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植被退化定量監(jiān)測與評價研究進(jìn)展

2010-08-15 00:48:03上官鐵梁李新平武秀娟
山西林業(yè)科技 2010年2期
關(guān)鍵詞:生物量草地植被

安 雁 ,上官鐵梁 ,李新平 ,武秀娟

(1.山西大學(xué)黃土高原研究所 ,山西 太原 030006;2.山西省林業(yè)科學(xué)研究院,山西 太原 030012)

近 60 a來,由于人類不合理的活動及不利自然因素的影響,導(dǎo)致一系列環(huán)境失調(diào)問題,特別是陸地植被的大規(guī)模破壞已經(jīng)極大地威脅到人類自身的生存和發(fā)展[1,2]。從20世紀(jì)60年代學(xué)術(shù)界就開始關(guān)注植被退化問題,在植被退化程度、退化的驅(qū)動力與退化防治對策等方面都進(jìn)行過較為系統(tǒng)的研究[3,4]。本文重點(diǎn)對植被退化的研究歷程和退化程度的定量監(jiān)測評價方法加以回顧與總結(jié),旨在為相關(guān)領(lǐng)域的深入研究提供理論參考。

1 研究歷程

植被退化的研究始于20世紀(jì)60年代,最初關(guān)注的是放牧條件下草地植被退化和森林植被皆伐后的灌叢演替,在研究方法上沿用了數(shù)量生態(tài)學(xué)方法。經(jīng)過30多年的研究基本形成了較成熟的理論體系,植被退化的評價方法也日趨完善。1989年我國特大洪水發(fā)生后,植被退化對森林水文造成了全國性災(zāi)害,其損失是建國后少有的,這就使得植被退化研究成為學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)。其中,森林植被退化的成因和森林植被保護(hù)及恢復(fù)研究成為植被退化研究領(lǐng)域的主流,研究空間展開到全國不同地域。

21世紀(jì)以來,應(yīng)用 3S技術(shù)對大空間尺度的植被退化研究成果頗多[5-9],這些研究成果把人類認(rèn)識植被退化的視角從局部近距離直接介入性的研究推向區(qū)域性整體的定量模擬研究。廣泛定量化分析手段的應(yīng)用,極大地提高了植被退化理論研究的深度和可預(yù)見性。植被退化的研究對象涵蓋了森林、草地和灌叢等多樣性植被類型,研究內(nèi)容包括植被退化的成因、退化過程和機(jī)理、退化植被生態(tài)特征等方面。研究理論更加系統(tǒng),研究方法日臻完善,從而為植被退化的研究提供了全面系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)[10-13]。

2 研究方法

植被退化的分異性通常是采用梯度觀測或干擾強(qiáng)度測定而實(shí)現(xiàn)的,如:過度放牧區(qū)可通過考察放牧強(qiáng)度變化,進(jìn)而分析放牧區(qū)植被退化的空間格局隨放牧強(qiáng)度的梯度變化[14]。借助排序法確定區(qū)域植被退化梯度被認(rèn)為是有效的方法,通過排序能夠反映出植被群落隨主要環(huán)境因子的變化情況,進(jìn)而確定出不同退化程度植被群落的分布格局[15]。據(jù)此,可由植被退化的不同梯度定量評價退化程度。

植被退化評價包括單項(xiàng)因子與多項(xiàng)因子的評價。單項(xiàng)因子評價是采用植被層的指示種、標(biāo)志種、生物量等指標(biāo)之一對植被退化程度進(jìn)行監(jiān)測評價。多項(xiàng)因子評價是采用植被層的多個數(shù)量指標(biāo)或植被—土壤理化性質(zhì)、植被—土壤微生物、植被—土壤種子庫對植被退化程度進(jìn)行監(jiān)測評價。在對植被退化程度采用植被—土壤系統(tǒng)評價時,通常對土壤因子與植被層的部分?jǐn)?shù)量指標(biāo)建立回歸等統(tǒng)計模型,進(jìn)而確定植被退化的程度。

