种植巨菌草对乌兰布和沙漠植物物种多样性与土壤理化性质的影响

doi:10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.09.006

生态环境学报 ›› 2023, Vol. 32 ›› Issue (9): 1595-1605.DOI: 10.16258/j.cnki.1674-5906.2023.09.006

种植巨菌草对乌兰布和沙漠植物物种多样性与土壤理化性质的影响

宋思梦¹^,²(), 林冬梅¹, 周恒宇¹, 罗宗志¹, 张丽丽¹, 易超¹, 林辉¹, 林兴生¹, 刘斌¹^,³, 苏德伟¹, 郑丹¹, 余世葵¹, 林占熺¹^,^*()

1.福建农林大学菌草与生态学院（碳中和学院）/国家菌草工程技术研究中心，福建福州 350002
2.四川民族学院农学院/横断山区生态修复与特色产业培育研究中心，四川康定 626001
3.福建农林大学食品科学学院，福建福州 350002

收稿日期:2023-06-11 出版日期:2023-09-18 发布日期:2023-12-11
通讯作者: ^*林占熺。E-mail: lzxjuncao@163.com
作者简介:宋思梦（1993年生），女，博士研究生，主要从事退化生态系统修复研究。E-mail: 1026668404@qq.com
基金资助:
中央引导地方科技发展专项资金项目(2018L003);福建省自然资源厅项目(KKY22003XA);福建省农业农村厅农业资源保护与利用专项(KKY22001XA)

Effects of Planting Cenchrus fungigraminus on Plant Species Diversity and Soil Physicochemical Properties in the Ulan Buh Desert

SONG Simeng¹^,²(), LIN Dongmei¹, ZHOU Hengyu¹, LUO Zongzhi¹, ZHANG Lili¹, YI Chao¹, LIN Hui¹, LIN Xingsheng¹, LIU Bin¹^,³, SU Dewei¹, ZHENG Dan¹, YU Shikui¹, LIN Zhanxi¹^,^*()

1. National Engineering Research Center of Juncao Technology/College of Juncao Science and Ecology (College of Carbon Neutrality), Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, P. R. China
2. Research Center for Ecological Restoration and Characteristic Industry Cultivation in Hengduan Mountains Region/Sichuan Minzu College, Kangding 626001, P. R. China
3. College of Food Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, P. R. China

Received:2023-06-11 Online:2023-09-18 Published:2023-12-11

摘要/Abstract

摘要：

了解种植巨菌草对乌兰布和沙漠植物物种多样性及土壤质量状况的影响，可为沙漠生态系统植被恢复与可持续经营提供依据。以巨菌草种植1 a、5 a、8 a样地为研究对象，以围封裸沙地为对照（CK），比较了CK与不同种植年限巨菌草样地植物物种多样性与土壤理化性质的差异及二者相关性。结果表明：与CK相比，种植巨菌草后更新灌草11科31属38种，优势种更替明显，改变了沙地群落结构，显著提高了各物种多样性指数；随年限增加，灌草层物种数增加，灌木层各多样性指数在5 a样地中最佳，草本层各多样性指数在8 a样地中最佳；CK与1年样地间群落相似性指数最大，而后降低。与CK相比，种植巨菌草显著改善了土壤理化环境，降低了土壤容重，提高了孔隙度、含水量、持水量及有机质、氮、磷、钾等养分；随年限增加，8 a和5 a样地土壤理化条件显著优于1 a和CK样地。冗余分析（RDA）分析结果表明灌草层丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数与土壤理化因子密切相关，各指数与除容重外其他因子间均呈正相关关系。同时，1 a与5 a样地间各多样性指数及土壤因子变化幅度明显大于5年与8年样地间。综上，种植巨菌草显著改善了乌兰布和沙漠东缘植物物种多样性与土壤理化性质，随种植年限增加，群落结构与土壤环境不断改善且逐渐稳定，沙漠生态系统朝正向演替发展，5 a可达较好效果，8 a效果最佳。

关键词: 巨菌草, 物种多样性, 群落结构, 土壤理化性质, 冗余分析, 乌兰布和沙漠

Abstract:

