高寒湿地退化对植物群落特征与土壤特性的影响.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:甘肃省科技计划项目()国家自然科学基金项目()西北师范大学青年教师科研能力提升计划项目()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./.王梦梦 张丽华 当知才让 王宏 杨尖拉毛 赵锐锋.高寒湿地退化对植物群落特征与土壤特性的影响.生态学报():.():.高寒湿地退化对植物群落特征与土壤特性的影响王梦梦 张丽华 当知才让 王 宏 杨尖拉毛 赵锐锋 西北师范大学地理与环境科学学院兰州 甘肃省绿洲资源环境与可持续发展重点实验室兰州 甘肃黄河首曲国家级自然保护区管护中心玛曲 甘肃省玛曲青藏高原土著鱼类自然保护区管理局玛曲 摘要:以黄河首曲湿地为研究对象
2、基于野外采样数据和不同退化程度(无明显退化 轻度退化 中度退化 重度退化)分析植物群落、土壤特性及其关系 结果表明随湿地退化程度增加禾本科重要值呈减少趋势而毒杂草重要值呈增加趋势且植物高度、盖度及地上生物量显著降低重度退化程度下 物种丰富度指数最低表明植物群落结构由复杂趋向简单 土壤有机碳、全氮随退化程度增加均显著降低碳氮比与 值则呈相反变化表明高寒湿地退化不利于养分的积累且土壤逐渐呈碱性、有机碳及全氮为高寒湿地响应退化的理化因子湿地不同退化程度影响植物群落的土壤因子略有不同且尤以电导率最为明显这与土壤养分状况相关 湿地退化过程中植物群落的生长、结构发生改变植物与土壤理化性质相互作用进而影响湿
3、地生态功能 因此探究植物群落与土壤理化特征可为修复退化湿地提供依据关键词:湿地退化植物群落特征物种多样性土壤理化性质 :.().:/.:湿地是介于陆地和水体之间的一种特殊生态系统类型在各类生态系统中生态服务价值最高 其在保护生态环境和生物多样性、维持生态平衡、调节气候等方面具有极其重要的作用因此被称为“生物基因库”和“地球之肾”近年来随着气候变化和人类活动的增加导致湿地面积急剧减少湿地退化问题日益严重 湿地生态系统已成为世界上最受威胁的生态系统之一近年来群落特征作为定量刻化湿地退化的重要手段且有关退化湿地植物群落特征的研究已广泛报道如在赫克萨尔湿地的研究中发现人类活动和侵占致使湿地退化导致植物
4、群落组成发生改变和毒杂草过度生长 对于物种多样性的报道发现在意大利波河三角洲南非高原东缘均发现随湿地退化程度加深湿地生物多样性丧失 植物多样性在很大程度上反映了植物群落结构和生境多样性的特征 然而关于湿地退化对植物多样性的研究结果尚不一致 如在三江源隆宝沼泽湿地发现随着湿地退化程度加剧地上生物量显著降低物种多样性指数、均匀度指数和丰富度均逐渐增大 而在黄河源区沼泽湿地退化的研究发现随退化程度增加物种丰富度指数、均匀度指数和多样性指数先升后降优势度指数先降后升 为此亟需进一步探究植物群落特征尤以反映多样性各指数是如何响应湿地退化湿地退化引起的土壤退化不仅会导致土壤基本理化性质的变化还会引起养分元
5、素生物地球化学循环的变化影响湿地植物的生长和生产力 大量研究表明湿地退化程度的增加将显著降低土壤有机碳、全氮含量且随土层深度增加明显降低 土壤电导率及 值因湿地退化而显著增加且随土层深度下移明显 然而林春英等研究发现 值随湿地退化程度增加而增加 另有学者发现电导率、值与有机碳、全氮之间存在负向关系 植物群落特征及多样性变化受到土壤性质、草食性等环境因素的显著影响而植物群落的发展在很大程度上依赖于土壤理化特性的改变 然而一些学者认为盐分含量的变化是直接威胁植物多样性的关键因素 土壤电导率也被认为是影响植物多样性的主控因子 此外有关湿地的识别与分类、土壤有机碳、氮组分及储量变化等方面的研究已占有较