2.1 單項(xiàng)因子的植被退化評價

2.1.1 指示種或標(biāo)志種評價

種類組成變化是植被演替的結(jié)果,他能夠反映植被退化的性質(zhì)和趨勢。在數(shù)量生態(tài)學(xué)方法的基礎(chǔ)上,采用統(tǒng)計學(xué)方法篩選出能反映不同退化程度的指示種或標(biāo)志種,運(yùn)用這些物種的數(shù)量特征可對植被退化梯度的植物群落類型做出定量評價。樊勝岳等[16]通過指示種狼毒的蓋度將植被群落劃分為不同程度的退化等級,并判定天然草原植被群落優(yōu)勢種逐漸由狼毒替代。 Lakhdar和 Daniel[17]對美國懷俄明州Thunder盆地國家草原進(jìn)行主成分分析和聚類分析,篩選出能反映不同退化程度的主要植物,通過對主要植物指數(shù)判別分析,建立了不同退化系列的動態(tài)監(jiān)測模型,提出最大監(jiān)測值所對應(yīng)的退化指數(shù)就是該植被當(dāng)前所處的退化階段的觀點(diǎn)。我國內(nèi)蒙古錫林郭勒草地退化程度的等級由主成分分析和聚類分析篩選出的主要植物物種來反映,所建立的不同退化程度的動態(tài)監(jiān)測模型表明:最小監(jiān)測值所對應(yīng)的退化程度可代表該區(qū)域草地當(dāng)前所處退化階段[18]。

2.1.2 生物量評價

植物群落的生物量生產(chǎn)力是研究森林物質(zhì)生產(chǎn)和群落養(yǎng)分動態(tài)的基礎(chǔ)[19],然而傳統(tǒng)研究只是采用樣方收獲法或回歸模型法測定生物量,從而對不同退化系列的植被群落進(jìn)行定量評價。魏興虎等[14]通過方差分析對那曲高寒草甸圍欄禁牧區(qū)和不同程度放牧區(qū)地上現(xiàn)存總生物量及建群種生物量兩兩之間進(jìn)行比較,進(jìn)而客觀、定量地評價出該放牧區(qū)植被退化的相異程度。近年來運(yùn)用地統(tǒng)計學(xué)理論對生物量空間分布異質(zhì)性的研究也受到關(guān)注。Huenneke[20]對美國新墨西哥州 Chihuanhuan沙漠植被研究后,指出半干旱草地退化到荒漠灌叢,灌叢植被生產(chǎn)力的空間分布異質(zhì)性增強(qiáng)。安樹青等[21]采用地統(tǒng)計學(xué)軟件對鄂爾多斯草地荒漠化過程中的不同植物群落個體生物量建立最優(yōu)模型后,定量評價出不同退化程度植物群落的空間分布異質(zhì)性。

2.2 多項(xiàng)因子的植被退化評價

2.2.1 植被層的多個數(shù)量指標(biāo)評價

將單一指標(biāo)作為植被退化的分類依據(jù)往往會出現(xiàn)一定偏差,采用多指標(biāo)綜合判斷植被退化程度能夠更客觀準(zhǔn)確地反映退化現(xiàn)狀[14]。因此,采用多指標(biāo)綜合評價植被退化的研究相對較多。如:劉東霞等對呼倫貝爾退化草地的高度、蓋度、密度、地上生物量、物種多樣性[22,23]、質(zhì)量指數(shù)[24]及群落結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行定量分析后,評價出該草地不同退化程度的狀況[25]。李裕元等[26]對黃土高原紫花苜蓿草地不同退化階段群落結(jié)構(gòu)組成、種群密度、重要值及總生產(chǎn)力定量分析后,評價出了各階段的退化特征。樊勝岳等[27]在甘肅省祁連山區(qū)對退化草地群落優(yōu)勢種的地上生物量、密度、蓋度、重要值及物種多樣性進(jìn)行定量分析后,評價出該地區(qū)草地所處的不同退化程度。馬世震等[28]在黃河源頭比較了退化區(qū)與未退化區(qū)的植被蓋度、物種多樣性及群落結(jié)構(gòu)組成,進(jìn)而定量分析出該地區(qū)高寒草原退化的特征。全曉毅等[29]在青海省共和盆地比較了退化區(qū)與未退化區(qū)的群落結(jié)構(gòu)組成、植被蓋度及物種多樣性,從而定量評價了該地區(qū)溫性草原退化的特征。

