希拉穆仁草原草地植被灌溉效果研究

希拉穆仁草原草地植被灌溉效果研究

我國牧場(chǎng)地處邊境地區(qū)，氣候惡劣，降水稀少，分布不均。此外，近年來，退化嚴(yán)重，不僅影響了牧區(qū)人民的生產(chǎn)生活，而且嚴(yán)重威脅著北方的生態(tài)安全。因此,防治草地退化迫在眉捷。灌溉為草地植物提供水分,利于植物生長,可以快速提高草地的生產(chǎn)性能,因此灌溉修復(fù)退化草地技術(shù)目前在牧區(qū)得到了大力宣傳與推廣。但目前對(duì)灌溉修復(fù)退化草地的研究多集中于生產(chǎn)性能層面,而針對(duì)灌溉對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)和土壤種子庫的影響報(bào)道較少,并且停止灌溉后的草地生態(tài)變化目前未見報(bào)道。因此,針對(duì)草地灌溉期間及停灌后的植被和土壤種子庫變化的研究對(duì)于更深入地研究退化草地修復(fù)機(jī)理及修復(fù)的穩(wěn)定性有重要的科學(xué)意義。陰山北麓地區(qū)包括內(nèi)蒙古自西向東11個(gè)旗縣,面積6萬km一、研究領(lǐng)域和方法1.蘇集沙地公園希拉穆仁草原地處內(nèi)蒙古包頭市達(dá)爾罕茂明安聯(lián)合旗希拉穆仁鎮(zhèn)。中溫帶半干旱大陸性季風(fēng)氣候,春秋季干旱多風(fēng),夏季雨量較充沛,冬季干燥寒冷。年平均降水量為284mm,蒸發(fā)量為2305mm,降雨主要集中在7、8、9月份;年均氣溫2.5℃,大于或等于10℃年有效積溫1985℃~2800℃;年均日照時(shí)數(shù)3100~3300h;無霜期83天;年均風(fēng)速4.5m/s,冬春以北風(fēng)和西北風(fēng)為主,年大風(fēng)日數(shù)為63天。地帶性土壤為粟鈣土,質(zhì)地粗糙。地帶性植被建群植物種為克氏針茅。2007—2010年年降水量分別為231.4mm、372.7mm、190.2mm、150mm,降雨頻率分別為72%、12%、92%、75%(達(dá)茂旗氣象局提供)。2.樣本測(cè)量2007年春季圍封3hm3.群落相似性及群落參數(shù)(1)植被調(diào)查每年8月分別在3塊樣內(nèi)以對(duì)角線方式做1m×1m的樣方15個(gè),記錄植被蓋度、建群種高度、物種組成及多度、各物種地上生物量干重,并計(jì)算各物種的重要值x群落相似性指標(biāo)采用Bray-curtis相似性系數(shù)s:式中,x(2)土壤種子庫每年4月在3塊樣地內(nèi)以對(duì)角線方式選取10個(gè)樣點(diǎn),樣點(diǎn)面積20×20cm數(shù)據(jù)采用Excel作圖制表。二、結(jié)果與分析1.灌溉期間草地生物量的變化圖2中,Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)2007—2010年各項(xiàng)群落數(shù)量指標(biāo)及各年與無灌溉Ⅲ區(qū)群落植物種Bray-Curtis相似性系數(shù)均無明顯差異,表明不同灌溉量之間無論灌溉期間還是停灌后,對(duì)于草地的生產(chǎn)性能和群落結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出相似的作用。然而,相比較而言,中度灌溉的優(yōu)勢(shì)是更為節(jié)約成本。無灌溉Ⅲ區(qū)生物量干重、蓋度及群落高度在3年灌溉期間顯著小于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)(顯著性水平α為0.05),但香農(nóng)—威納生物多樣性指數(shù)在此期間3塊樣地并無顯著區(qū)別。2010年停止灌溉加之該年較為干旱,各樣地群落數(shù)量特征均出現(xiàn)了下降,特別是Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)的生物量干重、蓋度及群落高度的下降幅度達(dá)到1倍以上,香農(nóng)—威納指數(shù)Ⅰ區(qū)下降10%,Ⅱ區(qū)下降20%。但Ⅲ區(qū)除蓋度下降50%以外,其他指標(biāo)均無明顯變化,與Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)相比,Ⅲ區(qū)生物量干重略低于兩者但相差不顯著,其他指標(biāo)均略高于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。表明停灌后,草地的生產(chǎn)性能優(yōu)勢(shì)馬上消失。群落物種組成方面,灌溉3年期間,Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)的植物種重要值Bray-Curtis相似性系數(shù)呈緩慢增加趨勢(shì),處于0.75~0.85之間,2010年停止灌溉后,Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)均大幅度下降(Ⅰ區(qū)0.61,Ⅱ區(qū)0.55)。表明停止灌溉對(duì)于適應(yīng)了3年灌溉的群落植物的種間競爭關(guān)系有一定的影響,即影響了植物的生存策略。2.區(qū)和區(qū)土壤種子庫生物量和組成比較表1中,由于2008年降水豐富,因此植物生長相對(duì)較好,結(jié)實(shí)量較大,造成各樣地2009年的土壤種子庫密度顯著大于其他年份(顯著性水平α為0.01)。Ⅱ區(qū)種子庫密度和物種數(shù)各年均略高Ⅰ區(qū)。無灌溉Ⅲ區(qū)每年的種子庫密度均介于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間,但物種數(shù)在2009年受上一年降水豐富的影響,明顯大于Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)(顯著性水平α為0.01),其余年份與Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)無明顯差別。