河西走廊中段荒漠草地地上生物量分布特征及其与环境因子的关系

车 卓， 石 菁， 徐德亮

(1.甘肃省种子管理局, 甘肃 兰州 730020； 2.甘肃农业大学， 甘肃 兰州 730070； 3.临泽县水务局, 甘肃 临泽 734200)



河西走廊中段荒漠草地地上生物量分布特征及其与环境因子的关系

车 卓1,2， 石 菁2， 徐德亮3

(1.甘肃省种子管理局, 甘肃 兰州 730020； 2.甘肃农业大学， 甘肃 兰州 730070； 3.临泽县水务局, 甘肃 临泽 734200)

[目的] 揭示河西走廊中段荒漠草地地上生物量的空间分布特征及其与环境因子的关系，为区域草地生态系统碳库及其变化评估提供基础资料。 [方法] 利用从52个样点获得的样方调查数据，进行统计分析。 [结果] (1) 河西走廊中段荒漠草地单位面积地上生物量的范围为11.17～523.76 g/m2，平均值为149.67 g/m2，大致表现为西北高，东南低的分布特征； (2) 调查中共出现15种优势植物群落地，地上部生物量黑果枸杞群落最小，为49.88±7.42 g/m2，叉枝鸦葱群落最大，为201.69±98.48 g/m2； (3) 地上生物量与经度呈显著的负相关关系，与海拔呈显著的正相关关系； (4) 土壤环境因子能够解释地上生物量39.8%的空间变异，其中土壤类型、土壤容重和土壤有机质的影响较显著，而土壤含水量的影响相对较弱。[结论] 河西走廊荒漠草地地上生物量趋势为由西北至东南逐渐降低；海拔和土壤环境因子是影响分布格局的关键因子。

荒漠草地; 地上生物量; 空间分布; 环境因子; 河西走廊

文献参数： 车卓， 石菁， 徐德亮.河西走廊中段荒漠草地地上生物量分布特征及其与环境因子的关系[J].水土保持通报，2016,36(4)：193-196.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2016.04.034

草地生态系统是陆地生态系统中最重要、分布最广的生态系统类型之一，在全球碳循环和气候调节中起着重要作用[1]。掌握草地生态系统生物量大小及空间分布特征、揭示其与环境因子之间的关系，不仅对了解区域尺度上畜牧业发展潜力、生物多样性现状及生态系统稳定性有积极的作用，对准确评估草地生态系统碳库及其变化、评估CO2源汇功能、预测草地生态系统与全球变化的动态关系也具有重要的意义[2-3]。在中国天然草地分布广阔，总面积约4.0×108hm2，是个巨大的碳库，在中国陆地生态系统碳循环中扮演着重要角色[4]。近年来，随着对草地生态系统在全球碳循环过程中重要性的认识，准确评估草地生态系统碳库及其变化成为了近年来的研究热点[5]，因此，草地生物量分布及其影响因素开始受到国内外学者的广泛的关注。如朴世龙等[6]基于中国草地资源查清资料和遥感影像的模型估测我国草地植被总地上生物量为146.16 TgC；Jian[7]通过74个样地的监测数据分析得出我国北方地上生物量平均值为325.3 g/m2；王娓等[8]得出中国北方天然草地的根冠比高于全球草地的中值和世界其他区域，并随年降雨量增加而显著降低。

在我国北方地区西半部包括新疆、青海、甘肃、宁夏、内蒙西部等的沙漠前沿、平原绿洲外缘、山地平原等地区，荒漠草地是主要的草地类型，其面积约占北方草地总面积的47.4%，是重要的生态屏障和农牧业基地[9]。近年来针对荒漠草地也开展了一些生物量分布空间分布等方面的研究，如张杰等[10]基于EOS/MODIS资料，采用光能利用率算法分析了我国西北荒漠草原生物量及其空间分布；马文红等[11]利用实际观测的113个地面数据得出，温带荒漠草地地上生物量受气候、土壤质地、草地类型等因素的影响，但降水是其最主要的限制因子。针对不同尺度的荒漠草地开展实地调查，通过实测数据准确认识荒漠草地的生物量空间分布格局，对草地生态系统碳库及其变化准确评估极为重要。河西走廊位于甘肃省中部祁连山以北地区，荒漠草地总面积约5.43×106hm2[12]，目前，针对该区域荒漠草地地上生物量及其分布特征的研究报道仍较缺乏。因此，本研究利用2011年野外实地调查资料，采用多元统计分析等手段，揭示河西走廊中段荒漠草地地上生物量的空间分布特征，并对其环境影响机制进行初步探讨。

