短花针茅叶片水分利用效率对放牧强度的响应及其影响因素

为明确植物的用水策略及适应性机制,以内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原为研究对象,设置对照(CK)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)和重度放牧(HG)4个放牧梯度,其载畜率分别为每1 hm^(2)每年0、0.93、1.82和2.71个羊单位的放牧强度,调查建群种短花针茅的高度、盖度、密度、地上生物量以及土壤的理化性状,并且采用稳定碳同位素法和红外光合仪法对短花针茅水分利用效率进行了测定,旨在阐明短花针茅水分利用效率在不同放牧强度下的响应规律及其影响因素。结果显示:(1)放牧对短花针茅盖度、密度以及地上生物量的影响显著;随着载畜率的增大,有利于短花针茅的扩散使其分布面积增加,且在中度放牧条件下尤为明显。(2)随着放牧强度的增加,土壤水分含量较对照显著提高,土壤全氮含量呈先增加后减少的变化趋势,土壤速效钾呈现降低的变化趋势,而对土壤全碳含量和pH无显著影响,说明适度放牧能够提高土壤水分含量、促进土壤氮含量的积累,但放牧会导致土壤速效钾减少。(3)随着放牧强度的增大,短花针茅长期水分利用效率(WUE l)呈现“V”形变化趋势,而瞬时水分利用效率(WUE t)与内在水分利用效率(WUE i)总体呈降低的变化趋势。(4)相关分析显示,放牧强度与短花针茅密度、地上生物量呈显著正相关关系,土壤全氮含量与有机碳、pH、WUE i呈显著正相关关系,WUE t与WUE i呈显著正相关关系;短花针茅内在水分利用效率与土壤有机碳含量密切相关。研究表明,重度放牧导致短花针茅株丛破碎化,增加了种群的扩散面积,是短花针茅长期水分利用效率提高的直接原因;短花针茅瞬时水分利用效率随放牧强度的增加而降低可能是由其内在水分利用效率降低引起的。     

氮水添加对放牧背景下荒漠草原生产力的影响

水分与氮素作为干旱和半干旱草原生产力的共同限制性因子在退化草原的生态快速修复过程中备受关注。以不同放牧强度背景下的短花针茅荒漠草原为研究对象,开展围封模拟放牧利用实验,同时添加氮素和水分。通过分析历史放牧强度与年份对生产力的影响,以及添加氮素和水分对不同功能群植物生物量的作用,探讨放牧强度对短花针茅草原生产力的内在作用机制,以及如何实现荒漠草原资源合理开发和可持续利用。研究结果显示,降雨量与放牧强度决定着短花针茅草原的植物群落结构。氮素和水分添加可分别提升11%-29%和12%-32%的群落地上生物量,且二者存在显著的交互作用。不同功能群植物的地上生物量对氮素与水分添加的响应存在差异,多年生丛生禾草对氮素和水分添加响应最敏感。氮素与水分添加可显著提高多年生丛生禾草的地上生物量,但与自然降水量相关。氮素添加对地上生物量的影响在正常降雨和稍旱年份作用显著,而水分添加在干旱年份作用显著。在正常降雨年份,以半灌木植物为优势种的轻度放牧背景以添加水分对提升生产力最宜,以多年生丛生禾草和半灌木为共优种的中度放牧背景和以多年生丛生禾草为优势种的重度放牧以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜;在干旱年份不同放牧强度背景下均以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜。我们的结果表明了养分与资源的改善有利于退化短花针茅草原的快速恢复和可持续生产。     

