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荒漠植物群落演替及其营养元素驱动研究

张雪妮  
【摘要】:植物群落演替是诸多生态过程和因子协同变化的过程,由于生态系统的多样化,关于演替的理论和机制至今未达成统一。生态化学计量学是研究生物与环境间多重元素平衡以及该平衡对生态过程影响的一种新理论,它提供了从营养计量角度出发研究演替过程的方法。荒漠植被在干旱区生物多样性保护和区域生态系统稳定性维持等方面居于重要地位,开展荒漠植被演替过程及其生态化学计量研究,有助于揭示区域植物多样性过程和群落演替的营养驱动规律,对植被资源科学管理和恢复重建、保护脆弱生态系统以及荒漠植被对全球气候变化的响应等科学问题的研究都具有重要意义。 本文以新疆艾比湖国家级湿地自然保护区的典型荒漠植被及其生境土壤为研究对象,通过野外调查和实验测定,重点分析了(1)群落特征与土壤水盐和营养间关系及其演替变化以及(2)荒漠植物叶片和土壤营养计量特征、关系及其与土壤水盐间关系的演替动态,最后对(3)群落特征与土壤水盐和营养间的关系进行剖析,主要取得以下研究结果: 1.样地植被组成与土壤水分、盐碱性和有机质含量在距河梯度上呈一定规律性变化且关系密切;根据植被和土壤的梯度特征,研究区植被群落可划分为胡杨-白刺-芦苇群落(SS Ⅰ)、梭梭-琵琶柴-猪毛菜群落(SSⅡ)和梭梭-木碱蓬-对节刺群落(SSⅢ)三个演替阶段。 2.不同演替阶段群落等级/多度格局、α多样性差异显著,其中SSⅡ阶段多度格局与SS Ⅰ与SSⅢ阶段显著不同,α多样性总体亦显著低于SS Ⅰ与SSⅢ群落;SSⅠ-SSⅢ群落的β相异性测度降低,相似性指数整体呈升高趋势,SSⅡ阶段略降,说明沿SSⅠ-SSⅢ阶段植物组成的共性提高。 3.各阶段群落均表现为不显著的负联结,种间竞争大于互利;其中SS Ⅰ竞争强度最高,SSⅡ竞争与互利相当,SSⅢ竞争强于互利;种间关系与群落联结性基本一致,沿SSⅠ-SSⅢ阶段总体上种间互利种对增多,且互利作用增强;各阶段群落稳定性沿SSⅠ-SSⅢ各提高,但均处于不稳定状态。 4.研究区植物C含量沿SSⅠ-SSⅢ阶段略降,物种水平C含量沿SSⅠ-SSⅢ阶段普遍升高,各阶段盐爪爪、琵琶柴、猪毛菜等均为低C含量种;群落、物种水平N含量较低且均沿SSⅠ-SSⅢ阶段降低,植物N限制加剧,河岸带藜科植物N含量较高说明水分在研究区N循环中的重要性;研究区植物普遍受P限制,且沿SSⅠ-SSⅢ阶段加剧,多数低P物种N含量亦较低,植被随演替过程趋向于受N、P的共同限制:研究区植物S含量整体较高,物种间S含量差异显著,且富含S物种的N含量普遍低。 5.研究区植物K含量较高,Mg含量适中,均沿SSⅠ-SSⅢ提高;植物Ca含量中等,Na含量较高,总体均沿SSⅠ-SSⅢⅠ降低,K、Ca、Na、Mg元素的演替变化可能反映了植物水分吸收策略改变、抗逆性下降和光合作用的增强;植物Fe含量沿SSⅠ-SSⅢ阶段显著升高,Mn、Cu、Zn含量均不同程度降低,4种元素的演替变化总体反映其在光合作用中辅助功能的下降。 6.植物冠下的群落土壤与林间隙地的对照土壤C均沿SSⅠ-SSⅢ阶段显著下降,即植被对土壤营养的改善作用下降;两种土壤N含量的演替变化与土壤C相同,SS Ⅰ阶段植被对土壤的“施N”效应显著,但在SSⅡ、SSⅢ阶段明显减弱;研究区土壤P含量普遍极低,且植物向土壤的P返还较低或无返还,体现了植物缺P的现状;土壤S含量整体较高,且植被覆盖对土壤S动态无显著影响。 