黄土丘陵区小流域次生灌丛群落生物量研究

A cta

B ot.B orea l.-O cciden t.S in.

文章编号:100024025(2003)0821362205

黄土丘陵区小流域次生灌丛群落生物量研究Ξ

刘江华1,2,3,徐学选1,3,杨　光1,穆兴民1,王　炜1

(1西北农林科技大学水土保持研究所,陕西杨陵712100;2塔里木农垦大学,阿拉尔843300;3中国科学院、水利部水土保

持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室,陕西杨陵712100)

摘　要:生物量是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源。用直接收获法,对延安康家屹崂沟小流域5个次生灌丛群落类型和2个人工灌丛样地地上部生物量的研究结果表明:地上部生物量黄刺玫>杂灌>虎榛子>柠条(阴坡)>沙棘>狼牙刺>柠条(阳坡);灌木树种组成复杂的、群落盖度较大的类型生物量较大;各类型灌丛生物量在小流域空间分布上阴坡>阳坡,阴坡坡下>坡中>坡上;阳坡灌丛中的草本植物生物量比阴坡高,而灌木生物量较低。所调查的5个次生灌丛群落类型地上部生物量和生产力呈线性相关关系,回归方程Y=3.1995+0.1939X,净生产力随生物量的增加而提高。

关键词:次生灌丛;生物量;黄土丘陵区;流域

中图分类号:Q948.12+1　　　文献标识码:A

Study on b ioma ss of secondary shrubbery comm un ity i n

s ma ll wa tershed of L oess H ill and Gully Reg ion

L I U J iang2hua1,2,3,XU Xue2xuan1,3,YAN G Guang1,M U X ing2m in1,W AN G W ei1 (1Institute of So il and W ater Conservati on,N o rthw est Sci2T ech U niversity of A griculture and Fo restry,Yangling,Shaanxi

712100,Ch ina;2T ari m A gricultural R ecli m ati on U niversity,A lar,X injiang843300,Ch ina;3State Key L abo rato ry of So il E ro si on

and D ryland Farm ing on the L oess P lateau,Institute of W ater and So il Conservati on,Ch inese A cadem y of Sciences and M inistry

of W ater R esources,Yangling,Shaanxi712100,Ch ina)

Abstract:B i om ass is the basis of the eco system functi on s,and serves as an indicato r of eco system health.In o rder to evaluate the natu ral resto rati on of vegetati on in no rth Shaanx i,a research w as conducted in Yanπgou w atershed,Yanπan C ity on aboveground b i om ass of5typ es of secondary sh rub s and2typ es of m an -p lan ted sh rub s.T he resu lt show s that the h igher b i om ass w as found in sh rub comm un ity w ith m o re sp ecies and h igher cover.T he sp atial analysis of b i om ass over the w atershed show ed that the b i om ass on no rth facing slop es is h igher than that on sou th facing slop es.O n no rth facing slop es,the b i om ass increases from low er p arts to upp er p arts;and it is h igher in gu lly than that in h ill ridges.T he relati on betw een aboveground b i om ass and p roductivity of5sh rub comm un ities w as also estab lished:Y=3.1995+ 0.1939X.

Key words:secondary sh rub comm un ity;b i om ass;L oess H ill and Gu lly R egi on;s m all w atershed

　　由于人类长期反复垦殖,黄土丘陵区的森林植被资源曾遭到严重的破坏,灌木林就是在这种次生

Ξ收稿日期:2003202225;修改稿收到日期:2003204228

基金项目:国家“十五”科技攻关项目(2001BA508B17);中国科学院知识创新项目(KZCX01206,KZCX1210)