长期不同放牧强度下荒漠草原建群种短花针茅(Stipa breviflora)叶片解剖结构变化

植物叶片解剖结构随放牧强度的变化而发生变化。以短花针茅荒漠草原长期(19年)固定监测放牧样地为研究区,以建群种短花针茅叶片作为实验材料,测量不同放牧强度(对照(CK)、轻度放牧(LG)、中度放牧(MG)、重度放牧(HG))下短花针茅叶片保护组织、输导组织、机械组织、同化组织有关的14个解剖结构指标,分析短花针茅叶片解剖结构随长期不同放牧强度的变化,从生理角度探讨荒漠草原植物对长期放牧的适应及响应。研究结果表明：(1)叶片层次上,短花针茅通过增加其叶片横切面面积和叶厚度去适应放牧干扰;(2)保护组织方面,与对照区相比,重度放牧区角质层厚度增加,但未达到差异显著性(P>0.05),角质层厚度占叶厚度比例随放牧强度的增加整体呈增加趋势;(3)输导组织方面,木质部面积随放牧强度的增加呈下降趋势,而韧皮部面积、主导管面积、维管束面积等指标均随放牧强度的增加呈增加趋势,但没有达到显著性(P>0.05);(4)机械组织方面,厚壁组织面积和厚壁组织占叶面积比例均随放牧强度的增加呈增加趋势;(5)同化组织方面,随着放牧强度的增加,短花针茅叶片叶肉组织面积显著增加(P<0.05)。可见,...     

不同尺度下荒漠草原建群种短花针茅的空间分布对载畜率的响应

为探讨不同尺度下短花针茅种群密度空间分布对载畜率的响应特点及差异,本研究以内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原建群物种短花针茅为对象,分析了不同尺度(1 m×1 m小尺度和5 m×10 m中尺度)下对照、轻度放牧、中度放牧和重度放牧4种处理短花针茅种群的空间异质性。结果表明: 与小尺度相比,中尺度的对照与轻度放牧下短花针茅种群密度显著降低。在2种尺度下,与对照相比,放牧使得短花针茅种群密度显著增加。通过半方差函数进行模型拟合, 小尺度下,对照、轻度放牧、中度放牧及重度放牧样地短花针茅种群分布分别符合线性、指数、指数和指数模型,中尺度下分别为高斯、指数、高斯和指数模型。不同尺度和放牧强度下短花针茅种群空间结构发生改变,小尺度下,对照样地短花针茅分布格局较简单、空间结构较好;而重度放牧样地短花针茅分布格局较复杂、空间结构较差;中尺度下,重度放牧样地短花针茅分布格局较简单、空间结构较好,而中度放牧样地短花针茅分布格局较复杂、空间结构较差。中、小尺度下,中度和重度放牧使得短花针茅种群空间异质性降低且分布更为均匀;此外,对照、中度和重度放牧下中、小尺度短花针茅种群空间分布趋势基本一致,而轻度放牧则有所不同。     

荒漠草原建群种短花针茅功能性状对长期放牧的可塑性响应

植物功能性状反映了植物对生长环境的响应和适应,将环境、植物个体和生态系统结构、过程与功能联系起来,而放牧是草原生态系统的主要土地利用方式,对草原生态系统的群落结构和生态系统功能的改变起着重要作用。该研究测定了内蒙古四子王旗长期不同放牧强度下草原建群种短花针茅(Stipa breviflora)的功能性状,探讨放牧对草原群落结构的影响。研究发现:(1)随放牧强度增加,叶片各性状指标、个体生物量、植株高度、冠(丛)幅均有显著变小、变矮的趋势。(2)通过排序构建的短花针茅性状可塑性变化谱显示,各功能性状指标的可塑性指数均在重牧区最高,轻牧区最低;茎质量、叶质量、全株地上生物量对放牧响应敏感,而茎基部直径、冠(丛)幅和比叶质量响应不敏感。(3)短花针茅对长期放牧的变异系数(CV)与其响应程度(PI)之间符合指数方程y=0.08+0.18e~(1.61 x)(R~2=0.53,P0.05),植物功能性状的变异性与性状对放牧的响应强度呈正相关关系。(4)影响地上生物量的因子中,表型功能性状中的冠(丛)幅、平均叶长、叶片数量和总叶面积的贡献率之和达到72.93%。研究认为,随着放牧强度增强,短花针茅的变异性增大、可塑性增强,这可能是短花针茅能够成为建群种的生态响应机制。     

