薛興燕, 韋亞南, 吳明作, 王 謙, 陳景玲
(河南農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,河南 鄭州 450002)
農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)實(shí)踐中受到了普遍關(guān)注與重視,從生態(tài)系統(tǒng)的分類體系[1~3]、種間關(guān)系[4,5]、生態(tài)過(guò)程[6,7]、經(jīng)營(yíng)效益[8,9]、規(guī)劃設(shè)計(jì)[10]、穩(wěn)定性[11]、研究方法[3]等諸方面均有許多報(bào)道.但在基礎(chǔ)理論、最優(yōu)模式、研究尺度、研究手段等方面尚需進(jìn)一步深入研究[12,13].從景觀至生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)等多層次研究其多樣性特征,可以闡明其結(jié)構(gòu)配置與模式優(yōu)化、生產(chǎn)力影響、多層次研究與監(jiān)測(cè)生物多樣性變化等問(wèn)題[13~15],也可以為生態(tài)系統(tǒng)的健康和可持續(xù)性研究提供基礎(chǔ)理論與方法[11,15],從而為農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)高效、穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)的發(fā)展模式提供理論依據(jù)[13];但相關(guān)研究的報(bào)道較少[15,16].河南省黃淮海平原地區(qū)是中國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)與核心區(qū),歷史以來(lái)由于黃河改道和決口、風(fēng)沙與干熱風(fēng)等嚴(yán)重制約了糧食生產(chǎn)[17].經(jīng)過(guò)數(shù)代人堅(jiān)持不懈的努力探索與發(fā)展,目前已形成了網(wǎng)、帶、點(diǎn)、片相結(jié)合的農(nóng)田防護(hù)林體系,促進(jìn)了不同類型農(nóng)林復(fù)合經(jīng)營(yíng)模式的發(fā)展,產(chǎn)生了良好的生態(tài)、經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益[18],對(duì)于遏制土壤沙化再生等起到了重要作用.也有相關(guān)的研究報(bào)道[19,20],但對(duì)于生物多樣性,特別是多層次的研究尚未見(jiàn)報(bào)道.本研究對(duì)河南省黃淮海平原地區(qū)的農(nóng)林復(fù)合及其相關(guān)生態(tài)系統(tǒng)的景觀多樣性及其結(jié)構(gòu)特征、物種多樣性等進(jìn)行研究,從景觀、生態(tài)系統(tǒng)與群落等層次闡明其多樣性與結(jié)構(gòu)特征,為農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)配置、模式選擇與優(yōu)化、生物多樣性的多層次研究與監(jiān)測(cè)等提供基礎(chǔ)依據(jù)與方法探索,從而為保障糧食主產(chǎn)區(qū)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供依據(jù).
河南省黃淮海平原位于黃淮海平原西南部(32°08′~36°21′N,112°51′~116°35′E),自安陽(yáng)縣西沿太行山東麓的丘陵平原分界線(海拔100 m),南過(guò)黃河沿伏牛山余脈丘陵與平原分界線到信陽(yáng)明港,再沿淮河干流到三河尖與安徽省淮北平原相連,土地面積87 547 km2,占全國(guó)黃淮海平原面積的25.61%,占全省總面積的52.38%[17,21],行政上自北向南包括安陽(yáng)、鶴壁、濮陽(yáng)、焦作、新鄉(xiāng)、鄭州、開(kāi)封、商丘、許昌、漯河、周口、駐馬店、信陽(yáng)等市的全部或一部分,共計(jì)84個(gè)縣(市、區(qū)).
研究區(qū)域?qū)倥瘻貛О霛駶?rùn)向北亞熱帶濕潤(rùn)區(qū)過(guò)渡帶的大陸性季風(fēng)氣候區(qū),年平均氣溫13~15 ℃,全年無(wú)霜期190~230 d,日照時(shí)數(shù)2 100~2 600 h,光熱量資源較充足;年平均降水量607~1 200 mm,由北往南逐漸遞增,但降水年際、年內(nèi)分配很不均勻,夏季降水集中,且多以暴雨出現(xiàn),年平均水面蒸發(fā)量1 300~1 600 mm,由北向南逐漸遞減[17,21].
