内蒙古荒漠草原植物群落结构和功能对增温和氮素添加的响应

摘要

受人类活动的影响而造成全球气候变暖和大气氮沉降持续增加，是研究全球变化领域内的热点问题之一。气候变暖和大气氮沉降增加对生物多样性和植物群落结构造成深远的影响，最终会影响生态系统功能并反馈于气候变暖进程中。荒漠草原是内蒙古草地的重要组成部分，它在生物多样性保育和草地畜牧业稳定生产的维持方面具有重要作用。然而，在全球变化背景下，人们对荒漠草原植物群落组成和功能的理解和认识依然缺乏，有关研究鲜见报道。
　　本研究以内蒙古短花针茅（Stipa breviflora）荒漠草原为研究对象，于2006～2010年，在自然条件下进行增温和氮素添加交互控制模拟试验，试验采用2×2因素完全随机区组的裂区设计，研究了增温与氮素添加对荒漠草原植物群落结构、植物物候、种子雨和氮回收效率的影响，探讨了短花针茅荒漠草原生态系统结构和功能对全球气候变化的响应机制。主要研究结论如下:
　　(1)增温处理使土壤表层(0 cm)、10 cm、20 cm和30 cm处的土壤温度分别增加了1.34℃、0.87℃、0.87℃和0.76℃(P＜0.01)。增温和氮素添加互作使各层土壤温度分别增加了1.22℃、0.80℃、0.78℃和0.61℃(P＜0.01)。随着土壤深度的增加，各处理土壤温度的变化范围缩小，且秋冬季增温效果大于春夏季。
　　(2)增温对植物群落物种数、Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和Pielou均匀度指数均没有影响(P＞0.05)。氮素添加则显著降低了植物群落物种数、Shannon-Wiener指数和Margalef丰富度指数(P＜0.05)。增温和氮素添加年际间有显著的交互作用（P＜0.05）。
　　(3)增温与氮素添加对植物群落总盖度的影响显著(P＜0.05);并且二者对不同功能群植物分别产生了不同的影响趋势，即增温导致多年生禾草（短花针茅和无芒隐子草）在群落中的比例下降，而氮素添加则增加禾草比例。增温和氮素添加都导致小半灌木（以木地肤为代表）在群落中的比例下降;而增温和氮素添加互作对多年生杂类草的盖度产生了相互抵消的作用，增温是负效应，氮素添加是正效应。
　　(4)增温导致荒漠草原优势物种现蕾期，开花期和结实期的时间分别平均提前了3.10、2.28和1.88 d·a-1，主要表现在增温显著提前短花针茅、细叶葱和木地肤3个物种的现蕾期、开花期、结实期。氮素添加使上述植物现蕾期，开花期和结实期时间分别平均提前了0.27、0.27和0.19 d·a-1，但都没有显著差异。对于植物群落而言，增温同时提前了植物开花与结实时间，且物种开花时间提前量大于结实时间，导致增温显著延长了植物的平均生殖生长持续时间0.84 d·a-1(P＜0.05)。氮素添加缩短植物的平均生殖生长持续时间为0.25 d·a-1。不同物种在各年份间都表现出物种特异性。总体而言，氮素添加对植物物候影响较小，且与增温的交互作用对植物物候期也没有显著作用。
　　(5)增温对群落地上和地下净初级生产力都没有显著性影响（P＞0.05）。但增温显著降低了银灰旋花的地上生物量(P＜0.05);氮素添加则对所有物种的地上生物量没有影响（P＞0.05）;增温显著降低光合功能群中C3类植物的生产力，而对C4类植物没有影响。氮素添加显著提高了群落地下净初级生产力(P＜0.05)，尤其是0～10 cm土层。在增温和氮素添加互作的条件下，荒漠草原净初级生产力年际间差异显著（P＜0.05）。
　　(6)荒漠草原年均种子雨密度为1231.5±144.7粒·m-2。对于植物群落而言，增温和氮素添加互作对种子雨密度都没有显著影响(P＞0.05)。对于植物个体而言，增温显著增加木地肤的种子雨密度。植物群落和不同植物种子雨都存在显著的年际差异（P＜0.05）。
　　增温和氮素添加及它们的交互作用对种子雨的Shannon-Wiener多样性指数、Margalef丰富度指数和Pielou均匀度指数均无影响(P＞0.05)，同时增温和氮素添加对地上植被与种子雨的Sorensen和Jaccard相似性指数没有显著的影响(P＞0.05)，但所有指标的年份间差异极显著(P＜0.01)。
　　(7)增温使植物绿叶期和枯叶期的氮浓度分别提高了5.5％和11.3％，氮素回收效率降低了7.0％(P＜0.05)。氮素添加使绿叶期植物氮浓度提高了5.2％，使植物氮素回收效率降低2.9％(P＜0.05)。增温和氮素添加互作对植物枯叶期、绿叶期氮浓度和氮素回收效率有显著的交互作用(P＜0.05)。氮浓度和氮素回收效率对增温和氮素添加互作的响应在5个物种间都有显著差异，即这种响应具有物种特异性。线性回归表明:除银灰旋花和木地肤外，短花针茅和无芒隐子草的氮素回收效率与植物绿叶期和枯叶期氮浓度均呈显著负相关，而冷蒿的氮素回收效率仅与枯叶期氮浓度有显著负相关。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．2 气候变暖对草地生态系统的影响