1　材料和方法

1.1研究地区概况

研究区位于甘肃省河西走廊中段金昌市、张掖市及酒泉市境内，所属辖区包括金川、永昌、甘州、民乐、山丹、临泽、高台、金塔、肃南等区县，行政区划面积约7.34×104km2。该地区属温带大陆性干旱气候类型，年均气温在5～10 ℃之间，年降雨量36～200 mm之间，年均蒸发量在1 624～2 466 mm之间。分布有灰棕漠土、灰钙土、风沙土等土壤类型，局部水位较高的河床地常出现不同程度的盐化现象。调查区西南部为祁连山北坡冲积物、洪积物形成的隔壁平原，东北部为巴丹吉林沙漠边缘的风积地貌，地形自东向西，由南向北倾斜，海拔在1 400～2 900 km[13]。调查的荒漠草地主要分布在祁连山北麓的冲积、洪积平原，由于近年来农业绿洲规模不断扩张，导致荒漠草地呈现出不连续分布状况。荒漠草地分布的主要优势物种有合头草(Sympegmaregelii)、红砂(Reamurasoongorica)、珍珠猪毛菜(Salsolapasserina)、骆驼刺(Alhagisparsifolia)等草原化荒漠植被。

1.2野外样地调查

在全国草地分布图上确定调查样地的位置(经度和纬度)，于2011年7—9月，分别在研究区域内用全球定位系统(GPS)找到样地所处的实际位置，共选择样地52个。在样地内，依据典型性原则，选择能够代表整个草原植被、地形及土壤特征的地段，按一定方向设置100 m样线，每隔20 m(灌木样方)或10 m(草本样方)布设一个样方。每个样地设置灌木样方5个，草本样方10个进行地上生物量的调查。其中，样方面积为灌木5 m×5 m，草本1 m×1 m。对草本10个样方、灌木5个样方测定获得的地上生物量调查数据求平均值，得到每处样地的地上生物量。将每个行政区域所有样方地上生物量数据求平均值，对各行政区域单位面积地上生物量值进行比较。在调查的同时，记录各样地的海拔高度、地貌及土壤类型等环境因子。每块样地间隔一个样方用环刀采集0—20 m土层土壤样品，每个样方取5个重复，环刀样品带回实验室称重后在105 ℃烘干，称重后计算土壤含水量及土壤容重值，取平均值估算每块样地土壤容重及含水量。在容重测定的每个样方内用土钻采集混合土壤样品，风干后带回实验室，用重铬酸钾氧化—容量法测定土壤有机质含量，取各样方平均值估算每个样土壤有机碳含量。

1.3数据的统计分析

将已测定的经纬度、海拔、土壤容重、含水量和土壤有机碳含量作为主要的环境影响因子，评估其对地上生物量空间分布的影响。利用一般线性模型(GLM， general linear model)来分析不同环境因子对地上生物量影响的显著性，及其对地上生物量空间变异性的解释率；通过回归分析分析环境因子与地上生物量之间相互依赖的定量关系。采用SPSS统计分析软件(SPSS 19.0 for Windows, Chicago, USA)进行数据相关及其它统计分析。

2　结果与分析

2.1荒漠草地地上生物量分布区域特征

通过分析52个样地地上生物量数据的对比发现，河西走廊中段荒漠草地单位面积地上生物量的范围为11.17～523.76 g/m2，平均地上生物量为149.67 g/m2。从行政区域间的比较来看，地上生物量大小顺序呈：肃州区>永昌县>高台县>金塔县>山丹县>甘州区>肃南县>民乐县>金川区>临泽县的变化趋势(图1)，大致表现为西北地区高，东南地区低的分布特征。其中生物量<100 g/m2的样地21个，占40.4%；介于100～200之间的样地19个，占36.5%；高于200的样地12个，占20.1%。