放牧强度对荒漠草原建群种短花针茅空间异质性的影响

为探讨不同放牧强度下短花针茅种群密度空间分布的变化特点及差异,本研究以内蒙古四子王旗短花针茅荒漠草原建群物种短花针茅为对象,分析了对照、轻度放牧、中度放牧和重度放牧4块样地短花针茅种群小尺度空间分布异质性.结果表明: 短花针茅种群密度分别为重度放牧(27.81株·m^-2)>中度放牧(22.17株·m^-2)>对照(11.31株·m^-2)>轻度放牧(10.76株·m^-2),中度与重度放牧显著增加了短花针茅种群密度;通过半方差函数进行模型拟合,对照、轻度放牧、中度放牧及重度放牧样地短花针茅种群分布分别符合指数模型、球状模型、指数模型和球状模型;通过对短花针茅种群的空间分布格局分析,各样地结构比分别为对照(99.7%)>重度放牧(94.7%)>轻度放牧(92.7%)>中度放牧(87.9%),表明4块草地空间自相关性程度均较高,主要受结构性因素影响,中度放牧草地短花针茅种群结构比最小,受随机性因素影响相对较大;通过分形维数分析,4块草地空间结构良好,空间分布简单,并随着放牧强度增大,空间分布更简单且均质化;结合2D及3D图看,轻度放牧及重度放牧均造成短花针茅种群空间分布从梯度分布变成斑块分布,并使空间异质性降低.     

Linking plant spatial aggregation with reproductive traits and near-source seed dispersal: ecological adaptation to heavy grazing

植物的生态适应策略一直备受生态学者的关注,然而很少有研究能够整体地、系统地揭示植物适应草食动物的生态过程。本研究以内蒙古荒漠草原建群种短花针茅为研究对象,分析了重度放牧和不放牧处理下短花针茅的繁殖个体性状、种子性状以及土壤种子库和种群空间格局。研究结果表明,生殖个体性状方面,生殖枝数量对营养枝数量有正向影响;土壤种子库方面,短花针茅生殖个体基部的土壤种子库中短花针茅密度显著高于旁边裸地土壤种子库中短花针茅的密度,且与种子性状和裸地土壤种子库显著负相关;在种群空间格局方面,重度放牧下短花针茅种群空间聚集分布。我们的结果认为在重度放牧处理下,生殖活动在短花针茅的资源分配中处于主导地位;短花针茅植物种群通过调控种子形态特征,采用就近扩散的生态策略,促进了幼年种群与成年种群在较小的尺度上空间正关联,从而形成“安全岛”。     

短花针茅种群高度对放牧调控的响应

种群高度是植物行为策略的核心内容,也是解析植物种群对草食动物调控机制的潜在途径。本研究以内蒙古锡林郭勒盟苏尼特右旗荒漠草原的长期放牧控制实验为平台,通过研究荒漠草原建群种短花针茅(Stipa breviflora)叶宏观性状、叶解剖性状与叶营养含量3个维度,以期揭示荒漠草地放牧调控下植物高度的响应机制。结果表明:短花针茅叶高可塑性指数(PI)较高,叶长次之;叶解剖结构显示,叶片厚度可塑性指数较高,重度放牧处理下叶性状可塑性指数大于适度放牧处理;叶C、N、P含量可塑性指数变化呈PINPIPPIC;适度放牧短花针茅叶高大于不放牧处理,不放牧叶高大于重度放牧处理;重度放牧叶上表皮细胞面积低于其他处理,且放牧处理提高了叶片N含量;短花针茅叶高与叶长、叶宽、叶直立度呈极显著正相关,与叶卷曲度呈负相关,与上表皮细胞面积、上表皮细胞厚度呈极显著正相关,与C含量呈极显著正相关。     

