异质生境对荒漠草原植物群落组成和种群生态位的影响

为揭示荒漠草原不同植物种群生态位特征以及对有限资源的利用状况,以围栏内外不同土壤类型下植物群落为研究对象,运用经典生态位理论,探讨其群落组成和种群生态位特征。结果表明：在调查样方中共记录到15科36属42种植物,以豆科、禾本科、菊科和藜科的草本植物为主。风沙土生境中的植被生物量和密度最高,一年生植物生态位宽度值往往较高,以猪毛蒿的重要值最大。灰钙土生境中植被盖度较高,多年生植物生态位宽度值相对较高,以牛枝子和针茅的重要值最大。放牧会减少多年生草本的种类和数量,而一年生草本有所增加,对半灌木数量则影响不大。在不同生境下猪毛蒿生态位宽度和总宽度值均居首,是该区域主要优势种和典型的泛化种。在放牧和短期围栏内猪毛蒿与其他物种的生态位重叠指数均较高,但在长期围封样地中,特别是灰钙土生境下,重叠指数比重有所降低。基岩风化沉积土中物种间的重叠程度最大,而风沙土中则最小。猪毛蒿分布在生态位重叠指数DCA排序图的中心,说明其在群落中占有重要地位,对有限资源的竞争能力和对环境的适应能力较强。综上,生境的异质性是导致群落组成及生态位不同的关键因子,因此在荒漠草原进行植被恢复建设和保护措施时,应考虑不同土壤类型条件下各物种生态适应性,避免生态位功能冲突。     

荒漠草原地面节肢动物功能群对草地封育的响应

以宁夏盐池国家级草原资源生态监测站为依托,选择荒漠草原典型植被类型的封育与未封育样地调查了地面节肢动物、植被及土壤特征,同时根据动物食性对节肢动物功能群进行了划分.结果表明:荒漠草原地面节肢动物可划分为捕食性、植食性、腐食性和杂食性4种营养功能群.其中,植食性和捕食性节肢动物在数量上占优势,植食性和腐食性节肢动物生物量所占比例较大,表明荒漠草原地面节肢动物区系以植食性动物分布为其主要特征.围栏封育增加了捕食性、植食性和杂食性节肢动物个体数量和类群数,增加了捕食性和杂食性节肢动物的生物量,提高了捕食性和植食性节肢动物的物种多样性,这与植被恢复和土壤环境改善密切相关,说明荒漠草原围栏封育增加了地面节肢动物功能群的多样性和复杂性.但是围栏封育后,腐食性节肢动物个体数量减少,生物量降低,反映了腐食性节肢动物对放牧草地生境的依赖性.     

荒漠草原土壤种子库对草地管理方式的响应

以宁夏中部不同封育年限(封育1a、3a、5a和7a)、不同放牧方式(中等强度自由放牧、中等强度4区轮牧)、补播改良(2006年补播沙打旺Astragalus adsurgens和紫花苜蓿Alfalfa stiva)及未封育等管理方式下的荒漠草原为研究对象,采用空间梯度代替时间梯度法,于2012年3月下旬用样线法采集土壤样品,采用温室萌发法,统计土壤种子库物种组成和种子数,研究了不同草地管理方式下的种子库与地上植被相似性、多样性等特征。结果表明:1)宁夏荒漠草原土壤种子库中共出现14种植物,分属6科14属,除牛枝子(Lespedeza potanimii)为半灌木外其余均为草本植物。多年生植物占土壤种子库植物总数的65.3%,一年生植物占土壤种子库植物总数的35.7%;多年生植物种子数量随封育年限增加而表现为下降趋势,封育1a和未封育草地最多;2)不同管理方式下土壤种子库和地上植被的共有物种数为2—6种,封育时间延长导致土壤种子库物种与地上植被相似性下降,土壤种子库和地上植被共有物种数有减少趋势,自由放牧降低了土壤种子库和地上植被的共有物种数,补播恢复的草地土壤种子库中未出现补播物种;3)种子库物种多样性与管理方式无明显的相关性;种子库物种多样性指数4区轮牧草地最高,封育7a草地最低,物种丰富度指数封育1a草地最高,均匀度指数自由放牧草地最高,补播草地最低。若荒漠草原仅依靠土壤种子库恢复自然植被,则不建议封育时间过久,需间以适当的干扰(放牧);补播外来种未对荒漠草原土壤种子库产生贡献,反而对乡土种产生了一定限制。     

