋花等植物的重要值減小為1.21、2.47；退耕后8～20 a，群落內(nèi)灌木植物的數(shù)量逐漸增多，但植物種類總數(shù)量較穩(wěn)定，木質(zhì)落葉大藤本地錦和小灌木紅砂等的植物首次出現(xiàn)，其中一年生草本，如藜、地膚、堿蓬、獨行菜等植物完全退出，群落優(yōu)勢種由草本植物逐漸轉(zhuǎn)化成灌木植物，鹽爪爪、黑果枸杞等灌木植物成為群落優(yōu)勢種，植物種由退耕1 a 的19 種降低到退耕20 a 的13 種；退耕30 a 后，群落中的植物種類下降到5 種，主要以黑果枸杞和鹽爪爪灌木植物為主，植物群落相對穩(wěn)定；退耕40 a時耐鹽堿植物鹽爪爪成為該地的優(yōu)勢種，其重要值為36.01。

2.3 不同年限退耕地植物群落的物種多樣性變化

不同年限退耕地植物群落的個體數(shù)、類群數(shù)、Shannon 多樣性指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)、Margalef豐富度指數(shù)的變化情況如表4所示，在退耕1～40 a 的群落演替過程中，隨退耕年限的增加，個體數(shù)逐漸減少，類群數(shù)和Margalef豐富度指數(shù)總體呈波動式下降，其中Margalef 豐富度指數(shù)在退耕4 a 時呈上升趨勢，達(dá)到最大值2.19，在退耕4 a 后逐漸下降，并趨于穩(wěn)定。Shannon 多樣性指數(shù)和Pielou均勻度指數(shù)在退耕1～4 a間逐漸增加，在退耕4～13 a 里逐漸減小，在退耕20 a 后逐漸趨于穩(wěn)定。Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)在退耕13 a 時達(dá)到最大值0.41，但是整體變化幅度較小，最終呈穩(wěn)定的趨勢。說明隨退耕年限的增加，植物數(shù)量趨于減少，植物種類趨于簡單。

表4 物種多樣性隨退耕年限的變化Tab.4 Changes in species diversity with the number of years of fallowing

2.4 不同年限退耕地植物群落物種多樣性與土壤水分的相關(guān)性分析

由表5 物種多樣性與土壤水分相關(guān)性分析表明，Pielou 均勻度指數(shù)、Shannon 多樣性指數(shù)以及Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Simpson優(yōu)勢度指數(shù)和0～20 cm土層土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Shannon多樣性指數(shù)和0～20 cm土層土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，類群數(shù)（S）和Margalef豐富度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，0～20 cm 土層土壤含水量和20～40 cm 土層土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，Pielou 均勻度指數(shù)和土壤含水量相關(guān)性不顯著。

表5 物種多樣性與土壤水分相關(guān)性Tab.5 Species diversity and soil moisture correlation table

3 討論

3.1 不同年限退耕地對土壤含水量的影響

石羊河下游青土湖地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候［23］，土壤水分是植物生長的必需要素［24］，是干旱區(qū)植物生存發(fā)展的限制性因子［25］。退耕初期，土壤中持有原來耕作時大量的水分，所以退耕地就會出現(xiàn)較多的雜草，這些雜草主要以一年生和多年生的草本植物為主，草本植物在生長過程中消耗了土壤中大量水分，但是退耕后只靠降水無法補給水分，所以土壤水分逐漸下降；在退耕13 a時，植物群落演替以黑果枸杞為主的單一群落，植物數(shù)量與種類減少，降低了對土壤水分的消耗，所以在8～20 a時土壤水分在逐漸增加；隨后群落趨于穩(wěn)定，此時土壤水分得到恢復(fù)并趨于穩(wěn)定狀態(tài)。因此，樣地土壤含水量整體呈先降低后增加再減小的趨勢。這一結(jié)論與柴成武等［26］研究民勤青土湖區(qū)不同年限退耕地土壤水分和養(yǎng)分變化中的結(jié)果相似，但是與鄒養(yǎng)軍等［27］研究渭北旱塬土壤水分變化特征的結(jié)果不同，這可能是研究區(qū)自然條件與環(huán)境條件不同造成的，特別是研究區(qū)為干旱區(qū)退耕地，土壤及降雨量的不同，從而導(dǎo)致水分變化的不同結(jié)果。

3.2 不同年限退耕地對物種多樣性的影響

在青土湖退耕40 a 的植被演替過程中，9 個樣方共出現(xiàn)42 種植物，分屬于16 科32 屬。其中，藜科、禾本科、蒺藜科、十字花科、菊科、檉柳科、茄科7科占總物種數(shù)的78.57%，所占比例比較大，說明這些植物在退耕地的植被演替中起著重要的作用，而且物種構(gòu)成表現(xiàn)為“多數(shù)種屬于少數(shù)科、少數(shù)種屬于多數(shù)科”，大部分植物種為單屬單科；植被演替過程中表現(xiàn)出連續(xù)性特征，如白莖鹽生草基本在不同年限退耕地中連續(xù)出現(xiàn)。此外，不同年限退耕地植被群落演替還具有遞進(jìn)性。