作者简介:刘江华(1970-),男(汉族),伊犁人,塔里木农垦大学讲师,现在西北农林科技大学水土保持研究所攻读硕士学位。主要从事植被、生态水文等方向研究。

裸地上森林恢复演替系列中的一个阶段。这些灌木林不但在森林恢复演替中具有重要意义,而且对水土保持,恢复生态平衡起着重要作用[6]。随着我国“天保”工程的实施,灌木林的地位和作用日显重要。生物量作为生态系统中植物有机物总量,是整个生态系统运行的能量基础和营养物质来源。研究灌木林的生物量和生产力具有重要意义,它不但是研究陆地植被总生产力与物质循环的基础之一,而且还能为灌木林的生产和经营提供基础数据。国内外有关灌木林生态系统的生物量和生产力的研究报道并不多见,国外O lson[13],W h ittaker[14,15]等作过这方面的研究,国内这方面的研究始于上世纪80年代,金小华等[3,4,9,12]作过有关灌木林的生物量与生产力或类似的研究。已有的有关黄土高原植被生物量和生产力的研究主要集中在人工植被[7～9],对黄土高原次生灌丛的生物学特性、群落结构、群落演替、生物多样性及其更新特点的研究都有报道[6,10],但对次生灌丛生物量和生产力的研究鲜见报道。因此,笔者对延安燕沟流域康家屹崂沟次生灌丛群落生物量及其空间分布进行了初步研究。

1　试验区概况

1.1　小流域自然概况

　　试验设在延安市宝塔区的燕沟流域康家屹崂沟,海拔高度1100～1320m,属黄土丘陵沟壑区暖温带半干旱气候,年均气温8～10℃,≥10℃活动积温3500℃,多年平均降水量553mm,干燥度1.5～2.0,无霜期180d,年蒸发力900～1000mm左右。土壤以黄绵土为主。

1.2　小流域次生灌丛群落概况

朱志诚认为陕北黄土高原在森林恢复演替中起主要作用的灌丛是狼牙刺群落、沙棘群落、黄刺玫群落、虎榛子群落[6]。经过调查,延安燕沟流域康家屹崂沟的次生灌丛主要有5个类型,各类型及其群落特征如下: .沙棘(H ipp op hae rham noid es)群落,群落盖度40%～85%,灌层高0.5～1.5m,优势种为沙棘,草本层以铁杆蒿(A rte m isia gm elin ii)、长芒草(S tip a bung eana T rin)为主,灌木层盖度30%～70%。 .狼牙刺(S op hora v iciif olia)群落,群落盖度40%～75%,灌木层高1.2～1.8m,优势种为狼牙刺,伴生灌木酸枣(Z izyp hus jujuba var.sp inosa),草本层以铁杆蒿、茭蒿(A rte m isia g ira ld ii)为主,灌木层盖度25%～55%。 .虎榛子(O stry op sis d a2 v id iana)群落,群落盖度75%～95%,灌木层高0.8～1.5m,优势种为虎榛子,伴生灌木有黄刺玫(R osa hug on is)、柔毛绣线菊(S p iraea rubescens)、牛奶子(E leag nus um bella ta)、忍冬(L on icera spp.)等,草本层以苔草(Ca rex spp.)为主,灌木层盖度60%～95%。 .黄刺玫群落,群落盖度50%～95%,灌层高1.0～1.5m,优热种为黄刺玫,常伴生有北京丁香(S y ring a p ek inensis)、延安锦鸡儿(Ca rag ana p u rd o m ii)、虎榛子、忍冬等灌木,草本层以铁杆蒿或苔草占优。灌木层盖度30%～90%。 .忍冬+绣线菊+沙棘群落(以下简称杂灌),群落盖度85%～95%。灌木层高1.5～2.5m,优势种为红脉忍冬(L on icera nervosa)、绣线菊、沙棘等,伴生有黄刺玫、牛奶子、山杨(P op u lus to m en tosa)、水木旬子(Cotoneaster m u ltif lora)等木本植物,草本层以苔草为主。群落内有大量山杨幼苗。灌木层盖度80%～95%。