短期围栏封育对荒漠草原沙化灰钙土有机碳组分及物理稳定性的影响

以宁夏盐池县荒漠草原5年围栏封育草地(围栏内)和自由放牧草地(围栏外)为对象,分析0～ 40 cm土层土壤有机碳、易氧化有机碳和颗粒有机碳含量以及土壤粒径组成,研究围栏封育早期沙化灰钙土有机碳组分及物理稳定性的变化规律.结果表明:围栏内外土壤有机碳含量和颗粒组成差异不显著;围栏内外0～40 cm土层土壤有机碳含量平均为3.25g·kg-1,沙粒、粉粒、黏粒的相对比重平均为72％、16％、12％,土壤物理稳定性指数为1.30％～1.31％.土壤活性有机碳的显著变化集中在10～20 cm土层,围栏内易氧化有机碳含量达0.80 g·kg-1,显著高于围栏外的0.62 g·kg-1,围栏内颗粒有机碳的分配比例为50.9％,显著高于围栏外的31.7％.随土层深度的增加,围栏内0～ 40 cm土壤质地由沙性土向沙壤土转变,各层间土质差异显著,易氧化有机碳含量逐渐升高;而围栏外土壤质地的垂直变化相对平缓,基本为沙性土质.退化荒漠草原短期围栏封育条件下,沙化灰钙土土壤有机碳尚处于一个消耗与积累的平衡阶段,土壤质地状况相对稳定,土壤物理稳定性变化较小.10～20 cm土层土壤活性有机碳含量及其相对分配比例可作为围栏封育早期土壤质量变化的指示指标.     

短期围栏封育后再利用对草地植物群落的影响

短期围栏封育后再适度利用是当前生态治理工程中使用较多的草地恢复措施,明确其实施效果对后续生态工程的优化调整具有重要意义。目前关于围栏封育和放牧对草地影响的研究较为丰富,但鲜有研究探讨短期围栏封育后再利用对草地的长期影响。以京津风沙源工程2002—2005年间在锡林郭勒地区实施的围栏封育地块为研究对象,通过配对采样调查和遥感数据分析,开展围栏封育期和重新放牧利用期连续近20年的草地植物群落变化研究。结果表明,草地植被高度、覆盖度和地上生物量在3年的围栏封育期内迅速增加,重新放牧利用后这些指标虽有所下降但仍显著高于持续放牧草地,并最终达到稳定状态。2002—2020年间短期围栏封育后再利用地块的植被覆盖度(FVC)整体上呈不显著的增加趋势、净初级生产力(NPP)呈显著增加趋势,FVC和NPP呈增加趋势的地块比例在温性草甸草原区、温性荒漠草原区和温性草原区依次减少。总的来说,3年的围栏封育后再放牧利用对草地植物群落具有一定的恢复作用。     

放牧强度对短花针茅荒漠草原甲虫群落分布格局的影响

放牧对脆弱的荒漠草原生态系统有着重要影响,且随放牧强度及持续时间不同而变化。鞘翅目昆虫是环境监测与生物多样性变化的指示生物。利用巴氏罐诱法对短花针茅荒漠草原不同放牧强度草地的甲虫群落组成和多样性进行调查,探究放牧对荒漠草原甲虫群落的影响。结果表明:(1)步甲科、金龟科为短花针茅荒漠草原甲虫群落优势类群,埋葬甲科、芫菁科、拟步甲科和花金龟科为常见类群。(2)放牧强度增加不利于维持更多的捕食性甲虫;对照和轻度放牧样地可维持更多的腐食性甲虫。(3)甲虫数量随放牧强度增加而递减;群落多样性以重度放牧草地最大,轻度放牧草地最小;群落优势度为对照、中度、重度显著高于轻度放牧草地。各甲虫类群在不同放牧强度草地出现时间、高峰期均不同。(4)对照、轻度、重度放牧样地的甲虫优势类群群落结构不同于其他生境,但均与中度放牧样地存在相似性。轻度、中度、重度放牧样地的甲虫稀有类群群落结构不同于其他生境,但均与对照样地存在相似性。(5)甲虫群落个体数与植物群落物种丰富度、盖度、植物平均高度、生物量呈显著正相关。Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数均与植物群落物种丰富度、生物量显著负相关。研究结果为荒漠草原甲虫多样性保护提供参考依据。     