氮沉降和降雨变化对荒漠草原凋落物分解的影响

以荒漠草原凋落物为研究对象,通过设置自然降雨(CK)、增雨30%(W)和减雨30%(R) 3种水分处理和0 (N0)、30(N30)、50 (N50)和100 kg hm~(-2) a~(-1)(N100)4种氮素(NH_4NO_3)水平处理,用分解袋法,研究内蒙古短花针茅荒漠草原短花针茅(Stipa breviflora)、冷蒿(Artemisia frigida)、无芒隐子草(Cleistogenes songorica)和木地肤(Kochia prostrata)凋落物分解过程,旨在阐明荒漠草原凋落物分解过程及其对氮沉降和降雨变化的响应特征,为荒漠草原生态系统物质循环过程响应气候变化研究提供基础数据。结果表明:1)经过270 d分解后,短花针茅、冷蒿、木地肤和无芒隐子草干物质残留率分别为69.95%—78.67%、68.89%—79.89%、64.68%—79.23%、66.89%—79.38%,分解速率为木地肤无芒隐子草冷蒿短花针茅。2)氮沉降和降雨对短花针茅和冷蒿凋落物分解速率产生显著影响(P0.05),其交互作用对这两种凋落物分解速率不显著(P0.05)。氮沉降和降雨以及交互作用均对无芒隐子草和木地肤凋落物分解速率产生显著影响(P0.05)。3)单一水分或氮素的添加均提高土壤微生物量碳氮含量,而水氮交互作用下更为显著。4)凋落物分解速率受生物及非生物因子的影响,相关分析表明:冷蒿、无芒隐子草、木地肤与土壤微生物量碳呈极显著正相关(P0.01);冷蒿、木地肤、短花针茅与土壤微生物量氮呈极显著正相关(P0.01);木地肤和短花针茅与土壤含水量呈极显著正相关(P0.01);冷蒿、木地肤、短花针茅与地上生物量呈极显著正相关(P0.01)。     

内蒙古不同草地类型针茅属植物对放牧强度和气候因子的响应

以内蒙古草甸草原、典型草原、荒漠草原为研究对象,设置轻度、中度、重度以及对照4个放牧梯度,经过连续5年野外调查试验,研究针茅属植物在不同放牧强度及不同水热条件下的变化趋势,为针茅属植物为建群种的草地管理提供理论基础。结果表明:1)草甸草原的贝加尔针茅相对生物量随着放牧强度的增加呈下降趋势,即使降水波动较大,依然保持该趋势;2)典型草原大针茅受降水的影响较大,在对照样地中相对生物量与降水呈显著正相关(r=0.326),在轻度放牧样地中则为负相关(r=-0.319),在干旱年份大针茅相对生物量在轻度放牧强度中显著高于对照样地,所以放牧对大针茅的影响随降水的不同而不同;3)荒漠草原的短花针茅相对生物量随放牧强度增加而降低,但差异不显著,短花针茅受降水和温度的影响较大,与降水呈显著负相关(r=-0.440~-0.583),与温度呈显著正相关(r=0.282~0.299)。综上所述,在水分不受限制的草甸草原,即使降水温度有较大波动也不会对群落建群种产生较大影响,放牧成为草甸草原退化的主要因子;而在降水较少的典型草原和荒漠草原,气候逐渐成为除放牧以外的主要制约因子。     

荒漠草原不同放牧强度背景下添加氮水对凋落物分解的影响

凋落物分解是连接生态系统地上、地下过程的重要环节,决定了生态系统养分循环速率,但到目前为止对凋落物分解在荒漠草地生态系统受放牧以及外源资源补给影响的研究较少。本研究通过对不同放牧强度(对照、轻牧、中牧和重牧)短花针茅草原群落进行添加氮素(10.0 g N m~(-2) a~(-1))和增水(108 mm/a)处理,探讨群落水平凋落物分解速率的变化。研究结果显示,过去不同强度放牧历史对群落凋落物分解影响极显著(P0.0001)。凋落物前期分解(135 d)过程中,凋落物初始C∶N比与凋落物分解速率常数呈显著负相关关系,表明凋落物可降解性在凋落物前期分解中起主要作用。轻度放牧影响下凋落物分解速度最快,这与该条件下凋落物C∶N比显著低于其他放牧强度下的有关,说明适度放牧不仅有利于群落维持,也在一定程度上有利于生态系统养分循环。当凋落物分解更长时间(870 d)后,对照区凋落物分解速率显著低于放牧处理样地,但凋落物初始C∶N比对凋落物分解速率没有显著影响。进一步分析显示,不同放牧强度背景下长期凋落物分解速率与分解环境的土壤微生物多样性成正相关关系,与群落盖度呈极显著(P0.001)负相关关系。添加氮素显著(P0.05)降低凋落物分解速度,但对凋落物氮含量无显著影响。生长季加水未影响凋落物质量及凋落物分解速度。研究结果表明,凋落物前期分解受凋落物质量影响,但较长时间凋落物分解则与分解过程中接受到的太阳辐射量有关。     

