在对研究区详细踏查的基础上,选取4个典型石漠化程度为研究对象,分别为潜在石漠化、轻度石漠化、中度石漠化和强度石漠化,石漠化等级划分参照熊康宁^[15]的方法。针对4个典型的石漠化程度类型分别设置3块重复固定样地(样地规格20 m×20 m),共建立12个固定样地。试验地在南漳县位置见图1,样地详细情况见表1。

图1 试验地位置及其地形概况

根据样地调查数据,分析群落个体数及其组成成分的种群数量、相对多度和重要值等特征。多样性指标一般包括α多样性和β多样性^[17-18]。α多样性表示群落中所含物种的多少,即物种丰富度(species richness),以及群落中各个种的相对密度,即物种均匀度(species evenness)。β多样性则表示物种沿环境梯度所发生替代的程度或物种变化的速率。不同群落或某一环境梯度上不同样方之间的共有种越少,β多样性越大。相关计算公式如下:

表1 试验区基本情况及样地概况

(1)重要值(IV)

IV=(M+F+A)/3(1)

式中:M为相对多度(%),M=100×某个种的株数/所有种的总株数; F为相对频度(%),F=100×某个种在统计样方中出现的次数/所有种出现的总次数; A为相对优势度(%),A=100×某个种的胸高断面积/所有种的胸高断面积。在灌木群落中用相对盖度替代相对优势度,在草本群落中用物种的平均高度替代优势度。

(2)物种丰富度(S)

S=出现在样方内的物种数(2)

(3)α多样性^[19]

Shannon-Wiener指数:H'=-∑^S_i=1(P_ilnP_i)(3)

Pielou指数(均匀度指数):E=H'/lnS(4)

Simpson指数(优势度指数):P=1-∑^S_i=1P_i²(5)

式中:P_i为种i的相对优势度(相对胸高断面积)或重要值(IV)。

(4)β多样性^[15]

Sørensen指数:SI=(2c)/(a+b)(6)

Jaccard指数:C_j=c/(a+b-c)(7)

Cody指数:β_c=(g(H)+l(H))/2=(a+b-2c)/2(8)

式中:a和b分别为两样方的物种数; c为两样方的共有物种数; g(H)为沿生境梯度H增加的物种数; l(H)为沿生境梯度H失去的物种数。

Sørensen指数和Jaccard指数反映群落或样方间物种组成的相似性; Cody指数则反映样方物种组成沿环境梯度的替代速率。

(1)土壤样品采集。在各样地内S型选择3个样点采集土壤,相邻样点间隔保证大于5 m,部分区域(中度、强度石漠化)由于基岩裸露适当调整取样位置。石漠化区土层较薄,分3层采集土样(0—10 cm,10—20 cm,20—30 cm)。田间取样,室内分析。

(2)土壤物理性质分析。根据森林土壤分析方法,采用环刀法测定土壤容重、自然含水量、毛管孔隙度、总孔隙度、非毛管孔隙度、田间持水量和毛管持水量。

采用Excel 软件进行数理统计、绘图,利用SPSS 20.0软件进行方差分析、t检验、相关性分析和主成分分析等统计分析^[20]。

植物群落调查结果(表2)显示,岩溶石漠化地区植被结构简单,并且在不同程度石漠化环境中其主要植被类型及物种呈现出较大差异。潜在、轻度石漠化程度以乔木层建群,灌草相对丰富,而中度和强度石漠化样地植被以灌木、草本为主,少有乔木种且生长力低下。随石漠化程度加重,植物丰富度逐级递减,特别是强度石漠化区域植物结构最为简单,草本层物种组成仅有3科5属5种,木本层组成仅10科10属10种。

岩溶石漠化环境植被丰富度较低,大部分物种均为1科1属1种。漆树科(Anacardiaceae)、菊科(Asteraceae)、大麻科(Cannabaceae)、忍冬科(Caprifoliaceae)、柏科(Cupressaceae)、禾本科(Gramineae)、豆科(Leguminosae)、鼠李科(Rhamnaceae)等科分布有多种生活型,这部分植物对石漠化环境有较高的适应性,其中以禾本科植物最为突出,在中度、强度石漠化样地中有较多分布。鼠李科、无患子科(Sapindaceae)、榆科(Ulmaceae)、大麻科(Cannabaceae)、樟科(Lauraceae)物种在潜在、轻度石漠化环境中分布较多,而在中度、强度石漠化区域则没有其生活型存在,表明同一物种对不同石漠化程度生境有不同程度的响应,在各类环境中建群种和优势种存在着明显差异。