荒漠草原异质生境下猪毛蒿种群动态

以荒漠草原猪毛蒿种群为对象,设置风沙土、灰钙土和基岩风化沉积土3个生境下增水30%、减水30%和对照3个处理,编制猪毛蒿种群的动态生命表,绘制种群存活和死亡曲线,分析异质生境下猪毛蒿种群动态规律,研究猪毛蒿年内年际间种群动态特征.结果表明: 猪毛蒿种群存活曲线趋于Deevey-Ⅰ型,即生长前期存活率较高,趋于稳定状态,死亡率基本维持在较低的水平,生育期末种群死亡率则上升较快.各生境下猪毛蒿个体的存活数均呈前期波动后期下降的趋势,风沙土和灰钙土生境下死亡率的波动变幅较大,增减水处理对猪毛蒿种群死亡率的影响无显著差异.土壤类型对猪毛蒿株高、冠幅、密度、盖度和生物量均有显著影响,降水处理对猪毛蒿株高、冠幅和盖度影响显著,对密度和生物量无显著影响,而土壤类型和降水处理的交互作用仅对株高和冠幅有显著影响.基岩风化沉积土生境下猪毛蒿生物量的可塑性指数显著高于风沙土和灰钙土,灰钙土和基岩风化沉积土生境下盖度可塑性显著高于风沙土.增水处理的密度可塑性指数显著高于对照和减水处理.株高和冠幅的可塑性指数较高,说明在不同的生境压力下,猪毛蒿可以通过优先调节这两个参数来应对生境的变化.     

高寒矮嵩草草甸物种多样性与功能多样性对初级生产力的影响

自然生态系统中植物物种多样性是否随功能多样性变化而影响初级生产力的问题存在很大争议。在高寒矮嵩草草甸,对不同放牧强度、不同利用格局和土壤资源水平的4种生境（Ⅰ.畜圈：重度放牧、资源丰富;Ⅱ.牧道：中度放牧、资源适中;Ⅲ.人工草地：轻-中度放牧、资源贫乏;Ⅳ.封育草地：不放牧、资源贫乏）中物种多样性与功能多样性的变化及其对初级生产力的影响进行了研究。结果表明：物种多样性在牧道生境最高,符合中度干扰理论的预测;人工草地物种多样性低但功能多样性却最高;封育草地物种多样性和功能多样性均较高;物种多样性与地上生物量呈正相关,而功能多样性则与地上生物量呈负相关。表明功能多样性不随物种多样性而变化,二者可能在一定程度上是相互独立地作用于生产力的。群落生产力和生物多样性受生境资源、物种特征、放牧历史和放牧强度等因素的综合影响。     

