刈割强度对大针茅草原植物群落特征和土壤理化性质的影响_王琪.pdf
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1、第 32 卷第 2 期Vol.32,No.226-342023 年 2 月草业学报ACTA PRATACULTURAE SINICA王琪,郑佳华,赵萌莉,等.刈割强度对大针茅草原植物群落特征和土壤理化性质的影响.草业学报,2023,32(2):2634.WANG Qi,ZHENG Jia-hua,ZHAO Meng-li,et al.Effects of mowing intensity on community characteristics and soil physicochemical properties ofStipa grandis steppe,Inner Mongolia,C
2、hina.Acta Prataculturae Sinica,2023,32(2):2634.刈割强度对大针茅草原植物群落特征和土壤理化性质的影响王琪1,郑佳华1,赵萌莉1,张军2*(1.内蒙古农业大学草原与资源环境学院,内蒙古 呼和浩特 010010;2.内蒙古农业大学理学院,内蒙古 呼和浩特 010010)摘要:探究不同刈割强度对大针茅典型草原植物群落特征以及土壤理化性质的影响,可为大针茅草原制定合理科学的刈割制度提供理论依据。本研究以大针茅典型草原为对象,于 2020年在内蒙古锡林浩特市毛登牧场刈割实验平台进行野外植被调查和取样。该实验平台于 2014年建立,以不刈割为对照(CK),设置
3、轻度(LM)、中度(MM)及重度刈割(HM)3个处理。本研究通过计算物种重要值和多样性指数,测定植物群落地上、地下生物量以及土壤理化性质,探究群落特征与土壤理化性质的关系。结果表明:1)与不刈割相比,不同刈割强度均增加了新物种,且中度刈割的物种数最多;与不刈割相比,不同刈割强度均显著增加了群落的丰富度和 Shannon-Wiener指数,且轻度刈割显著增加了优势度和均匀度指数,表明轻度刈割最有利于群落多样性的维持;不同刈割强度对大针茅草原的生产力均无显著影响;2)土壤全碳、全氮和 pH 均在中度刈割时最高,且显著高于不刈割,表明中度刈割对土壤养分有积极影响;3)硝态氮是影响草地生产力的主要土壤
4、因子,土壤含水量是影响草地群落多样性的主要土壤因子。本研究可为大针茅典型草原群落结构、物种多样性以及生产力等方面的研究提供重要参考。关键词:刈割强度;典型草原;生产力;多样性Effects of mowing intensity on community characteristics and soil physicochemicalproperties of Stipa grandis steppe,Inner Mongolia,ChinaWANG Qi1,ZHENG Jia-hua1,ZHAO Meng-li1,ZHANG Jun2*1.College of Grassland Resou
5、rces and Environment,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010010,China;2.College ofScience,Inner Mongolia Agricultural University,Hohhot 010010,ChinaAbstract:This study investigated the effects of different mowing intensities on plant community characteristics andsoil physicochemical proper
6、ties of Stipa grandis steppe in order to provide a theoretical and scientific basis forestablishing an appropriate mowing system in S.grandis steppe.We conducted a field vegetation survey andsampling in an experimental mowing area at Maodeng Ranch,Xilinhot,Inner Mongolia,China in 2020.Theexperimenta
7、l mowing area was established in 2014 with no mowing as control(CK)and three treatments of light(LM),moderate(MM)and heavy mowing(HM).In this study,we investigated the relationship betweencommunity characteristics and soil physicochemical properties by calculating species importance values and diver
8、sityindices,and measuring above-and below-ground biomass of plant communities and soil physicochemical properties.DOI:10.11686/cyxb2022064http:/收稿日期:2022-02-14;改回日期:2022-04-05基金项目:国家自然科学基金(32160332)和内蒙古自然基金(2020ZD03)资助。作者简介:王琪(1997-),女,内蒙古乌兰察布人,在读硕士。E-mail: 通信作者 Corresponding author.E-mail:第 32 卷第 2