7.研究区群落土壤Ca、Na、Mg含量沿SSⅠ-SSⅢ阶段显著下降,K含量不显著升高,4种元素在两种土壤间总体无显著差异,说明研究区土壤的初始K、Ca、Na、Mg含量较稳定,总体上植被覆盖对土壤K、Ca、Na、Mg的动态无显著影响;土壤Fe、Mn、Cu、Zn元素总体较稳定,且除Zn元素外基本对植被覆盖无显著响应。 8.植被平均C:N、C:P和N:P分别为22.40、513.66和24.17,总体高于同类地区,研究区植物普遍缺N和P营养且随着离河距离增加植物P限制加剧;对照土壤C:N沿SSⅠ-SSⅢ升高,土壤N供应量降低,土壤C:P和N:P均沿SS Ⅰ-SSⅢ降低,说明土壤由近河岸的P缺乏逐渐转变为远离河岸区的N、P共同缺乏。 9.植物营养与土壤元素间的整体相关性不高。植被覆盖条件下土壤C、N间的正相关沿SSⅠ-SSⅢ阶段下降,C、P间正相关增强,N、P间及其与S间相关性有不同程度的提高;土壤K、Na和Mg元素间正相关沿SSⅠ-SSⅢ阶段总体增强,Ca与C、N、P在SS Ⅰ和SSⅡ分别为显著负相关和正相关;综合来看除C与N、S间相关性沿SSⅠ-SSⅢ阶段下降外,元素间相关性在植被覆盖条件下普遍增强,植被生长使土壤元素间联系更为密切。 研究区植被覆盖总体降低了水分对土壤元素的影响力,特别是对土壤C、N、P、S、Ca、Na、Mg的影响降低,同时植被生长提高了盐碱性对土壤N、P、S、Mg的正向影响,但降低其对C、Ca、Na、K等的促进作用。 10.土壤容积含水量对多样性变化的解释在各阶段均不显著,但在SSⅢ阶段的决定性最高,土壤水分对多样性的影响总体为低值时促进,高值时无显著影响或趋于复杂化:土壤EC和pH值对多样性的影响力沿SSⅠ-SSⅢ降低,SS Ⅰ阶段土壤EC小于约12ms/cm和pH低于8.3时,植物多样性线性上升,土壤盐碱性持续升高则导致植物多样性下降,SSⅡ与SSⅢ阶段土壤盐碱度升高后与多样性间关系趋于复杂;综合来看,土壤水分对植物多样性的影响沿SSⅠ-SSⅢ阶段增强,而土壤盐分对多样性的影响减弱。 土壤C、N对多样性的影响沿SSⅠ-SSⅢ阶段下降;土壤P与植物多样性间非线性关系在SS Ⅰ阶段较复杂,P含量升高时多样性变异亦增加,SSⅡ阶段土壤P对多样性变化的解释力最高:土壤S对植物多样性的影响力沿SSⅠ-SSⅢ提高,S升高导致植物多样性降低:土壤K对多样性的影响力沿SSⅠ-SSⅢ阶段先降后升,土壤K含量较高时(约17.0g/k)与多样性间关系趋于复杂化;土壤Na、Mg增加总体抑制多样性增加。总体上土壤C、N、P元素对多样性的影响沿SSⅠ-SSⅢ阶段降低,大多数土壤元素与多样性间关系在SS Ⅰ较复杂,且土壤元素含量较高时与多样性间关系总体趋于复杂化。 11.土壤水分、盐分的提高以及土壤C、N、S、Ca、Na、Mg和Cu含量的增加总体导致群落的竞争性增强,土壤P、K、Fe、Mn和Zn元素增加则提高种间互利效应;群落稳定性随土壤水分和盐分增加不显著提高,土壤C、N、P、S、Ca、Na、Mg和Cu等大部分元素的增加有助于提高群落稳定性,其中土壤P对群落稳定性的提高最为显著。


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