荒漠草原猪毛蒿种群繁殖特征的土壤驱动因子分析

繁殖是植物生命活动的重要环节,了解植物的繁殖特征是解释植物生态适应性和制定有效管理措施的重要依据。该研究以荒漠草原猪毛蒿(Artemisia scoparia)种群为研究对象,通过测定不同土壤类型的理化性质和猪毛蒿的繁殖特征,以期探讨影响其繁殖特征的主要土壤驱动因子。结果表明:灰钙土、风沙土和基岩风化残积土的水溶性碳含量、全氮含量、全磷含量、全盐含量、土壤水分含量、土壤硬度存在显著差异。猪毛蒿平均个体大小、单株头状花序的平均质量和数量均以灰钙土生境下最大,基岩风化残积土最小。繁殖分配在不同土壤类型下无显著差异,但与单个头状花序质量、单株头状花序数量和质量间呈极显著正相关关系。单株头状花序数量与单个头状花序质量间呈负相关关系。在风沙土生境下,单株头状花序质量主要受到土壤水溶性碳含量、土壤水分含量以及p H值的共同影响;单株头状花序数量受全盐含量的影响最大;繁殖分配和单个头状花序质量主要受全碳含量的影响。灰钙土生境下,单株头状花序质量与土壤水溶性碳含量、土壤水分含量和有机碳含量呈正相关关系;速效氮含量显著影响着单株头状花序数量。而基岩风化残积土生境下,繁殖特征的变异主要受到土壤水溶性碳含量、土壤硬度、土壤水分含量、全磷和速效磷含量的影响。综合分析发现,土壤因子对猪毛蒿繁殖特征的影响程度不同,其中单株头状花序数量和质量极显著地受到土壤水溶性碳含量和土壤水分含量的影响,繁殖分配和单个头状花序质量与土壤水溶性碳含量、土壤水分含量呈负相关关系。因此,土壤水溶性碳含量和土壤水分是荒漠草原地区影响猪毛蒿种群繁殖特征的主要土壤因子。     

长期封育演替下典型草原植物群落生产力与多样性关系

封育是退化草地的重要恢复措施, 理解长期封育过程中草地群落生产力和植物多样性变化特征及两者间关系, 有助于草地植被的恢复管理与利用。该研究依托宁夏云雾山国家级自然保护区典型草原长期封育演替梯度, 选择持续放牧、封育9年、26年和34年的草地群落作为研究对象, 分析其地上生产力、物种多样性和功能多样性的变化特征及内在联系。结果表明, 封育显著提高典型草原植物群落的地上生产力、凋落物生物量、功能丰富度和功能离散度, 未改变草地群落的物种丰富度、Shannon-Wiener指数和功能均匀度, 但Simpson优势度指数和Pielou均匀度指数在长期封育(34年)后显著下降。此外, 封育对不同植物群落加权平均功能性状的影响存在差异。随机森林模型和方差分解结果显示, 群落加权平均功能性状对封育草地群落地上生产力变异的解释度高达70.70%, 其中植株高度是最主要的解释因子; 功能多样性的解释度为36.86%, 主要由功能丰富度贡献; 而物种多样性的解释度仅为14.72%。由此可见, 植物功能性状和功能多样性对草地群落地上生产力的贡献远高于物种多样性, 建议将其纳入植物群落恢复演替动态研究, 以便全面了解植物多样性与生态系统功能的关系, 为更好地实现生态恢复目标奠定基础。     

Plant functional diversity mediates the effects of vegetation and soil properties on community-level plant nitrogen use in the restoration of semiarid sandy grassland

Species-rich plant communities use nitrogen (N) more efficiently in grassland ecosystems; however, the role of plant functional diversity in affecting community level plant N-use has received little attention. We examined plant N content, stock and N-use efficiency at community-level along a restoration gradient of sandy grassland (mobile dune, semi-fixed dune, fixed dune and grassland) in Horqin Sand Land, northern China. We used the functional trait-based approach to examine how plant functional diversity, reflected by the most abundant species’ traits (community-weighted mean, CWM) and the dispersion of functional trait values (FDis), affected N-use efficiency in sandy grassland restoration. We further used the structure equation model (SEM) to evaluate the direct or indirect effects of plant species richness, biomass, functional diversity and soil properties on community-level plant N-use efficiency. We found that plant biomass and its N stock increased following sandy grassland restoration, and there were lower plant N content and higher N-use efficiency in semi-fixed dune, fixed dune and grassland as compared with mobile dune. N-use efficiency was positively associated with plant species richness, biomass, CWM plant height, CWM leaf C:N, FDis and soil gradient, but SEM results showed that species richness, CWM leaf C:N, plant biomass and FDis controlled by soil properties were the main factors exerting direct effects. CWM plant height also had a positive effect on N-use efficiency through its indirect effect on plant biomass. Soil gradient increased N-use efficiency through an indirect effect on vegetation rather than a direct effect. Final SEM models based on different plant functional diversity explained over 74% of variances in N-use efficiency. Effects of plant functional diversity on N-use efficiency supported both the mass ratio hypothesis and the complementarity hypothesis. Our results clearly highlight the important role of plant functional diversity in mediating the effects of vegetation and soil properties on community level plant N-use in sandy grassland ecosystems.     

