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火烧是荒漠生态系统重要的干扰因子,尤其是在非洲Savanna地区,对荒漠植物种子更新、种群动态、群落组成和结构、生物多样性等具有显著的影响。火因子常被认为是自然生态系统维持稳定性与生态健康的重要干扰因子并日益受到重视。探讨荒漠植被如何对火烧干扰的响应和所采取的生态适应对策,对实现荒漠植被生态稳定和生态系统管理有重要的科学意义。尽管国际上针对草原草本植物生长对火烧干扰的响应已有大量的研究,但这些研究主要集中在非洲荒漠草原、热带稀树草原区、地中海气候区和澳洲等地,在我国主要集中于火因子对以羊草和大针茅为建群种的典型草原生态系统的影响,但很少有研究涉及针对荒漠草本植物对火因子的响应。我国荒漠植被中草本植物的发育受到了有限降水、土壤贫瘠、风蚀和沙化等因素的限制,虽然其覆盖较低,但在防风固沙中起着十分重要的作用,仍然是初级生产力和生物多样性维持的重要组成部分。荒漠火烧的概率相对较小,长期以来,火烧成为人为控制和预防的特殊因子,因而针对把火烧作为荒漠生态系统干扰因子以及荒漠植被如何响应的研究十分匮乏。
本文以腾格里沙漠东南缘的典型温性荒漠草原草本植物为研究对象,分析了春季不同时间火烧(晚春和早春)处理对荒漠草本植物群落学特征、植物体内营养元素含量、土壤(理化)性质和土壤种子库的影响。
其中晚春火烧在4个植物群落进行:驼绒藜+无芒隐子草(Ceratoides lateens+Cleistogennes songorica)群落(A),无芒隐子草+多根葱(Cleistogennes songorica+Allium polyrhizum)群落(B),霸王+驼绒藜(Zygophyllum xanthoxylom+Ceratoideslateens)群落(C),珍珠+红砂(Salsola passerine+Reaumuria soongorica)群落(D)。
早春火烧在3个植物群落进行:狭叶锦鸡儿+驼绒藜(Caragana stenophylla+Ceratoides lateens)群落(E),驼绒藜+多根葱(Ceratoides lateens+Allium polyrhizum)群落(F),驼绒藜+红砂(Ceratoides lateens+Reaumuria soongorica)群落(G)。
主要研究结果如下:
1.对植物群落组成的影响
1)晚春火烧后两年,A群落物种多度显著增加(p<0.05),C和D群落多度减少,且当年差异显著(p<0.05),B群落多度当年显著增加(p<0.05),第二年显著减少(p<0.05)；各群落地上部生物量变化趋势与多度相同,即地上部生物量与多度呈正相关(r=0.934)。而早春火烧后,E群落物种多度显著减少(p<0.05),但地上部生物量显著增加(p<0.05),多度与地上部生物量呈负相关(r=-0.229)；F群落多度显著增加(p<0.05),G群落多度减少,其地上部生物量变化趋势与多度相同,成正相关(r=0.322)。另外,时间和群落的二维交互效应对地上部生物量有显著影响(p<0.05)。以上研究表明,火烧后当年有利于提高荒漠生态系统生物生产力,而第二年该效应逐渐减弱。
2)火烧降低了不同植物群落草本植物的物种丰富度。晚春火烧促进了多根葱和茵陈蒿(Artemisia capillaris)等植物的高生长,抑制了无芒隐子草的高生长；但早春火烧促进了刺蓬和冠芒草(Enneapogon brachystachyus)的高生长,抑制了茵陈蒿和无芒隐子草的高生长,这种差异可能与荒漠植物的生长特性和不同的火烧时间有关。
2.对表层土壤水分及土壤理化性质的影响
1)对表层土壤含水量的影响与降水时间有关,即在雨季期间,相对于无火烧区,土壤水分含量有升高的趋势,其他时间则降低,这可能是由于火烧改变了植物的生长趋势从而影响了水分的再次分配。
2)土壤全氮和有机质含量在火烧后当年有升高的趋势,这可能是因为低强度火烧能增加表层土壤有机质和全氮含量,但随着的植物的吸收,第二年其含量又有下降的趋势。
3)火烧使土壤中钼、钴、锰、铁、硼和镉等微量元素含量减小,但使铜、锌、砷和锑含量增加,这可能与土壤质地和不同群落植物的吸收能力有关。
3.对草本植物叶绿素及植物体养分含量的影响
1)研究区中的5种优势草本植物,多根葱、无芒隐子草、草霸王(Zygophyl-lummucronatum)、茵陈蒿、刺蓬(Cornulaca alaschanica)的叶绿素b含量显著低于对照(p<0.05),叶绿素a含量除草霸王显著高于对照(p<0.05),其他均低于对照；类胡萝卜素含量除无芒隐子草外,均高于对照。
2)研究区9种草本植物:冠芒草、茵陈蒿、多根葱、针茅(Stipa capillata)、刺蓬、黄芪、灰绿藜(Chenopodium glaucum)、雾冰藜(Bassia dasyphylla)、无芒隐子草中,除多根葱和针茅全氮和全磷含量高于对照,其他植物体内全氮、全磷和全钾含量均低于对照。以上差异可能主要取决于荒漠植物本身固有的生态学特性。
4.对土壤种子库没有显著影响(p>0.05)
早春火烧和晚春火烧后植物种子库密度基本相近,但均低于对照。土壤种子库物种多样性指数表现为晚春火烧<早春火烧<对照样地；丰富度指数则表现为早春火烧<对照<晚春火烧；均匀度指数得出的结果与多样性指数相同。晚春火烧(r=0.875)、早春火烧(r=0.897)和对照中土壤种子库相似性很高,表明火烧并未改变植物群落的组成。