注：图中箱体内的短横线表示数据算数平均值，长横线表示数据众数，箱体表示数据标准差，上下短横线分别为数据的最大值和最小值。下同。

图1不同行政区域间荒漠草地地上生物量的分布

2.2典型植物群落地上生物量比较

图2给出了河西走廊中段荒漠草地的优势植物群落地上生物量变异特征，在此次调查中共出现15个优势物种，分别包括叉枝鸦葱(Scorzoneradivaricata)群落、钝叶独行菜(Lepidiumobtusum)群落、合头草群落、黑果枸杞群落(Lyciumruthenicum)、红砂群落、猪毛蒿群落(Artemisiascoparia)、芦苇(Phragmitesaustralis)群落、骆驼刺群落、泡泡刺(Nitrariasphaerocarpa)群落、苔草(Carextristachya)群落、茵陈蒿(Artemisiacapillaris)群落、针茅(Stipacapillata)群落、珍珠猪毛菜、紫菀木(Asterothamnusalyssoides)群落、醉马草(Achnatheruminebrians)群落。地上部生物量平均值最小为黑果枸杞群落(49.88±7.42 g/m2)，最大的为叉枝鸦葱群落(201.69±98.48 g/m2)。其中，地上部生物量平均值低于100 g/m2的植物群落有钝叶独行菜、黑果枸杞、红砂、猪毛蒿、泡泡刺、苔草、醉马草群落，介于100～200 g/m2之间的植物群落为合头草、骆驼刺、茵陈蒿、针茅、珍珠、紫菀木群落，大于200 g/m2的有叉枝鸦葱、芦苇群落。

注：1叉枝鸦葱群落；2钝叶独行菜群落；3合头草群落；4黑果枸杞群落；5红砂群落；6猪毛蒿群落；7芦苇群落；8骆驼刺群落；9泡泡刺群落；10苔草群落；11茵陈蒿群落；12针茅群落；13珍珠猪毛菜群落；14紫菀木群落；15醉马草群落。

图215种优势荒漠植物群落类型地上生物量比较

2.3环境因子对荒漠草地地上生物量分布的影响

从GLM模型(表1)和简单回归分析结果可以看出，在整个研究区域内，荒漠草地地上生物量随经度的增加而降低，随纬度和海拔的升高而增加。相关分析显示，河西走廊荒漠草地地上生物量与经度之间呈显著的负相关关系(R2=0.088，p<0.05)，与海拔高度呈显著的正相关关系(R2=0.030，p<0.05)，而与纬度间的相关不显著(R2=0.015，p>0.05)。土壤环境因子中的土壤类型、土壤含水量、土壤容重和土壤有机质含量分别解释了河西走廊地上生物量13.0%，0.6%，11.7%和14.4%的空间变异。其中地上生物量的空间分布受土壤类型、土壤容重(R2=0.230，p<0.01)和土壤有机质含量(R2=0.031，p<0.01)的影响较显著，而受土壤含水量的影响相对较弱(R2=0.018，p>0.05)。

表1　土壤因子对河西走廊中段荒漠草地地上生物量变异的解释

3　讨 论

根据本项目调查研究的结果，与其他国家和地区的温带草地相比较，河西走廊中段荒漠草地地上生物量平均值149.67 g/m2，低于全球水平(378.4 g/m2)，而与马文红等估算的内蒙古温带草地地上生物量(135.3 g/m2)较为接近[10]。马文红等[10]认为，内蒙古温带草地较低的生物量与我国北方的干旱气候条件和长期强烈的人为活动有关。河西走廊中段与内蒙古西南部相邻，气候类型及人为活动方式相似，因此，干旱的气候条件和长期强烈的人为活动也是影响河西走廊中段荒漠草地生物量整体水平的主要因素。