科尔沁沙地封育恢复过程中植物群落特征变化及影响因素

封育是退化沙地植被恢复与生态重建的重要措施, 理解长期处于封育状态下不同类型沙地植物群落特征变化及其影响因素有利于沙地植被恢复和生态重建。该文基于对科尔沁沙地长期封育的流动沙丘(2005年封育)、固定沙丘(1985年封育)和沙质草地(1997年封育)连续多年(2005-2017年)的植物群落调查, 结合土壤种子库、土壤养分以及气象数据, 分析了植物群落特征变化及其对环境变化的响应。研究结果表明流动沙丘植被盖度显著增加, 群落生物量和物种多样性年际间波动变化, 但无明显趋势; 固定沙丘植物群落存在逆行演替趋势, 具体表现为群落生物量、灌木和半灌木以及豆科优势度显著下降, 而一年生和多年生杂类草优势度显著增加; 沙质草地群落物种丰富度和多年生禾草优势度存在降低趋势, 并且一年生杂类草优势度明显高于其他功能群, 群落存在退化现象。3类沙地土壤种子密度变化不显著, 而种子丰富度在流动沙丘显著增加, 在固定沙丘和沙质草地有下降趋势, 土壤养分仅有有效氮和有效磷含量增加。回归分析结果表明气温和降水是影响年内生物量积累的主要因素, 但对年际间群落生物量和物种丰富度变化影响不大。除趋势对应分析结果显示土壤种子库与植物群落之间存在很高的相似性, 典型相关分析结果表明沙质草地植物群落与土壤养分紧密相关, 而固定沙丘群落主要与土壤水分紧密相关。综合以上结果可知, 封育33年的固定沙丘群落和封育21年的沙质草地群落都存在退化现象, 而封育11年的流动沙丘群落正在缓慢恢复, 因此封育年限的设定对退化沙地植被恢复至关重要, 封育时间过长不仅不利于植物群落恢复, 反而会使群落发生逆行演替, 建议封育年限的设定应综合考虑植被退化程度、土壤养分状况、土壤种子库基础以及气候条件等因素的影响。     

宁夏荒漠草原不同植物群落微斑块内土壤微生物区系特征

植物群落斑块化是天然放牧草地最基本的特征之一.为探索植物群落斑块化对土壤微生物群落组成及多样性的影响,本研究以宁夏荒漠草原为研究对象,采用磷脂脂肪酸(PLFA)法对比分析了不同植物群落微斑块内土壤微生物生物量和群落结构特征的变化.结果表明: 1) 4种植物群落微斑块内土壤微生物种类丰富,且都表现为细菌含量最高,真菌和放线菌含量较少,革兰氏阳性菌含量高于革兰氏阴性菌;2)4种植物群落中,甘草微斑块的土壤微生物总量显著高于猪毛蒿、苦豆子和黄芪;3)冗余分析表明,磷脂脂肪酸总量、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、真菌、厌氧菌、真菌/细菌均与土壤有机碳呈显著正相关,与pH呈显著负相关,表明土壤有机碳、pH是荒漠草原土壤微生物生长和发育的重要影响因素.     

