兩種封育模式下植被特征與土壤水分關系研究

1、本科畢業(yè)論文題 目 兩種封育模式下 植被特征與土壤水分關系研究 學 院 林學院 專 業(yè) 水土保持與荒漠化防治 畢業(yè)屆別 2011屆 姓 名 指導教師 職 稱 講 師 甘肅農業(yè)大學教務處制 二一一年六月目 錄摘要1引言11 研究區(qū)概況與研究方法及內容211研究區(qū)概況212 研究方法及內容213 數(shù)據處理32 結果與分析321 兩種封育模式下的植被特征322 兩種封育模式下土壤含水量垂直分布特征523 植被特征值與土壤水分的關系6231 植被特征值與土壤含水量的關系6232植被特征值與土壤貯水量的關系83 結論8參考文獻9Abstract10致 謝11兩種封育模式下植被特征與土壤水分關系研究（甘肅

2、農業(yè)大學林學院 蘭州 ）摘要：在干旱條件下，水分是影響植物生存、生長發(fā)育和環(huán)境對植被支持力的主要因素，直接影響到沙區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)的恢復和重建，而植被恢復與重建是防治土地沙漠化的主要措施。本研究以騰格里沙漠東南邊緣的景泰縣綠洲外圍封育沙地為研究對象，運用統(tǒng)計學的理論與研究方法，對天然植被封育區(qū)和人工種植+圍欄封育區(qū)兩種封育模式下的植被特征與土壤水分特征進行分析研究。綜合闡述了綠洲外圍植被對水文環(huán)境變化而產生的響應，實驗包括植被種類的調查，植被的冠幅、株高的調查以及土壤含水量的調查。結果表明，小灌木冠幅與淺層（040cm）土壤含水量成正相關，而大灌木冠幅對深層（80140cm）土壤含水量依賴性有關

3、；在人工種植+圍欄封育區(qū)，植被對土壤水分的依賴性高于天然植被封育區(qū)。關鍵詞：沙蒿；檸條；植被特征；土壤水分；封育模式引言綠洲外圍封沙育林草區(qū)是綠洲荒漠化的第一道防線，是人工綠洲建立的環(huán)境基礎，是綠洲生態(tài)安全保障體系的有機組成，在荒漠化向綠洲侵入過程中起著吸納和緩沖的作用，對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)結構和功能的維持具有重要的作用1。同時，圍欄封育使群落組成比例和主要群落類型發(fā)生明顯變化，從而提高植物群落的生產力、增加生態(tài)系統(tǒng)的物種多樣性和促進沙草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復2。綠洲外圍沙化地區(qū)植被恢復與利用在干旱區(qū)已經成為普遍問題，也成為我國西部開發(fā)戰(zhàn)略中極富挑戰(zhàn)性的難題，引起了國內外政治界和學術界的高度關注，因此，

4、恢復和重建沙化地區(qū)植被生態(tài)系統(tǒng)已經成為許多國家的一項重要任務。水分作為生態(tài)系統(tǒng)中最活躍的因素，與各種生態(tài)系統(tǒng)的形成與演變均有密切聯(lián)系?；哪^程的發(fā)展與逆轉，水環(huán)境變化是最重要的驅動因素之一，特別是在水資源嚴重短缺的干旱荒漠區(qū)，荒漠植被的退化與恢復與水資源有著密切的聯(lián)系2,3。騰格里沙漠東南邊緣的景泰縣綠洲外圍的封育沙地，氣候干旱，降水稀少1,4，因此，運用有限的水資源，恢復當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，必須尋求一條可持續(xù)發(fā)展之路。目前，景泰縣綠洲外圍的封育沙地主要采取天然植被封育和人工種植+圍欄封育兩種封育模式5,6，以期生態(tài)環(huán)境得以恢復。本研究以兩種封育模式下沙地植被群落物種組成、植物密度、植被蓋度差異

