黄土高原蓝藻和藓类生物结皮对草本植物多样性及生物量的影响.pdf
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1、第 卷第 期 年 月生态学报 .:/.基金项目:国家自然科学基金面上项目()中国科学院“西部之光”人才培养引进计划()收稿日期:网络出版日期:通讯作者 .:.:./王彦峰肖波汪万福余星兴张雪.黄土高原蓝藻和藓类生物结皮对草本植物多样性及生物量的影响.生态学报():.():.黄土高原蓝藻和藓类生物结皮对草本植物多样性及生物量的影响王彦峰肖 波汪万福余星兴张 雪 中国科学院西北生态环境资源研究院 沙漠与沙漠化重点实验室 兰州 中国科学院水利部水土保持研究所黄土高原土壤侵蚀与旱地农业国家重点实验室 杨凌 中国科学院大学北京 摘要:生物结皮在干旱和半干旱气候区占据了广阔的生态位深刻影响草本植物的空间格
2、局但其影响程度和作用途径目前仍存有争议 分别以黄土高原风沙土和黄绵土上的蓝藻结皮和藓结皮为对象以无结皮为对照通过样方法调查并测定了生物结皮与无结皮样地中草本植物的多样性和生物量继而结合灰色关联分析和结构方程模型对比分析了两类生物结皮对草本植物多样性和生物量的影响程度及作用途径 结果表明:()风沙土上无结皮样地的优势科为禾本科和菊科蓝藻结皮样地的优势科为藜科藓结皮样地的优势科为禾本科而黄绵土上无结皮样地的优势科为菊科、禾本科和豆科蓝藻结皮样地的优势科与无结皮相似藓结皮样地的优势科为禾本科和菊科()与无结皮相比风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地中多年生草本的株数分别增加了 和 而黄绵土上两类生物结皮样地
3、中多年生草本株数则分别增加了 和减少了()与无结皮相比风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地中草本植物的 和 指数分别降低了.、.和.、.而黄绵土上蓝藻结皮和藓结皮样地中两种多样性指数分别降低了.、.和.、.()风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地的草本植物生物量比无结皮减少了./和./而在黄绵土上则分别减少了./和./()灰色关联分析显示土壤穿透阻力对草本植物的多样性影响最大(关联系数分别为.和.)而 和 含量对草本植物的生物量影响最大(两种土壤上关联系数分别为.和.)综上黄土高原生物结皮显著降低了草本植物的多样性和生物量其途径为通过增加土壤穿透阻力以降低草本植物的种子萌发几率并限制幼苗根系伸展同时通过土壤氮
4、竞争限制了草本植物生长关键词:黄土高原 生物结皮 草本植物多样性 植物群落结构 生物量 :.:/.().().().()././.().:生物结皮是干旱和半干旱气候区常见的地表覆盖物其盖度最高可达 是由隐花植物(藻类、地衣、苔藓)、土壤微生物(细菌、真菌和古生菌)以及其他微小生命体通过菌丝体、假根和多聚糖等分泌物与土壤表层颗粒胶结形成的复合体 生物结皮介导了干旱和半干旱气候区土壤边界层物质与能量的输入、转运和输出被喻为“荒漠生态工程师”作为先锋物种生物结皮发育改变了土壤边界层结构、水分循环过程、土壤温度以及土壤养分循环从而影响草本植物的种子传播、萌发和幼苗的建植与生长进而影响草本植物的群落结构
5、、物种丰度和生物量 同时有研究认为生物结皮良好的抗逆性可缓冲气候变化的负面效应为维管束植物提供庇佑有利于维系区域生态系统的稳定与生态安全 因此研究生物结皮对草本植物群落的影响对于明晰干旱和半干旱气候区草本植物的建群机制及其对生态功能的影响具有重要意义同时对明晰植物群落结构与系统功能对气候变化的响应机制具有重要意义生物结皮与草本植物镶嵌形成斑块式分布格局通过影响草本植物的土壤种子库、种子萌发、幼苗建植等过程来影响草本植物的多样性 国内外有关生物结皮对草本植物多样性影响的研究已有很多 其中一些研究认为生物结皮增加了土壤表面粗糙度有利于土壤种子着床同时生物结皮为幼苗的发育提供了稳定的土壤环境和必要的