圖3中,各樣地土壤種子庫與地上植被的相關(guān)性呈逐年下降的趨勢(shì),Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)之間各年差異不顯著,Ⅲ區(qū)各年均略高于兩者但未達(dá)到顯著級(jí)別。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)土壤種子庫物種組成Bray-Curtis相似性系數(shù)在2008年分別為0.82和0.83,幾乎等同;2009年分別為0.83和0.71,相差不明顯;2010年分別為0.61和0.78,Ⅰ區(qū)下降明顯(顯著性水平α為0.1)?？傮w說來,中度灌溉Ⅱ區(qū)土壤種子庫好于充足灌溉Ⅰ區(qū),說明不同灌溉量對(duì)植物的繁殖策略有一定的影響作用。三、討論和結(jié)論1.灌溉對(duì)植物多樣性的影響灌溉對(duì)植被的恢復(fù)作用顯而易見,Ⅰ區(qū)(200~240mm)和Ⅱ區(qū)(100~140mm)的群落生產(chǎn)性能和物種組成明顯高于無灌溉的Ⅲ區(qū),并且灌溉量的差異并未引起兩樣地各項(xiàng)植被指標(biāo)的明顯差異,這說明Ⅱ區(qū)的灌溉制度在節(jié)約灌溉成本的同時(shí)與Ⅰ區(qū)灌溉制度在植被恢復(fù)方面具有相同的效果。2010年停止灌溉后,Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)各項(xiàng)植被指標(biāo)均同等程度低于無灌溉的Ⅲ區(qū),說明停止灌溉后,草地的生產(chǎn)性能優(yōu)勢(shì)馬上消失,甚至劣于無灌溉圍封樣地。這種情況將來是否能持續(xù)或者能夠自然修復(fù),還需要今后繼續(xù)進(jìn)行植被的監(jiān)測(cè)研究。由于本地植物群落植物種較少,一般均為10種左右,判斷數(shù)量特征指標(biāo)是否符合正態(tài)分布很困難,因此選用Bray-Curtis相似性系數(shù)。作為一種半度量的距離系數(shù),它以數(shù)據(jù)間的極差進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,幾何意義便于理解且計(jì)算簡單,可操作性強(qiáng)。Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)分別于Ⅲ區(qū)的植物種重要值BrayCurtis相似性系數(shù)在3年灌溉期間保持在0.8左右,說明在灌溉期間,群落的結(jié)構(gòu)并未發(fā)生重大變化。2010年停止灌溉后Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)克氏針茅的重要值并未發(fā)生顯著變化,一直維持在0.3左右,但Ⅲ區(qū)克氏針茅由2007年的0.2一直增加到2010年的0.5。Ⅰ區(qū)羊草在3年灌溉期間保持在0.35左右,在2010年達(dá)到了0.5,Ⅱ區(qū)羊草由3年的0.25變?yōu)?010年的0.4,Ⅲ區(qū)2007—2009年由0.2一直增加到了0.35,但在2010年迅速下降為0.15。糙隱子草Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)4年一直維持在0.01的水平,但Ⅲ區(qū)由2007年的0.05持續(xù)增加到了2010年的0.1。作者認(rèn)為這3種禾本科植物灌溉前后的差異反映了它們?cè)诠喔惹昂笊娌呗缘牟町?同時(shí)也造成了Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)與Ⅲ區(qū)的Bray-Curtis相似性系數(shù)在停灌后的明顯下降。土壤種子庫是保障植被恢復(fù)的重要基礎(chǔ),本研究于每年4月份取樣測(cè)試土壤中的總種子庫,在較大程度上受前一年植物生長情況的影響。在穩(wěn)定的環(huán)境下,多年生植物傾向于保持原有基因型不變,以營養(yǎng)繁殖延續(xù)種群,在多變的環(huán)境下,則傾向能產(chǎn)生更多變異的有性生殖方式來適應(yīng)環(huán)境脅迫。充足灌溉Ⅰ區(qū)始終保持水分的充足供應(yīng),植物處于一種相對(duì)穩(wěn)定的環(huán)境中。而無灌溉Ⅲ區(qū)結(jié)實(shí)期間受干旱抑制植物的生長,也會(huì)造成植物結(jié)實(shí)量下降。因此3年灌溉期間,Ⅱ區(qū)的種子庫密度大于充足灌溉的Ⅰ區(qū)和無灌溉Ⅲ區(qū)。Whipple(1977)指出,通常在演替初期和干擾頻率高的生境中,地上植被與種子庫的兩者相似性較高,但隨著演替的進(jìn)行,特別是演替后期,土壤種子庫與地表植被之間存在顯著差異,這與植物的營養(yǎng)繁殖、枯落物阻礙、動(dòng)物采食以及取樣誤差有關(guān)。本研究證實(shí)了這一點(diǎn)。2.灌溉對(duì)草地生長的影響(1)灌溉可以顯著提高草地植被的生產(chǎn)性能,但對(duì)群落生態(tài)結(jié)構(gòu)并無顯著影響。不同灌溉量之間無論灌溉期間還是停灌后,對(duì)于草地的生產(chǎn)性能和群落結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)出相似的作用。然而,中度灌溉的優(yōu)勢(shì)是更為節(jié)約成本。(2)灌溉試驗(yàn)期間,中度灌溉對(duì)退化草地土壤種子庫的改善作用要優(yōu)于充足灌溉。但在停灌后的土壤種子庫變化情況還需要在2011年的試驗(yàn)中作進(jìn)一步研究。(3)總體說來,灌溉對(duì)于草地的生態(tài)恢復(fù)作用非常明顯,且中度灌溉優(yōu)于充足灌溉,在