5、以及土壤水分為對象，揭示不同封育模式植被特征與土壤水分的相關性，為干旱荒漠區(qū)植被恢復實踐和刈割利用提供科學參考和依據。1 研究區(qū)概況與研究方法及內容11研究區(qū)概況實驗在景泰縣治沙研究所展開,地處騰格里沙漠東南緣的景泰縣紅水鎮(zhèn)，地理位置為373531.037579N，1035013.21035117.2E，西鄰武威，北接內蒙，是騰格里沙漠東南緣的一道防線。該區(qū)屬溫帶大陸性氣候，主要受中高緯度的西風帶環(huán)流控制和極地冷氣團的影響，氣候干燥，降水稀少，多大風，日照充足，太陽輻射強烈，晝夜溫差大。全年平均氣溫8.5，最冷月一月份平均氣溫-7.7，最熱月七月份平均氣溫22.0。最高溫度可達33.6，最低溫

6、度可低至-27.3。氣溫年較差和日較差大，年較差達63.9，日較差達25.2，10的活動積溫2988.7，無霜期192d，日照時數(shù)2725h，太陽年輻射量618.77J/cm2；年均降水量185mm，且多集中七月份到九月份，約占全年降水量的61.5；年蒸發(fā)量達3038mm，相當降水量的16倍之多，干燥度2.334.51，年平均相對濕度49% ；區(qū)內年平均風速2.5m/s，年均大風日數(shù)23d，風速21m/s。災害主要是干旱、風沙、霜凍等。在景泰縣北部分布有相對連片的流動沙地，地表沙丘密集，土壤疏松。主要植物種有沙蒿、檸條等，呈零星狀分布，植被蓋度50%，該地區(qū)為恢復植被，防治風沙危害，自20 世

7、紀 90 年代起，采取了對該地區(qū)天然植被封育法、人工種植+圍欄封育方法,待沙面初步穩(wěn)定后，再定植旱生灌木檸條、沙蒿、花棒等，并進行圍欄封育，以保護和促進人工灌木林的存活和生長繁育。研究區(qū)土壤質地多為砂壤，團聚結構差，持水能力差，空隙度大，使得土壤滲透能力強，蒸發(fā)能力強，水穩(wěn)性差，土壤容重介于1.5g/cm31.7g/cm3。土壤有機質含量低，且土壤含鹽堿量高。12 研究方法及內容在景泰縣北部的天然植被封育區(qū)和人工種植+圍欄封育區(qū)內(表1)，選擇在植被生長相對穩(wěn)定的地段上，分別布設4個20m20m的樣方，調查記錄樣地內的植物種類及群落特征，樣方內各物種的株數(shù)、高度、蓋度和冠幅。在兩種不同的封育區(qū)

8、內布設的樣方內，沿每個樣方的對角線確定取土樣點，用土鉆取020cm，2040cm，4060cm，6080cm，80100cm，100120cm，120140cm深度的土樣，用烘干法計算土壤含水量，每個樣方重復三次。通過調查每個樣方內植物的種類、株數(shù)、冠幅、高度，由此計算出樣方內的植被重要值、多度、密度、蓋度、高度比、綜合優(yōu)勢比；同時通過測定的土壤含水量值和容重值，計算每層土壤的貯水量。樣地類型基本情況天然植被封育區(qū)主要植物種有沙蒿、檸條、貓頭刺，呈片狀或帶狀分布，植被分布較密，地表生物結皮相對較厚，阻止水分入滲和蒸發(fā)，不易發(fā)生沙塵和風蝕人工種植+圍欄封育區(qū)主要植物種有沙蒿、檸條、花棒、梭梭等，

9、呈現(xiàn)不規(guī)則分布，地表分布有一定高度的固定和半固定沙丘，有利于植被恢復和生長表1 樣地基本情況13 數(shù)據處理運用統(tǒng)計學的原理與方法，在位于騰格里沙漠南緣的景泰縣綠洲外圍的封育區(qū)內，擬開展植被格局對土壤含水量變化和封育模式的響應，從而揭示兩封育模式下植被冠幅與土壤水分之間的關系。（1）密度1,5：指單位面積上的植物株數(shù)。d = N / S 式中：d 為密度；N 為樣方內某種植物的個體數(shù)目；S 為樣方面積。（2）蓋度：灌木冠幅蓋度：樣方中同類灌木種地上部分冠幅總面積占樣方面積的百分比就是這種灌木在樣方中的冠幅蓋度。（3）高度比5：某種植物高度占最高的種的高度的百分比稱為高度比。（4）綜合優(yōu)勢比5：是