區(qū)域地勢(shì)西高東低,具有整體上寬廣坦蕩,微地形波浪起伏的地貌特征,除西部邊緣零散分布以黃土類為主的丘陵崗臺(tái)地外,主要為沖積平原、洼地與風(fēng)積沙丘沙地等.土壤主要有褐土、潮土、鹽漬土和沙姜黑土等,西部主要為褐土,黃河沖積平原主要為潮土和鹽漬土,淮北沖積平原主要為沙姜黑土,其次為黃剛土、水稻土.
2.1調(diào)查地點(diǎn)選擇
河南省黃淮海平原地理跨度較大,但具有代表性與典型性且為主體的部分大致位于京廣線以東的中部與北部區(qū)域(114°~116°E、34°~36°N),故在此區(qū)域內(nèi)按照經(jīng)緯度選取共10個(gè)縣(市、區(qū))作為調(diào)查地點(diǎn);在每個(gè)縣(市、區(qū))內(nèi)分別選取至少2個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)或2個(gè)樣區(qū)進(jìn)行調(diào)查.調(diào)查地點(diǎn)有內(nèi)黃縣(楚旺鄉(xiāng)、東莊鄉(xiāng)、后河鎮(zhèn)),清豐縣(陽(yáng)邵鄉(xiāng)、古城鄉(xiāng)),濮陽(yáng)縣(渠村鄉(xiāng)、習(xí)城鄉(xiāng)、海通鄉(xiāng)),原陽(yáng)縣(太平鎮(zhèn)、王村),蘭考縣(葡萄架鄉(xiāng)、小宋鄉(xiāng)),民權(quán)縣(民權(quán)林場(chǎng)設(shè)2個(gè)樣區(qū)),新鄭市(薛店鎮(zhèn)、孟莊鎮(zhèn)),商丘市梁園區(qū)(觀堂鄉(xiāng)、劉口鄉(xiāng)、黃河故道森林公園),西華縣(皮營(yíng)鄉(xiāng)、奉母鎮(zhèn)),鄲城縣(虎崗鄉(xiāng)、雙樓鄉(xiāng)).
2.2調(diào)查方法
在對(duì)上述選定的各鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行踏察后選取代表性地段,依據(jù)某一特征明顯的地標(biāo)物(如道路、溝渠等),沿與將要調(diào)查的林帶(網(wǎng))或其它種植物走向垂直的方向前進(jìn),設(shè)定長(zhǎng)方形的調(diào)查樣帶(區(qū)),其長(zhǎng)度為1~2 km、寬度為100~500 m,使調(diào)查的最小面積達(dá)到10 hm2.在樣帶(區(qū))內(nèi)選取代表性的生態(tài)系統(tǒng)類型,按照群落生態(tài)學(xué)的方法確定結(jié)構(gòu)調(diào)查樣地,每個(gè)類型至少調(diào)查2~3個(gè)樣地;成片類型(如片林等)的樣地大小至少為10 m×10 m,線狀類型(如林帶等)的樣地長(zhǎng)度至少為100~200 m.在調(diào)查樣地內(nèi)分別設(shè)置2 m×2 m,1 m×1 m的小樣方各3個(gè),用于調(diào)查灌木、農(nóng)作物與其它草本.
調(diào)查時(shí)間為2012-07—2012-09,調(diào)查時(shí),每個(gè)樣帶(區(qū))、調(diào)查樣地的起始點(diǎn)均用GPS定位,并記錄相關(guān)的環(huán)境信息.主要調(diào)查內(nèi)容如下:樣區(qū)內(nèi)調(diào)查生態(tài)系統(tǒng)類型、種類組成及其數(shù)量特征、層次結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)度與寬度、株距、行距,等.樣地內(nèi)對(duì)喬木進(jìn)行每木調(diào)查,主要調(diào)查因子包括高度、胸徑、基徑、冠幅或葉面積等.小樣方內(nèi)對(duì)灌木與草本分別調(diào)查種類、數(shù)量、高度、蓋度等;對(duì)于農(nóng)作物則調(diào)查種類、密度、高度、透光率等.
