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草地是陆地上最大的生态系统,也是我国最大的陆地生态系统,约占国土面积的41.7%,在生物多样性保护、气候调节、水源涵养、防风固沙等方面发挥着重要作用。退化草地的恢复及其调控规律的研究一直是生态学研究的热点。近年来与植物功能性状相关的新概念和新方法不断涌现,越来越多的证据表明,基于功能性状的研究有助于阐明生态系统的功能以及生物多样性的维持机制,同时,对草地植物功能性状的研究也为退化草地恢复的研究提供了新的角度。群落构建机制一直是生态学研究的重大命题,同时也是退化植被恢复的基础。深入研究环境过滤、扩散限制、物种间相互作用(竞争、正相互作用等)等随机过程和中性过程对局域群落的调控作用,有助于揭示群落内部不同物种的稳定共存机制。围栏封育是退化草地恢复的有效措施,对封育草地植物功能性状和群落构建机制的研究将有助于进一步认识退化草地的恢复机理,并为封育后期草地的管理提供理论依据。
本研究以位于黄土高原半干旱区的云雾山国家自然保护区不同封育年限(0年、9年、26年、34年)草地为研究对象,借助植物物种多样性和功能多样性相关理论,在野外调查、实地采样和室内分析的基础上,系统研究了群落结构、植物功能性状、物种多样性、功能多样性、土壤因子、生产力在不同封育阶段的响应特征,分析了植物功能性状、多样性、土壤因子、生产力之间的关系,并基于植物功能性状探讨了植物群落构建机理,旨在加深对植被—环境关系的理解,同时为合理利用草地资源提供理论依据。本研究主要结果如下:
(1)封育进程中植物群落和土壤性质变化特征
封育显著提高了植被盖度、地上生物量和凋落物量。与放牧地相比,植被盖度、地上生物量和凋落物量在封育34年样地分别增加了26%,123%和1026%。封育改变了群落物种组成和结构,不同的封育年限间存在显著的物种组成差异,不同封育年限间(0-9,9-26,26-34)不重叠物种数分别为18种、26种、28种。封育早期群落以杂类草植物(生物量占比61%)为主,中期禾草类(38%)、杂类草(29%)、莎草类(33%)植物共生,后期禾草类植物(62%)占主导地位。封育对物种丰富度影响不大,但显著改变物种均匀度,物种均匀度指数在封育26年最高(0.87),封育34最低(0.80)。封育后土壤理化性质的改善显著提高了植物地上生产力,其中速磷影响最大。植物多样性受土壤理化性质的影响较小,仅物种均匀度指数表现出随土壤pH和速效氮含量的增加而呈降低的趋势。
(2)封育进程中植物功能性状和功能多样性的变化
在整个封育进程中,植物功能性状在群落水平上表现出了“开放—保守—开放”生态策略的转变。封育显著改变了植物功能性状之间的相关性,随着封育进程,除比叶面积外,植物功能性状关系由放牧地显著正相关关系转变为封育后期负相关关系(封育26年)、无相关关系(封育34年)。封育显著增加了功能丰富度和功能离散度,对功能均匀度影响不明显。土壤因子影响除叶干物质含量以外所有单一功能性状的群落加权平均值,土壤因子主要影响多性状组合的功能离散度和功能均匀度。
(3)封育进程中多样性与生产力以及多样性之间的关系
草地群落生产力受物种多样性、功能多样性和环境因素的共同影响。物种多样性中仅物种均匀度指数表现出与生产力显著的负相关关系。功能多样性与生产力的关系在不同封育年限草地中存在差异,封育前期(放牧地、封育9年)两者正相关,封育后期(封育26、34年)两者负相关。功能多样性对草地群落生产力的贡献高于物种多样性,功能多样性中群落性状加权平均值能够更好地解释不同封育年限群落生产力差异,其中群落高度对生产力的解释度最高。不同封育年限草地群落的功能丰富度与物种多样性之间均存在显著正相关关系,而功能离散度与物种多样性显著负相关。
(4)基于植物功能性状的群落构建机制
环境筛选在放牧地和长期封育的样地中均有出现。群落构建过程中,植物高度、叶片碳、氮含量更易受环境筛选的影响。环境筛选与植物功能性状聚集的分布格局不一致,随着草地封育的进行,功能性状的分布更趋于发散。该研究区域,环境筛选(放牧草地、封育34年草地)和物种极限相似性(封育26年草地)这两个相反的作用力,共同组成了群落构建的驱动力。
