全 文 ：第 17卷第 3期
2003年 9月 水土保持学报Journa l of Soil and Wa ter Conserv a tion Vol
. 17 No. 3
Sep. , 2003
科尔沁沙地流动沙丘沙米群落生物量特征及其防风固沙作用
张继义 , 赵哈林 , 崔建垣 , 李玉霖 , 杨甲定
(中国科学院寒区旱区环境与工程研究所 , 兰州 730000)
摘要: 沙米 (Agriophy llum squarrosum )是流动沙丘上的先锋植物群落 ,沙米群落的建立是群落演替和植被恢复
的起点。对科尔沁沙地流动沙丘上沙米群落的研究表明 ,初次建立的沙米群落具有较高的生物量 47. 5 g /m2 ,以及
较高的空间变异程度 ,变异系数为 1. 201,反映出群落在空间分布上的斑块化程度较高。在随后的演替中 ,群落的
活生物量迅速下降 ,而先前沙米群落生物量则以立枯的形式存在 ,沙米立枯生物量占群落总生物量的 54. 93%。沙
米茎杆粗硬 ,具有较强的机械强度和抗风蚀能力 ,其立枯生物量可以存留 2～ 3个生长季。保护沙米群落及其立枯
生物量不受人畜破坏 ,对维持群落演替早期沙面环境的稳定 ,促进其它物种侵入和定居 ,从而促进群落演替并加
速植被发育进程具有重要作用。
关键词: 科尔沁沙地 ; 群落 ; 生物量
中图分类号: S714. 7 文献标识码: A 文章编号: 1009-2242( 2003) 03-0152-03
Biomass of Agrioph yllum squarrosum Community and Its Function
on Mobile Sand Dune in Horqin Sandy Land
ZHANG Ji-yi, ZHAO Ha-lin, CUI Jian-yuan, LI Yu-lin, YANG Jia-ding
(Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000)
Abstract: Agrioph yllum squarrosum is the dominant species in pioneer communi ty on mobile sand dune. The ini-
tial communi ty of Agriophyllum squarrosum has a relativ ely high biomass of 47. 5 g /m
2
with high spatial v ariance,
the coefficient of w hich is 1. 201, suggesting that the communi tys patchiness in spa tial dist ribution is intense. In
the subsequent successional processes, communitys biomass immediately decreased rapidly. At the same time,
most part of the preceding biomass of Agrioph yllum squarrosum was maintained as standing li tter, being account-
ed fo r 54. 93% of the total biomass of the communi ty. The standing lit ter of Agriophyllum squarrosum can be
maintained for 2～ 3 g row ing seasons because of its hard stem. Thus, protecting the Agriophyl lum squarrosum
communi ty and its standing lit ter f rom dest ruction is important and helpful for accelerating the process of v egeta-
tion restoration.
Key words: Ho rqin sandy land; community; biomass
生物量是指个体、种群或群落的生物质数量的多少 ,是度量个体、种群的大小以及个体、种群在群落中的地
位和作用的指标 ,同时也是反映群落或生态系统功能强弱的重要指标 [ 1]。植被 (植物群落 )是陆地生态系统功能
的主要维持者 ,其防风固沙、水土保持等生态功能的发挥都要以大量生物物质的存在为基础 [ 2]。因此 ,研究群落
生物量的变化对认识群落结构和功能具有重要的意义。
科尔沁沙地是我国北方半干旱农牧交错带的典型区域 [3 ] ,历史上科尔沁曾发育良好的疏林草原植被 ,近代
由于人口增长引起的土地开垦和超载放牧导致植被大量破坏 ,土地荒漠化严重 [ 2]。一方面 ,由于沙土基质的不
稳定性和干旱多风气候条件的耦合 ,在植被缺乏的情况下 ,风蚀沙化迅速扩展 ,形成片状、斑块分布的流沙 ,并