2　研究方法

研究区内受人类活动影响较小的灌丛群落多处于陡坡上,生长茂密且多刺,故采用《我国生态、环境资源测试、分析方法规范、标准汇编(植物部分)》中“湿润地区灌木地上生物量测定”规定的方法进行。鉴于研究区地形破碎,灌丛群落面积小而分散的现实条件,为便于今后的研究,适当增大了样方面积,减少样方数量。

测定于2002年9月进行。在对灌丛群落进行类型划分的基础上,建立每种类型的代表性样地,在每个样地内布置3m×3m的样方3个。共测定了18块样地,其中15块是上述5个灌丛类型的样方,另外布置了3个人工营造的4年生柠条灌丛样方,样方面积1m×平均行间距,经测量确定为1m×2 m。统计群落物种组成,采用直接收获法齐地面分别收获样方中各种灌木的枝叶,并分多年生枝、当年生枝、叶等分别称鲜重。分种类收获样方内草本植物地上部分,分别称鲜重。在每个样方内再设置1m×1 m的小样方2个,收集小样方内的全部枯枝落叶,并称鲜重。对所有称量的组分各取适量样品置于烘箱内,80℃烘干至衡重,分别求出各部分的干鲜比值,再计算出各部分的干重,各部分干重之和为样方地上部生物量,3个样方地上部生物量的平均值即为灌木群落的地上部生物量。

生物量测定的同时对各灌丛群落的生产力进行了测定,测定方法参照金小华等[4]文中所述进行。

3631

8期刘江华,等:黄土丘陵区小流域次生灌丛群落生物量研究3　结果与分析

3.1　不同群落类型在小流域内的空间分布

　　在小流域中,次生灌丛群落的分布具有明显的空间分异特征(表1)。沙棘的环境适应性很强,不论阴坡、阳坡,坡上、坡下,沟底、山脊均有分布,在阳坡和阴坡均能良好生长;在阳坡常形成沙棘单优灌丛,在阴坡常与山杨、虎榛子、绣线菊等形成灌丛群落;阳坡沙棘生长低矮,阴坡沙棘生长较高大,在水分条件较好的沟底甚至可长成小乔木状,本研究选择的沙棘样地位于阳坡。狼牙刺灌丛则多分布于阳坡,由于人类活动的强度干扰,该群落类型主要分布在30°以上的陡坡,随着退耕禁牧的实施,一些阳坡草地群落逐步向狼牙刺等阳性灌丛演替;虎榛子群落分布在阴坡、半阴坡,常与黄刺玫、延安锦鸡儿等形成灌丛群落,在土壤水分条件较差的山脊常形成虎榛子单优灌丛;黄刺玫的生态幅度较宽,多分布于半阴坡及阴坡,在土壤水分条件好的立地上,生长势强,群落组成比较复杂,但在阴坡下部、集水沟道中灌丛群落发育良好的立地上,黄刺玫更新困难,常生长不良。杂灌群落仅分布于阴坡下部及集水沟道等水分条件较好的立地,群落有向山杨林演替的趋势。

表1　次生灌丛群落的空间分布

T ab le1　T he spatial distribu ti on of comm un ity

空间分布

T he spatial distributi on

群落类型Comm unity

坡向Slope o rientati on不限阳坡阴坡,半阴坡阴坡,半阴坡阴坡坡位Slope site不限不限坡中,坡下不限坡下坡度Slope gradient不限20°～35°20°～35°不限15°～30°

　　注: .沙棘灌丛; .狼牙刺灌丛; .虎榛子灌丛; .黄刺玫灌丛; .杂灌。

N o tes: .H ipp op hae rham noid es sh rub; .S op hora v iciif olia sh rub; .O stry op sis d av id iana sh rub; .R osa hug onis sh rub; .L onicera nervosa,S p iraea spp.and H ipp op hae rham noid es sh rub.