Understanding the effects of planting Cenchrus fungigraminus on plant species diversity and soil quality in Ulan Buh Desert can provide a basis for vegetation restoration and sustainable management of the desert ecosystem. Using 1-year, 5-year, and 8-year plots of Cenchrus fungigraminus as the research objects, and enclosed bare sand as the control (CK), we compared the differences and correlations in plant species diversity and soil physicochemical properties between CK and the sample plots of Cenchrus fungigraminus with different planting years. The results showed that compared with CK, the shrub and herb layers were renewed with a total of 38 species in 11 families and 31 genera in the sample plots with Cenchrus fungigraminus. The dominant species were significantly replaced, the community structure of the sandy land was changed, and the species richness index (D), Shannon-Wiener diversity index (H), Simpson dominance index (H') and Pielou evenness index (J_SW) increased significantly. The number of species in the shrub and herb layers increased with the increase of planting years, and D, H, H', J_SW of shrub layer were best in the 5-year sample plot, while the D, H, H′, J_SW of herb layer were best in the 8-year sample plot. The community similarity indices were highest between CK and 1-year sample plot, and then decreased with the increase of planting years. Compared with CK, the soil physicochemical properties were significantly improved. The soil bulk density was reduced significantly, and the soil porosity, moisture content, water-holding capacity, organic matter, total nitrogen, total phosphorus, total potassium were increased significantly in the sample plots with Cenchrus fungigraminus. The soil physicochemical properties in the 8-year and 5-year plots were significantly better than those in the 1-year and CK plots. The results of Redundancy Analysis (RDA) showed that the D, H, H', J_SW of shrub and herb layers were closely related to soil physicochemical factors, and each index was positively correlated with other physicochemical properties except for the soil bulk density. Meanwhile, the range variation of the D, H, H', J_SW and soil properties between 1-year and 5-year plots was significantly greater than that between 5-year and 8-year plots. In summary, the planting of Cenchrus fungigraminus can significantly improve the plant species diversities and soil physicochemical properties in the eastern edge of Ulan Buh Desert. With the increase of planting years, the community structure and soil environment were gradually improved and stabilized, and the desert ecosystem developed towards positive succession. Moreover, the improvement effect reached a relatively good result in the 5-year sample plot and was best in the 8-year sample plot.

Key words: Cenchrus fungigraminus, species diversity, community structure, soil physicochemical property, redundancy analysis, Ulan Buh Desert

中图分类号:

宋思梦, 林冬梅, 周恒宇, 罗宗志, 张丽丽, 易超, 林辉, 林兴生, 刘斌, 苏德伟, 郑丹, 余世葵, 林占熺. 种植巨菌草对乌兰布和沙漠植物物种多样性与土壤理化性质的影响[J]. 生态环境学报, 2023, 32(9): 1595-1605.

SONG Simeng, LIN Dongmei, ZHOU Hengyu, LUO Zongzhi, ZHANG Lili, YI Chao, LIN Hui, LIN Xingsheng, LIU Bin, SU Dewei, ZHENG Dan, YU Shikui, LIN Zhanxi. Effects of Planting Cenchrus fungigraminus on Plant Species Diversity and Soil Physicochemical Properties in the Ulan Buh Desert[J]. Ecology and Environment, 2023, 32(9): 1595-1605.