最终发展为大片流动沙丘 [ 4] ,裸露流动沙丘是植被退化的极点。另一方面 ,由于沙土良好的水分下渗性能和保
水能力 ,流沙上常具有较高的土壤含水量 ,为植被恢复提供了良好的水分条件 ,在大量天然种源存在的情况下
和禁止放牧、禁止开垦等良好的保护措施下 ,也存在着植被快速建立并向稳定植被类型演替的可能。
沙米 ( Agriophyllum squarrosum )是流动沙地的先锋植物群落 ,沙米是一种寡养型植物 ,能够适应流动沙
地极端贫乏的养分条件 ,常常在流动沙丘定居成功并成片密集生长 [5 ]。沙米群落的建立是植被恢复的起点 ,具
有显著的防风固沙效果。沙米群落的建立使流沙基质表面环境的稳定性提高 ,为其它物种的侵入创造了条件 ,
收稿日期: 2003-01-26
基金项目:国家“ 973”项目 ( G2000048704)“沙漠化的生物过程与植被恢复重建机理研究”资助
作者简介:张继义 ,男 ,生于 1968年 ,副研究员 ,博士。主要从事恢复生态学和森林生态学研究。
DOI : 10. 13870 /j . cnki . st bcxb. 2003. 03. 043
并从此开始了群落的演替和恢复过程。群落生物量是群落生态功能发挥的基础 ,因此 ,研究沙米群落生物量特
征 ,对认识沙米群落的防风固沙作用以及沙米群落在科尔沁沙地植被恢复和群落演替过程中的意义具有重要
作用 ,从而为沙地植被恢复提供科学依据。
1 研究方法
1. 1 自然概况
研究在位于科尔沁沙地中南部的内蒙古自治区奈曼旗境内中国科学院奈曼沙漠化研究站进行 ,地理位置
120°41′E, 42°54′N。该地区属半干旱气候 ,年平均降水量 366 mm ,年蒸发量 1 935 mm ,年均气温 6. 5℃ , 1月平均
气温- 12. 7℃ , 7月平均气温 23. 7℃ ,≥ 10℃积温 3 000℃以上 ,无霜期 150 d。年均风速 3. 5 m /s, 8级以上大风年
均 21次 ,主要发生在春季 3～ 5月。土壤类型为沙质栗钙土 ,经破坏后则退化为流动风沙土。沙土基质分布广泛 ,
风沙活动强烈 [3, 4 ]。
1. 2 调查取样
在经过围封的流动沙丘上分别选择演替时间为 1, 2, 3, 4, 5年的沙米群落或由沙米群落演替而来的狗尾草
或雾冰藜群落 ,分别在 7月下旬和 4月中旬用收获法调查地上生物量。样方面积 1 m2 ,每个群落类型共随机调查
20个样方。地上生物量包括活生物量、立枯生物量以及地面枯落物的生物量 ,样方内的所有植物分种齐地面剪
下 ,在室内烘干称重。
表 1 1年生沙米群落生物量的构成及季节变异 g /m2
季 节 物种 活生物量 立枯 地面枯落物 总和
沙米 44. 90 — - 44. 90
狗尾草 1. 68 - - 1. 68
7月下旬 雾冰藜 0. 33 - - 0. 33
猪毛菜 0. 57 - - 0. 57
合计 47. 50 - - 47. 50
沙米 - 40. 88 0. 57 41. 45
次年春季 狗尾草 - 0. 12 - 0. 12
5月上旬 雾冰藜 - - - -
猪毛菜 - - - -
合计 - 41. 00 0. 57 41. 57
2 结果分析与讨论
2. 1 一年生沙米群落生物量构成及季节变异
尽管流动沙地的养分条件十分贫瘠 ,但从表 1
可以看出 ,流动沙丘上初次建立的沙米群落仍具
有可观的生物量 ,因此 ,沙米群落建立后对沙面基
质可起到明显的稳定作用。从物种组成上看 ,沙米
占绝对优势 ,其生物量占群落总生物量的
94. 53% 。其次 ,狗尾草作为群落的伴随种 ,其生物
量占群落总生物量的 3. 54% 。裸露流动沙地上植
被发育的主要困难有两点: 一是极端贫乏的土壤
养分限制植物生长 ;二是裸露地表和干旱多风气候的结合使得沙土基质极不稳定 ,大部分植物的繁殖体难以侵
入和定居 [6 ]。沙米是流动沙丘先锋植物群落的建群种 ,沙米以其特殊的沙生适应特性能够成功地侵入和定居在
流动沙丘上 ,如小而扁平的种子能够滞留于沙土中 ,不致于随风流动而丢失 ;种子萌发后胚根能以极快的速度
生长 ,这样便于使幼苗在短时间内固着于沙土中 ,以抵御风蚀的侵害。研究沙米的沙生适应特性并充分利用这
一植物资源对于加快植被恢复具有重要意义。
沙米是一年生植物 ,初次建立的沙米群落在当年 7月中旬达到群落生物量的最大值 ,随后进入秋冬季后植
物便枯萎死亡。从群落生物量的季节变异上看 ,到次年春季 5月群落生物量则完全由立枯植物体构成 ,并保持着
相对较高的生物量 ,比夏季活生物量仅低 12. 48% 。立枯植物体中沙米占 99. 63% ,狗尾草占 0. 37%。
表 2 沙米地上生物量的器官分配 g /株
单株地上部生物量 茎生物量 叶生物量 茎 /叶
1. 632 1. 369 0. 263 5. 205
从沙米地上生物量的茎叶分配上看 (表 2) ,沙米叶生
物量的比重仅为 16. 12% ,这就使得植物体的大部分生物
量集中于茎杆上 ,从而使沙米的茎杆表现得较为粗硬 ,具