3.2　不同群落类型的生物量及其空间分布

在一个小流域的狭小范围内,海拔高度变化不大,由于地形地貌的复杂多变,产生了植被生态环境丰富的多样性,不同的次生灌丛群落类型在这种环境背景下有规律地分布和生长着。生物量和生产力在小流域内的空间分布是这种规律性的一个方面。各类型灌丛生物量的测定结果见表2,从表2可以看出生物量变化的总趋势是黄刺玫>杂灌>虎榛子>沙棘>狼牙刺>柠条。由于群落类型分布具有3.1所述的空间特征,其生物量的分布也具有相应的空间特征。研究区内次生灌丛群落生物量的空间分布规律表现为:生长在阴坡的杂灌、黄刺玫、虎榛子灌丛显著高于阳坡的沙棘、狼牙刺灌丛,生长在坡下部的杂灌、黄刺玫灌丛高于坡上部的虎榛子灌丛。总体上灌丛群落地上部生物量阴坡>阳坡,这是因为阴坡太阳辐射较弱,水分条件较好,而土壤水分是干旱区植被生长发育和分布的主要因子[8]。草本层生物量阳坡>阴坡,这是因为阴坡灌丛灌木盖度较大,原本较差的光照条件在茂密的灌丛覆盖下更弱,以至只有耐阴的苔草等少数草本植物能够正常生长。而阳坡灌丛灌木盖度较小,灌丛对草本植物的光照条件影响较小,所以草本植物种类较多,生长较好。

表2　不同群落类型地上部生物量

T ab le2　T he b i om ass of aboveground of the comm un ity

群落名称Comm unity

生物量B i om ass(t hm2)

灌木茎

Sh rubbery stem

灌木叶

Sh rubbery leaf

草本

H erb

枯落物

L itter

合计

To tal

5.202.521.571.0610.35

4.740.972.0.419.01

7.083.010.080.7510.92

9.915.600.191.2416.84

12.081.340.352.0815.85

0.863.771.121.157.43

　　注: .沙棘灌丛; .狼牙刺灌丛; .虎榛子灌丛; .黄刺玫灌丛; .杂灌; .柠条灌丛。

N o tes: .H ipp op hae rham noid es sh rub; .S op hora v iciif olia sh rub; .O stry op sis d av id iana sh rub; .R osa hug onis sh rub; .L onicera nervosa,S p iraea spp.and H ipp op hae rham noid es sh rub; .Carag ana inter m ed ia sh rub.

4631西　北　植　物　学　报23卷3.3　各群落类型地上部生物量分布特点

所测定灌丛群落的地上部生物量主要分布在灌木植物的茎叶上,如生物量最大的黄刺玫灌丛,灌木植物茎叶生物量占总量的92.1%,而虎榛子群落达到92%,按灌木植物茎叶生物量在总地上部生物量中所占的百分比排序,虎榛子>杂灌>黄刺玫>沙棘>狼牙刺>柠条。

各群落类型在优势种数,灌木植物种数,优势种生物量比例,灌木植物生物量比例,草本植物生物量比例等方面存在明显的差异,如表3所示。从表3数据可以看出,群落盖度较大的,灌木种类较多的群落具有较高的生物产量。这是因为这类灌丛群落有多年更多的生物量积累,灌丛内的枯落物量也较高。

阳坡灌丛多为单优群落,群落内灌木种类组成简单,多为1～2种,灌木生物量占总量的比例在75%以下,草本植物种类较多,其生物量比阴坡高,平均占总量的25.5%;而阴坡灌丛的灌木种类组成相对比较复杂,平均每个样地内有5种灌木植物,灌木生物量占总量的比例高达85%以上,草本植物由于灌木的遮阴,光照不足,生物量很小,种类也很少,地上部生物量平均只占总地上部生物量的4.1%。阴坡灌丛枯落物量平均为1.47t hm2,明显大于阳坡的0.65t hm2,二者分别占总量的11.2%、7.8%。