图/表 9

参考文献 33

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样地类型	样地编号	地形特征					巨菌草 (Cenchrus fungigraminus) 生长性状 (平均值±标准差) n=5
样地类型	样地编号	纬度 (N)	经度 (E)	海拔/m	坡度/(°)	坡向	株高/cm	茎粗/cm	叶长/cm	叶宽/cm	叶片数	分蘖数
CK	CK-1	106°75′	40°08′	1019	19.2	E	－
	CK-2			1018	20.3	E
	CK-3			1017	20.4	E
1 a	C1-1	106°76′	40°08′	1017	20.9	SE	180.5±13.5	3.26±0.38	98.5±8.1	4.1±0.6	15±2	12±3
	C1-2			1015	21.1	E	172.7±6.3	3.28±0.47	98.4±4.1	4.3±0.6	16±1	12±3
	C1-3			1018	21.3	SE	174.2±11.3	2.98±0.16	93.6±4.3	4.1±0.1	15±1	13±3
5 a	C5-1	106°70′	39°79′	1049	24.5	SE	230.9±9.0	3.01±0.52	120.9±10.1	5.7±0.5	18±2	16±3
	C5-2			1047	24.8	E	240.4±10.1	3.18±0.89	108.8±5.1	6.4±0.3	16±1	14±1
	C5-3			1056	22.6	E	230.9±14.3	3.53±0.41	116.0±11.6	5.7±0.5	17±2	15±3
8 a	C8-1	106°85′	40°16′	1021	25.4	SE	247.3±13.6	2.44±0.39	124.4±8.7	4.9±0.3	15±1	16±3
	C8-2			1022	25.6	E	238.1±10.0	2.56±0.32	121.7±14.3	5.0±0.5	15±2	21±5
	C8-3			1024	24.5	E	267.8±12.9	2.89±0.93	132.3±9.0	4.6±0.4	16±1	16±4

样地类型	样地编号	地形特征					巨菌草 (Cenchrus fungigraminus) 生长性状 (平均值±标准差) n=5
样地类型	样地编号	纬度 (N)	经度 (E)	海拔/m	坡度/(°)	坡向	株高/cm	茎粗/cm	叶长/cm	叶宽/cm	叶片数	分蘖数
CK	CK-1	106°75′	40°08′	1019	19.2	E	－
	CK-2			1018	20.3	E
	CK-3			1017	20.4	E
1 a	C1-1	106°76′	40°08′	1017	20.9	SE	180.5±13.5	3.26±0.38	98.5±8.1	4.1±0.6	15±2	12±3
	C1-2			1015	21.1	E	172.7±6.3	3.28±0.47	98.4±4.1	4.3±0.6	16±1	12±3
	C1-3			1018	21.3	SE	174.2±11.3	2.98±0.16	93.6±4.3	4.1±0.1	15±1	13±3
5 a	C5-1	106°70′	39°79′	1049	24.5	SE	230.9±9.0	3.01±0.52	120.9±10.1	5.7±0.5	18±2	16±3
	C5-2			1047	24.8	E	240.4±10.1	3.18±0.89	108.8±5.1	6.4±0.3	16±1	14±1
	C5-3			1056	22.6	E	230.9±14.3	3.53±0.41	116.0±11.6	5.7±0.5	17±2	15±3
8 a	C8-1	106°85′	40°16′	1021	25.4	SE	247.3±13.6	2.44±0.39	124.4±8.7	4.9±0.3	15±1	16±3
	C8-2			1022	25.6	E	238.1±10.0	2.56±0.32	121.7±14.3	5.0±0.5	15±2	21±5
	C8-3			1024	24.5	E	267.8±12.9	2.89±0.93	132.3±9.0	4.6±0.4	16±1	16±4