荒漠草原“土岛”生境群落物种共存机制

经过长期破碎化, 荒漠草原原生硬质灰钙土斑块散布在广大沙化土地中, 形成类似“土岛”的土被结构。为揭示土岛生境的群落物种共存机制, 2016年在宁夏盐池县皖记沟村选取大(200-300 m²)、中(约100 m²)、小(约50 m²)土岛各3个开展调查, 采用Jaccard相异系数、物种生态位宽度和生态位重叠度、零模型、Meta分析, 综合计算和分析土岛内部与外部植物群落相似性、物种生态位宽度和生态位重叠、物种共存格局及其影响因子。研究发现, (1)随着破碎化加剧, 土岛内部植物多样性整体呈现下降趋势, 群落优势种从短花针茅(Stipa breviflora)转变为猪毛蒿(Artemisia scoparia)和短花针茅共优种, 土岛内外群落相似性增加。(2)土岛内外绝大多数物种生态位重叠较小, 生态位重叠在土岛内呈集中分布, 而土岛外则呈均匀发散分布。(3)环境过滤为主的生态过程决定了土岛生境群落物种的共存格局, 随着土岛面积减小, 环境因子对群落物种共存的调控强度降低, 关键性环境因子由土壤细砂粒和黏粒转变为粗砂粒, 显著性竞争物种共存格局在小岛出现。综上所述, 土岛生境对于维持草原物种具有重要作用, 环境过滤主导了荒漠草原物种共存格局。随着生境破碎化加剧或土岛面积减小, 物种共存格局及其调控因子发生转变。保护面积在200 m²以上的大土岛对于恢复荒漠草原区草原成分种和其物种多样性机制都十分必要。     

黄土高原草地植物多样性与群落稳定性的关系及其驱动因素

植物多样性对维持生态功能的稳定发挥具有重要作用。以黄土高原不同植被带草地为研究对象,基于野外调查和实验分析,探究黄土高原不同植被带草地植物多样性与群落稳定性特征和二者之间的关系以及影响因素。结果表明：黄土高原草地群落结构特征(地上生物量、地下生物量)与植物多样性具有明显的纬度分布格局,草地植物多样性和生物量均表现出自东南向西北沿森林草原带—森林带—草原带—草原荒漠带逐渐递减趋势。森林草原带草地植物多样性和群落稳定性显著高于森林带、草原带和草原荒漠带;植物多样性与群落稳定性之间存在显著正相关关系,可以作为衡量群落稳定性的指标,其稳定性大小表现为森林草原带>森林带>草原带>草原荒漠带。降雨量是影响植物多样性和群落稳定性的主要因素,并通过改变土壤含水量影响群落稳定性。研究结果揭示了草地植物多样性与群落稳定性之间的关系及驱动机制,为维持黄土高原草地生态系统的群落稳定性提供了科学依据。     

沙质草地生境中大型土壤动物对土地沙漠化的响应

沙质草地沙漠化过程中土壤动物群落结构变化是沙漠化生物过程中的一个重要方面,对于掌握沙漠化过程中生物退化规律和提出合理沙漠化防治对策具有重要指导作用。选取处于不同沙漠化阶段的流动沙地、半流动沙地、半固定沙地、固定沙地和丘间低地5种生境类型,采用手拣法对其大型土壤动物群落进行了调查。共获得36个动物类群,属于8目32科,优势类群为蚁科,常见类群有22个类群,两个类群的个体数共占群落个体总数的93.33%;稀有类群有13个类群,其个体数占群落个体总数的6.67%。结果显示,丘间低地、固定沙地、半固定沙地和半流动沙地大型土壤动物群落个体数量、类群数和多样性显著高于流动沙地(P<0.05);固定沙地大型土壤动物生物量显著高于其它生境类型(P<0.05);沙质草地严重沙漠化显著地影响大型土壤动物多样性及其生物量。并且,不同土壤动物类群个体对不同沙漠化阶段生境的适应性存在一定差异,产生了不同的响应模式。土壤有机碳和酸碱度以及土壤含水量差异是影响大型土壤动物类群分布与生长的主要因素。研究表明,固定沙地是大型土壤动物的适宜沙地生境,具有较多的个体数量和较高的生物量;丘间低地、半固定沙地、半固定沙地和流动沙地影响大型土壤动物存活,其个体数量和生物量较低。