六盘山4种典型林分林下草本细根生物量与土壤特性的关系

探究六盘山典型林分林下草本细根生物量分布及其与土壤特性的关系,为植物-土壤环境关系的理论研究和区域植被的可持续性管理提供科学依据。以六盘山国家级自然保护区4种典型林分(Ⅰ.辽东栎;Ⅱ.白桦;Ⅲ.华山松;Ⅳ.华北落叶松)为研究对象,采用根钻法测定林下浅层土(0~50 cm)中草本细根生物量、土壤含水量、土壤容重和土壤养分含量,并分析细根生物量与土壤特性的关系。结果表明,4种林分林下草本细根生物量主要集中在0~20 cm土层中,其中以林分Ⅲ林下草本植物细根生物量最多;土壤容重(0~20 cm)为林分Ⅰ最大,林分Ⅲ最低,表明土壤容重越小越利于细根生物量的积累;Pearson相关分析(未控制林分类型)和偏相关分析(控制林分类型)均表明,不同土层细根生物量主要与土壤容重、土壤含水量和土壤TP含量之间呈显著负相关(P<0.05),与土壤C∶N、N∶P之间呈现显著正相关(P<0.05)。六盘山林下草本细根生物量因林分类型而异,但主要分布在土壤表层(0~20 cm),限制林下草本细根生物量积累的因素为土壤容重、土壤含水量、土壤TP含量、土壤C∶N、N∶P。适宜的土壤容重(0.87~1.10)、土壤含水量(14.50%~19.58%)和合适的土壤C∶N(约12∶1)、N∶P(约8∶1)及较低的土壤TP含量有利于林下草本细根生物量的积累,其中林分Ⅲ的林-草管理模式能够显著提高林下草本细根生物量,并且利于改善林下土壤理化特性,促进森林水养循环。

半灌木扩张草原生长季内土壤氮矿化特征及其影响因素

半灌木扩张可影响生态系统的结构和功能。为探究半灌木扩张草原生长季内土壤氮矿化特征及其影响因素,本研究以宁夏云雾山不同半灌木(白莲蒿Artemisia sacrorum)扩张强度天然草原为研究对象,采用顶盖埋管法测定了生长季前、后的土壤氮硝化速率、铵化速率和净矿化速率,分析了其与物种多样性、地上生物量和土壤环境因子的关系。结果表明:半灌木扩张草原土壤氮矿化主要以硝化过程为主,且矿化和固持速率均随扩张强度的增大呈先增加后降低的趋势;半灌木扩张通过影响物种多样性和地上生物量间接影响土壤氮矿化速率;生长季内土壤水分和温度的增加对氮矿化速率有显著抑制作用。综上,宁夏云雾山典型草原半灌木扩张强度和生长季内土壤水分和温度的变化共同驱动土壤氮矿化过程。

宁夏云雾山典型草原半灌木扩张过程中植物种间联结性研究

灌木、半灌木的分布面积在干旱半干旱区持续增加,显著改变了原有植被景观及生态学过程。本研究以宁夏云雾山典型草原为研究对象,采用基于2×2列联表的方差比率法(VR)、χ^(2)检验、物种联结系数等计算物种间关联性,从而揭示灌木扩张过程中群落内物种总体间及种对间的联结性变化规律。结果表明:物种总体关联性在轻度扩张强度下表现为正联结,其它扩张强度下表现为负联结;随扩张强度的增大,半灌木-草本间正联结物种对逐渐增加,草本-草本间负联结物种对表现为先增加后减小的趋势,白莲蒿(Artemisia sacrorum)-百里香(Thymus mongolicus)间的种间联结性趋于无关联,白莲蒿-甘肃蒿(A.gansuensis)间的种间联结性趋于负联结;白莲蒿-草本间的正联结物种对随扩张强度增大而增加。综上,灌木扩张强度和物种自身属性会改变物种间联结性,这种改变是种间竞争、种间互利以及物种对周围环境趋同或分异的结果。

宁夏云雾山典型草原灌丛化过程中植被和土壤演变特征

干旱半干旱区灌木、半灌木等木本植物的分布面积持续增加(灌丛化)显著改变了原有植被景观及生态过程,但缺乏对长期封育过程中灌木物种取代草本物种进而影响草地群落组成、结构和功能的研究。为揭示长期封育措施下典型草原灌丛化特征及地上/地下植物群落的响应规律,研究通过对宁夏云雾山典型草原同一封育草地不同时间(2010年、2016年、2021年)植物群落(物种重要值、丰富度、多样性和生物量)和土壤特性(土壤容重、土壤水分及储水量、养分、pH)的定点观测,探讨了长期封育过程中灌木物种矮脚锦鸡儿(Caragana brachypoda)驱动的植被和土壤特性变化。结果表明,(1)灌木矮脚锦鸡儿已经取代草本植物成为封育草地的优势种,群落中灌木生物量、总生物量以及盖度、高度显著增加,但对植物密度的影响较小;(2)灌丛化过程中草地群落Patrick丰富度指数、Simpson优势度指数和Shannon-Wiener多样性指数显著降低,而Pielou均匀度指数显著增加;(3)灌丛化引起土壤深层(60-100 cm)容重显著增大,土层储水量随土层深度的增加呈先减少后增加的趋势;(4)灌丛化使得土壤有机碳含量在浅层(0-60 cm)显著增大;土壤全氮含量在深层(60-100 cm)显著增大;土壤全磷含量在各土层都显著增加。研究发现,草地灌丛化改变了群落地上-地下过程,且植被和土壤的响应可能存在不同步性。研究结果可为群落演替和草地稳态理论以及灌丛化草地的适应性和可持续管理提供一定的理论和实践支撑。