层次	科	属	种	生活型	重要值/%
层次	科	属	种	生活型	CK	1 a	5 a	8 a	合值
灌木层	柏科 Cupressaceae	刺柏属 Juniperus	叉子圆柏 Juniperus sabina	多年生	－	－	－	10.47	10.47
	蓼科 Polygonaceae	木蓼属 Atraphaxis	沙木蓼 Atraphaxis bracteata	多年生	－	－	－	76.88	76.88
	藜科 Chenopodiaceae	梭梭属 Haloxylon	梭梭 Haloxylon ammodendron	多年生	－	－	10.40	－	10.40
	藜科 Chenopodiaceae	驼绒藜属 Krascheninnikovia	华北驼绒藜 Krascheninnikovia arborescens	多年生	－	－	8.37	－	8.37
	藜科 Chenopodiaceae	猪毛菜属 Salsola	松叶猪毛菜 Salsola laricifolia	多年生	－	－	56.45	－	56.45
	唇形科 Labiatae	百里香属 Thymus	百里香 Thymus mongolicus	多年生	－	－	17.63	－	17.63
	豆科 Leguminosae	胡枝子属 Lespedeza	胡枝子 Lespedeza bicolor	多年生	－	－	7.15	－	7.15
	菊科 Compositae	亚菊属 Ajania	蓍状亚菊 Ajania achilleoides	多年生	－	－	－	12.64	12.64
草本层	蒺藜科 Zygophyllaceae	蒺藜属 Tribulus	巨菌草Cenchrus fungigraminus	一年生	－	20.32	13.82	17.42	51.56
	蓼科 Polygonaceae	蓼属 Polygonum	萹蓄 Polygonum aviculare	一年生	－	－	－	2.60	2.60
	马齿苋科 Portulacaceae	马齿苋属 Portulaca	马齿苋 Portulaca oleracea	一年生	－	－	0.95	－	0.95
	藜科 Chenopodiaceae	滨藜属 Atriplex	鞑靼滨藜 Atriplex tatarica	一年生	－	－	－	1.59	1.59
	藜科 Chenopodiaceae	碱蓬属 Suaeda	碱蓬 Suaeda glauca	一年生	－	－	2.15	－	2.15
	藜科 Chenopodiaceae	碱蓬属 Suaeda	盐地碱蓬 Suaeda salsa	一年生	－	－	－	4.40	4.40
	藜科 Chenopodiaceae	藜属 Chenopodium	灰绿藜 Chenopodium glaucum	一年生	－	－	0.68	1.22	1.90
	藜科 Chenopodiaceae	藜属 Chenopodium	藜 Chenopodium album	一年生	－	－	1.57	－	1.57
	藜科 Chenopodiaceae	沙蓬属 Agriophyllum	沙蓬 Agriophyllum squarrosum	一年生	－	－	0.93	－	0.93
	藜科 Chenopodiaceae	雾冰藜属 Bassia	地肤 Bassia scoparia	一年生	62.96	39.32	11.56	7.26	121.10
	藜科 Chenopodiaceae	雾冰藜属 Bassia	雾冰藜 Bassia dasyphylla	一年生	－	－	10.95	8.76	19.71
	藜科 Chenopodiaceae	猪毛菜属 Salsola	猪毛菜 Salsola collina	一年生	－	－	1.38	1.79	3.17
	苋科 Amaranthaceae	苋属 Amaranthus	反枝苋 Amaranthus retroflexus	一年生	－	－	－	1.00	1.00
	蒺藜科 Zygophyllaceae	骆驼蓬属 Peganum	骆驼蓬 Peganum harmala	多年生	－	－	4.31	－	4.31
	锦葵科 Malvaceae	苘麻属 Abutilon	苘麻 Abutilon theophrasti	一年生	－	－	－	0.92	0.92
	萝藦科 Asclepiadaceae	鹅绒藤属 Cynanchum	地梢瓜 Cynanchum thesioides	多年生	－	－	1.90	－	1.90
	萝藦科 Asclepiadaceae	鹅绒藤属 Cynanchum	鹅绒藤 Cynanchum chinense	多年生	－	－	2.22	－	2.22
	唇形科 Labiatae	水棘针属 Amethystea	水棘针 Amethystea caerulea	一年生	－	－	－	1.12	1.12
	茄科 Solanaceae	茄属 Solanum	龙葵 Solanum nigrum	一年生	－	－	5.41	4.22	9.63
	菊科 Compositae	苍耳属 Xanthium	苍耳 Xanthium strumarium	一年生	－	－	2.08	8.33	10.41
	菊科 Compositae	飞蓬属 Erigeron	小蓬草 Erigeron canadensis	一年生	－	－	1.40	－	1.40
	菊科 Compositae	蒿属 Artemisia	龙蒿 Artemisia dracunculus	多年生	－	－	－	11.95	11.95
	菊科 Compositae	蒿属 Artemisia	沙蒿 Artemisia desertorum	多年生	－	－	0.64	－	0.64
	菊科 Compositae	苦苣菜属 Sonchus	长裂苦苣菜 Sonchus brachyotus	一年生	－	1.92	－	2.28	4.20
	菊科 Compositae	莴苣属 Lactuca	乳苣 Lactuca tatarica	多年生	－	－	22.33	－	22.33
	禾本科 Gramineae	稗属 Echinochloa	水田稗 Echinochloa oryzoides	一年生	－	－	－	12.25	12.25
	禾本科 Gramineae	狗尾草属 Setaria	狗尾草 Setaria viridis	一年生	－	－	1.58	－	1.58
	禾本科 Gramineae	芦苇属 Phragmites	芦苇 Phragmites australis	多年生	37.04	38.44	－	12.89	88.37
	禾本科 Gramineae	马唐属 Digitaria	马唐 Digitaria sanguinalis	一年生	－	－	0.65	－	0.65
	禾本科 Gramineae	沙鞭属 Psammochloa	沙鞭 Psammochloa villosa	多年生	－	－	12.60	－	12.60
	禾本科 Gramineae	穇属 Eleusine	牛筋草 Eleusine indica	一年生	－	－	0.89	－	0.89