有较强的机械强度 ,并使植物在枯萎死亡后大部分生物量仍能以立枯的形式存在。粗硬的茎杆有较强的抵御风
力侵蚀的能力。立枯生物量的存在对于群落生态功能的发挥具有极其重要的作用 ,在科尔沁沙地每年的春季 3
～ 5月是干旱多风季节 ,风蚀和土地沙化就主要发生在这一时期 ,由于强劲风力的吹蚀 ,地面枯落物难以存留 ,
因而不能有效地发挥保护沙质地表的作用 ,这时立枯植物体的存在对于保护地表、防止风力侵蚀和发挥防风固
沙作用起着关键的作用。
2. 2 演替过程中沙米群落生物量构成变化
沙米群落生物量在演替过程中呈现消退趋势 (表 3)。在演替第 2年和第 3年时 ,群落活生物量即出现急剧的
下降 ,以后又有所增加。由于群落活生物量的下降 ,使得立枯生物量在群落总生物量中的地位更加明显。在立枯
生物量中以沙米为主 ,演替至第 3、第 4年时沙米立枯生物量仍占群落总生物量的 30. 08%和 7. 41%。沙米茎杆
153第 3期 张继义等:科尔沁沙地流动沙丘沙米群落生物量特征及其防风固沙作用
粗硬 ,有较高的机械强度和抗风蚀能力 ,由于沙地环境的干燥和微生物活动微弱等因素 ,生物有机体分解较慢 ,
因而沙米立枯得以较长时间存留 ,这对于维持群落演替早期沙地环境的稳定具有重要作用 ,有利于其它物种侵
入和促进群落演替与植被恢复。
表 3 演替过程中沙米群落生物量构成的变化 %
演替时间 物种构成 1年 2年 3年 4年 5年
活生物量
沙米
狗尾草
雾冰藜
猪毛菜
虫实
差巴嘎蒿
其它
总计
44. 9
1. 50
0. 33
0. 45
0. 12
-
0. 18
47. 5
16. 5
4. 57
0. 21
0. 28
0. 15
-
0. 12
21. 8
8. 54
16. 4
1. 51
0. 7
0. 59
0. 46
0. 32
28. 52
1. 72
4. 97
19. 1
1. 63
0. 84
1. 7
1. 02
31. 02
0. 27
0. 39
26. 5
4. 4
0. 71
5. 06
1. 51
38. 81
立枯生物量 - - 26. 57 12. 37 2. 51 0. 83
地面枯落物 - - - 0. 23 0. 35 1. 23
合计 - 47. 5 48. 37 41. 12 33. 88 40. 87
表 4 群落生物量的空间变异
演替时间 1年 2年 3年 4年 5年
变异系数 (小尺度 ) 0. 396 0. 215 0. 252 0. 309 0. 287
变异系数 (大尺度 ) 1. 201 0. 994 0. 799 0. 656 0. 502
从群落生物量的物种构成上看 ,群落
生物量由以沙米为主逐步演变为以狗尾
草和雾冰藜为主 ,并且群落生物量水平显
著下降。随着演替的进行 ,群落生物量的
物种构成水平上升 ,物种数量逐步增加。
演替至第 3年时 ,半固定沙地的建群种差
巴嘎蒿已开始侵入群落 ,演替至第 5年时 ,
差巴嘎蒿生物量已占群落活生物量的
12. 38% ,沙地环境从流动沙地向半固定
沙地转化。
2. 3 演替过程中群落生物量的空间变异
用变异系数 CV = s /x表示群落生物
量的空间变异 (见表 4)。生物量的空间变
异反映群落在空间上分布的均匀程度 ,同
时也是对群落发育程度和群落生态功能
的衡量。从表 4可以看出 ,群落生物量在不同尺度上的空间变异不同。1年生即初次建立的沙米群落其生物量在
小尺度上 (群落斑块尺度 ,水平距离 10 m范围 )的空间变异较小 ,说明在群落斑块内生物量的分布较为均匀 ,对
地面的覆盖程度高 ,因而对地面的保护作用强 ,群落生态功能较好。在较大尺度上 (即所研究的整个群落尺度 ,
水平空间 300 m范围 )群落生物量的空间变异程度较大 ,说明群落在空间分布上的不均匀性。由于种源散布的
偶然性和空间距离的限制 ,使初次建立的沙米群落呈斑块分布 ,反映出群落发育程度的幼年性质和群落生态功
能不够完善。随着演替的进行 ,群落生物量在小尺度上的空间变异变化不大 ,而大尺度上的空间变异则显著减
小 ,反映出群落发展在空间上的轨迹。群落在空间上的分布更为均匀 ,对空间的利用程度提高 ,群落生物量的斑
块性和空间异质性下降 ,群落的结构质量提高 ,有助于群落生态功能的发挥。
3 结 论
沙米群落是流动沙丘上的先锋植物群落 [ 5, 6] ,流动沙丘上初次建立的沙米群落具有较高的生物量和空间上
的斑块性 ,反映出群落水平结构的空间异质性和群落生态功能的不完善性。沙米茎杆粗硬 ,有较高的机械强度
和抗风蚀能力 ,沙米在经过一个生长季后便枯萎死亡 ,群落生物量大部分以立枯的形式存在 ,并可存留 2～ 3个
生长季 ,持续发挥防风固沙作用和维持群落生态功能 [7 ]。在随后的演替中 ,群落生物量即出现迅速衰退 ,沙米立
枯生物量在群落中的作用显得更为重要。因此 ,保护流动沙丘上的沙米群落不受人畜破坏 ,使其立枯生物量尽
可能存留 ,可以维持群落演替早期沙面环境稳定 ,有利于其它物种侵入和促进群落演替 ,并加速植被发育进程。
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