2.3指標(biāo)計(jì)算
以實(shí)際調(diào)查樣帶(區(qū))的面積之和為總面積,以各生態(tài)系統(tǒng)類型為斑塊,分別計(jì)算其斑塊數(shù)、周長(zhǎng)、面積,由此可計(jì)算其景觀結(jié)構(gòu)特征指標(biāo).各指標(biāo)的計(jì)算公式與意義見(jiàn)表1[15,22],其中多樣性指數(shù)也可用于計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物種多樣性,此時(shí)Pi表示物種的個(gè)體數(shù)之比.
表1 選用的景觀格局指標(biāo)
3.1景觀斑塊類型
國(guó)內(nèi)外對(duì)農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的類型進(jìn)行了多種途徑的劃分[3,12],其中樊魏等的劃分方法主要針對(duì)河南省平原地區(qū)[2],本研究側(cè)重于境內(nèi)黃淮海平原地區(qū)的農(nóng)林復(fù)合生態(tài)系統(tǒng),但同時(shí)調(diào)查了區(qū)域內(nèi)常見(jiàn)的其它生態(tài)系統(tǒng)類型,故采用了該分類系統(tǒng),并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行了歸并與增加.根據(jù)調(diào)查結(jié)果,主要類型及其基本特征見(jiàn)表2.表2中的林經(jīng)系統(tǒng)為喬木與經(jīng)濟(jì)藥材(金銀花)、花卉(玫瑰)等的間作,與農(nóng)(金銀)花類型不完全一致,故另計(jì)一個(gè)系統(tǒng)類型.
根據(jù)樊魏等的分類系統(tǒng)[2],各亞系統(tǒng)內(nèi)喬木種類的不同,即代表了不同的生態(tài)系統(tǒng)類型(但果園、苗圃、廊道、村落林等未區(qū)分).依此分類,在所調(diào)查的10個(gè)縣(市、區(qū))內(nèi),共出現(xiàn)了9種系統(tǒng)類型(林蜂系統(tǒng)與片林短期林糧間作、防風(fēng)固沙林等為相同地塊的不同利用方式,故歸入其中之一的防風(fēng)固沙林內(nèi))、19個(gè)亞系統(tǒng)類型(表2中的農(nóng)田系統(tǒng)類型包含有糧食作物、經(jīng)濟(jì)作物、溫室大棚3個(gè),廊道類型包含有線性水體如河、溝、渠以及道路等2個(gè))、39個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類型.在各系統(tǒng)類型中,除林經(jīng)、林牧、林漁、濕地4個(gè)系統(tǒng)類型外,其它各系統(tǒng)類型在所調(diào)查各地點(diǎn)均可見(jiàn)到;而且在不同生態(tài)系統(tǒng)類型中,植物的株行距、高度等變化很大,說(shuō)明了各類型分布的廣泛性及其本身特征的多樣性.
