施肥对黄土区封育和放牧草地群落稳定性的影响及机制研究

来源 :西北农林科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:lxkef
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我国草地约有4亿公顷,占世界草地面积的13%,国土面积的41.7%,发挥着重要的生态和生产功能,但当前草地生态系统已遭到了不同程度的干扰,其中施肥和放牧是两种最常见的人为干扰,一直以来,施肥和放牧对草地物种多样性和群落稳定性的影响及其潜在机制都是生态学界研究的热点和难点,但目前仍存在许多争论。本研究以黄土区长期封育和放牧两种管理方式下的草地生态系统为研究对象,通过连续8年(2013-2020)的野外氮肥添加(施肥处理分别为0、5、10、20、40、80g/(m2·a),肥料为尿素)实验,来系统研究(1)施肥对黄土区封育和放牧草地群落组成和物种多样性的影响;(2)施肥对黄土区封育和放牧草地不同功能群地上生物量和群落地上生物量的影响;(3)施肥对黄土区封育和放牧草地种群稳定性、功能群稳定性和群落稳定性的影响;(4)施肥处理下,维持长期封育和放牧草地群落稳定性的四种可能机制(物种多样性、异步效应、投资组合效应、优势度效应);从而揭示施肥和放牧对草地群落稳定性的影响及其潜在机制。该研究对于丰富植物群落稳定性相关理论和黄土高原退化草地恢复及草地的适应性管理具有重要的理论价值和实践意义。主要研究结果如下:(1)施肥和放牧改变了群落的物种组成。封育和放牧草地共有植物35种,它们所属15科、29属,且其中大部分物种属于多年生草本植物。封育和放牧草地的物种组成存在差异,放牧草地中出现了封育草地未出现的物种,如本氏针茅(Stipa capillata)、茅香(Anthoxanthum nitens)、黄毛棘豆(Oxytropis ochrantha)等。封育和放牧草地的优势种如甘青针茅(Stipa przewalskyi)、大针茅(Stipa grandis)、白莲蒿(Artemisia stechmanniana)的重要值均随着施肥水平的增加而增加,而一些伴生种如裂叶堇菜(Viola dissecta)、早开堇菜(Viola prionantha)、西藏点地梅(Androsace mariae)等的重要值则随着施肥水平的增加而降低,甚至从群落中消失。(2)施肥和放牧显著影响了群落的物种多样性。在封育和放牧草地,随着施肥水平的增加,物种丰富度和Shannon-Wiener多样性指数均显著下降(P<0.01,P<0.01;P<0.01,P<0.01),Simpson 优势度指数显著增加(P<0.01,P<0.01),Pielou 均匀度指数仅在封育草地中显著下降(P<0.01),在放牧草地中变化不显著(P>0.05);相比封育草地,在不同施肥水平下,放牧草地中的物种丰富度、Shannon-Wiener多样性指数和Pielou均匀度指数均较高,Simpson优势度指数较低;总体而言,施肥降低了群落的物种多样性,但放牧延缓了施肥对物种多样性的负效应。(3)施肥和放牧影响了不同功能群和群落的地上生物量。在封育和放牧草地,随着施肥水平的增加,禾草类的占比均呈增加趋势,杂草类和豆科类的占比均呈下降趋势,相比封育草地,在各个施肥处理下,放牧草地中的禾草类的占比较低,杂草类和豆科类的占比较高。施肥显著增加了封育和放牧草地群落地上生物量(P<0.01,P<0.01),这主要通过增加禾草类地上生物量来实现(P<0.01,P<0.01),且相比放牧草地,在不同施肥水平下,封育草地群落的地上生物量更高。(4)施肥和放牧改变了种群、功能群和群落的稳定性。封育和放牧草地中大部分物种的稳定性随着施肥水平的增加而显著降低,而如百里香(Thymus mongolicus)、裂叶堇菜(V.dissecta)、甘肃蒿(Artemisia gansuensis)等一些物种的稳定性变化不显著。随着施肥水平的增加,在封育草地,禾草类和杂草类稳定性显著降低(P<0.05,P<0.01),豆科类稳定性变化不显著(P>0.05);在放牧草地,禾草类和豆科类稳定性变化不显著(P>0.05,P>0.05),杂草类的稳定性显著降低(P<0.01);封育和放牧草地群落稳定性均随着施肥水平的增加而降低(P<0.05,P<0.05),且当施肥水平分别达到40g/(m2·a)和20g/(m2·a)时开始显著下降。总体而言,随着施肥水平的增加,封育草地群落稳定性的下降主要与禾草类和杂草类稳定性的降低有关,放牧草地稳定性的降低主要与由杂草类稳定性的下降有关。(5)施肥干扰下,在封育和放牧草地,群落稳定性均与物种丰富度呈正相关(P<0.05,R2=0.136;P<0.01,R2=0.281),且氮添加减弱了封育草地群落稳定性与物种多样性的相关性,但其并没有影响放牧草地群落稳定性与物种多样性的相关性;异步效应((?)b)均为(?)b<1,且群落稳定性均与(?)b呈负相关(P<0.05,R2=0.140;P<0.05,R2=0.206),且氮添加均没有影响封育和放牧草地群落稳定性与(?)b的相关性;投资组合效应(z)均为z>1,且群落稳定性均与物种的总方差(∑var)呈负相关(P<0.05,R2=0.144;P<0.01,R2=0.468);封育草地群落稳定性与优势种甘青针茅(S.przewalskyi)和大针茅(S.grandis)的稳定性呈正相关(P<0.01,R2=0.358;P<0.05,R2=0.175),且氮添加减弱了封育草地群落稳定性与大针茅(S.grandis)稳定性的相关性,而放牧草地群落的稳定性与其优势物种的稳定性不相关。由以上结果可得出如下结论:施肥和放牧显著改变了群落的组成、结构和功能。施肥降低了封育和放牧草地群落的稳定性,但封育能够延缓施肥对群落稳定性的负影响。在施肥干扰下,物种多样性、异步效应、投资组合效应和优势度效应共同维持了封育草地群落的稳定性,其中优势度效应能够解释群落稳定性的53.3%;物种多样性、异步效应和投资组合效应共同维持了放牧草地群落的稳定性,其中投资组合效应能够解释群落稳定性的46.8%。
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