本研究分析了封育对植物功能性状和群落构建的影响,主要结论为:封育改变了群落的结构组成和土壤的理化性质;植物功能性状随封育年限的延长而采取不同策略;放牧地群落构建以环境筛选为主,草地长期封育后凋落物的累积会加剧植物物种间的光竞争过程,并放大群落内优势种的主导作用,因此长期封育不利于草地群落均衡发展,应在封育后期注重相关草地管理,以维持草地功能的稳定与可持续发展。
本研究以位于黄土高原半干旱区的云雾山国家自然保护区不同封育年限(0年、9年、26年、34年)草地为研究对象,借助植物物种多样性和功能多样性相关理论,在野外调查、实地采样和室内分析的基础上,系统研究了群落结构、植物功能性状、物种多样性、功能多样性、土壤因子、生产力在不同封育阶段的响应特征,分析了植物功能性状、多样性、土壤因子、生产力之间的关系,并基于植物功能性状探讨了植物群落构建机理,旨在加深对植被—环境关系的理解,同时为合理利用草地资源提供理论依据。本研究主要结果如下:
(1)封育进程中植物群落和土壤性质变化特征
封育显著提高了植被盖度、地上生物量和凋落物量。与放牧地相比,植被盖度、地上生物量和凋落物量在封育34年样地分别增加了26%,123%和1026%。封育改变了群落物种组成和结构,不同的封育年限间存在显著的物种组成差异,不同封育年限间(0-9,9-26,26-34)不重叠物种数分别为18种、26种、28种。封育早期群落以杂类草植物(生物量占比61%)为主,中期禾草类(38%)、杂类草(29%)、莎草类(33%)植物共生,后期禾草类植物(62%)占主导地位。封育对物种丰富度影响不大,但显著改变物种均匀度,物种均匀度指数在封育26年最高(0.87),封育34最低(0.80)。封育后土壤理化性质的改善显著提高了植物地上生产力,其中速磷影响最大。植物多样性受土壤理化性质的影响较小,仅物种均匀度指数表现出随土壤pH和速效氮含量的增加而呈降低的趋势。
(2)封育进程中植物功能性状和功能多样性的变化
在整个封育进程中,植物功能性状在群落水平上表现出了“开放—保守—开放”生态策略的转变。封育显著改变了植物功能性状之间的相关性,随着封育进程,除比叶面积外,植物功能性状关系由放牧地显著正相关关系转变为封育后期负相关关系(封育26年)、无相关关系(封育34年)。封育显著增加了功能丰富度和功能离散度,对功能均匀度影响不明显。土壤因子影响除叶干物质含量以外所有单一功能性状的群落加权平均值,土壤因子主要影响多性状组合的功能离散度和功能均匀度。
(3)封育进程中多样性与生产力以及多样性之间的关系
草地群落生产力受物种多样性、功能多样性和环境因素的共同影响。物种多样性中仅物种均匀度指数表现出与生产力显著的负相关关系。功能多样性与生产力的关系在不同封育年限草地中存在差异,封育前期(放牧地、封育9年)两者正相关,封育后期(封育26、34年)两者负相关。功能多样性对草地群落生产力的贡献高于物种多样性,功能多样性中群落性状加权平均值能够更好地解释不同封育年限群落生产力差异,其中群落高度对生产力的解释度最高。不同封育年限草地群落的功能丰富度与物种多样性之间均存在显著正相关关系,而功能离散度与物种多样性显著负相关。
(4)基于植物功能性状的群落构建机制
环境筛选在放牧地和长期封育的样地中均有出现。群落构建过程中,植物高度、叶片碳、氮含量更易受环境筛选的影响。环境筛选与植物功能性状聚集的分布格局不一致,随着草地封育的进行,功能性状的分布更趋于发散。该研究区域,环境筛选(放牧草地、封育34年草地)和物种极限相似性(封育26年草地)这两个相反的作用力,共同组成了群落构建的驱动力。
本研究分析了封育对植物功能性状和群落构建的影响,主要结论为:封育改变了群落的结构组成和土壤的理化性质;植物功能性状随封育年限的延长而采取不同策略;放牧地群落构建以环境筛选为主,草地长期封育后凋落物的累积会加剧植物物种间的光竞争过程,并放大群落内优势种的主导作用,因此长期封育不利于草地群落均衡发展,应在封育后期注重相关草地管理,以维持草地功能的稳定与可持续发展。