表2 主要斑塊類型及其基本特征
3.2景觀格局及其多樣性
將所有調(diào)查的地點(diǎn)看作為黃淮海平原地區(qū)景觀格局的代表性區(qū)域,將其中的不同生態(tài)系統(tǒng)類型作為該景觀中的一種斑塊,分別計(jì)算景觀結(jié)構(gòu)的各個(gè)特征指標(biāo),結(jié)果見(jiàn)表3.由表3可知,在所調(diào)查的總計(jì)609個(gè)斑塊(生態(tài)系統(tǒng)類型)中,林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)有267個(gè),農(nóng)業(yè)系統(tǒng)140個(gè),廊道系統(tǒng)141個(gè),其它類型均不超過(guò)40個(gè).主要的斑塊類型為片林短期間作、防風(fēng)固沙片林、農(nóng)田林網(wǎng)、農(nóng)林間作以及農(nóng)田、道路等.以斑塊總面積而言,林農(nóng)系統(tǒng)(850.531 8 hm2)>農(nóng)業(yè)系統(tǒng)(238.374 3 hm2)>其他(85.230 4 hm2)>廊道系統(tǒng)(58.467 7hm2);說(shuō)明在河南省黃淮海平原區(qū)域,林農(nóng)系統(tǒng)占有一定優(yōu)勢(shì),按照景觀生態(tài)學(xué)的判別標(biāo)準(zhǔn),可以認(rèn)為林農(nóng)系統(tǒng)是調(diào)查區(qū)域內(nèi)的景觀基質(zhì);這種基質(zhì)由道路、河流、溝渠等廊道系統(tǒng)連貫為一個(gè)整體(本研究所調(diào)查的廊道系統(tǒng)均有在其兩側(cè)或一側(cè)種植的單行或多行喬木樹(shù)種),以村落林、片林及廊道系統(tǒng)的交叉點(diǎn)為節(jié)點(diǎn),共同構(gòu)成了該區(qū)域的點(diǎn)-線-面結(jié)合的農(nóng)田防護(hù)林體系;表明了在河南省黃淮海平原中,農(nóng)田防護(hù)林體系建設(shè)具有良好成效,并以其生態(tài)環(huán)境改善效益為該地區(qū)農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)保障[17,20].
表3 景觀結(jié)構(gòu)特征指標(biāo)
在各斑塊類型中,林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)的平均斑塊面積及其標(biāo)準(zhǔn)差最大,破碎度指數(shù)相對(duì)較大,表明其景觀破碎度較大.主要是因?yàn)樵谠摪邏K類型中,有大面積的農(nóng)田林網(wǎng)存在;也說(shuō)明了在該斑塊的實(shí)際運(yùn)用中,往往根據(jù)具體地塊形狀因地制宜地發(fā)展了小塊的平原林業(yè),從而促進(jìn)了農(nóng)田防護(hù)林體系的建設(shè),但在設(shè)計(jì)與建設(shè)時(shí),應(yīng)注意與各種廊道系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)性.
農(nóng)田系統(tǒng)的總面積較大,而平均斑塊面積及其標(biāo)準(zhǔn)差較小,但其破碎度指數(shù)較大.河南省黃淮海平原區(qū)域是中國(guó)的糧食主產(chǎn)區(qū)和核心區(qū),連續(xù)大面積耕作有利于農(nóng)業(yè)生產(chǎn),因此,在實(shí)際生產(chǎn)中,既要注意充分利用土地,也應(yīng)注意其整體連通性.
平均斑塊面積最小的2種斑塊(林牧系統(tǒng)、廊道系統(tǒng))的破碎度指數(shù)最大,這主要是由于土地的適宜性利用,以及各種鄉(xiāng)間小路與生產(chǎn)道路的密度較大所引起的.對(duì)于后者,如果能充分利用路旁空地,種植適宜的樹(shù)種,可以起到景觀聯(lián)結(jié)的作用.
區(qū)域內(nèi)各種斑塊的形狀較為簡(jiǎn)單,平均斑塊分維數(shù)在1.0~1.5之間,與已有研究報(bào)道基本一致[15,22],也符合平原地區(qū)的土地利用特點(diǎn).黃淮海平原景觀多樣性指數(shù)為1.053 5,均勻度指數(shù)為0.479 5,指標(biāo)值并不高,但比北京順義區(qū)的多樣性指數(shù)要大些[15].