6、大比重而对于土壤因子如何响应湿地退化过程以及主导植物群落结构的关键土壤因子还需进一步查明高寒湿地是一种特殊的湿地类型具有蓄水调节、生物多样性保护和生态环境改善等重要功能 作为最具代表性的内陆高寒湿地黄河首曲湿地素有黄河“蓄水池”、“高原水塔”之称其生态环境极其敏感与脆弱 年甘肃黄河首曲湿地国家级自然保护区批准成立为黄河流域乃至高寒湿地的保护起到重要的推动与示范作用 然而近年来的气候变化和人为活动导致湿地植物群落组成和多样性发生变化湿地退化严重导致水源涵养能力降低 同时有关高寒湿地相关研究尚未得出一致结论 如在青海省玛多县、甘肃省尕海湿地研究发现植物高度、盖度及地上生物量均随退化程度增加显著降低
7、而另一项在玛多县的研究却发现地上生物量在中度退化程度下最高 对于有机碳、全氮的报道多关于其组分、储量特征且土壤特性与植物群落关系研究鲜有报道 为此本文以黄河首曲湿地为研究对象立足于探讨以下 期 王梦梦 等:高寒湿地退化对植物群落特征与土壤特性的影响:/.几个问题:()不同退化程度对植物群落特征及多样性的影响()不同退化程度对土壤理化特性的影响()不同退化程度对植物群落特征与土壤理化性质之间的关系会产生怎样的影响?从而为揭示湿地植物群落退化机制提供科学基础为定向修复退化湿地提供理论依据 材料与方法.研究区概况甘肃黄河首曲湿地国家级自然保护区地处甘肃省甘南藏族自治州玛曲县的东南部()保护区涉及玛曲
8、县的曼日玛、采日玛、齐哈玛、欧拉 个镇和河曲马场、阿孜实验站(图)属高原大陆性气候一年中仅有冷暖季之别而无明显的四季之分 年均气温.月平均气温.月平均气温.年极端最高气温.年极端最低气温达.年平均降水量.全年降水约 左右 全年没有绝对无霜期多年平均无霜期只有 全年各月都有霜冻现象土壤持续冻结天数 最大冻土层深度 研究区植物群落组成主要包括禾本科的垂穗披碱草()莎草科的华扁穗草()蔷薇科的鹅绒委陵菜()菊科的长毛风毛菊()、黄帚橐吾()毛茛科的钝裂银莲花()、长茎毛茛(.)蓼科的珠芽蓼()土壤类型主要为高山草甸土主要分布在保护区欧拉乡西部海拔在 以上的高山陡坡西倾山也有少量分布 母质为残基坡积物
9、土体冻融交替杂以冰渍沉积物土壤剖面厚度 通层含砾石质地以轻壤、沙壤为主图 研究区位置及样方分布示意图.植被调查、土壤样品采集与测试分析 年 月对黄河首曲湿地自然保护区进行综合考察 考虑到自然保护区自然地理条件以及人为管理的影响为全面客观地反映自然保护区植被与土壤特征室内利用 沿保护区边界大致以 为间距设置样地然后利用 在野外寻找样地同时根据交通可达性等适当调整样地位置使得样地尽可能均匀分布共计调查样方 个每个样方面积为.且均用 定位并记录样地距河道的距离、经纬度信息以及周围环境特征具体包括周围地形地势、放牧与啃食情况、鼠兔害情况以及采样时的天气状况生 态 学 报 卷:/.现场鉴定样方中的植物物
10、种并将个别现场无法识别的物种采集标本带回实验室进行鉴定记录个体数、物种数及高度样方总盖度及物种分盖度等指标地上生物量通过将样方内植株齐地刈割并装入信封袋带回实验室测定 湿地土壤样品取样时先清除覆盖在土壤上的植被地上部分用土钻采集、深的土样一部分装入铝盒用于土壤含水量的测定另一部分装入自封袋带回实验室进行土壤理化特性指标的测定将装袋的土壤样品带回实验室自然风干剔除较大的根系、砾石等研磨过筛至 和.粒径后进行相关理化性质测定 采用重铬酸钾氧化法、凯氏定氮法分别进行土壤有机碳()、全氮()的测定采用 型酸度计测定土壤 值(水土比为.)采用电导仪法测定土壤电导率()(水土比为)以上实验均在西北师范大学
11、土壤地理实验室完成.数据处理与分析为了更加准确地评价湿地退化参考 等方法并选取指示湿地退化的 个因子 先将上述指标进行归一化处理然后进行因子分析求出各因子权重及得分系数进而根据各因子求出湿地退化指数()并通过 均值聚类分析进行最优分割最终将所有调查样点分为无明显变化()、轻度退化()、中度退化()和重度退化()个退化程度各退化程度样点数分别为、样地基本情况见表 表 样地基本情况 退化阶段 物种组成 基本情况 无明显变化()早熟禾()华扁穗草()鹅绒委陵菜()有季节性积水植物种类较丰富几乎无裸斑轻度退化()垂穗披碱草()鹅绒委陵菜()黄帚槖吾()钝裂银莲花()有较少季节性积水植物种类丰富有少量干