1．2．1 气候变暖对植物群落和物种的影响

1．2．2 气候变暖对生物多样性的影响

1．2．3 气候变暖对植物初级生产力的影响

1．2．4 气候变暖对植物物候的影响

1．2．5 气候变暖对植物氮素利用的影响

1．2．6 气候变暖对植物种子雨的影响

1．3 氮素添加对草地生态系统的影响

1．3．1 氮素添加对植物群落的影响

1．3．2 氮素添加对净初级生产力的影响

1．3．3 氮素添加对植物物候的影响

1．3．4 氦素添加对植物养分回收的影响

1．4 本研究目的与意义

1．4．1 研究立题依据

1．4．2 研究目的与意义

2 研究区概况、试验设计和方法

2．1 研究区概况

2．1．1 地理概况

2．1．2 草场植被概况

2．1．3 气候特征

2．1．4 土壤状况

2．2 试验设计

2．3 试验方法

2．3．1 本底调查

2．3．2 气象数据收集

2．3．3 土壤温度和湿度

2．3．4 植物群落物种组成

2．3．5 植物物候观察

2．3．6 地上净初级生产力

2．3．7 地下净初级生产力

2．3．8 种子雨收集和鉴定

2．3．9 植物样品的采集和化学分析

2．4 数据统计分析

2．4．1 试验样地植物功能群的划分

2．4．2 生物多样性的计算

2．4．3 氮素回收效率计算

2．4．4 生殖物候计算方法

2．4．5 种子雨数据统计方法

3 增温和氮素添加对土壤温度和湿度的影响

3．1 材料和方法

3．2 结果分析

3．2．1 土壤温度的日变化

3．2．2 土壤温度的季节变化

3．2．3 土壤温度的年变化

3．2．4 土壤湿度的日变化

3．2．5 土壤湿度的季节变化

3．2．6 土壤湿度的年变化

3．3 讨论

3．4 小结

4 植物群落多样性和盖度对增温和氮素添加的响应

4．1 材料和方法

4．2 结果分析

4．2．1 增温和氮素添加对植物群落物种数的影响

4．2．2 增温和氮素添加对植物群落多样性指数的影响

4．2．3 增温和氮素添加对植物群落盖度的影响

4．3 讨论

4．3．1 增温对群落多样性的影响

4．3．2 氮素添加对群落多样性的影响

4．3．3 增温和氮素添加对群落盖度的影响

4．4 小结

5 增温和氮素添加对荒漠草原主要植物生殖物候的影响

5．1 材料和方法

5．2 结果分析

5．2．1 增温和氮素添加对植物现蕾时间的影响

5．2．2 增温和氮素添加对植物开花时间的影响

5．2．3 增温和氮素添加对植物结实时间的影响

5．2．4 增温和氮素添加对植物生殖生长持续时间的影响

5．3 讨论

5．4 小结

6 净初级生产力对增温和氮素添加的响应

6．1 材料和方法

6．2 结果分析

6．2．1 增温和氮素添加对个体物种的地上净初级生产力的影响

6．2．2 增温和氮素添加对不同功能群地上净初级生产力的影响

6．2．3 增温和氮素添加对植物群落地上净初级生产力的影响

6．2．4 增温和氮素添加对地下净初级生产力的影响

6．3 讨论

6．3．1 增温对净初级生产力的影响

6．3．2 氮素添加对净初级生产力的影响

6．4 小结

7 增温和氮素添加对荒漠草原植物群落种子雨的影响

7．1 材料和方法

7．2 结果分析

7．2．1 群落种子雨数量和物种组成

7．2．2 增温和氮素添加对种子雨密度的影响

7．2．3 增温和氮素添加对种子雨多样性的影响

7．2．4 增温和氮素添加对种子雨与植被相似性的影响

7．3 讨论

7．4 小结

8 增温和氮素添加对荒漠草原优势植物氮素回收效率的影响

8．1 材料和方法

8．2 结果与分析

8．2．1 气候条件和土壤温度

8．2．2 增温和氮素添加对各物种绿叶期的氮素浓度

8．2．3 增温和氮素添加对各物种枯叶期的氮素浓度

8．2．4 增温和氮素添加对各物种氮素回收效率

8．2．5 氮素回收效率与植物氮浓度的关系

8．3 讨论

8．3．1 绿叶期氮浓度

8．3．2 枯叶期氮浓度

8．3．3 氮素回收效率

8．4 小结

9 结论与展望

9．1 主要结论

9．2 展望

致谢

参考文献

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