6、水分和养分支持从而促进了草本植物多样性 例如陈孟晨等在沙坡头的研究显示地衣结皮和藓结皮显著增加了土壤种子库丰度 等的研究认为蓝藻结皮发育有利于 和 种子的萌发张元明等在准噶尔盆地的研究认为地衣结皮使角 期 王彦峰 等:黄土高原蓝藻和藓类生物结皮对草本植物多样性及生物量的影响:/.果藜()的生长速率提升了 但也有研究认为生物结皮在地表形成机械屏障减少了种子和土壤的接触机率不利于种子萌发和出苗从而降低了草本植物的多样性 等在腾格里沙漠、等在高寒草甸以及 等在毛乌素沙地的研究都证实了生物结皮对种子萌发有抑制作用综上目前关于生物结皮对草本植物多样性影响的研究仍存在较大争议且相关研究多局限于风沙土区而关
7、于黄绵土区的研究还较少 因此生物结皮对草本植物多样性影响的机理尚不明晰其影响程度和作用途径仍有待进一步研究本研究在黄土高原的风沙土和黄绵土上分别选取蓝藻结皮和藓结皮样地以无结皮为对照通过样方法调查了两种土壤上生物结皮和无结皮的群落组成差异测定并计算了其草本植物的多样性指数和生物量继而结合灰色关联分析和结构方程模型剖析了生物结皮对草本植物多样性和生物量的影响程度和作用途径研究结果旨在明晰黄土高原生物结皮对草本植物多样性和生物量的影响程度和作用途径为进一步理解干旱和半干旱气候区草本植物的建群机制和生态系统功能提供科学依据 材料与方法.研究区概况研究区位于黄土高原北部的陕西省神木市六道沟流域()其海
8、拔.面积.流域属温带半干旱气候地形为典型的盖沙黄土丘陵地貌降雨集中在 月多年平均降雨量为.流域分为东西两部分西部以风沙土为主东部以黄绵土为主 退耕还林(草)工程实施后流域内的生态环境得到明显改善同时蓝藻结皮和藓结皮在流域内广泛发育成为该区一种常见地表覆盖物 其中藓结皮中的优势藓种有真藓()、双色真藓()和尖叶对齿藓()等而蓝藻结皮中的优势藻属为念珠藻属()、色球藻属()和微鞘藻属()等.样地选取与草本植物调查方法在对流域总体进行调查的基础上于 年 月 月开展样地选取与草本植物群落调查 针对风沙土和黄绵土两种土壤的无结皮、蓝藻结皮和藓结皮 种处理选取样地 所选样地为封禁年限(年)一致的撂荒草地样
9、地大小 同时每种土壤上无结皮蓝藻结皮和藓结皮样地间隔大于 在每种样地随机布设 个 的样方调查草本植物群落共调查 个样方草本植物多样性调查时先对样方中的草本植物进行照片记录而后参考内蒙古植物志和中国植物志进行物种鉴定 草本植物多样性指数的计算方法为:指数 为物种数 指数 为种 占全部个体的比例 此外收集样方中所有草本植物的地上部分于烘箱内 杀青 后于 烘干至恒重并称重以此计算单位面积草本植物的生物量.土壤理化性质测定草本植物样品收集前用土壤水分和温度传感器(美国 公司)搭配手持式读表(美国 公司)测定样方表层 的土壤体积含水率和温度 测定期间天气晴好测定时间为:同时用环刀()取原状土样后于室内用
10、半自动土壤贯入仪(中国三思纵横科技股份有限公司)测定表层 的土壤穿透阻力将植物样品用剪刀齐根剪起后于纸质档案袋中保存 随后在样方中按五点法采集 的土壤样品并将同一样方中的 个样品混合后存于自封袋中于实验室内测定土壤化学性质共采集 个土壤样品其中硝态氮用紫外分光光度法铵态氮用浸提靛蓝比色法测定速效磷用碳酸氢钠浸提钼锑抗比色法测定有机质用重铬酸钾硫酸消化法测定.数据处理使用 语言中 包计算草本植物的多样性指数使用 .软件的 和 多重比生 态 学 报 卷:/.较分析不同样地间草本植物多样性指数、生物量和土壤属性的差异用 中 应用程序分析不同样地间草本植物群落结构的差异同时用灰色关联分析筛选对草本植物
11、多样性和生物量影响的主要土壤因子并构建结构方程模型检验生物结皮类型、土壤类型和主要土壤影响因子对草本植物多样性和生物量的影响途径和方式此外使用 绘制图表 结果与分析.生物结皮的结构和组成表 可见风沙土和黄绵土上蓝藻结皮和藓结皮的盖度、厚度、叶绿素含量均存在明显差异(.)风沙土上藓结皮的盖度、厚度、叶绿素含量分别是蓝藻结皮的.、.倍和.倍而黄绵土上藓结皮的三种基本特性分别是蓝藻结皮的.、.倍和.倍 此外两种壤质上蓝藻结皮的优势属均为念珠藻属()、色球藻属()和微鞘藻属()而藓结皮的优势种则分别为尖叶对齿藓()和真藓()表 样地中生物结皮的基本特征 指标 风沙土 黄绵土 藻结皮 藓结皮 藻结皮 藓