3.3群落物種多樣性
調(diào)查典型生態(tài)系統(tǒng)類型的群落結(jié)構(gòu),并計(jì)算其物種多樣性指數(shù)(表4).表4表明,各典型群落內(nèi),喬木層與灌木層的種類組成十分簡(jiǎn)單,灌木層僅濕地群落內(nèi)有2種,喬木層則在3個(gè)群落類型中均只有1種;相對(duì)而言,各群落內(nèi)草本層的物種組成較為豐富,物種數(shù)較多,該層次的多樣性指數(shù)相對(duì)比較高.可以認(rèn)為,在河南省黃淮海平原地區(qū)內(nèi),群落的物種豐富度及其多樣性指數(shù)主要受其中的草本層的影響,與其他研究結(jié)論一致[15].由表4還可看出,各群落的多樣性指數(shù)變化大,介于0.09~2.32之間.在道路旁、溝渠邊的草本群落以及片林邊緣等地,因草本植物組成較豐富而使其多樣性指數(shù)較高;而與農(nóng)田相關(guān)的間作系統(tǒng)的多樣性指數(shù)均較低.多樣性指數(shù)較低的3個(gè)群落,主要原因是受種植的影響(如農(nóng)田),或者是下層草本受抑制(如楊樹(shù)林內(nèi)),或者是某一種草本占優(yōu)勢(shì)(如棗農(nóng)間作地內(nèi)馬唐與紅薯的個(gè)體數(shù)占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)).
調(diào)查結(jié)果說(shuō)明了在該平原區(qū)域內(nèi),由于人類開(kāi)發(fā)早且歷來(lái)干擾很大,使得群落的組成變得簡(jiǎn)單,群落的穩(wěn)定性相對(duì)較小,對(duì)開(kāi)展生物防治、提高生產(chǎn)力等并不有利[14].
需要注意的是,調(diào)查區(qū)域內(nèi)分布有國(guó)家二級(jí)重點(diǎn)保護(hù)植物野大豆(漸危種).所調(diào)查到的野大豆主要分布于黃河濕地范圍內(nèi)且集中分布較多(多在水域附近),也有部分地區(qū)零星分布;生長(zhǎng)狀況均較良好.在集中分布地內(nèi),野大豆占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì),常匍匐生長(zhǎng),高度約50~70 cm,覆蓋度達(dá)90%及以上,其它植物基本無(wú)或少有生長(zhǎng);表4所示為其零星分布地的群落特征.由表4知,野大豆分布的群落內(nèi),種類組成較為豐富,多樣性指數(shù)較高,較好的群落穩(wěn)定性將有利于其物種保護(hù).
表4 主要群落類型及其物種多樣性指數(shù)
1)河南省黃淮海平原的景觀要素類型比較豐富,在10個(gè)縣(市、區(qū))調(diào)查到了9種系統(tǒng)類型、19個(gè)亞系統(tǒng)類型、39個(gè)生態(tài)系統(tǒng)類型,其中,林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)、農(nóng)田系統(tǒng)與廊道系統(tǒng)等分布較為廣泛.
2)在河南省黃淮海平原區(qū)域的景觀格局中,林農(nóng)系統(tǒng)是景觀基質(zhì),通過(guò)廊道系統(tǒng)聯(lián)結(jié)村落林及片林,構(gòu)成了區(qū)域性的點(diǎn)-線-面結(jié)合的農(nóng)田防護(hù)林體系,在未來(lái)發(fā)展中,應(yīng)考慮持續(xù)進(jìn)行林農(nóng)復(fù)合生態(tài)系統(tǒng)建設(shè),為該地區(qū)農(nóng)業(yè)的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)保障.
3)在景觀各斑塊中,平均斑塊面積不大,而其標(biāo)準(zhǔn)差與破碎度指數(shù)相對(duì)較大,平均斑塊分維數(shù)較小,斑塊形狀較簡(jiǎn)單,因此在其景觀規(guī)劃與建設(shè)中,既需要注意充分利用土地,也應(yīng)考慮各斑塊與廊道系統(tǒng)的聯(lián)結(jié)性以及景觀的整體連通性.
4)典型斑塊的群落結(jié)構(gòu)中,喬木層與灌木層的物種組成簡(jiǎn)單,豐富度與多樣性指數(shù)均較低,群落的物種豐富度及其多樣性指數(shù)主要受其中草本層的影響.這主要與人為干擾下的種植結(jié)構(gòu)或群落的上層結(jié)構(gòu)等有關(guān),因此,應(yīng)注意進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整,營(yíng)造仿自然的防護(hù)林體系,有利于維持各生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,發(fā)揮農(nóng)田防護(hù)林的生態(tài)環(huán)境效益.
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