10、由日本學者召田真等（1957年）提出的一種綜合數(shù)量指標，包括兩因素、三因素、四因素和五因素4類。常用的為兩因素綜合比，即在密度比、蓋度比、頻度比、高度比和重量比這5項指標中取任意兩項求平均值再乘以100% 。本研究采取兩因素法，選擇頻度比和高度比進行調查計算，對于草本的則選擇頻度比和蓋度比。（5）土壤貯水量6：W = 0.1MHR式中：W 為貯水量(mm)；M 為土壤含水量(%)；R 為土壤容重(g/cm3)，本實驗取R=1.5 g/cm3；H 為土層厚度(cm)。運用Micro-excel統(tǒng)計植被和土壤的特征值，經Spss13.0對植被冠幅和土壤含水量進行相關分析和回歸分析。2 結果與分析2

11、1 兩種封育模式下的植被特征 圖1：天然植被封育區(qū)和人工種植+圍欄封育區(qū)植被特征（NE表示天然植被封育區(qū)植被，AE表示人工種植+圍欄封育區(qū)植被。）從圖1a、b可以看出，在天然植被封育區(qū)植被冠幅平均值分別為沙蒿0.78m2、花棒2.44 m2、檸條0.69 m2，株高平均值分別為沙蒿0.61m、花棒1.49m、檸條1.93m；在人工種植+圍欄封育區(qū)植被冠幅平均值分別為沙蒿0.63 m2、花棒3.52 m2、檸條2.12 m2、梭梭1.74 m2，沙蒿0.86m、花棒2.16m、檸條2.49m、梭梭2.2m。總體上，人工種植+圍欄封育區(qū)植被覆蓋高于天然植被圍欄封育區(qū)，因為水分條件的限制，以及采光條

12、件有限，所以大灌木對對小灌木的脅迫表現(xiàn)比較明顯，固小灌木沙蒿冠幅略小于天然植被封育區(qū)。在人工種植+圍欄封育區(qū)，因人為因素的介入，對該封育區(qū)內植被群落結構產生了一定的影響。表2 天然植被封育區(qū)植被特征表沙蒿檸條貓頭刺花棒平均冠幅（m2）0.782.490.086.25相對多度(%)73.87.615.72.6蓋度（%）8.61.90.23.1相對密度（%）73.87.615.52.9重要值57.515.69.216.7頻度比（%）10066.733.366.7高度比（%）24.581.53.4100綜合優(yōu)勢比124.5148.236.6166.7從表2可以看出，在天然植被封育區(qū)，主要分布著沙蒿、

13、花棒等灌木種，總蓋度14.8%，沙蒿相對密度為73.8%，相對多度53.8%，重要值57.5；檸條相對密度7.6%，相對多度7.6%，重要值15.6；花棒相對密度2.9%，相對多度2.6%，重要值16.7；草本植物貓頭刺相對密度15.5%，相對多度15.7%。因此，在天然植被封育區(qū)，沙蒿為優(yōu)勢種。通過對植被綜合優(yōu)勢比和高度比的調查，可以看出在天然植被封育區(qū)，花棒高度比為100%，綜合優(yōu)勢比166.7，株高最高，檸條次之，大灌木主要為花棒和檸條。表3人工種植+圍欄封育區(qū)內植被特征表沙蒿檸條花棒梭梭平均冠幅（m2）0.71.36.41.9相對多度（%）43.823.818.114.3相對密度（%）

14、45.824.817.212.5蓋度（%）6.86.825.86.1重要值32.021.233.313.4頻度比（%）10066.766.733.3高度比（%）38.162.310081.4綜合優(yōu)勢比138.1128.9166.7114.6從表3可以看出，在人工種植+圍欄封育區(qū)內主要分布著沙蒿、檸條、花棒、梭梭，總蓋度44.5%。沙蒿相對密度為43.8%，相對多度45.8%，重要值32.0；檸條相對密度23.8%，相對多度23.8%，重要值21.3；花棒相對密度17.2%，相對多度18.1%，重要值33.3；梭梭相對密度12.5，相對多度14.3，重要值13.4。綜合比較可以看出，在人工種植+

