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近年来由于全球气候变化和人类活动的影响,在内蒙古草原区发生了大针茅(Stipa grandis)群落被克氏针茅(S.krylovii)群落替代的现象,为解释这一现象,本研究比较了大针茅和克氏针茅对干旱胁迫和刈割干扰响应策略的区别以及两物种竞争等级(competitive hierarchy)对养分变化和邻居类群伴生变化时的响应。
通过模拟干旱胁迫和刈割干扰实验研究了大针茅和克氏针茅生长表现(包括总生物量、地上生物量、地下生物量、根冠比、PS-Ⅱ光化学效率、株高、比叶面积(SLA)、叶片干物质含量(LDMC)和碳分配格局(包括叶片总酚浓度和总的非结构性碳库)对干旱胁迫和刈割处理的响应的比较。结果显示:(1)克氏针茅总生物量、地上生物量、地下生物量、根冠比、SLA和总的非结构性碳库受干旱胁迫的负向影响更严重;株高受到的负向影响较小;PS-Ⅱ光化学效率受到的正向影响较小;叶片总酚浓度受到干旱胁迫的正向影响。干旱胁迫加重了刈割处理的影响,并且两者之间的交互作用对所有指标均影响显著。(2)对于生长指标而言,从正常浇水到干旱胁迫,表现为由大针茅较优变为克氏针茅较优。具体表现为总生物量、地上、地下生物量从响应等价(responseequivalence)变为克氏针茅较优、PS-Ⅱ光化学效率从大针茅较优变为响应等价物、LDMC从响应等价物变为大针茅增加、克氏针茅降低。(3)对于碳分配格局,大针茅和克氏针茅之间形成了较弱的响应等级,从正常浇水变化到干旱胁迫,克氏针茅从防御性化合物投入较优变化为储存化合物投入较优;大针茅的响应方式则相反。这些结果说明两种植物对干旱胁迫下刈割干扰的响应策略不同,大针茅采用逃避性策略而克氏针茅采用耐受性策略,而干扰生境中耐受性策略有利于植物的存活和生长。
此外,通过模拟干扰后非生物环境(正常养分与低养分)的变化并结合邻居类群(单独种植、羊草Leymus chinensis作为邻居、冰草Agropyron cristatum作为邻居)的不同,研究了大针茅和克氏针茅幼苗生长表现(总生物量、地上生物量、地下生物量、相对生长速率RGR、分蘖数和绿叶数)、资源获取能力(根体积、株高、根冠比)和竞争响应系数(lnRRRGR、lnRR总生物量、lnRR根体积、lnRR株高)的变化。结果显示:(1)作为对养分梯度和邻居类群变化的响应,大针茅和克氏针茅形成了明显的生长速率和生长竞争响应等级。(2)养分梯度和邻居类群的变化对生长速率竞争响应等级的形成没有直接影响;受到邻居类群的影响,沿养分梯度,大针茅和克氏针茅生长竞争响应等级维持,或者从正常养分变到低养分,由竞争等价物或大针茅较优变为克氏针茅较优。这可能与克氏针茅地上资源获取能力显著高于大针茅有关。此结果同时证明了竞争减弱(competitive reduction)理论和竞争变化(competitive change)假说。
总的来说,干扰后克氏针茅采用耐受性策略,有利于在干扰后的生境中存活和生长,而大针茅趋向于采用逃避性策略。当干扰导致邻居类群不同时,大针茅和克氏针茅的竞争等级没有发生改变;当干扰改变非生物土壤环境从而使得由正常养分变为低养分时,克氏针茅的竞争等级优于大针茅。本研究结果为自然生境中大针茅群落被克氏针茅群落替代提供一种可能的解释。大针茅草原相对于克氏针茅草原具有较高的生产力、多样性和牧草品质,因而在当前全球气候变化和人类活动背景下,为了维持草原生态系统正常功能和可持续发展,人类活动必须维持在合理的强度以内,特别是在较为干旱少雨的年份或地区。