半灌木扩张驱动的草地植物多样性与地上生产力特征及其关系研究

灌木/半灌木扩张能够显著改变原有植被景观及其生态学过程,但目前仍缺乏对半灌木扩张驱动下草地植物多样性、地上生产力变化特征及其二者关系的系统研究。本研究以黄土高原宁夏云雾山典型草原为研究对象,通过选择3个半灌木扩张强度草地(轻度、中度和重度),并以未扩张的天然草地作为对照,分析物种多样性、群落水平植物功能性状、功能多样性和地上生产力的变化特征及其内在关系。结果表明:1)半灌木扩张驱动下草地群落组成、结构发生了明显改变,半灌木物种白莲蒿已取代了原有的草本植物成为新的草地优势种,且导致物种多样性显著降低;2)与对照相比,半灌木扩张显著降低了群落水平叶干物质含量,但增加了群落水平比叶面积、叶碳、叶氮和叶磷含量;功能丰富度无显著性差异,而功能离散度和功能均匀度在不同扩张强度下差异显著;3)半灌木扩张显著增加了群落地上生产力和凋落物生物量,具体表现为杂草生物量显著增加,豆科生物量显著降低,而禾类草生物量在重度扩张下显著增加;4)半灌木扩张驱动下草地群落地上生产力与物种多样性、群落水平叶干物质含量及功能离散度呈负相关关系,而与群落水平叶碳、叶氮和叶磷含量呈正相关关系。随机森林模型和方差分析结果进一步显示,群落水平功能性状对地上生产力变异解释度为68.28%,其中群落水平叶氮含量和叶干物质含量为最主要的解释因子,物种多样性指数解释度为64.38%,功能多样性指数解释度为11.16%。研究表明半灌木扩张驱动下,物种向快速生长、资源获取型策略转变,且物种生态位分化程度更高;植物功能性状和物种多样性比功能多样性更能解释群落地上生产力的变异。本研究结果可为黄土高原天然草地的稳态转变理论研究和新时期灌丛化草地的适应性和可持续管理提供数据支撑。

时间尺度上草地物种多样性和地上生产力的关系

物种多样性与地上生产力的关系一直是生态学研究的核心,但较少关注时间尺度上二者的关系。本研究以宁夏云雾山典型草原为研究对象,基于40年的定位观测试验,利用物种丰富度和植物多度作为物种多样性的衡量指标,地上生物量作为地上生产力的衡量指标,通过局部加权回归(Loess)、一般线性模型(GLM)等分析方法,检验物种丰富度、植物多度和地上生产力的变化趋势以及它们之间的关系。结果表明:在过去40年,物种丰富度和地上生物量随时间的变化整体表现为“单峰”状,即演替前期(1982—1993)上升、演替中期(1994—2011)相对平缓,演替后期(2012—2021)下降的变化模式,而植物多度则整体呈上升趋势。物种丰富度-地上生物量和植物多度-地上生物量之间均表现为“单峰”关系;物种丰富度与植物多度之间则表现为“倒单峰”关系,但它们之间的关系会因演替阶段的不同而发生变化。

宁南山区华北落叶松林下草本层群落特征及其影响因素

林下草本植物是森林生态系统的基本组成要素,对森林的更新、生态系统结构、功能的维持和提升具有重要作用,理解林下草本层群落特征及其影响因素,有助于构建理想的林-草结合模式。本研究以宁南山区泾源县无人为干扰的华北落叶松林人工林、间伐处理的华北落叶松林人工林和华北落叶松与白桦自然混交林为研究对象,探究林下草本层群落特征(物种多样性和地上生物量)及其与土壤理化特性(土壤容重、含水量、全碳含量、全氮含量及全磷含量)和林分结构(密度和郁闭度)的关系。结果表明:(1)与人工林相比,自然混交林林下草本植物组成最丰富(34种),且物种多样性和地上生物量也最高;(2)自然混交林林下土壤特性均优于人工林,但间伐处理的人工林林下土壤特性较无人为干扰的人工林土壤特性有显著提高;(3)冗余分析表明,林下草本层物种多样性主要与土壤含水量、土壤全碳、全氮和全磷含量呈正相关,与土壤容重、林分密度和郁闭度呈负相关,且林分密度、0~20 cm土层含水量对林下草本物种多样性有显著影响(P<0.05);(4)回归分析结果表明,0~20 cm土层的土壤特性、物种丰富度和优势度、林分密度及郁闭度显著影响林下草本地上生物量的积累(P<0.05);随机森林模型及方差分解进一步得出:土壤因子对地上生物量积累的解释率为30.99%,其中0~20 cm土层土壤容重、全碳含量、全氮含量、土壤含水量为最重要的解释因子;林分结构的解释率为12.74%,其中林分密度是最重要的解释因子,而物种多样性的解释率仅为3.42%。研究表明,自然混交林作为理想的林-草结合模式,有利于林下草本的健康发育和林下生态环境的改善,且林下草本层物种多样性、地上生物量分别受不同环境因子所控制。研究结果对于人工林的近自然化管理(抚育间伐、补植等)和林下经济的高质量发展具有一定的参考价值和指导意义。