层次	科	属	种	生活型	重要值/%
层次	科	属	种	生活型	CK	1 a	5 a	8 a	合值
灌木层	柏科 Cupressaceae	刺柏属 Juniperus	叉子圆柏 Juniperus sabina	多年生	－	－	－	10.47	10.47
	蓼科 Polygonaceae	木蓼属 Atraphaxis	沙木蓼 Atraphaxis bracteata	多年生	－	－	－	76.88	76.88
	藜科 Chenopodiaceae	梭梭属 Haloxylon	梭梭 Haloxylon ammodendron	多年生	－	－	10.40	－	10.40
	藜科 Chenopodiaceae	驼绒藜属 Krascheninnikovia	华北驼绒藜 Krascheninnikovia arborescens	多年生	－	－	8.37	－	8.37
	藜科 Chenopodiaceae	猪毛菜属 Salsola	松叶猪毛菜 Salsola laricifolia	多年生	－	－	56.45	－	56.45
	唇形科 Labiatae	百里香属 Thymus	百里香 Thymus mongolicus	多年生	－	－	17.63	－	17.63
	豆科 Leguminosae	胡枝子属 Lespedeza	胡枝子 Lespedeza bicolor	多年生	－	－	7.15	－	7.15
	菊科 Compositae	亚菊属 Ajania	蓍状亚菊 Ajania achilleoides	多年生	－	－	－	12.64	12.64
草本层	蒺藜科 Zygophyllaceae	蒺藜属 Tribulus	巨菌草Cenchrus fungigraminus	一年生	－	20.32	13.82	17.42	51.56
	蓼科 Polygonaceae	蓼属 Polygonum	萹蓄 Polygonum aviculare	一年生	－	－	－	2.60	2.60
	马齿苋科 Portulacaceae	马齿苋属 Portulaca	马齿苋 Portulaca oleracea	一年生	－	－	0.95	－	0.95
	藜科 Chenopodiaceae	滨藜属 Atriplex	鞑靼滨藜 Atriplex tatarica	一年生	－	－	－	1.59	1.59
	藜科 Chenopodiaceae	碱蓬属 Suaeda	碱蓬 Suaeda glauca	一年生	－	－	2.15	－	2.15
	藜科 Chenopodiaceae	碱蓬属 Suaeda	盐地碱蓬 Suaeda salsa	一年生	－	－	－	4.40	4.40
	藜科 Chenopodiaceae	藜属 Chenopodium	灰绿藜 Chenopodium glaucum	一年生	－	－	0.68	1.22	1.90
	藜科 Chenopodiaceae	藜属 Chenopodium	藜 Chenopodium album	一年生	－	－	1.57	－	1.57
	藜科 Chenopodiaceae	沙蓬属 Agriophyllum	沙蓬 Agriophyllum squarrosum	一年生	－	－	0.93	－	0.93
	藜科 Chenopodiaceae	雾冰藜属 Bassia	地肤 Bassia scoparia	一年生	62.96	39.32	11.56	7.26	121.10
	藜科 Chenopodiaceae	雾冰藜属 Bassia	雾冰藜 Bassia dasyphylla	一年生	－	－	10.95	8.76	19.71
	藜科 Chenopodiaceae	猪毛菜属 Salsola	猪毛菜 Salsola collina	一年生	－	－	1.38	1.79	3.17
	苋科 Amaranthaceae	苋属 Amaranthus	反枝苋 Amaranthus retroflexus	一年生	－	－	－	1.00	1.00
	蒺藜科 Zygophyllaceae	骆驼蓬属 Peganum	骆驼蓬 Peganum harmala	多年生	－	－	4.31	－	4.31
	锦葵科 Malvaceae	苘麻属 Abutilon	苘麻 Abutilon theophrasti	一年生	－	－	－	0.92	0.92
	萝藦科 Asclepiadaceae	鹅绒藤属 Cynanchum	地梢瓜 Cynanchum thesioides	多年生	－	－	1.90	－	1.90
	萝藦科 Asclepiadaceae	鹅绒藤属 Cynanchum	鹅绒藤 Cynanchum chinense	多年生	－	－	2.22	－	2.22
	唇形科 Labiatae	水棘针属 Amethystea	水棘针 Amethystea caerulea	一年生	－	－	－	1.12	1.12
	茄科 Solanaceae	茄属 Solanum	龙葵 Solanum nigrum	一年生	－	－	5.41	4.22	9.63
	菊科 Compositae	苍耳属 Xanthium	苍耳 Xanthium strumarium	一年生	－	－	2.08	8.33	10.41
	菊科 Compositae	飞蓬属 Erigeron	小蓬草 Erigeron canadensis	一年生	－	－	1.40	－	1.40
	菊科 Compositae	蒿属 Artemisia	龙蒿 Artemisia dracunculus	多年生	－	－	－	11.95	11.95
	菊科 Compositae	蒿属 Artemisia	沙蒿 Artemisia desertorum	多年生	－	－	0.64	－	0.64
	菊科 Compositae	苦苣菜属 Sonchus	长裂苦苣菜 Sonchus brachyotus	一年生	－	1.92	－	2.28	4.20
	菊科 Compositae	莴苣属 Lactuca	乳苣 Lactuca tatarica	多年生	－	－	22.33	－	22.33
	禾本科 Gramineae	稗属 Echinochloa	水田稗 Echinochloa oryzoides	一年生	－	－	－	12.25	12.25
	禾本科 Gramineae	狗尾草属 Setaria	狗尾草 Setaria viridis	一年生	－	－	1.58	－	1.58
	禾本科 Gramineae	芦苇属 Phragmites	芦苇 Phragmites australis	多年生	37.04	38.44	－	12.89	88.37
	禾本科 Gramineae	马唐属 Digitaria	马唐 Digitaria sanguinalis	一年生	－	－	0.65	－	0.65
	禾本科 Gramineae	沙鞭属 Psammochloa	沙鞭 Psammochloa villosa	多年生	－	－	12.60	－	12.60
	禾本科 Gramineae	穇属 Eleusine	牛筋草 Eleusine indica	一年生	－	－	0.89	－	0.89