表2 不同程度石漠化类型植物群落物种统计表

研究结果显示,鄂北石漠化环境中植物多样性的指数均偏低(表3),表明岩溶石漠化植物生态系统已遭破坏,恢复演替处于一个较低水平。从表中可以看出,不同石漠化等级环境中植物多样性指数均呈现出显著差异性:(1)石漠化地区植物丰富度随石漠化程度加深而逐级降低,潜在石漠化显著大于轻度、中度和强度石漠化;(2)潜在石漠化环境生物多样性显著大于石漠化区域,而轻度石漠化环境又显著大于中度、强度石漠化;(3)群落中物种个体数越接近,则均匀度就越大,潜在和轻度石漠化环境中均匀度指数较高,而强度石漠化则显著低于前者;(4)本研究所用优势度公式为Simpson指数的补数公式,即反映种群分散度,数值越大,生物在群落中越分散,单个物种优势度则越小,由表3可知,强度石漠化条件下单个植物种类在群落中优势度突出,与其他程度石漠化环境有显著差异。可见,4种多样性指数均与石漠化等级有显著相关性,整体呈现随石漠化程度增加而减小的变化趋势。

表3 不同程度石漠化类型植物多样性指数

根据实地调查结果与分析,石漠化样地木本植物群落物种丰富度及群落多样性都随着石漠化程度加深而下降,重度石漠化样地时群落物种丰富度及多样性指数都到达最低值。调查样地中,在其中一块重度石漠化样地,样地内仅有4株小乔木及少量灌木,土地荒凉,植物存量少,恢复困难。草本植物变化趋势与木本植物相似,种类单一,以耐旱、耐贫瘠物种为主。如若石漠化趋势不能得到有效抑制,将导致土地利用率大幅降低,人地矛盾愈加突出,群落多样性下降,形成不可逆生态灾害。

β多样性是对物种沿环境梯度替代过程的一种度量,是沿着某一环境梯度物种替代的程度或速率以及物种周转率^[21]。通常β多样性被表示为群落间相似性指数或是同一地理区域内不同生境中生物物种的周转率,不同生境间或某一生境梯度上不同地段间生物种类组成的相似性越低,β生物多样性越高。

从图2,表4可以看出:(1)潜在和轻度石漠化程度、中度和强度石漠化程度环境中物种组成的相似性较高。Sørensen指数和Jaccard指数最大值分别为0.82,0.70,说明潜在和轻度石漠化两个环境中物种种类及组成有高相似性,中度和强度石漠化也具有相同规律。而Sørensen指数和Jaccard指数强度石漠化与潜在、轻度石漠化程度比对中变小,说明随石漠化严重程度的增加而共有物种数、相似性系数呈现减小的趋势。(2)Cody指数是二元属性的相异性指数,其值越大,则表示群落的相似性越小。轻度—中度、轻度—强度的Cody指数最大,分别为15.0,14.0,可见在不同石漠化环境中物种更替速度持续增加,到强度时达到最大; 中度—强度石漠化过程中Cody指数较小,是由于石漠化恶劣到一定程度后,其群落内部物种数量已经十分稀少,残留下来的都是耐干旱、耐瘠薄、生存能力强的植物,能被群落自然剔除的物种存量较少,故此阶段的更替速率反而出现了一个下降的过程。

图2 不同程度石漠化类型群落间β多样性指数比较

表4 不同程度石漠化类型群落间Cody指数半矩阵

土壤物理性质研究结果(表5)表明,土壤容重、土壤干密度、毛管孔隙度、非毛管孔隙度、总孔隙度、自然含水率、田间持水量、毛管持水量等土壤物理性质指标在鄂北地区不同等级石漠化环境土壤中有着显著差异。主要体现在:(1)强度石漠化环境下土壤容重显著大于轻度和中度石漠化,达到了1.42 g/cm³,并随着石漠化等级增加,土壤容重呈现逐渐增大的变化趋势。(2)干密度指的是土的孔隙中完全没有水时的密度,是评定土体紧密程度的标准,本研究中强度石漠化环境中土壤干密度显著大于其他等级的石漠化环境,达到了1.49 g/cm³,而潜在、轻度、中度石漠化土壤的干密度无显著差异性。(3)毛管孔隙能借用毛管引力将水分保持在土壤中,所持水分为有效水,能被根系所吸收。轻度石漠化环境中土壤毛管孔隙度较高,达到49.08%,其次分别为潜在石漠化和中度石漠化,强度石漠化等级中的土壤毛管孔隙度最低。毛管孔隙度结合毛管持水量则可以间接反映出不同强度石漠化等级环境中土壤的紧实程度和土壤持有植被可吸收有效水分的能力,总体而言潜在和轻度石漠化环境由于生态系统植被较为丰富,土壤根系及微生物含量高,土壤有效持水量较高。(4)田间持水量是土壤不受地下水影响所能保持水量的最大值,中度石漠化的土壤田间持水量显著高于强度、轻度和潜在石漠化,且随着石漠化程度增加田间持水量和毛管持水量也呈现出先增加后减小的变化趋势。

表5 不同程度石漠化类型土壤物理性质比较

研究结果显示了鄂北岩溶石漠化环境土壤物理性质并不是随着石漠化程度增加而一直退化,而是在土壤结构方面呈现逐渐紧实,在持水量方面则是先增加后减小的趋势。