9、 期草业学报 2023 年It was found that:1)Compared with no mowing,new species were increased under the various mowing intensities,and the number of species was highest under MM.Compared with no mowing,the mowing treatments significantlyincreased community richness and the Shannon-Wiener index,and light mowin
10、g also significantly increased theSimpson and Pielou indexes,indicating that light mowing was most beneficial to maintaining community diversity.Variation in mowing intensity had no significant effect on productivity of S.grandis steppe.2)Soil total carbon,total nitrogen and pH were the highest unde
11、r MM,and under this treatment were significantly higher than under nomowing,indicating that moderate mowing had positive effects on soil nutrient status.3)Nitrate nitrogen was themain soil factor affecting grassland productivity,and soil water content was the main soil factor affecting grasslandcomm
12、unity diversity.This study provides important reference information for the study of community structure,species diversity and productivity of S.grandis steppe.Key words:mowing intensity;typical steppe;productivity;diversity大针茅(Stipa grandis)草原是内蒙古典型草原的重要组成部分,在中国北方畜牧业生产和生态安全中发挥着重要作用1。然而,由于人类活动以及气候变化
13、导致草地不同程度的退化并严重威胁草地生态系统的生产和生态功能的发挥2。近年来,我国为降低北方草地放牧压力、恢复退化草地颁布了多项政策,包括“退牧还草”和“生态补偿”3。这些政策的大规模应用,使我国北方草地的管理措施从传统放牧转变为秋季割草4。在大针茅草原,秋季刈割已经成为其主要利用方式。因此,了解草地生态系统对刈割行为的响应,从而找到最佳刈割强度,对于维持草地生产力和健康发展具有重要意义。刈割通过去除植物的地上生物量,从而影响草地植被、土壤表层凋落物和土壤理化性质5。补偿生长是植物对刈割的一种响应方式,刈割后植物可能表现出相等、补偿不足或过度补偿生长,这取决于刈割强度,即刈割后植物的留茬高度6
14、。有研究表明,刈割强度是影响草地生产力和土壤养分的重要因素6,适度刈割会促进植物过度补偿生长,提高草地生产力,而过高和过低的刈割强度均不利于草地地上生物量的积累7。同时,刈割会通过去除植物的地上组织和相关的营养物质,改变植物的 N、P 含量和化学计量学格局8。一项对中国北方温带草原的研究表明,刈割在物种和群落水平上提高了植物氮含量和氮磷比9,而另一项对内蒙古典型草原的研究表明,刈割对优势种叶片 N 和 P 含量没有显著影响10。此外,刈割通过去除植物地上生物量,减少了植物凋落物的沉积,导致生态系统营养元素的输出大于输入11。研究表明,长期刈割会破坏土壤养分的动态平衡,降低土壤有机质和养分含量,
15、这反过来又会导致植物产量在长期内下降12。然而,也有研究表明,短期刈割可以增加植物的养分含量,改变养分的相对分布,提高植物的养分吸收,从而提高植物产量13。由于各学者对于刈割对草地影响的结论不尽相同,因而刈割对草地的影响仍存在许多争议。大针茅草原是我国北方分布最广泛的草原类型之一,在过去的几十年里,越来越多地被用作割草地。目前,刈割作为草地利用的主要措施,不同强度的刈割对草地的影响还不得而知。因此,本研究以大针茅草原为研究对象,以不刈割的天然草地为对照,设置轻度(留茬 8 cm)、中度(留茬 5 cm)和重度刈割(留茬 2 cm)处理,探究不同刈割强度对大针茅草原生态系统的影响。研究结果可为探
16、索草地生态系统可持续刈割制度提供科学依据。1材料与方法1.1研究区概况本试验在内蒙古锡林浩特市的毛登牧场(116.03-116.50 E,44.80-44.82 N)进行,该地区位于中纬度西风带,昼夜温差大,温度变化剧烈,属于温带半干旱大陆性气候。年降水量为 141379 mm,大部分降水集中在6-9 月;年蒸发量 20002700 mm;年平均气温 2.31。土壤相对肥沃,有机质含量 2%3%,主要是深色栗钙土和典型栗钙土。以大针茅为建群种,优势种有羊草(Leymus chinensis)、知母(Anemarrhena asphodeloides)、糙27Vol.32,No.2ACTA PR
17、ATACULTURAE SINICA(2023)隐子草(Cleistogenes squarrosa),常见种还有黄囊苔草(Carex korshinskyi)、冰草(Agropyron cristatum)以及冷蒿(Artemisia frigida)等12。1.2试验设计及取样长期刈割试验样地于 2014年在毛登牧场“42666.67 hm2生态保护区”建立,在一片 20 m60 m 的平坦开阔区域,采用单因素随机区组试验设计设置了 3个刈割强度:轻度刈割(light mowing,LM,刈割留茬 8 cm);中度刈割(moderate mowing,MM,刈割留茬 5 cm);重度刈割(
