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荒漠草原是草原向荒漠过渡的旱生性最强的一类草原,由于长期的过度放牧利用,荒漠草原生态系统的生境破碎化,植物空间分布格局发生改变,呈现出斑块状分布的特点。研究放牧干扰下植物、土壤空间格局的变化特点及二者的作用规律对于深入了解草地群落演替机制具有重要意义。本研究以短花针茅荒漠草原为研究对象,在长期不同载畜率(对照,CK、轻度放牧、LG,中度放牧,MG、重度放牧,HG)的围封放牧样地,主要从两方面进行研究:(1)在群落水平探讨物种多样性(α多样性)对载畜率的响应,并针对群落中4种主要植物:建群种短花针茅(Stipabreviflora)、优势种冷蒿(Artemisiafrigida)和无芒隐子草(Cleistogenessongorica)、主要伴生种银灰旋花(Convolvulus ammannii),采用格局分析、生态位、空间自相关、半方差函数、克里格差值等方法对4种植物和土壤碳、氮的空间格局特征及植物与土壤异质性之间的关系对不同载畜率的响应进行研究;(2)针对以4种植物为主的草地斑块,通过α多样性和β多样性探讨物种组成、物种更替和多样性变化对载畜率的响应、同时分析斑块植物地上—根系—土壤碳、氮含量的季节动态及耦合关系。旨在从群落和种群(斑块)水平上揭示了草地空间格局变化规律、养分耦合关系对放牧的响应,阐明长期放牧引起草地生态系统空间格局转变的差异和成因,为制定合理的放牧制度和天然草地可持续发展提供科学依据。主要结果如下:1.不同载畜率下群落物种多样性、主要植物密度—土壤空间异质性及二者关系(1)群落物种丰富度(Margelef)、多样性(Shannon-Wiener指数)和均匀度(Pielou)随载畜率增加而降低,在HG区显著低于其他处理(P<0.05)。不同载畜率下,短花针茅、冷蒿和无芒隐子草及银灰旋花等4种主要植物种群均为聚集分布的格局。随载畜率的增加,短花针茅和无芒隐子草的聚集强度降低,生态位变宽,冷蒿和银灰旋花的聚集强度提高,生态位变窄。短花针茅和无芒隐子草之间的生态位重叠随载畜率的增加而增加,二者的种间竞争作用加强,在群落中处于优势地位,而冷蒿和银灰旋花之间或二者与短花针茅或无芒隐子草之间的生态位重叠均降低,在群落中的地位减弱。(2)载畜率对4种植物种群密度均有显著影响(P<0.05),随载畜率的增加:短花针茅和无芒隐子草的密度逐渐增加,冷蒿密度先增加后降低,银灰旋花密度降低;4种植物的密度总和随载畜率增加呈先降低后增加的趋势。不同载畜率下4种植物的空间分布不同,在CK区,短花针茅表现为强烈的空间自相关,主要受结构性因素影响,其他物种虽能形成聚集分布的斑块,但空间连续性差,主要受随机性因素影响。放牧提高了短花针茅总的空间变异,斑块面积变大,使冷蒿、无芒隐子草和银灰旋花种群得以扩张,空间上形成斑块状分布、梯度分布或圈层结构,空间自相关性增强。(3)不同载畜率对土壤全碳、全氮及碳氮比均有显著影响(P<0.05)。与CK相比,LG和HG区土壤全碳含量的空间自相关范围增加,空间自相关程度降低;在MG区,土壤全碳的空间结构性较差,主要受随机因素影响。土壤全氮表现为强烈的空间自相关,自相关范围在MG区最低,而在HG区明显高于其他处理,在LG与CK区相似。土壤碳氮比在HG区受结构性和随机性因素共同影响,表现为中等程度的空间自相关,而在其他处理表现为强烈的空间自相关,并且LG和HG区提高了土壤碳氮比的空间自相关范围,而MG区的空间自相关范围相对较低。土壤全碳在MG区空间连续性较差,主要受随机性因素影响,其他处理的空间连续性较好,表现为相联结或梯度分布的斑块结构特点。土壤全氮整体上表现为梯度分布的特点,空间连续性较好,主要受结构性因素影响。土壤碳氮比在CK和MG区表现为梯度分布并结合若干较小斑块的分布特点,而在LG和HG区呈现出斑块联结分布,并且斑块面积较大。物种多样性和密度特征主要受土壤氮素空间异质性的影响,而受土壤碳影响较小。短花针茅、无芒隐子草密度以及4种植物密度总和与土壤氮空间异质性密切相关,而冷蒿和银灰旋花密度主要影响物种丰富度和多样性。土壤全碳和碳氮比的空间异质性与LG区关系较为密切。2.斑块水平物种多样性、主要植物地上—根系—土壤碳、氮含量及耦合关系对载畜率的响应(1)以短花针茅斑块为背景(基质),载畜率和斑块位置对冷蒿斑块α多样性没有显著影响,但冷蒿斑块物种相似性(β多样性指数)受载畜率显著影响(P<0.05),表现为LGCK>MG>HG,均匀度指数受载畜率和斑块位置交互作用的影响。载畜率和斑块位置对银灰旋花斑块的丰富度和多样性指数有显著影响,而均匀度指数只在斑块位置间差异显著(在斑块中心显著低于边缘和外部)。(2)放牧降低了各种群斑块的地上生物量,但短花针茅个别月份(8月和9月)的生物量在放牧区较高。随载畜率增加,冷蒿、无芒隐子草和银灰旋花的全碳、碳氮比降低,全氮升高,而短花针茅全碳、全氮增加,碳氮比降低。在生长初期冷蒿、无芒隐子草、银灰旋花全氮含量较高,全碳和碳氮比在生长后期较低,而短花针茅则表现为相反的变化趋势;不同根系深度的土壤全碳、全氮和碳氮比在不同月份、载畜率间的差异因植物种类和土层深度而异;除冷蒿和无芒隐子草根系碳、氮含量外,4种植物地上、根系和土壤对应的氮和碳含量之间均表现为极显著的正或负相关关系(P<0.01)。综合所有载畜率数据,短花针茅、冷蒿和无芒隐子草与地上全碳、土壤碳氮含量关系密切,各指标含量较高,而银灰旋花则表现为较高的地上和根系全氮含量。