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《中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)》 2017年
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黄土丘陵区微地形生境热缓冲效应与群落功能多样性变化

李超然  
【摘要】:黄土丘陵区地形复杂多变,对水、热、养分等具有重要的再分配过程,对植被恢复过程与格局、生态系统过程与功能等具有重要影响。功能性状是联系生物或生态系统与环境的桥梁,了解生物群落功能性状随微地形的变化规律,对于认识微地形生境对生态系统过程与功能的影响及其在区域生物多样性维持方面的作用与价值具有重要意义。本研究以延河流域草原区天然次生草地生物群落为研究对象,选择了3个相对完整的典型坡面,调查分析微地形生境的热缓冲效应,研究生物群落功能多样性(植物功能多样性、微生物功能多样性)与微地形和土壤因子的响应关系,明确黄土丘陵区微地形变化对草地生物群落功能多样性的影响,解析植物功能多样性和土壤微生物功能多样性关联性,揭示微地形环境在该区植被恢复及生物多样性维持中的价值和地位,取得的结论如下:(1)微地形气候对区域环境温度的热缓冲效应微地形能够形成有别于区域气候的微气候环境(微地形气候),一定程度上可以缓冲区域气候变化带来的影响。本研究表明,虽然各坡位温度随时间变化具有较一致的变化规律,但不同坡向和坡位间温度变化并不完全同步,微地形气候对区域环境温度变化具有一定的缓冲效应:最热月地面5cm高度微地形变化的热缓冲效果普遍可达地上150cm高度的2-3倍,其阴坡每日最高温和气温日较差热缓冲能力可达7至11℃左右,每日平均温热缓冲能力也达到2℃;最冷月地面5cm高度特征温度的热缓冲效应在阴坡和阳坡之间差异很大,阴坡缓冲能力是阳坡的2至4倍。阴坡对每日最低温度的缓冲能力在-1至3.5℃之间,在各坡位间差异显著,对每日平均温度的热缓冲能力在4至6℃之间,对气温日较差的缓冲能力在10至16℃之间。热缓冲能力与季节、距地面高度、坡向和坡位有关。微地形变化的热缓冲效应具有季节差异,最热月热缓冲能力比最冷月强。距离地面越近,不同坡位间温度差异越大,微地形变化的热缓冲效应越强。(2)植物群落功能多样性对微地形变化的响应微地形变化的确对群落功能性状特征具有影响,在本研究中表现为叶氮含量在各坡位间差异达到显著水平,叶组织密度和根组织密度随着坡位的降低有明显的逐步减小的变化规律,其余功能性状在不同坡位间差异未能达到显著。坡向变化对物种多样性和功能多样性均有较强的分异作用,阴坡各坡位之间植物群落的物种多样性差异较大,在阳坡各坡位之间植物群落的物种多样性差异更大。坡面尺度上的坡位变化对植物群落的物种多样性和功能多样性特征有一定影响,虽然没有达到显著水平,但沿坡向向下多样性呈现明显的逐渐升高现象。同一坡向不同坡位间植物群落物种多样性存在差异,峁顶物种多样性最低,坡中下部物种多样性最高。微地形生境在维持区域物种多样性及提高群落功能多样性方面具有重要作用。(3)土壤微生物群落功能多样性对微地形变化的响应不同坡位土壤微生物群落功能多样性存在差异,其平均吸光度值(AWCD)增长曲线总的呈现出坡下部坡中部坡上部的规律,且坡下部AWCD值与坡中部、坡上部间差异显著。微生物群落丰富度(H)和均一度(D)与土壤全氮含量正相关,优势度(U)反之,土壤全碳、全磷和pH对土壤微生物群落结构和功能多样性差异作用不显著。对本研究中土壤微生物群落功能多样性差异贡献较大的碳源是糖类、羧酸类和多酚化合物类碳源。土壤含水率高低是不同坡位土壤微生物群落功能多样性差异显著的主要原因。坡下部土壤微生物群落功能多样性显著高于坡中部和坡上部,但不同土层深度(0-10 cm、10-20 cm)间无显著性差异。(4)植物群落生物多样性与微地形环境温度关系群落生物多样性与微地形环境的最热月特征温度具有显著/极显著的负相关关系,黄土丘陵区环境温度的上升和温度变幅的增大对不利用该区坡面尺度的生物多样性维持,但是微地形变化的热缓冲效应能够有效减缓全球气候变暖对该区生物多样性的不良影响,微地形生境有助于黄土丘陵区生物抵御和适应全球气候变化。(5)微地形生境与生物多样性维持在黄土丘陵区,微生境类型丰富,对区域生物多样性维持具有至关重要的作用。本研究表明,黄土丘陵区微地形生境可有效缓冲区域气候变化,从而为生物多样性的维持提供了重要的环境基础;植物群落的物种多样性和功能多样性对微地形变化具有相同的响应,坡面尺度坡位变化的影响虽然没有达到显著水平,但沿坡向向下多样性呈现明显的逐渐升高现象,同时坡向变化对物种多样性和功能多样性表现出较强的分异作用,阳坡各坡位之间植物群落的物种多样性差异比阴坡更大;坡下部土壤微生物群落功能多样性显著高于坡中部和坡上部。了解和认识微地形生境与生物多样性的这种变化格局对于植被恢复、物种多样性保护与管理具有重要意义。
【学位授予单位】:中国科学院大学(中国科学院教育部水土保持与生态环境研究中心)
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:Q948

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