黄土高原丘陵沟壑区退耕恢复草地植物空间分布格局研究

doi:10.11686/cyxb2024428

摘要/Abstract

摘要：

为探究黄土高原退耕自然恢复草地植物的空间分布格局，选取陕西省吴起县退耕5、10和25年3个不同退耕恢复年限草地，利用植物齐地面刈割地上生物量测定法和点网格盖度测定法及其γ分布和β分布两种数理解析模型，计算群落整体以及组成群落的各植物种的空间异质性指数，探明各植物种在空间分布格局中所起的作用，为退耕恢复草地的科学管理与合理利用提供理论支撑。研究结果表明，不同退耕恢复年限的草地群落植物种的空间异质性指数均随平均地上生物量和盖度的增大极显著地降低（P<0.01）；退耕10年的草地禾本科植物的地上生物量和盖度所占比例较退耕5年的草地高，其中退耕10年草地中针茅在总生物量和盖度中的占比分别达到23.0%和37.6%，而退耕25年的草地中退化指示植物种三叶委陵菜成为群落的第1优势种，说明退耕年限过长不利于维持群落中禾本科等优质植物的地上生物量及盖度比例；优势顺序靠前的植物种降低了群落整体的空间异质性，优势顺序靠后的植物种对群落空间分布格局作用很小。

关键词: 黄土高原丘陵沟壑区, 退耕恢复草地, 地上生物量, 盖度, γ分布模型, β分布模型, 空间异质性

Abstract:

The aim of this work was to explore the spatial distribution pattern of plants in grasslands under natural restoration on the Loess Plateau. To this end， a field study was conducted at three grassland sites that had been under natural restoration for 5， 10， and 25 years in Wuqi County， Shaanxi Province. The spatial heterogeneity indexes of the whole community and each species in the community were calculated using the aboveground biomass measurement method and the point-grid coverage measurement method， the data were analyzed using two mathematical analytical models： γ-distribution and β-distribution models. Using these analyses， we were able to determine the role of each plant species in the spatial distribution pattern. The results show that the spatial heterogeneity index of grassland species decreased significantly with the increase in average aboveground biomass and coverage （P<0.01）； the proportion of aboveground biomass and coverage of grasses were higher in the 10-year grassland than in the 5-year grassland. Among all the plant species， Stipa capillata accounted for 23.0% and 37.6% of the total biomass and coverage in the 10-year grassland， respectively. In the 25-year grassland， the degradation indicator plant species， Potentilla freyniana， was the dominant species in the community. This result indicates that a long fallow period is not conducive to maintaining the aboveground biomass and cover ratio of grasses and other high-quality plants in the community. The most dominant plant species reduced the spatial heterogeneity of the community as a whole， while the least dominant species had very little effect on the spatial distribution pattern of the community. Overall， the results of this study provide objective data to guide scientific management and rational use of grassland during restoration.

Key words: Loess Plateau hilly and gully area, fallow restoration grassland, aboveground biomass, coverage, γ-distribution model, β-distribution model, spatial heterogeneity

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图/表 7

表1 调查地概况

Table 1 Basic condition of the investigating sites

样地

Site

退耕年限

Years of fallow land

地点

Position

地形

Landform

气候类型

Climate types

经纬度

Longitude and latitude

海拔

Altitude （m）

调查时间Investigation time （年-月-日year-month-day）

退耕5 a Restoration years of 5 （2019）

吴起县中台村老虎沟Wuqi County， Zhongtai Village， Tiger Ditch

坡地

Slope

半干旱温带大陆性季风气候Semi-arid temperate continental monsoon climate

36°54′28″ N，

108°04′05″ E

1417.3

2023-07-17-2023-07-18

退耕10 a Restoration years of 10 （2014）

吴起县中台村老虎沟Wuqi County， Zhongtai Village， Tiger Ditch

坡地

Slope

半干旱温带大陆性季风气候Semi-arid temperate continental monsoon climate

36°54′34″ N，

108°04′09″ E

1364.1

2023-07-13-2023-07-14

退耕25 a Restoration years of 25 （1999）

吴起县中台村老虎沟Wuqi County， Zhongtai Village， Tiger Ditch

坡地

Slope

半干旱温带大陆性季风气候Semi-arid temperate continental monsoon climate

36°54′39″ N，

108°04′11″ E

1357.2

2023-07-15-2023-07-16

图1 盖度测量方法

Fig.1 Coverage measurement method

表2 植物群落总体特征

Table 2 General characteristics of plant community

项目 Item	年限Year （a）
项目 Item	5	10	25
平均地上生物量Average aboveground biomass （g·0.25 m^-2）	14.87±5.46b	14.45±3.76b	19.44±4.64a
平均盖度Average coverage （%）	44.28±18.40c	55.96±24.52b	76.70±16.58a
地上生物量的空间异质性指数Spatial heterogeneity index of aboveground biomass	2.25	3.08	1.16
盖度的空间异质性指数Spatial heterogeneity index of coverage	2.85	2.66	0.85

图2 不同退耕年限草地群落中每种植物的地上生物量与其空间异质性指数（Ii ）之间的关系针茅： Stipa capillata；白莲蒿： Artemisia sacrorum；二裂委陵菜： Potentilla bifurca；三叶委陵菜： Potentilla freyniana. a、b、c分别表示退耕5、10、25 a的草地。图中每个点表示一种植物，下同。a， b and c respectively represent the grasslands of restoration 5， 10 and 25 years. Each point in the diagram represents a plant， the same below.

Fig.2 Relationship between aboveground biomass of each plant and its spatial heterogeneity index （Ii ） in grassland communities with different years of restoration

图3 利用γ分布模型计算不同退耕年限草地每种植物种的空间异质性作用茭蒿： Artemisia giraldii；胡枝子： Lespedeza bicolor；砂珍棘豆： Oxytropis racemose；细叶菊： Chrysanthemum maximowiczii；翻白委陵菜： Potentilla discolor；火绒草： Leontopodium leontopodioides. 下同The same below.

Fig.3 The effects of each plant species with different restoration years on spatial heterogeneity were calculated by using γ distribution model

图4 不同退耕年限草地群落中每种植物盖度与其空间异质性指数（Ii ）之间的关系

Fig.4 Relationship between the coverage of each plant and its spatial heterogeneity index （Ii ） in grassland communities with different years of restoration

图5 利用β分布模型计算不同退耕年限草地每种植物种对空间异质性的作用

Fig.5 The effects of each plant species with different restoration years on spatial heterogeneity were calculated by using β distribution model

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