12、化斑块出现中度退化()垂穗披碱草()长花马先蒿()火绒草()无积水植物种类较少且有毒杂草出现重度退化()由于严重退化几乎无植被无积水植被稀疏属兔洞很多地表出现斑块性裸露部分土地沙化数据归一化方法:()式中为第 个指标归一化处理的结果为第 个指标的原始值为第 个指标的最小值为第 个指标的最大值湿地退化指数():()式中 为湿地退化评价指数表示因子表示因子得分系数湿地退化常常是土壤和植物的退化随着退化过程的加剧毒杂草类逐渐取代优质牧草为探究退化过程中植物群落组成结构变化情况将植物种的功能型划分为禾本科、莎草科、豆科及毒杂草(主要包括乳浆大戟、黄帚橐吾、唐松草等)各功能型植物的重要值计算如下:()式
13、中 为相对密度 为相对高度 为相对盖度 期 王梦梦 等:高寒湿地退化对植物群落特征与土壤特性的影响:/.群落物种多样性计算如下:物种丰富度指数():()多样性指数():()多样性指数():()均匀度指数():()式中为第 个物种在全体物种中出现的重要性比例为第 个种的个体数量 为总个体数量为物种 所在样方的物种数采用 进行绘图采用 .进行单因素方差分析()采用最小显著性差异法()进行多重比较(.)采用 进行退化程度与植物因子间的主成分分析()及植物群落特征与土壤因子对应关系的冗余分析()结果与分析图 不同退化程度下各功能型植物重要值.不同小写字母代表处理间存在显著差异(的变化趋势莎草科重要值为
14、 豆科重要值的变化趋势为 毒杂草重要值则呈 的变化且 和 程度下显著高于 湿地(.)随湿地退化植被高度、盖度、密度及地上生物量存在显著差异(.)(图)植被高度、地上生物量均随湿地退化呈降低趋势 和 湿地植被高度显著低于 地上生物量在各退化程度间差异均显著植被盖度、密度均在 湿地显著最低而在 湿地达到高值由图 可知不同退化程度仅对 物种丰富度指数产生显著影响(.)具体表现为在 显著低于 和 湿地 湿地退化未对 多样性指数、均匀度指数和 多样性指数产生显著影响但 多样性指数、均匀度指数呈先增加后降低趋势而 多样性指数随退化程度增加呈降低趋势.高寒湿地退化对土壤性质的影响.土壤水分、电导率和 值由图
15、可知湿地退化仅对值产生显著影响(.)但土壤含水量随湿地退化程度增加呈下降趋势 湿地退化使得土壤电导率在不同土层深度产生显著差异表现为在 湿地 土层的电导率显著高于 和(.)土壤含水量随土层深度增加呈降低趋势而 值随土层深度增加则呈增加趋势(图)图 不同程度退化高寒湿地土壤含水量、电导率和 值.土壤有机碳、全氮及碳氮比在 土层深度湿地退化对土壤有机碳、碳氮比产生显著影响(.)(图)土壤有机碳在 下显著高于 样地碳氮比在 下显著高于 和 样地 在 土层深度土壤有机碳、全氮均表现为在 下显著高于 样地而碳氮比无显著差异 在 土层深度有机碳在 下显著高于其他退化样地全氮在 下显著高于 和 碳氮比无显著
16、差异 在 土层深度有机碳和全氮均表现为 下显著最高 此外土壤有机碳和全氮随土层深度增加而减少在、及 样地表现为 土层深度显著高于其他土层深度(.)(图).退化高寒湿地植物群落特征与土壤理化性质间的关系湿地退化与土壤理化性质的相关性表明退化程度与土壤有机碳、全氮及 呈显著相关其中土壤有机碳、全氮与退化程度呈负相关关系而 与退化程度呈正相关关系(表)从图 可以看出主成分 的贡生 态 学 报 卷:/.图 退化高寒湿地土壤理化性质随土层深度变化情况.献率为.主成分 的贡献率为.累积贡献率达到.表明前两个主成分基本涵盖了大部分信息 多样性在主成分 上有较高的载荷相关性较强这说明主成分 反映了 多样性的值
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