18、heavy mowing,HM,刈割留茬 2 cm),并以不刈割为对照(CK),每个处理重复 9次,小区面积为 3 m5 m,中间设置 1.5 m 的缓冲带。每年 8月 30日按照试验设计的刈割留茬高度使用除草机(MH60手扶式,中国常州)割草。2020年 8月 15日生物量高峰期,在每个小区内设置 1个 1 m1 m 的样方,记录样方内出现的所有物种及其数量,使用卷尺量取物种高度,分种齐地面剪取地上生物量,在烘箱中 65 烘干至恒重,称取地上生物量。剪去地上植物部分后,使用内径 7 cm 的根钻在每个样方内以“S”形 5点混合采样法收集 020 cm 土层的土壤并装入根袋中,筛出土壤样品分成
19、 2份保存,一份放在 4 冰盒中带回实验室用于土壤速效氮测定,另一份带回实验室风干后用于其他土壤理化性质指标测定。根袋中的根在 2 mm 的筛子上用水冲洗干净,在烘箱中 65 烘干至恒重,称取地下生物量。1.3重要值及植物多样性计算在重要值的计算中,相对高度、相对密度、相对盖度、相对生物量以及相对多度都可以作为参考指标,但由于盖度在测量中容易受到主观因素干扰,存在的误差较大,因此本研究选择相对高度、相对密度及相对生物量进行重要值的计算12。重要值(important values,)=(相对高度+相对密度+相对生物量)/3本研究使用的植物多样性指数包括:丰富度指数(richness,R)、优势
20、度指数(Simpson 指数,D)、Shannon-Wiener指数(H)和均匀度指数(Pielou指数,SE)14,计算公式如下:丰富度指数:R=SSimpson指数:D=1-i=1SP2iShannon-Wiener指数:H=-i=1SPiln PiPielou指数:SE=H ln S式中:S是样方内的物种数目、Pi是第 i个物种的相对密度。1.4土壤理化性质测定在每个样方内使用容积为 100 cm3的铝盒取表层土壤,使用烘干称重法测定土壤含水量,使用快速检测温度计(三印 TP101探针式土壤温度计,中国广州)随机测定 3处 20 cm 深度的土壤温度,取平均值后记为该小区的土壤温度。低温
21、带回实验室的土壤样品过 2 mm 的筛子后使用连续流动分析仪(SEA1 Auto Analyzer 3,德国)测定铵态氮和硝态氮的含量,风干后的土壤样品使用球磨仪(GT 200,中国北京)研磨后过 0.149 mm 的筛子,使用元素分析仪(Elementar Vario MACRO CUBE,德国)测定土壤全碳和全氮含量,土壤有机碳含量使用重铬酸钾外加热法15测定,土壤全磷和有效磷含量使用钼锑抗比色法11测定。1.5数据处理采用 Excel 2019进行数据的初步整理分析,采用 SPSS 20.0软件对不同刈割强度下优势植物重要值、植物多样性和土壤理化性质进行 One-way ANOVA 分析
22、,处理间多重比较使用 Duncan 法,显著水平为=0.05,采用Canoco 5进行冗余分析(redundancy analysis,RDA),采用 Origin 2019b绘图。2结果与分析2.1刈割对植物群落组成的影响不同处理下植物重要值及群落结构如表 1所示,不同处理下均出现的物种有大针茅、糙隐子草、冰草、羊草、28第 32 卷第 2 期草业学报 2023 年知母、双齿葱和刺穗藜。与不刈割相比,不同刈割强度未改变多年生禾草和多年生杂类草的重要值,群落优势植物均为大针茅和知母。与不刈割相比,不同刈割强度均明显提高了一、二年生草本的重要值和物种数,不刈割样地中仅有刺穗藜 1种一、二年生草本
23、,而不同刈割强度下均有新物种出现。此外,在中度刈割和轻度刈割中出现了冷蒿和小叶锦鸡儿。综上所述,刈割未改变大针茅草原植物群落的优势植物类型,同时有利于一、二年生草本的生长。2.2刈割对植物物种多样性及生物量的影响如图 1A,B 所示,与不刈割相比,7年的刈割处理显著提高了植物群落丰富度和 Shannon-Wiener指数(P0.05),说明刈割显著提高了植物群落的物种多样性。与不刈割相比(图 1C,D),轻度刈割显著提高了植物群落的优势度指数和均匀度指数(P0.05),而中度和重度刈割的优势度指数和均匀度指数均与不刈割无显著差异,说明轻度刈割下,植物群落的优势度和均匀度最大。如图 2所示,与不
24、刈割相比,不同刈割强度下,大针茅草原地上生物量和地下生物量均无显著变化,在不刈割和轻度刈割下,地上生物量较高,在轻度刈割下,地下生物量最高。说明刈割对大针茅草原生物量影响较小,没有达到显著水平。2.3刈割对土壤理化性质的影响如表 2所示,不同刈割强度土壤有机碳、全氮、全碳和 pH 均有显著性差异(P0.05),土壤铵态氮、硝态氮、全磷、有效磷、含水量和温度差异不显著。与不刈割相比,不同刈割强度均显著增加了土壤全碳含量,中度刈割显著表 1刈割对大针茅草原植物重要值的影响Table 1Effect of mowing on the important values of S.grandis ste
25、ppe功能群Functional group多年生禾草Perennial gramineae多年生杂类草Perennial forbs一、二年生草本Annual or biennial herb灌木、半灌木Shrub,subshrub物种Species大针茅 S.grandis糙隐子草 C.squarrosa冰草 A.cristatum羊草 L.chinensis知母 A.asphodeloides黄囊苔草 C.korshinskyi细叶葱 Allium tenuissimum双齿葱 Allium bidentatum野韭 Allium ramosum银灰旋花 Convolvulus amma
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