在退耕初期，群落中的植物大多數(shù)以一年生和多年生草本植物為主；在退耕后8～20 a，群落中的植物逐漸演替為多年生草本植物和木本植物；退耕后30～40 a，群落演替趨于穩(wěn)定，主要以灌木群落為主?？偟膩碚f，隨著退耕年限的不斷增加，植物群落經(jīng)歷了地膚→鹽生草→狗尾草→駱駝蒿→小葉堿蓬→黑果枸杞→紅砂→鹽爪爪的演替過程。符合荒漠地區(qū)植物區(qū)系的總體特征，結(jié)果與王理德［28］對民勤退耕區(qū)次生草地的研究結(jié)果相一致。

物種多樣性是植物群落的基本特征［29］，利于闡明植物群落結(jié)構(gòu)特征的發(fā)展階段及穩(wěn)定性的問題［30］，在退耕1～40 a 的群落演替過程中，隨退耕年限的增加，個體數(shù)逐漸減少，而Margalef豐富度指數(shù)和類群數(shù)呈波動式下降的趨勢，其中在退耕1～4 a中，Margalef 豐富度指數(shù)呈上升趨勢，在退耕4 a 后下降的速度變的緩慢，說明隨著退耕年限不斷的增加，物種在逐漸減少并趨于簡單。Shannon 多樣性和Pielou均勻度指數(shù)在退耕1～4 a間逐漸增加，在退耕4～13 a 里逐漸減小，在退耕20 a 后逐漸趨于穩(wěn)定。Simpson優(yōu)勢度指數(shù)在退耕13 a時達(dá)到最大值，最大值為0.41，但是整體變化幅度較小，最終呈穩(wěn)定的趨勢。這一結(jié)論與李治元等［31］對石羊河下游鹽漬化棄耕地植被演替特征分析的結(jié)果相似，但與白文娟等［32］研究黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地、李永強等［33］研究典型草原區(qū)撂荒地的結(jié)果不同，這可能是由于試驗樣地不同所導(dǎo)致的，本試驗樣地選擇的是青土湖干旱區(qū)退耕地，退耕過程由草本植物逐漸向灌木植物演替，與黃土丘陵溝壑區(qū)退耕地、典型草原區(qū)撂荒地的水文、土壤、地形、氣候等不同，導(dǎo)致結(jié)果也不同。由此說明，植物群落物種在自然演替過程中向著簡單、穩(wěn)定的方向逐漸發(fā)展。

3.3 影響退耕地物種多樣性的因素

植被和土壤水分間存在復(fù)雜、密切的生態(tài)關(guān)系，植物的生長過程需要消耗土壤中的水分，導(dǎo)致土壤含水量不斷的下降［34］。由表4表明，Pielou均勻度指數(shù)、Shannon多樣性指數(shù)和Simpson優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；類群數(shù)（S）和Margalef豐富度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；0～20 cm 土層土壤含水量和Shannon 多樣性指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，0～20 cm 土層土壤含水量和Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，表明青土湖地區(qū)0～20 cm 土層土壤水分對植被多樣性有著顯著的影響，退耕初期，大量種類的草本植被出現(xiàn)，植被多樣性增加，但其消耗了大量退耕地的水分，而土壤含水量的下降，使得部分植被因生存空間縮小而被淘汰，因此，植被多樣性下降。0～20 cm 土層土壤含水量和20～40 cm土層土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系；土壤含水量和Pielou 均勻度指數(shù)相關(guān)性不顯著，由此說明除了土壤含水量，還有其他因素限制植物的生長，土壤含水量和Pielou 均勻度指數(shù)未表現(xiàn)相關(guān)，有研究表明植被通過長期演化進(jìn)而適應(yīng)生境條件的植被，形成自身的特征屬性，各物種之間分布相對比較均勻，故而對水分變化的響應(yīng)不明顯［35］。本研究中，樣地植被生長于干旱缺水的環(huán)境下，隨著植被演替的進(jìn)程，植物已經(jīng)適應(yīng)生境條件，因此物種均勻度與土壤含水量未表現(xiàn)相關(guān)。

本研究僅對不同年限退耕地上的水分變化、物種多樣性變化及相關(guān)性進(jìn)行研究。已有研究表明，物種多樣性除了與土壤含水量有著密切的關(guān)系外，還和土壤養(yǎng)分、碳氮循環(huán)等因素有關(guān)［36］。在今后的探究中，應(yīng)加強物種多樣性與土壤養(yǎng)分、碳氮循環(huán)等因素的相關(guān)研究。

4 結(jié)論

（1）民勤青土湖區(qū)退耕地40 a 自然恢復(fù)過程中，隨退耕年限增加，土壤含水量整體呈先減少后增加再逐漸減少，并趨于穩(wěn)定。不同土層含水量差異不明顯。

（2）研究區(qū)樣方共出現(xiàn)16 科32 屬42 種植物，物種構(gòu)成表現(xiàn)為“多數(shù)種屬于少數(shù)科、少數(shù)種屬于多數(shù)科”。植被演替過程中表現(xiàn)出連續(xù)性和遞進(jìn)性特征，植物群落物種向著簡單、穩(wěn)定的方向逐漸發(fā)展。

（3）植被和土壤水分間具有密切相關(guān)性。Pielou 均勻度指數(shù)、Shannon 多樣性指數(shù)以及Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)和0～20 cm土層土壤含水量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，Shannon多樣性指數(shù)和0～20 cm土層土壤含水量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系，類群數(shù)（S）和Margalef豐富度指數(shù)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。0～20 cm土層土壤含水量對植被自然演替起著關(guān)鍵性的作用。