表3　不同群落类型地上部生物量分布

T ab le3　D istribu ti on of aboveground b i om ass of vari ou s comm un ity types

项目Item s

群落类型Comm unity

群落盖度

Comm unity cover(%)

605080758545

优势种数

N um ber of dom inant species

111231

优势种生物量

B i om ass of dom inant species(t hm2)

7.725.714.4413.1611.0.57

占总量

Percentage to tal(%)

74.563.440.778.169.857.8

灌木植物种数

N um ber of sh rub species

123671

灌木总生物量

To tal bi om ass of sh rub(t hm2)

7.725.7110.0915.5113.422.38

占总量

Percentage to tal(%)

74.563.492.492.184.757.8

草本植物种数

N um ber of herb species

981218

草本生物量

B i om ass of herb(t hm2)

1.57

2.0.750.190.351.12

占总量

Percentage to tal(%)

15.132.16.91.122.217.7

枯落物

L itter(t hm2)

1.060.410.751.24

2.081.15

占总量

Percentage to tal(%)

10.24.66.97.413.114.15

　　注: .沙棘灌丛; .狼牙刺灌丛; .虎榛子灌丛; .黄刺玫灌丛; .杂灌; .柠条灌丛。

N o tes: .H ipp op hae rham noid es sh rub; .S op hora v iciif olia sh rub; .O stry op sis d av id iana sh rub; .R osa hug onis sh rub; .L onicera nervosa,S p iraea spp.and H ipp op hae rham noid es sh rub; .Carag ana inter m ed ia sh rub.

3.4　小流域群落生物量与生产力的关系

经测定,5个次生灌丛群落的生产力依次分别为5.31、4.57、5.72、6.44、6.17t (hm2・a)。从研究区各植被类型的地上部生物量和生产力关系(图1)来看,生物量较高的群落类型,生产力也较高,两者呈显著线性相关关系,回归方程为Y=3.1995+ 0.1939X(P<0.01,r=0.9224),回归关系极显著(图

2)。该结果与金小华等对亚热带次生灌丛的研究[5]结果一致。这说明黄土丘陵区小流域次生灌丛生产力的空间分布也具有与生物量相似的特征。

图1　地上部生物量和生产力比较

.沙棘灌丛; .狼牙刺灌丛; .虎榛子灌丛; .黄刺玫灌丛; .杂灌F ig.1　Comparison of aboveground bi om ass and p roductivity

.H ipp op hae rham noides shrub; .S op hora v iciif olia shrub;

.O stry op sis dav id iana shrub; .R osa hugonis shrub;

.L onicera nervosa,Sp iraea spp.and H ipp op hae rham noides shrub

5631

8期刘江华,等:黄土丘陵区小流域次生灌丛群落生物量研究

图2　生物量和生产力的关系

F ig.2　Co rrelati on betw een b i om ass and p roductivity

4　讨　论

干旱半干旱区植被生物量积累和生产力水平受到水分条件的制约,这一点在众多学者中已有共识[3,7,8]。在很大程度上,黄土丘陵区次生灌丛生物量和生产力在小流域的空间分布正是水分生态条件影响的结果。

对地表枯落物量和植被覆盖度与水土流失的关系已有比较充分的研究[3],普遍的观点是地表枯落物和较高的植被覆盖度能够减少地表径流,控制水土流失。次生灌丛的生物量和生产力与这两个指标密切相关,测定资料表明,次生灌丛群落生物量与群落覆盖度、地表枯落物量呈正相关关系,生物量大的群落其覆盖度高,枯落物量多;生物量较小的群落其覆盖度较低,枯落物量少。所以,生物量高的次生灌丛具有较高的水土保持效益。在植被建设中应分地区选择几种主导造林树种,做到树种空间配置的科学合理,以期获得较高的生物产量,形成稳定的植物群落,获得较高的水土保持效益。

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