荒漠植物红砂与西北针茅种群的空间格局及其关联性

植物种群的空间分布格局及关联性是研究种群扩散、群落演替及生物与环境因子相互作用的重要手段。该研究以甘肃省皋兰县老虎台干旱荒漠区的主要物种——红砂(Reaumuria songarica)和西北针茅(Stipa sareptana var.krylovii)为对象,采用Ripley K函数分析了不同坡向红砂和西北针茅种群的点格局特征及其关联性,以揭示干旱荒漠区植物演替过程中优势种群之间的竞争关系和生存繁衍策略。结果表明:(1)红砂和西北针茅在4个坡向上的分布格局具有显著差异性,随着坡向由西北坡向南坡的转变,红砂种群的株数、盖度及重要值先增加后降低,西北针茅种群则不断增加;西北坡向上,红砂种群的空间格局在0～2.1m尺度上呈聚集分布,随着尺度的增加聚集强度减弱并趋向于随机分布,而西北针茅种群在整个尺度内均呈聚集分布;西坡坡向上,在整个研究尺度内,红砂种群表现为随机分布,而西北针茅种群表现为聚集分布;西南坡向上,红砂种群在0～3.7m尺度上表现为聚集分布,3.7～5m的尺度上表现为随机分布,西北针茅种群在0～1m及4.2～5m尺度上表现为随机分布,1～4.2m尺度上表现为聚集分布;南坡坡向上,在整个研究尺度内,红砂种群表现为聚集分布,西北针茅种群表现为随机分布。(2)在西北坡与西坡坡向上,红砂和西北针茅种群的空间关联性在小尺度上均表现为负相关关系,随着研究尺度的增大,种间关联度均趋向于不相关;在西南坡与南坡坡向上,两物种在整个尺度范围内均表现为无关联性。

羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量评价

为了解典型草原植被群落土壤质量情况,选择镶黄旗羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤为研究对象。选取10项土壤理化指标作为总数据集,利用主成分分析及相关性分析方法结合Norm值构建评价指标最小数据集,通过非线性评价方法对该区羊草及芨芨草草原和西北针茅草原土壤质量进行综合评价。结果表明:1)羊草及芨芨草草原土壤水分和电导率在A_(2)~B_(k)层显著高于针茅草原(P<0.05),在A_(2)和AB层羊草及芨芨草草原土壤pH显著低于西北针茅草原(P<0.05),在A层羊草及芨芨草草原土壤平均养分含量大于西北针茅草原(P<0.05),但在B_(k)~C层则相反;2)土壤质量评价最小数据集由土壤有机质、电导率和容重这3个土壤指标组成,可以反映草原土壤质量有效信息,经总数据集验证具有较好准确性;3)土壤质量指数表现为:A_1层羊草及芨芨草草原>西北针茅草原,A_(2)~C层羊草及芨芨草草原<西北针茅草原(P<0.05)。研究结果可为草地可持续发展提供科学参数。

青海湖地区气候变化对西北针茅生长发育和产量的影响

利用青海湖北岸海北牧业气象试验站西北针茅(Stipa krylovii)定位观测资料,应用逐步回归、小波分析、Logistic曲线拟合、M-K检验等方法,分析了气候变化对牧草生长发育和产量形成的影响。结果表明,研究区年平均气温呈极显著上升趋势,升幅为每10年0.529℃,1986年和1997年气温发生突变;降水量呈逐年上升趋势,气候倾向率为每10年4.955mm,年降水量有一个9年左右的振荡周期;年蒸散量和日照时数也呈上升趋势;气候变暖使青海湖北岸温性草原典型牧草西北针茅营养生长期提前,生殖生长期推迟,从而使牧草整个生育期延长,为物质和能量的积累及产量形成奠定了基础。影响西北针茅返青、开花、成熟和黄枯期的主要因子是热量条件,水分和日照条件也是影响牧草生育期的因子,对于不同生育期,其影响大小有所不同;返青期主要受2-4月最高气温和上年8月降水量的共同影响,气候变化可使返青期提前,黄枯期推迟;6月平均最低气温和3-6月小型蒸发量共同影响牧草高度,气候变化使西北针茅高度增加;牧草产量与6-7月最低气温呈正相关关系,与6-8月日照时数呈负相关关系,这两个因子变化趋势使产量呈增加趋势。

三江源兴海地区西北针茅产量影响因子的主成分分析

利用主成分分析法和多元逐步回归法分析影响三江源兴海地区西北针茅(Stipa sareptana Beckervar.krylovii)牧草产量的因子,结果表明,影响西北针茅牧草产量的主成分因子以水分因子为主,温度和光照因子其次;以各因子为自变量,西北针茅牧草产量为因变量,进行多元逐步回归分析,建立产量回归方程,方程的相关系数达0.9873,各因子影响牧草产量的大小为4月降水量>4～8月降水量>7月降水量>8月日照时数>6月日照时数。