15、圍欄封育區(qū)，沙蒿為優(yōu)勢種，檸條次之。通過對植被綜合優(yōu)勢比和高度比的調查，可以看出在人工種植+圍欄封育區(qū)，花棒高度比100%，綜合優(yōu)勢比166.7，株高最高，其次梭梭和檸條。22 兩種封育模式下土壤含水量垂直分布特征從表4可以看出，在天然植被封育區(qū)， 0140cm土壤深度范圍內，土壤含水量和土壤貯水量逐漸增大，到4060cm深度時，土壤含水量最大，最大值為6.4%，土壤貯水量也達最大值，最大值19.20mm，此后土壤含水量和土壤貯水量逐漸減小，到120140cm深度時，二者減至最小，土壤含水量最小值1.3%，土壤貯水量最小值3.9mm；在人工種植+圍欄封育區(qū)，0140cm土壤深度范圍內，土壤含水

16、量和土壤貯水量隨著深度的增加而增加，到6080cm，土壤含水量和土壤貯水量達最大值，土壤含水量最大值為3.8%，土壤貯水量最大值11.40mm，此后，二者隨土層深度加深而減小，到120140cm深度時，土壤含水量和土壤貯水量減至最小，土壤含水量最小值1.8%，土壤貯水量最小值5.40mm。在天然植被封育區(qū)，土壤含水量從最大值6.4%降至最小值1.3%，減少了5.1%，土壤貯水量從最大值19.20mm降至最小值3.90mm，減少了15.30mm；而在人工種植+圍欄封育區(qū)，土壤含水量從最大值3.6%降至最小值1.8%，減少了1.8%，土壤貯水量從11.40mm降至5.40mm，減少了6.00mm。

17、總體而言，在0100cm土壤深度范圍內，相同土壤深度的土壤含水量和土壤貯水量總是天然植被封育區(qū)土壤含水量和土壤貯水量的變化范圍均大于人工種植+圍欄封育區(qū)土壤含水量和土壤貯水量的變化量，而在100140cm土壤深度上，相同土壤深度的土壤含水量和土壤貯水量總是天然植被封育區(qū)土壤含水量和土壤貯水量的變化范圍均小于人工種植+圍欄封育區(qū)土壤含水量和土壤貯水量的變化量。表4 天然植被封育區(qū)和人工種植+圍欄封育區(qū)土壤特征值深度（cm）土壤含水量（%）標準差土壤貯水量（mm）標準差天然植被封育區(qū)0206.01.5718.001.6220406.31.6118.901.8140606.41.2119.202.2

18、460804.70.7114.100.80801003.01.099.000.521001201.90.225.700.211201401.30.283.900.19人工種植+圍欄封育區(qū)0202.80.638.400.3420403.40.6510.200.2040603.60.6810.800.2060803.80.8111.400.47801002.70.248.100.421001202.30.276.900.421201401.80.775.400.8223 植被特征值與土壤水分的關系231 植被特征值與土壤含水量的關系如圖2、圖3所示，小灌木對淺層（040cm）土壤含水量有較高的依賴

19、, 其冠幅和株高與淺層土壤含水量呈顯著的正相關，而深層含水量無論對草本種與小灌木的豐富度還是多度均無顯著的相關; 大灌木種恰好相反, 對深層（80140cm）含水量有較高的依賴性, 其冠幅和株高與深層土壤含水量呈顯著的正相關。雖然深層含水量對灌木種的豐富度有一定的影響7,8, 但對多度的貢獻是顯著的, 較高的深層含水量確保了灌木種的多度7，9，10。在此，我們選優(yōu)勢種沙蒿和檸條為研究的對象，建立沙蒿冠幅與淺層土壤含水量和檸條冠幅與深層含水量之間的函數(shù)關系圖。圖2 兩種封育模式下沙蒿冠幅與淺層（040cm）土壤含水量回歸方程圖3 兩種封育模式下檸條冠幅與深層（80-140cm）土壤含水量回歸方程