种植时间/a	CK	1	5	8
CK	－	0.667	0.071	0.182
1	0.500	－	0.133	0.333
5	0.038	0.071	－	0.304
8	0.100	0.200	0.179	－

种植巨菌草对乌兰布和沙漠植物物种多样性与土壤理化性质的影响

Effects of Planting Cenchrus fungigraminus on Plant Species Diversity and Soil Physicochemical Properties in the Ulan Buh Desert

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土壤理化因子	轴		对物种多样性解释率
土壤理化因子	RDA 1	RDA 2	解释变异量/%	伪F统计量	P
有机质	0.738	0.176	25.6	8.7	0.011^{* 1)}
全氮	0.808	0.143	48.6	20.6	0.003^{** 2)}
全磷	0.705	0.164	16.7	4.5	0.036^*
全钾	0.772	0.196	38.5	11.4	0.008^**
土壤容重	−0.816	−0.086	49.3	20.8	0.003^**
土壤总孔隙度	0.802	−0.160	48.2	19.4	0.004^**
土壤毛管孔隙度	0.860	−0.065	55.3	24.5	0.002^**
土壤含水量	0.786	−0.192	40.7	15.6	0.005^**
土壤最大持水量	0.850	−0.034	52.1	23.9	0.002^**
土壤毛管持水量	0.830	−0.053	50.2	21.1	0.002^**
参数
特征值	0.973	0.020
物种多样性变异的累积解释量/%	97.300	99.300
物种多样性-土壤理化因子相关性	0.998	0.998
物种多样性-土壤理化因子关系累积解释量/%	97.400	99.400

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