放牧践踏对黄蒿功能性状的影响

植物功能性状是构成植物个体的基础,从性状角度揭示植物个体特征的变化机制尤为重要。该研究以半干旱沙质草地优势草本植物黄蒿为研究对象,探讨不同践踏强度在生长季早期对其功能性状的影响。结果表明：(1)在群落水平上,放牧践踏显著降低了生长季早期植物群落高度;而在个体水平上,黄蒿株高不是响应放牧践踏的敏感性状。(2)黄蒿的叶长、叶宽随践踏强度增加呈先增加后减少的趋势,在中度践踏强度下达到最高;茎直径随践踏强度的增加而增加;根系和全株性状随践踏强度增加无显著差异。(3)黄蒿的叶片长度、叶片宽度、单叶面积随叶片厚度的增加而减小,且叶片与一级根数目、根茎叶生物量之间均呈显著正相关关系;放牧践踏会影响黄蒿茎直径,但对其他表型性状没有显著影响;在生长发育过程中,黄蒿通过不同表型性状的非对称变化进行性状之间的权衡,践踏强度的增加对生长季早期黄蒿根茎叶生物量积累的影响很小。研究认为,黄蒿在生长季早期对放牧践踏具有较强的抵抗力,这对生长季早期半干旱沙地放牧压力的选择和物种保护具有重要的指导意义。     

Grazing intensity enhances spatial aggregation of dominant species in a desert steppe

Understanding how grazing activity drives plant community structure or the distribution of specific species in a community remains a major challenge in community ecology. The patchiness or spatial aggregation of specific species can be quantified by analyzing their relative coordinates in the community. Using variance and geostatistical analysis methods, we examined the quantitative characteristics and spatial distribution of Stipa breviflora in a desert steppe in northern China under four different grazing intensities (no grazing, NG, light grazing, LG, moderate grazing, MG, and heavy grazing, HG) at three small spatial scales (10 × 10 cm, 20 × 20 cm, 25 × 25 cm). We found that grazing significantly increased cover, density, and proportion in standing crop of S. breviflora, but decreased height. The spatial distribution of S. breviflora was strongly dependent upon the sampling unit and grazing intensity. The patchiness of S. breviflora reduced with sampling scale, and spatial distribution of S. breviflora was mainly determined by structural factors. The intact clusters of S. breviflora were more fragmented with increasing grazing intensity and offspring clusters spread out from the center of the parent plant. These findings suggest that spatial aggregation can enhance the ability of S. breviflora to tolerate grazing and that smaller isolated clusters are beneficial to the survival of this dominant species under heavy grazing.     

不同放牧强度季节调控下荒漠草原主要植物种群点格局及空间关联性

种群空间格局是种群自身特性、种间相互关系及环境条件综合作用的结果。以短花针茅荒漠草原为研究对象,运用Programita软件,采用Ripley's K函数和Monte Carlo随机模拟方法,对短花针茅、无芒影子草和碱韭种群点格局及空间关联性进行了研究。结果表明:短花针茅在禁牧和过度放牧下集群分布的尺度在增加,禁牧和过度放牧两种草地利用方式下短花针茅种群的格局具有趋同的趋势;并且,随着放牧强度的增大或者是持续放牧的影响,使得随机分布尺度在逐渐的增大,短花针茅在更大的尺度上才可能为集群分布。春季重牧+夏季重牧+秋季轻牧和全年重度放牧利用下无芒隐子草在较大尺度上才表现为集群分布,并且尺度转化的临界点在放牧的影响下有增大的趋势;重度放牧下碱韭为了适应放牧干扰逐渐向集群分布方向发展,集群分布的尺度在减小以提高种群的稳定性从而抵御过度的干扰。在不同的放牧干扰强度下植物种群具有明显的响应策略,大致表现为物种的群居性在增强,物种集群分布的尺度在减小以提高种群的稳定性从而抵御过度的干扰。春季休牧+夏季重牧+秋季轻牧处理下种群斑块化的尺度较大,有利于群落的稳定,因此荒漠草原采用这种利用方法较为合理。     

