青藏高原东部高寒草地土壤种子库对环境因子变化的响应机制研究

【摘要】：环境因子变化对植物群落(包括物种多样性、群落构建)的影响机制是群落生态学领域内重要的科学问题。以往大多数研究都聚焦于环境变化对地上植物群落组成和结构的影响,而对埋藏于地下的潜在植物群落—土壤种子库对环境变化的响应机制研究很少。土壤种子库能够通过“储藏效应”降低种群在一定区域内灭绝的风险,同时在生态系统受到干扰后起到重要的缓冲作用,此外土壤种子库在植物群落更新和物种多样性维持方面扮演着重要角色。凡是影响到土壤种子库的环境因子最终会影响到植物群落的组成、结构和功能,因而研究土壤种子库对环境变化的响应具有重要的科学意义,尤其在青藏高原脆弱的高寒生态系统中,因为其对环境变化极为敏感。因此,本论文立足青藏高原东部高寒地区,以该区域典型的高寒草甸和沼泽湿地生态系统为主要的研究对象,采用了大尺度野外调查、控制实验以及多元统计分析等方法,研究了青藏高原高寒土壤种子库大小(物种多样性和种子密度)和物种组成的变化,以及土壤种子库在地上植物群落更新中的作用对海拔(温度和降雨)、光照、放牧干扰的响应机制。以期为青藏高原高寒生态系统在受到全球气候变化和人类活动干扰的影响下的保护、管理和恢复提供理论支持和科学依据。主要研究结果如下:1.随海拔升高(3158-4002 m),年平均降雨量的增加直接降低了高寒草甸土壤种子库的物种丰富度和种子密度;年平均温度和年平均降雨量的升高通过降低高寒草甸地上植物群落的物种丰富度而间接降低了土壤种子库的物种丰富度。年平均降雨和年平均温度的升高增加了速效氮、速效磷和全磷可利用性,而这些因子对地上植物群落和土壤种子库没有显著的影响。表明随海拔升高,降雨是影响土壤种子库大小的主要环境因子,而不是温度,气候因子并没有通过改变土壤环境因子间接作用于土壤种子库。2.在不同海拔水平上,高寒草甸土壤种子库和地上植物群落的物种组成整体上存在显著差异。进一步分析发现土壤种子库与地上植物群落的物种组成间的相似性指数随海拔升高而显著降低,且二者之间的关系随年平均降雨量的增加而显著降低,但年平均温度对二者关系无显著性影响。表明随海拔升高,土壤种子库对植物群落更新的贡献逐渐减弱,这一过程是由降雨控制的,而不是温度。3.在亚高寒草甸弃耕地植物群落的演替梯度上,只有在中光和全光处理下从土壤种子库萌发的物种丰富度和种子质量(群落加权平均值)随演替进程而显著增加;在不同光照处理(全光、中光、低光)下,从土壤种子库萌发出的种子密度随演替进程而显著降低;在不同光照处理下,从土壤种子库萌发出的种子库物种组成分别在演替早期和后期、中期和后期之间存在显著性差异。4.在亚高寒草甸弃耕地植物群落演替的各演替阶段上,随着光照强度的增加(从低光-中光-高光),从土壤种子库萌发出的物种丰富度仅在演替后期显著增加,种子密度仅在演替早期和中期显著增加,种子质量仅在演替中、后期显著降低。在不同光处理下,从土壤种子库萌发出的物种组成仅在演替后期存在显著差异。说明非生物(光)和生物(种子质量)因素都影响土壤种子库对植物群落的更新/物种补充。演替后期弱光条件下,土壤种子库中小种子的更新受到低光的抑制。沿演替梯度植物群落的随机和确定性过程的平衡是由土壤种子库的更新过程决定的,而这一过程取决于光的可用性(光照强度)。5.在高寒沼泽湿地不同退化水平上,地上植物群落和土壤种子库的物种多样性和多度均随放牧干扰的增加呈现非线性变化。瞬时种子库的物种丰富度和种子密度随放牧干扰的增加呈先降低后增加的趋势,而持久种子库则呈相反的趋势。在高寒沼泽退化过程中,与地上植物群落相比,持久种子库和瞬时种子库的物种组成变化不大。6.持久/瞬时种子库与地上植物群落物种组成之间的相似性也表现出沿退化梯度的非线性变化趋势,同时持久种子库的物种组成与地上植物群落的物种组成更为相似。说明在高寒沼泽退化过程中,持久种子库对地上植物群落更新的作用大于瞬时种子库。然而,无论是瞬时种子库还是持久种子库,其在退化植被恢复中的恢复潜力都不是无限的,当放牧干扰强度超过阈值时,土壤种子库资源将逐渐枯竭,其在植物群落更新/退化植被恢复中的作用越来越小。