20、由圖2、3可以看出，兩種封育模式下沙蒿冠幅和檸條冠幅與土壤含水量的變化成正比例關系，但人工種植+圍欄封育區(qū)內植被對干旱脅迫具有一定的抵抗能力。圖示所反映的這種現(xiàn)象就意味著該地區(qū)沙蒿對水分的依賴性比較大，也就是說，當遇上干旱年季時，群落的穩(wěn)定性就表現(xiàn)的很差11，而這種現(xiàn)象在該地的大片干枯沙蒿植株上得以反應。圖3表明，檸條冠幅與深層土壤含水量成正相關,天然植被封育區(qū)檸條對水分的依賴性較高?？傮w而言，小灌木冠幅與淺層土壤含水量成正相關，而且相關性明顯，而大灌木檸條冠幅與深層土壤含水量成正相關，但這種相關性表現(xiàn)的不明顯。232植被特征值與土壤貯水量的關系表5 天然植被封育區(qū)主要灌木冠幅與土壤貯水量灌木

21、類型檸條花棒沙蒿相關系數(shù)0.3500.560*0.707*回歸方程C=0.89W+5.315C=-0.087W+13.183C=0.013W-0.319表6 人工種植+圍欄封育區(qū)主要灌木冠幅與土壤貯水量灌木類型檸條花棒沙蒿梭梭相關系數(shù)0.3160.0690.546*0.214回歸方程C=0.008W-3.326C=0.048W+3.326C=-0.004W+0.908C=-0.044W+4.483注：C表示植被冠幅，W表示土壤貯水量從表2到表6可以看出，人工種植+圍欄封育措施對土壤水分產生一定的影響，是因為在人工種植區(qū)，植被密度大,使得蒸發(fā)量增大，所以土壤含水量較天然植被封育區(qū)低。人工種植+圍

22、欄封育區(qū)土壤含水量介于2.5%3.8%之間，平均為3.1%；天然植被封育區(qū)土壤含水量介于1.3%6%之間，平均3.9%，不同空間位置之間土壤含水量變化大不穩(wěn)定。雖然人工種植增加了植被群落的蓋度，降低了地表溫度，減少地面水分蒸發(fā)1,6,12,13，但隨著植物生長，需水量不斷增大，蒸騰強度也變大，這種變化雖在一定程度上得以抵消，但蒸發(fā)、蒸騰量過大，使得人工種植區(qū)內植被對土壤水分的依賴性很高，且成正相關，進而導致了植被群落結構的不穩(wěn)定14,15。3 結論（1）在天然植被封育區(qū)，主要分布著沙蒿、檸條、貓頭刺、花棒，沙蒿為優(yōu)勢種，沙蒿平均冠幅0.78m2，相對密度73.8%，重要值57.5；在人工種植+

23、圍欄封育區(qū)，主要分布著沙蒿、檸條、花棒、梭梭，沙蒿為優(yōu)勢種，沙蒿平均冠幅0.7m2，相對密度45.8%，重要值21.2，檸條為亞優(yōu)勢種，平均冠幅為1.2m2，相對密度24.8%，重要值21.2。（2）在天然植被封育區(qū)和人工種植+圍欄封育區(qū)，土壤含水量和土壤貯水量隨土壤深度的增加都表現(xiàn)為先增后減的趨勢；天然植被封育區(qū)各層（7層）土壤含水量和土壤貯水量都明顯的高于人工種植+圍欄封育區(qū)各層土壤含水量和土壤貯水量。（3）沙蒿對淺層（040cm）土壤水分具有較高的依賴性，在天然封育區(qū)和人工種植+圍欄封育區(qū)沙蒿冠幅與淺層（040cm）土壤貯水量成極顯著正相關和顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.707、0.54

24、6。參考文獻1王燕.封育模式對干旱區(qū)沙地植被恢復影響研究D.甘肅農業(yè)大學.2009.2姚月鋒,滿秀玲,劉暢,等.封育對沙地油篙群落生物量及其土壤水分影響J.東北林業(yè)大學學報.2007,35(1).2孫棟元.封育沙地土壤水分特征研究D.甘肅農業(yè)大學林學院.2007.3郭全恩,王益權,郭天文,等.甘肅景泰灌區(qū)土壤結構狀況及其影響因素J.陜西農業(yè)科學.2005(6).4王銀花,石光普.景泰縣近50年來氣溫、降水變化特征分析J.干旱區(qū)資源與環(huán)境.2010,24(2).5楊持.生態(tài)學(M).北京:高等教育出版社,2008,124-127.6王蕙，趙文智，常學向.黑河中游荒漠綠洲過渡帶土壤水分與植被空間變