2.2.2 基于土壤理化性質(zhì)的評價

20世紀(jì) 90年代初,張為政等[30-32]采用回歸分析方法對松嫩平原不同退化程度的牧草的相對蓋度、重要值及相對地上生物量與土壤電導(dǎo)率和堿化度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究,并得到合理的結(jié)果。近年來,曲國輝等[33]在松嫩平原通過對不同退化階段群落生物量與土壤 pH值、含鹽量、堿化度、土壤腐殖質(zhì)和全氮含量進(jìn)行一元回歸分析,得到群落的生物量與土壤 pH值、含鹽量、堿化度呈負(fù)相關(guān),與土壤腐殖質(zhì)和全氮含量呈正相關(guān)的結(jié)論。文海燕等[34]在內(nèi)蒙古科爾沁退化沙質(zhì)草地采用 Spearman's次相關(guān)分析和回歸分析法描述各退化階段草本植被與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系,并得出退化過程中草本植被各數(shù)量特征與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及有效氮含量呈極顯著正相關(guān)水平的結(jié)論。也有一些學(xué)者未采用任何統(tǒng)計學(xué)方法,但也得出較為合理的結(jié)論。如:周華坤等與張勁峰等[35,36]分別對青藏高原高寒草甸和云南西北亞高山林地退化植被—土壤系統(tǒng)進(jìn)行了評價,在劃分好的各個退化程度不同的草地和林地上,分別采用植被數(shù)量指標(biāo)和土壤理化指標(biāo)對其進(jìn)行評價,最后得到了較為客觀合理的結(jié)論。曹廣民等[37]在中國科學(xué)院海北生態(tài)定位站研究高寒草甸—土壤系統(tǒng)時,利用土壤—牧草氮素的供需情況來評價處于不同退化階段的草甸類型,表明前 3個退化程度依次加重的草甸類型的需氮總量依次增多,并且都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出其土壤氮素供給,只有退化程度最嚴(yán)重的雜類草草甸的需氮總量才低于其土壤氮素的供給。

由于植被類型是以群落優(yōu)勢種為指標(biāo)的,所以,研究植被類型與土壤理化性質(zhì)關(guān)系時,只需對不同退化程度的草地類型或林地類型的土壤理化因子進(jìn)行定量分析,即可達(dá)到監(jiān)測評價的目的。李貴才等[38-40]在云南哀牢山中山濕性常綠闊葉林地區(qū),采用單因素方差分析和 Duncan多重比較檢驗(yàn)分析了不同退化程度林地類型土壤無機(jī)氮庫的差異,作為有效氮主要形式的銨態(tài)氮呈極顯著正相關(guān)水平,硝態(tài)氮差異也呈極顯著水平,但硝態(tài)氮的含量遠(yuǎn)低于銨態(tài)氮。

2.2.3 基于土壤微生物的評價

土壤微生物在土壤中的數(shù)量和分布既反映了土壤各因子對微生物的影響,也反映了微生物對植物生長發(fā)育、土壤肥力的影響和作用[41,42]。人天志指出土壤微生物指標(biāo)被公認(rèn)為是生態(tài)系統(tǒng)變化的預(yù)警和敏感指標(biāo)[43]。國內(nèi)外對退化植被—土壤微生物系統(tǒng)的研究報道也較多。Stephan A等[44]在2000年開展了植物多樣性與草地土壤微生物關(guān)系的研究,在數(shù)據(jù)分析中采用多元逐步回歸方法對物種多樣性與土壤微生物類群菌數(shù)進(jìn)行相關(guān)性分析。尚占環(huán)等[45]于 2007年在青藏高原江河源區(qū)對不同退化程度的草地的植被數(shù)量特征與土壤微生物相關(guān)分析得知細(xì)菌數(shù)量與植被蓋度呈正相關(guān),真菌數(shù)量與植被物種數(shù)呈顯著正相關(guān),放線菌數(shù)量與植被總生物量呈顯著負(fù)相關(guān)。林超峰等[46]于2007年在青海三江源通過比較不同植被類型生態(tài)區(qū)土壤微生物數(shù)量得知土壤微生物3大類群菌數(shù)隨退化程度的加重呈下降趨勢,真菌和放線菌的種類組成趨于簡單化。

