本文用空间代替时间序列的方法对陕北黄土丘陵区摞荒演替进行了系统的数量分析研究。首先在明确摞荒演替规律和演替过程中土壤水分、养分的变化的基础上,根据演替与环境的关系,主要演替序列种的相对竞争能力等,对陕北黄土丘陵区摞荒演替机理进行了分析,意在为当地植被恢复与重建提供理论依据。 1.陕北黄土丘陵区摞荒演替规律: ⑴用系统聚类法结合野外调查和 PO、CA 排序基本上可以确定摞荒地的演替阶段或序列:(1-6年):一年生杂类草群丛→一年生杂类草+丛生禾草群丛→一年生杂类草+多年生草本群丛(或根茎禾草群从)→(4-15 年):多年生草本群丛→多年生草本+小灌木群丛→(10-40 年):根茎从生型禾草+小灌木群丛(阳坡)或小灌木+多年生草本群丛→小灌木群丛(阳坡)或多年生草本+从生禾草群丛,代表性群落依次为猪毛蒿→猪毛蒿+长芒草→猪毛蒿+铁杆蒿(或冰草群落)→铁杆蒿群落→铁杆蒿+达乌里胡枝子→白羊草+达乌里胡枝子或达乌里胡枝子+铁杆蒿(阳坡)或铁杆蒿+硬质早熟禾群落。 ⑵随着摞荒年限的增加,SIMPSON、SHANNON、BRILLOUIN 和 DAHL 种多样性指数减小,但优势度多样性指数-Whittaker 指数则随着摞荒年限的增加而稳定上升,同时均匀度下降,优势度增加。摞荒演替前期的样地群落基本上属于对数级数分布,说明摞荒演替前期种组成主要是生态位预占模式在起作用。演替中后期属于对数正态分布,可能是生态位预占、周围繁殖体的侵入压力下、种间竞争和其它因素共同作用的结果。 ⑶Levin 和 Shannon-Wiener 演替生态位宽度指数表明演替前期主要种的生态位宽度较窄,后期较宽;演替各阶段优势种生态位较宽,伴生种较窄。根据演替生态位重叠指数,利用种的极点排序和系统聚类法分析了种的演替生态学特性,结果表明:四种生态位重叠指数以 Moristia 和 Pianka指数在演替生态位的研究中适用性较好,种的极点排序与种 CA 分析和实际观察结果基本一致,指示了种的生态对策连续统,说明种的演替方向和相对竞争能力一致;系统聚类中类内种的生态学特性基本一致,三类的划分结果表明第一类为定居优势种,位于演替序列前期;第二类为竞争优势种,位于演替后期;第三类为定居-竞争相对平衡种,位于演替中期。 2.陕北黄土丘陵区摞荒演替过程中土壤水分与养分的变化 ⑴随着演替的进行,土壤含水量越来越低,而土壤水分的波动却越来越大,其中根系层土壤水分含量与变异量与撩荒年限相关显著。影响表层土壤水分含量和根系层水分波动的主导因子是植被盖度,而影响深层土壤水分的主导因子是地上生物量。 ⑵撩荒演替过程中 0-20cm、20-40cm 土壤有机质、全氮、速效氮(包括 NO3-N、NH4-N)、全磷和全钾、速效钾在整个演替阶段都呈增加的趋势,相反速效磷和 CaCO3含量总体上却呈下降趋势。其中0-20cm 土壤有机质含量、速效磷含量和 0-20cm、20-40cmNO3-N 含量与撩荒年限相关显著,说明演替过程中对于有机质和硝态氮来说有明显的植被土壤效应,速效磷含量可能是生物固定、下渗和流失共同作用的结果,而其它土壤养分与撩荒年限相关不显著,不能排除演替初始条件和植物暂时固定的影响。 ⑶摞荒年限越长,各层土壤储水量越低,并且多数样地土壤水分测定期间累积降雨量与土壤水<WP=6>分储量成正相关,而且多数样地表现为 0-300cm>0-200cm>0-100cm,说明在丰水年土壤水分下渗较深,植物利用的主要是降雨入渗水分,而不是深层贮存水分。通过对深层水分盈亏量的计算,发现土壤水分测定下边界存在下渗与上渗运动,并且多数样地下渗量大于上渗量。多元回归和通径分析进一步明确了整个摞荒演替过程中各因素的影响,主要是植物蒸腾和土面蒸发对群落蒸散影响的大小,其中蒸腾对蒸散的影响最大,由植被盖度反映的土面蒸发对群落蒸散相对较小。 3.陕北黄土丘陵区摞荒演替与环境的关系 ⑴演替前期群落间异质性大于群落异质性,且群落间异质性与环境因素差异多数为正相关,说明环境对摞荒演替前期群落组成与结构起到了一定的塑造作用,典型相关分析进一步表明群落间异质性,主要是群落组成异质性,有 33.1%是由环境差异引起的。土壤全氮、磷和钾含量与群落间组成异质性有较强的正相关关系,说明氮、磷和钾肥对摞荒演替中群落组成有较大的影响,因此在草地植被恢复与重建应注意施肥料,特别是氮肥的施用。 ⑵演替中期群落间异质性与环境因素差异多数为正相关,说明环境对摞荒演替前期群落组成与结构起到了一定的塑造作用,典型相关分析进一步表明群落间异质性,有 80.1%是由环境差异引起的,其中土壤全磷含量与群落间组成异质性,土壤水分与群落结构异质性有较强的正相关关系,说明土壤钾营养对摞荒演替中群落组成有较大的影响,而土壤水分是影响植物生长和群落结构的重要因素,因此在对摞荒 7-15 年左右的耕地进行恢复与重建应注意磷肥的施用和节水、保水措施。 ⑶从 CCA 分析来看,整个演替阶段对群落分异影响较大的主要是土壤水分、硝态氮和速效磷。但由于演替不同时期土壤水分、养分差别很大,因而演替不同阶段对群落结构形成的主导限制因子不同。对照前文演替前期全氮是主要限制因子,而演替中后期可能