呼伦贝尔草原退化过程中群落生态异质性及其环境解释

辽宁师范大学

硕士学位论文

呼伦贝尔草原退化过程中群落生态异质性及其环境解释

姓名：雒文涛

申请学位级别：硕士

专业：环境科学

指导教师：吕建洲；乌云娜

2012-06

辽宁师范大学硕士学位论文

摘要

本文以内蒙古呼伦贝尔克氏针茅（Ｓｔｉｐａｋｒｙｌｏｖｉｉ）草原作为研究对象，分析该区域近５０年的温水组合变化及其对群落生物量的影响，开展草原退化过程中群落及其群落建群种的地下生物量和根系形态特征研究，探讨微生境尺度上草原退化过程中的土壤．植被空间演替格局，揭示气候．植被．土壤连续功能体的相互作用规律，主要研究结论如下：

１．研究区域近５０年间气温呈明显上升趋势，‘生长季和非生长季年均气温分别升高了１．８３０Ｃ和２．３８０Ｃ。气温年际间波动逐年变大，但年均降水和降水日数变化并不明显。生长季有效温水组合是草原群落生物量的决定因素，群落生物量（Ｙ）与有效降水（Ｘ１）和有效积温（Ｘ２）拟合方程为Ｙ＝７１．４０９－ｔ－０．３３４Ｘｌ－－０．０２０）［２，Ｒ＝０．７１７（Ｐ＜０．００１）。

２．克氏针茅草原退化过程中群落种类组成和根系功能群类型趋于简单化。轻度退化样地样方内平均有１０种植物，６种根系功能群类型；中度退化样地有９种植物，５种根系功能群类型；而重度退化样地平均只有６种植物，４种根系功能群类型。群落地下生物量的空间分布形态呈“Ｔ’’型。随着土层加深，不同样地群落地下生物量呈现不同幅度的减少。草原退化过程中草原群落的建群种出现了明显替代现象，轻度退化样地群落建群种为密丛型根系的克氏针茅，中度退化为疏丛型根系的糙隐子草（Ｃｌｅｉｓｔｏｇｅｎｅｓｓｑｕａｒｒｏｓａ），重度退化为鳞茎型根系的多根葱（Ａｌｌｉｕｍｐｏｌｙｒｈｉｚｕｍ）。随着退化程度的增大，群落建群种根冠比逐渐增加，轻、中、重度退化样地群落分别为０．４７、１．０、４．１，并且群落建群种根系数量、根系体积、根系生物量、比根长及根长密度等各指标均发生了明显变化。另外，三种退化程度样地群落建群种根冠比、根长密度都与土壤速效氮呈现显著正相关（Ｐ，ｏ．０５）。

３．微生境尺度上生物量随退化程度的增加而降低，土壤有机质含量表现为轻度退化＞中度退化＞重度退化，土壤全氮和碱解氮的含量均表现为轻度退化＞重度退化＞中度退化。群落生物量和土壤养分异质性分析表明：微生境尺度上草原退化过程中生物量空间自相关性增强，空间异质性变大；土壤有机质、全氮和碱解氮的空间异质性具有明显的不一致性。有机质的空间异质性表现为中度退化＞轻度退化＞重度退化，全氮表现为重度退化＞轻度退化＞中度退化，碱解氮表现为中度退化＞重度退化＞轻度退化。另外，该研究尺度上，植被生物量、土壤有机质、土壤全氮、土壤碱解氮相互之间的相关性在退化梯度上具有差异性。关键词：退化草原；空间异质性；温水组合；根系分布；土壤养分

呼伦贝尔草原退化过程中群落生态异质性及其环境解释

Ｔｈｅｓｐａｔｉａｌｐａｔｔｅｒｎａｎｄｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌｉｎｔｅｒｐｒｅｔａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｔｙ

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ｌｉｇｈｔ，ｍｏｄｅｒａｔｅ，ａｎｄｈｅａｖｙｇｒａｚｉｎｇ