控制降水梯度对荒漠草原优势植物叶功能性状及土壤养分的影响

探究植物叶功能性状随降水梯度的变化规律,对揭示干旱区优势植物对环境变化的响应和适应策略至关重要。以盐池荒漠草原为研究对象,采用遮雨棚和喷灌系统控制降水梯度,分析了优势植物蒙古冰草（Agropyron mongolicum）、短花针茅（Stipa breviflora）及达乌里胡枝子（Lespedeza davurica）叶功能性状变异,以及土壤水分、养分和微生物特性与响应性状间的相关关系。结果表明：HW（增水50%）处理下3个植物LA（叶面积）、LDMC（干物质含量）显著增大,LW处理（减水50%）下短花针茅和达乌里胡枝子LA、LDMC显著减小,降水处理对短花针茅和达乌里胡枝子SLA（比叶面积）影响不显著,LW处理显著提高了蒙古冰草SLA;LW处理显著提高了蒙古冰草和短花针茅LNC（叶氮含量）和LPC（叶磷含量）;HW显著降低了土壤C、N含量,LW和HW均显著减少了真菌数量,而放线菌数量、微生物生物量C、N显著增加;3种优势植物LA均与土壤水分显著正相关,蒙古冰草和短花针茅通过提高SLA、LNC及LNP来适应干旱生境,蒙古冰草和短花针茅LNC及LNP是表征土壤P、微生物生物量有效性的关键指标,达乌里胡枝子通过自我调节养分利用策略来适应C、N、P含量和微生物活性较低的生境,从而决定其在群落中的优势地位。     

Seasonal variation in the nutritional value of woody plants along a natural gradient in Eastern Africa

Several hypotheses relate a negative relationship between foliar concentration of phenolic compounds and nitrogen to physiological processes such as leaf development, seasonal variation in allocation priorities, nutrient, light and water related growth limitation, as well as herbivore attack. We sampled four common deciduous woody species of central Tanzania monthly during the growing season to assess changes in this relation and their nutritional value to ruminants. We found a negative relationship between leaf N and phenolic compounds within and among species and sites that weakens during the course of the growing season that was consistent for total phenolics, but not for condensed tannins. Leaf N concentration decreased throughout the season, its withdrawal being positively related with leaf N at first sampling date. Secondary compounds concentration showed no consistent seasonal trend. Concentrations of leaf N and phenolics were correlated with ¹³C discrimination in the two shrub species and with soil P in the two tree species. Digestibility was positively correlated with foliar N and negatively correlated with secondary compounds. We conclude that phenolic compounds may serve as reliable clues for selecting foliage rich in N at site and species level only during the first months of the growing season.     

Phenolics,nutrition and insect herbivory in some garrigue and maquis plant species

Summary Garrigue plant species growing on a calcareous substrate in southern France had higher foliar N levels than the same species growing on a relatively lower nutrient siliceous substrate (maquis). However maquis species had significantly higher foliar levels of P, more water, higher phenolic concentrations and larger leaf areas. The cumulative amount of insect damage on garrigue and maquis plants was similar, presumably due to different nutritional advantages in each case. Soil fertilization signifincantly elevated N levels in Q. coccifera, increased total leaf areas, decreased condensed tannin levels, and these leaves showed significantly more insect damage. Some effects of burning on Q. coccifera are also described. In these shrublands, fertilization may render leaf material more nutritional for herbivores by increasing nitrogen content and decreasing condensed tannin concentration, although very heavy grazing pressure may increase levels of leaf phenolics.     

放牧强度对内蒙古典型草原糙隐子草功能性状的影响

研究糙隐子草株高、丛幅等11个性状指标对不同强度放牧(不放牧;5、7月两次放牧;全生长季5次放牧)的响应。结果表明: 以不放牧为对照,经过连续5年的放牧处理,糙隐子草的生殖枝数、株高、茎质量、比叶面积和总叶面积显著降低,5、7月放牧处理各指标降幅分别为61.7%、21.5%、33.3%、21.6%、26.7%,全生长季放牧处理各指标降幅分别为75.7%、24.7%、46.7%、28.5%、43.7%,降幅随放牧强度的增加显著增强。在不同放牧强度下,糙隐子草的营养枝数、叶片数、总叶面积、茎质量、总叶质量、丛幅均与整丛地上生物量呈现协同变化关系,营养枝数与茎质量和总叶质量呈显著正相关。糙隐子草应对不同放牧强度干扰表现出矮小-密枝化的避牧响应策略,减轻放牧强度有利于维持其个体性状的稳定。