温性草原西北针茅对气候变化的响应

利用青海湖北岸海北牧业气象试验站西北针茅定位观测资料,分析了气候变化对牧草生长发育和产量形成的影响。结果表明,研究区年平均气温呈极显著上升趋势,升幅为0.529℃/10年,1986年和1997年气温发生突变;降水量呈逐年增加趋势,气候倾向率为4.955mm/10年,年降水量有一个9年左右的振荡周期;年蒸散量和日照时数也呈增加趋势;西北针茅返青期主要受2—4月最高气温和上年8月降水量的共同影响,气候变化可使返青期提前,气候变暖使牧草黄枯期推迟;6月平均最低气温和3—6月小型蒸发量共同影响牧草高度,气候变化使西北针茅高度增加;牧草产量与6—7最低气温成正相关关系,与6—8月日照时数成负相关关系,这两个因子变化趋势使产量呈增加趋势。

基于Ripley的K(r)函数的"毒杂草"型退化草地狼毒与西北针茅种群空间分布格局

种群的点格局特征是植物群落生态学关系与过程在空间格局上的表现形式,是种群和群落结构动态与稳定性的标志。在祁连山北坡西北针茅草原,采用Ripley的K(r)函数,定量分析了狼毒(Stellera chamaejasme)和西北针茅(Stipa krylovii)种群点格局特征。结果表明:随退化草地狼毒种群规模扩大,狼毒与西北针茅的种群密度和高度表现出规律性的变化趋势;狼毒种群在未退化和轻度退化草地中聚集分布格局显著,均匀分布和随机分布是中度和重度退化草地的主要分布类型;西北针茅种群在四个梯度中以随机分布最为显著,仅在轻度退化草地中在0-38cm尺度上表现为均匀分布。狼毒和西北针茅种群的点格局的不对称性变化,以及由此引起的植物种内、种间竞争和协同策略的改变,是草原植物应对干扰的种群更新途径选择。

中国西北针茅草原的基本群落特征

西北针茅(Sripa sareptana var.krylovii)群系是亚洲中部地区特有的典型草原之一,也是生态适应性最广的草原类型,向东可以在呼伦贝尔高原与草甸草原重叠分布,向西可以在乌兰察布高原、天山等地区与荒漠草原形成复合分布,向南可分布至黄土高原与暖温带草原镶嵌分布,还可在青藏高原的东缘与高寒草原混生。该研究调查了中国西北针茅群系的主要植被类型,通过对117个样地的调查数据分析,量化描述了该群系的基本群落特征。结果表明,中国西北针茅群系共有种子植物336种,分属于36科131属,物种数大于15的科有禾本科、菊科、豆科、蔷薇科、藜科和百合科;物种存在度等级划分中,Ⅰ级(0-20%)植物占比91.67%,多为群落中的偶见种或稀有种,最为常见的植物除西北针茅外,也有糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus altaicus)、冰草(Agropyron cristatum)、■草(Koeleria cristata)、二裂委陵菜(Potemtilla bifurca)、猪毛菜(Salsola collina)、细叶韭(Allium tenuissimum)和羊草(Leymus chinensis)等;生活型组成上以地面芽植物最多,占66.37%;水分生态类型以旱生植物最多,占61.19%;区系地理成分以东古北极植物占优势,占33.33%。基于群落学-生态学分类原则,将西北针茅群系划分为6个群丛组,45个群丛。

气象影响因子对高寒针茅草原牧草产量的影响

根据青海省兴海县1999-2009年高寒针茅草原西北针茅(Stipa sareptanavar.krylovii)生育期的气象资料和牧草年产量,对其11年的牧草产量数据进行五次多项式趋势产量拟合,计算气象产量和相对气象产量,利用DPS统计软件对牧草生育期内不同时段气候因子与相对气象产量的相关性进行分析,结果表明:8月下旬平均气温、积温对西北针茅产量的影响最大(P<0.05);4月下旬的降水量,5月上旬10 cm地温,6月上旬平均气温、积温、5和10 cm地温以及8月下旬10 cm地温对西北针茅的影响次之(P<0.10)。西北针茅生育期各气象因子与相对气象产量的多元线性逐步回归分析表明,6月上旬、8月下旬的平均气温,4月中旬、6月上旬的积温和5月下旬的降水量与西北针茅相对气象产量呈极显著负相关,各要素每增加1个单位,相对气象产量分别减少8.15、11.65、0.43、0.55、0.33 kg/hm2;7月上旬的积温、4月中下旬和6月下旬的日照时数与西北针茅相对气象产量呈极显著的正相关,各要素每增加1个单位,相对气象产量分别增加1.300 0、0.074 50、.785 0和0.137 0 kg/hm2。