25、異J.生態(tài)學報.2007,27(5).7鐘華平,劉恒,王義,等.黑河流域下游額濟納綠洲與水資源的關系J.水科學進展.2002,13(2).8張德魁,王繼和,馬全林,等.騰格里沙漠南緣油蒿與沙蒿種群分布格局J.甘肅科技，2008,24(3).9王新平,張志山,等.荒漠植被影響土壤水文過程研究述評J.中國沙漠.2005,25(2).10鄧紅英.毛烏素沙地優(yōu)勢植物種群對模擬降水量變化的影響J.云南大學學報(自然科學版)2002,24(1):7580.11 Wolde Mekuria, E. Veldkamp. Effectiveness of exclosures to restore degrad

26、ed soilsas a result of overgrazing in Tigray, Ethiopia. Journal of Arid Environments 69 (2007) 270284.12 Bard,K.,Coltorti,M.DiBlasi,M.Dramis,F.Fattovich,R.,2000. The environmental history of Tigray (Northern Ethiopia) in the Middle and Late Holocene: a preliminary outline. African Archaeological Rev

27、iew17 (2),6586. 13王繼和,馬全林,劉虎俊,等.干旱區(qū)沙漠化土地逆轉植被的防風固沙效益研究J.中國沙漠.2006,26(6).14徐先英.石羊河下游綠洲-荒漠過渡帶典型固沙植被生態(tài)水文效應研究J.北京林業(yè)大學.2008. 15何志斌,趙文智.荒漠綠洲區(qū)人工梭梭林土壤水分空間異質性的定量研究. 中國科學院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所J.2004,26(2).Vegetation on soil moisture response in two exclusion patternsWu zhifa( College of Forestry，GanSu Agricultural Univ

28、ersity，Lanzhou )Abstract: In the drought conditions, moisture is an important factor for plant survival, growth and vegetation supportive of vegetation on environment and directly affect sandy degraded ecosystem. To be frank the recovery and reconstruction of vegetation restoration and reconstructio

29、n is the main measures of prevention desertification. This paper take the Jingtai exclusion sandy land of southeast edge of Tengger Desert as an example, Using the statistical theory and research method to study the natural vegetation of Natural vegetation enclosure area and artificial cultivation +

30、 enclosure area two enclosure mode of vegetation and soil moisture feature characteristics were analyzed. This experiment include the survey of vegetation cover , vegetation height, soil water content. The results show that small shrubs canopy widths and shallow (0 40cm) a positive correlation of so

31、il water content, and the big shrubs canopy widths of a deep (80 140cm) on soil moisture content dependence; artificial cultivation + enclosure area vegetation on soil moisture the dependence of the natural vegetation enclosure area vegetation.Keyword: Artemisa arenaria D.C; Caragana korshinskii Kom

32、; Vegetation characteristics; Soil water; Exclusion patterns致 謝四年的讀書生活在即將劃上一個句號，我將面對又一次征程的開始。四年的求學生涯在師長、親朋的大力支持下，走得辛苦卻也收獲滿囊，在論文即將付梓之際，思緒萬千，心情久久不能平靜。 在此，謝謝我的導師王蕙老師，從開始進入課題到論文的順利完成，與導師嚴格、嚴謹?shù)那髮W態(tài)度是分不開的。同時，也感謝學院和景泰縣治沙所為我提供良好的做畢業(yè)設計的環(huán)境。最后，要對我最親愛的父母表示最真心的感謝，他們在我的求學生涯中始終一如既往的支持我，關心我，鼓勵我，幫助我度過了一個又一個生活的難關，給我信心面對艱難的人生，他們的無私奉獻我終身難以報答。再一次感謝所有在畢業(yè)設計中曾經幫助過我的良師益友和同