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《兰州大学》 2010年
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荒漠植物异速生长指数及其空间格局适应降雨梯度变化的规律与机制研究

李涛  
【摘要】:植物异速生长是生长和分配之间的一种定量关系。在诸多选择压力和约束面前,植物进化出了许多异速生长关系,这些异速生长关系反过来可以解释个体和种群的许多行为。植物个体空间分布格局是不同生态、物理过程综合作用的结果,它决定了邻体间相互作用的方式和强度,进而影响了不同水平上的异速生长关系。因此,分析群落中个体的异速生长关系和空间分布格局将有助于理解生态过程和环境因子在影响群落结构和动态中的作用。然而,目前对荒漠植物群落中个体的异速生长关系和空间分布格局研究相对较少,尤其是关于它们如何响应环境变化。鉴于此,本论文分析了沿自然降雨梯度(景泰、张掖、酒泉、嘉峪关、瓜州和敦煌)荒漠植物群落中的异速生长关系和空间分布格局,旨在探讨它们适应降雨梯度的变化规律,为合理利用荒漠区植被资源和治理沙化土地提供参考依据。本论文所得主要结果和结论如下: (1)三种荒漠草本植物(盐生草、虫实、异蕊芥)的高度与基径异速关系(H-D)指数很接近1,符合几何自相似模型;五种灌木(珍珠、红砂、灌木亚菊、黑柴、猪毛菜)的H-D指数(0.55-0.79)彼此间没有显著性差异,但都不完全符合弹性、应力及几何自相似模型中的任何一个,相比之下,更接近弹性自相似模型的预测值。草本植物和灌木H-D的差异主要是由它们茎的解剖结构和物理特性不同所致。此外,灌木H-D常数随自然降雨量的减少显著降低,表明随着干旱胁迫的加剧荒漠灌木面临的机械和生理压力增大,导致高度生长更加缓慢。 (2)张掖红砂的现存生物量在根、茎、叶(即MR、MS、ML)之间的异速分配关系分别为:ML∝MS0.86、ML∝MR0.80、MS∝MR0.93,都基本符合异速理论的预测值。此外,张掖红砂、嘉峪关灌木亚菊和珍珠的地上生物量近似正比于地下生物量(异速指数分别为0.87、1.14、0.90),符合异速理论预测的等速分配关系。这些结果表明:异速理论预测的生物量在不同器官间的分配关系可能也适用于种内比较。 (3)依据植物所占空间的几何原理,我们理论推导出植物高度与冠层直径间(H-Dc)的异速生长指数β以及平均最近邻体距离与冠层直径间(di-Dc)的异速生长指数δ共同调控了种群平均个体生物量与密度间(M-N)的异速生长指数γ,即γ=-(2+β)/2δ。经验数据分析表明荒漠植物种群M-N异速生长指数γ既不符合-3/2也不符合-4/3幂指数法则;沿自然降雨梯度,γ从张掖的-1.01显著增大到敦煌的-0.21,β从张掖的0.83降到瓜州的0.61,而δ从张掖的1.13显著增至瓜州的1.54。这表明随着自然降水量的降低,植物间的负相互作用逐渐减弱,种群密度调控指数显著增加。利用β和δ实测值去预测γ,结果发现,除了张掖γ实测值极显著偏离于预测值外,酒泉和瓜州(尤其后者)的实测值和预测值吻合比较好。这表明H-DC和di-DC异速指数响应降雨梯度变化驱动了M-N异速指数的变化,这支持我们的理论假设。 (4)空间格局分析发现,在较小尺度上,景泰珍珠种群和张掖红砂种群中所有个体及小个体都呈聚集分布,随尺度增大,逐渐趋向随机分布;中等大小个体在小尺度上的聚集范围和程度不及小个体,而大个体在整个观察尺度上(0-10m)呈随机分布。这表明整个种群在小尺度上的聚集分布很可能是由种群中小个体的聚集分布所致,并且随着个体的生长发育,种间竞争加剧,种群空间分布由聚集向随机转变。空间关联性分析发现景泰珍珠种群中各大小级彼此独立存在,表明种群中小个体可能不是聚集在大个体母株冠层附近,而倾向于集中分布在母株冠层间的空地上,这可能源于种内非对称竞争作用。相反,张掖红砂种群中小个体与中等及大个体之间在小尺度上呈明显正相关,表明由于有限的种子扩散范围种群中幼小个体聚集分布在成熟个体冠层周围,同时可能说明母株对种子萌发以及幼苗早期生长有明显庇护作用,即“护士”效应。景泰珍珠种群和张掖红砂种群间空间关联性的差异可能表明:除了物种本身的生态学特征差异外,随着水分胁迫的加剧大个体在幼小个体萌发和确立过程中扮演的正效应愈加突出。嘉峪关群落中三个物种在整体水平及不同大小级水平都主要呈随机分布,且种内、种间不同大小级间不存在空间关联性。这可能是群落中过去激烈的种间、种内竞争所致,或者是过去的过渡放牧所致,或者两者兼而有之。
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:Q948

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