从本研究的数据可以看出，河西走廊中段地区地上生物量的分布与地理位置有显著的关系，表现为在经向上逐渐减少，在纬向上逐渐增加。这与崔夺等[13]的研究结果不一致，其主要原因可能与研究范围的较大差异有关，崔夺等的研究区域西自塔里木盆地西端，东至浑善达克沙地东端，其研究结论为广大北方荒漠及荒漠化草地的整体生物量分布趋势，而本研究结论为仅适合河西走廊中段地区的局部生物量分布趋势。朴世龙等[6]的研究表明，在1 350～3 750 m这一海拔梯度内，随海拔的升高草地单位面积地上生物量增加，本研究样点海拔高度介于1 160～2 560 m，研究结果也符合随海拔高度的升高生物量增加的变化趋势。多数研究均表明，气候(尤其是降水)是影响草地地上生物量分布差异的主要原因[5]，河西走廊中段为位于东经、北纬之间的狭长区域，地形为自东向西，由南向北倾斜，这种地形和地理分布造成的区域气候差异可能是造成荒漠草地地上生物量空间分布差异的主要原因。另外一些研究则指出，土壤因子也是影响草地地上生物量的主要因素[14]，本研究主要关注了土壤环境因子对河西走廊荒漠草地空间分布差异的影响。从研究结果可以看出，土壤类型、土壤含水量、土壤容重和土壤有机质含量的总体解释率将近40%，这意味着土壤环境因子是影响河西走廊荒漠草地地上生物量空间分布的关键因子之一。其他研究中也有有关土壤环境因子对荒漠草地地上生物量分布影响的报道，如安尼瓦尔·买买提等[15]报道了新疆地区荒漠草地地上生物量与土壤含水量、土壤总氮含量正相关。在本研究中，尽管土壤含水量对地上生物量空间分布的解释率尽管只有0.6%，但随土壤含水量的增加地上生物量增加的变化趋势则与安尼瓦尔·买买提等的研究结论相似。从上述的讨论可以看出，尽管近年来针对荒漠草地生物量分布格局开展了大量的研究，但由于研究方法和数据来源方面存在较大差异，导致研究结果存在一定的差异。基于目前的情况，仍需在采用统一调查方法的基础上获取大量的实测数据以提高荒漠草地生物量估算和草地生态系统碳库变化评估的精度和准确性。

4　结 论

河西走廊中段荒漠草地单位面积地上生物量的范围为11.17～523.76 g/m2，平均地上生物量为149.67 g/m2，低于全球水平(378.4 g/m2)，而与马文红等[11]估算的内蒙古温带草地地上生物量(135.3 g/m2)较为接近。其分布与地理位置有显著的关系，与经度之间呈显著的负相关关系，而与纬度间的相关不显著，趋势大致为由西北至东南逐渐降低。地上生物量与海拔高度呈显著的正相关关系，表现出随海拔的升高而增加。土壤环境因子是河西走廊荒漠草地地上生物量分布格局影响的关键因子之一，土壤环境因子中的土壤类型、土壤含水量、土壤容重和土壤有机质含量分别解释了河西走廊地上生物量13.0%，0.6%，11.7%和14.4%的空间变异，表明土壤类型、土壤容重和土壤有机质含量对其空间分布有显著的影响，而土壤含水量的影响相对较弱。

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Aboveground Biomass Distribution of Desert Grasslands and Its Responses to Environmental Factors in Middle Regions of Hexi Corridors

CHE Zhuo1,2, SHI Jing2, XU Deliang3

(1.GansuPlantSeedAdministrativeStation,Lanzhou,Gansu730020,China; 2.AgronomyCollege,GansuAgriculturalUniversity,Lanzhou，Gansu730070,China; 3.LinzeWaterAffairsBureau,Linze,Gansu734200,China)

[Objective] Spatial distribution of aboveground biomass and its relationship with environmental factors were studied in desert grassland in the middle part of Hexi Corridor to provide a reliable data for the assessment of grassland ecosystem carbon stock, and to illustrate its change at regional scale. [Methods] The present study, based on a total of 52 sampling sites in desert grasslands in the middle region of Hexi Corridors, illustrated the regional distribution pattern of aboveground biomass and its response to environmental factors were investigated. [Results] The results showed that aboveground biomass of desert grasslands ranged from 11.17～523.76 g/m2, with an average of 149.67 g/m2, and increased from the southeast to the northwest in the survey area. There were 15 communities with dominant species appeared in these 52 sampling. Average aboveground biomasses ofLyciumruthenicumandScorzoneradivaricatecommunity were 49.88±7.42 g/m2and 201.69±98.48 g/m2, respectively, which were also the minimum and maximum of aboveground biomass among the 15 communities. Aboveground biomass was significantly and negatively correlated with longitude, and was significantly and positively correlated with elevation. 39.8% of the spatial variation of aboveground biomass can be interpreted by soil factors. Among which, soil type, soil bulk density and soil organic matter were significantly affected aboveground biomass distribution of desert grassland, while the effects of soil moisture on aboveground biomass was weak. [Conclusion] Aboveground biomass in desert grassland of Hexi Corridor increased from the southeast to the northwest. Altitude and soil environmental factors are the key factors affecting the distribution pattern.

desert grasslands; aboveground biomass; spatial pattern; environmental factors; Hexi Corridors

2015-11-13

2015-12-18

车卓(1984—),男(汉族)，甘肃省文县人，硕士研究生，研究方向为农业生态。E-mail:chezhuo1110@163.com。

A

1000-288X(2016)04-0193-04

Q948.1