ｃｏｍｍｕｎｉｔｉｅｓ，ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅ

ｒｏｏｔ

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ｒｏｏｔｖｏｌｕｍｅ，ｒｏｏｔｂｉｏｍａｓｓ，ｓｐｅｃｉｆｉｃｒｏｏｔｌｅｎｇｔｈａｎｄｒｏｏｔｌｅｎｇｔｈｄｅｎｓｉｔｙａｌｓｏｖａｒｉｅｄｗｉｔｈｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒａｚｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ．Ｍｏｒｅｏｖｅｒ，ｔｈｅｒｏｏｔ／ｓｈｏｏｔｒａｔｉｏａｎｄｓｐｅｃｉｆｉｃｒｏｏｔｌｅｎｇｔｈｓｈｏｗｅｄａｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎｗｉｔｈｃｏｎｔｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｏｉｌａｖａｉｌａｂｌｅｎｉｔｒｏｇｅｎ湫０．０５）．３．１１１ｅａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓｃｏｎｔｅｎｔａ．ｄｅｃｒｅａｓｅｄ、）ｌ，ｉｍｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｚｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｙ；ｔｈｅｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｃｏｎｔｅｎｔｗｉｔｈｉｎｌＯｃｍｄｅｐｔｈＷａｓｌｉｇｈｔｇｒａｚｉｎｇ＞ｍｏｄｅｒａｔｅｇｒａｚｉｎｇ＞ｈｅａｖｙｇｒａｚｉｎｇａｎｄｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎａｎｄａｌｋａｌｉ－ｈｙｄｒｏｌｙｚａｂｌｅｎｉｔｒｏｇｅｎｗｅｒｅｒａｎｋｅｄａｓｌｉｇｈｔｇｒａｚｉｎｇ＞ｈｅａｖｙｇｒａｚｉｎｇ＞ｍｏｄｅｒａｔｅｇｒａｚｉｎｇ．Ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｇｅｏｓｔａｆｉｓｔｉｃａｌａｎａｌｙｓｅｓｗａｓｔｈａｔｔｈｅｓｐａｔｉａｌｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙｏｆａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｒｎａｓｓｉｎｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｉｎｃｒｅａｓｅｄｇｒａｚｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｙ，ａｎｄｔｈｅｓｐａｔｉａｌｈｅｔｅｒｏｇｅｎｅｉｔｙｏｆｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒｗｉｔｈｉｎ１０ｃｍｄｅｐｔｈＷａｓｒａｎｋｅｄａｓｍｏｄｅｒａｔｅｇｒａｚｉｎｇ＞ｌｉｇｈｔｇｒａｚｉｎｇ＞ｈｅａｖｙｇｒａｚｉｎｇ，ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｏｎｗａｓｈｅａｖｙｇｒａｚｉｎｇ＞ｌｉｇｈｔｇｒａｚｉｎｇ＞ｍｏｄｅｒａｔｅｇｒａｚｉｎｇａｎｄａｌｋａｌｉ－ｈｙｄｒｏｌｙｚａｂｌｅｎｉｔｒｏｇｅｎＷａｓｍｏｄｅｒａｔｅｇｒａｚｉｎｇ＞ｈｅａｖｙｇｒａｚｉｎｇ＞ｌｉｇｈｔｇｒａｚｉｎｇ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｓｏｆａｂｏｖｅｇｒｏｕｎｄｂｉｏｍａｓｓ，ｓｏｉｌｏｒｇａｎｉｃｍａｔｔｅｒ，ｔｏｔａｌｎｉｔｒｏｇｅｎ，ａｌｋａｌｉ－ｈｙｄｒｏｌｙｚａｂｌｅｎｉｔｒｏｇｅｎｗｅｒｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｇｒａｚｉｎｇｉｎｔｅｎｓｉｔｉｅｓ，

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引言

草原生态系统是地球上分布最广泛的自然生态系统类型之一，是半干旱到半湿润气候条件下所特有的一种自然类型，其总面积约为２４００万ｋｍ２，约占陆地总面积的１／６。草原是我国面积最大的陆地生态系统，我国现有天然草地近４亿ｈｍ２，其中可利用面积３．１０ｘ］０８ｈｍ２，占全国国土面积的４１．７％，相当于耕地面积的４倍，森林面积的３．６倍。草原生态系统具有很高的潜在生态服务价值。近年来，由于气候变化异常、放牧活动频繁、载畜量增加等因素的影响，草原生态系统发生了不同程度的退化，其宏观表现是植被破碎化格局和退化演替的产生［卜３１。植被破碎化和退化演替导致植物根系及土壤养分的异质性分布格局，反过来后者又会加速前者的变化，形成恶性循环加速草原的退化。植物通过根系从土壤中吸收水分和养分，又可以富集营养元素，提高土壤肥力。土壤从营养方面和环境方面，供应和协调植物生长。根系是植物与土壤间的联系纽带【４羽，植物与土壤之间的循环关系都依赖于根系，同时又影响根系构型、分布及功能群类型，形成植被．根系．土壤连续功能体。

迄今为止，虽然国内外关于草地退化的研究报道很多，但多集中于环境变化对草原物种多样性、草原初级生产力等方面的研究［７’１０１，而环境变化对草原生态系统植被．根系．土壤功能连续体异质性研究报导尚不多见。鉴于以上原因，本文以内蒙古呼伦贝尔克氏针茅典型草原作为研究对象，分析该区域近５０年的温水组合变化及其与群落生物量之间的关系，探讨草原退化过程中植物．土壤相互作用关系，揭示气候与放牧干扰下植被．根系．土壤连续功能体的异质性规律，以期为受损草原生态系统的恢复与重建、退化草地的科学管理和脆弱环境的综合整治提供理论依据。

１文献综述

１．１研究背景与意义

恢复生态学是当今生态学研究的热点之一，为众多国家生态学家所重视【１１１。原因在于，随着人口的增长和经济的发展，环境变化和生态退化不断加剧。生态恢复的任务不断加剧，因此也更加要求在理论上的指导。干扰是使生态系统发生变化的主要原因。按照干扰的来源可分为自然干扰和人为干扰两种类型【１２１。正常的生态系统是生物群落与自然环境取得平衡的自我维持系统，各组分的发展变化是按照一定规律并在某一平衡位置作一定范围的波动，从而达到一种动态平衡的状态【１３。１４１。但是，生态系统的结构和功能也可以在自然干扰和人为干扰的作用下发生位移，位移的结果打破了原有生态系统的平