2.2.4 基于土壤種子庫的評價

土壤種子庫是一個潛在的植物群落體系,是退化植被恢復(fù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ),可以在一定程度上反映植被的未來發(fā)展方向,對植被的演替和更新具有重要的意義[48]。鑒于此,通過植被—土壤種子庫來評價植被退化程度具有非常重要的意義。但是,對土壤種子庫的調(diào)查相對繁瑣,因?yàn)橥寥乐械姆N子要采用萌發(fā)試驗(yàn)才能研究其數(shù)量特征,進(jìn)而與地表植被的數(shù)量特征進(jìn)行比較分析。 Touzard B等[47]在法國西部研究過濕地退化對土壤種子庫和地表植被的影響[48]。國內(nèi)于 21世紀(jì)初開展過此類研究,如:徐海量等[49,50]在塔里木河下游選出不同程度的退化區(qū)作為研究對象,調(diào)查各個退化區(qū)樣地內(nèi)的植物種類、各種個體數(shù)、各種蓋度和各種頻度,并計算其生物多樣性。種子庫與地表植被的相似性采用Sorensen相似性系數(shù)計算,結(jié)果表明:隨著退化程度的加重,地上植被密度和蓋度普遍降低;土壤種子庫密度呈下降趨勢,物種減少,多樣性指數(shù)降低,優(yōu)勢種組成趨于單一;土壤種子庫物種組成與地表植被物種組成的相似性呈遞減趨勢。沈有信等[51]在云南東南部典型巖溶地點(diǎn)調(diào)查并計算了不同退化植被類型土壤種子庫的數(shù)量、密度、垂直分布,以及各生活型的主要物種及其種子儲量占總儲量的比例,總結(jié)出各退化區(qū)域種子密度都隨土層的加深而逐漸減少,且隨著退化程度的加重,減少的趨勢也會加重。歐祖蘭等[52]在廣西西南峰叢洼地對不同退化階段植被土壤種子庫的密度、物種類型及豐富度、種子垂直分布格局進(jìn)行調(diào)查,并分析了草叢階段到喬灌林階段地上植被與土壤種子庫的相關(guān)性,得知二者間的相關(guān)性呈降低趨勢。

3 問題與展望

植被退化研究的方法缺乏綜合與集成,雖然部分研究已逐步注重定量化,但多數(shù)研究仍局限在單項(xiàng)技術(shù)或方法上,并且方法也千差萬別,如:對不同區(qū)域植被層的物種評價結(jié)果與生物量評價結(jié)果根本無法比較,某一區(qū)域中植被與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系與另外區(qū)域植被與土壤微生物的關(guān)系也同樣無法比較。因此對各評價方法的優(yōu)化集成和綜合化是當(dāng)務(wù)之急。另外,研究方法仍然多以定性分析為主,缺乏更深入的定量研究,也缺乏多學(xué)科、多角度、全面研究植被退化的視野[53]。目前由 Ludwig JA等[54]針對牧場和礦區(qū)編寫的景觀功能監(jiān)測與評價方法(Landscape Function Analysis LFA)已經(jīng)引入我國,他是一種全面系統(tǒng)、快速簡單的監(jiān)測評價方法,預(yù)計未來將會在我國乃至世界的植被退化監(jiān)測評價中發(fā)揮很大的作用。

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