12、结皮 生物结皮盖度/.生物结皮厚度/.生物结皮叶绿素含量/(/).生物结皮物种组成 念珠藻属()、色球藻属()和微鞘藻属()等尖叶对齿藓()、真藓()、北地纽扣藓()念珠藻属()、色球藻属()和微鞘藻属()等真藓()、双色真藓()同行不同小写字母表示差异显著(.).生物结皮对草本植物物种组成的影响风沙土上无结皮样地中有草本植物 科 属 种优势种为狗尾草()、猪毛菜()和角蒿()蓝藻结皮中有 科 属 种优势种为茵陈蒿()、狗尾草和猪毛菜而藓结皮有 科 属 种优势种为狗尾草和茵陈蒿(表)黄绵土上无结皮样地中有草本植物 科 属 种优势种为虎尾草()、铁杆蒿()、芨芨草()和狗尾草蓝藻结皮中有 科 属
13、 种优势种为兴安胡枝子()、远志()和铁杆蒿而藓结皮有 科 属 种优势种为三芒草()和狗尾草风沙土上无结皮样地的优势科为禾本科(种)和菊科(种)而蓝藻结皮样地的优势科为藜科(种)藓结皮样地的优势科为禾本科(种)与无结皮相比风沙土的蓝藻结皮和藓结皮样地中多年生草本植物株数占比分别增加了 和 而多年生草本植物株数则分别减少了和 黄绵土上无结皮样地的优势科为菊科(种)、禾本科(种)和豆科(种)蓝藻结皮样地的优势科同为菊科(种)、禾本科(种)和豆科(种)而藓结皮样地的优势科为禾本科(种)和菊科(种)此外与无结皮相比黄绵土蓝藻结皮样地中的多年生草本植物株数增加了 而藓结皮样地中则减少了(图)这些结果表明
14、生物结皮改变了草本植物群落的优势科和生活型株数占比主成分分析结果显示(图)在风沙土上 和 解释了无结皮、蓝藻结皮和藓结皮样地中草本植物群落结构.的总方差且生物结皮和无结皮样地分聚两类 而黄绵土上 和 解释了三种样地中 期 王彦峰 等:黄土高原蓝藻和藓类生物结皮对草本植物多样性及生物量的影响:/.草本植物群落结构.的总方差且三种样地分聚为三类 可见生物结皮可能会改变草本植物的群落结构表 生物结皮与无结皮样地中草本植物的主要物种与数量/株 科 种 风沙土 黄绵土 无结皮藻结皮藓结皮无结皮藻结皮藓结皮禾本科 硬质早熟禾 .芨芨草 .中华草沙蚕 .虎尾草 .狗尾草 .三芒草 .马唐 .菊科 铁杆蒿 .
15、茵陈蒿 .阿尔泰狗娃花 .蒲公英 .豆科 草木犀状黄芪 .兴安胡枝子 .藜科 猪毛菜 .雾冰藜 .刺藜 .百合科 知母 .远志科 远志 .木贼科 木贼 .紫葳科 角蒿 .大戟科 地锦草 .牻牛儿苗科 尖喙牻牛儿苗 .:多年生草本 :一年生草本 .生物结皮对草本植物多样性的影响风沙土上(图)蓝藻结皮样地中草本植物的 和 指数分别为.和.分别比无结皮降低了 和(.)而藓结皮样地中草本植物的两种多样性指数分别为.和.依次比无结皮降低了 和(.)表明生物结皮显著降低了草本植物的多样性 同时藓结皮样地的 和 指数与蓝藻结皮差异显著(.)显示藓结皮对草本植物多样性的影响大于蓝藻结皮 黄绵土上(图)无结皮样
16、地中草本植物的两种多样性指数分别为.和.分别是蓝藻结皮样地的.倍和.倍是藓结皮样地的.倍和.倍 可见黄绵土上生物结皮覆盖显著降低了草本植物的多样性(.).生物结皮对草本植物生物量的影响两种土壤上的生物结皮均显著降低了草本植物的生物量其中藓结皮对草本植物生物量的降幅大于蓝藻结皮(图)风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地中的生物量分别为./和./分别比无结皮减少了./和./而黄绵土上两种生物结皮样地的生物量分别为./和./分别比无结皮减少了./和./方差分析可知两种土壤上生物结皮样地中草本植物的生物量与无结皮差异显著即生物结皮显著降低了草本植物的生物量 由图 可知风沙土上蓝藻结皮和藓结皮样地中草本植物的生
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