高寒针茅草原植物生长季土壤水分动态变化规律

利用1999-2007年青海省兴海县牧业气象观测站0-50 cm土壤水分观测资料分析了高寒针茅草原植物生长季土壤水分的年变化、月变化和旬际变化规律及垂直分布特征。结果表明：高寒针茅草原天然草地土壤水分年际变化振荡明显,呈多波动变化,与年降水量相关关系显著;植物生长季逐月土壤水分变化曲线基本呈＂M＂型分布,按土壤水分月变化曲线可分为春季缓慢增墒期、春夏快速增墒期、盛夏快速失墒期、秋季快速增墒期和秋末快速失墒期5个阶段;土壤水分在20-30 cm层最大,就其垂直变化而言,0-10 cm为多变层,10-50 cm为缓变层;根据植物根系对土壤水分利用情况将土层分为根系利用层和根系微利用层;土壤水分垂直剖面的季节变化按变异系数大小可分为两个阶段,土壤水分变异系数雨季（6-9月）大于干季。

三江源高寒草地针茅牧草黄枯期与气象条件的关系

利用1999—2010年青海省三江源兴海县牧业气象观测站西北针茅牧草(Stipa sareptana var.krylovii)观测资料及同期的气温、降水、日照时数等气象资料,分析了气象因子对兴海高寒草地西北针茅牧草黄枯期的影响。结果表明:高寒草地西北针茅牧草黄枯期12年来表现为显著提前的趋势,平均每年提前1.4 d;牧草黄枯期与日平均气温≥0℃的终日呈显著正相关,并且随着9月中旬平均温度的显著升高牧草黄枯期提前;兴海9月上中旬降水量的减少以及日照时数的增加使牧草提前黄枯。多元线性回归分析表明,8月下旬和9月上旬的温度对西北针茅牧草黄枯影响最大,温度每上升1℃,黄枯期分别提前5.0 d和1.0 d。

气象要素对高寒针茅草原产草量的影响评价

【目的】对西北针茅(Stipa krylovii)生育期的温度、降水、日照、积温、地温等气象要素进行综合分析,评价各气象要素对牧草产量的影响。【方法】以西北针茅牧草生育期间的逐日气象资料和草原全部牧草的产量为基础资料,运用积分回归的差分形式,计算了影响西北针茅产量的旬平均气温、≥0℃积温、5cm地温、10cm地温、降水量和日照时数等气象要素的影响系数,构建了影响西北针茅产量的气象要素评价模型,并进一步计算了产量影响指数,用于衡量西北针茅生育期各气候因子对最终产量的影响。【结果】各气象因素中,对高寒草地西北针茅牧草产量影响最大的是降水量,6月中旬、7月上旬和8月中旬降水量对牧草产量的影响指数达1150.73～1470.66kg/hm2,5月中旬至6月上旬、6月下旬、7月中旬至8月上旬降水量对牧草产量的影响指数为491.72～819.01kg/hm2;其次是日照时数,4月上中旬、5月中下旬、8月各旬日照时数对牧草产量的影响指数为347.90～668.17kg/hm2;第3是≥0℃积温,4月中旬至6月上旬、8月下旬≥0℃积温对牧草产量的影响指数达207.32～486.40kg/hm2;第4是旬平均气温,4月中下旬和7月中旬的旬平均气温可以造成146.22～173.76kg/hm2的产量波动;第5是地温,5月中旬至6月中旬,5和10cm地温对牧草产量的影响指数分别为42.46～62.55kg/hm2和41.46～51.63kg/hm2。【结论】降水量对高寒草地西北针茅产量的影响最大,其次是日照时数,第3是≥0℃积温,第4是旬平均气温,5和10cm地温对西北针茅产量影响较小。

高寒针茅草原土壤湿度变化特征及与降水量和牧草产量的关系

利用青海省三江源区兴海县牧业气象站1999-2012年西北针茅牧草生长季的土壤湿度、降水量及牧草产量资料,分析了西北针茅牧草生长季不同生育期土壤相对湿度的变化特征,及与降水量和牧草产量的关系.结果表明:高寒草地西北针茅牧草生长季降水量随年际呈显著增加趋势.牧草返青和枯黄期间的降水量呈减少趋势,抽穗、开花和成熟期降水量均呈增加趋势,其中开花期间的降水量增加趋势极显著.牧草生长季土壤相对湿度随年际呈显著上升趋势,且与生长季降水量之间相关极显著.牧草开花、成熟、抽穗和枯黄期土壤相对湿度的增加趋势显著.牧草开花期土壤相对湿度与气温为显著正相关,抽穗期和全生育期的土壤相对湿度与气温负相关显著.抽穗期、开花期、成熟期和全生育期土壤相对湿度与降水量正相关显著.西北针茅牧草产量与枯黄期土壤相对湿度呈极显著的相关关系.

气候变暖对三江源区高寒草地牧草生育期的影响

利用1961-2010年青海省兴海县基准气候站气象资料和1999-2010年西北针茅(Stipa sareptana var.krylovii)牧草生育期观测资料,分析了气候变暖对西北针茅牧草生育期的影响。结果表明,近50年来,兴海地区年和牧草生长季(4-9月)平均气温整体呈极显著上升趋势,降水量明显增多,日照时数极显著(P<0.01)减少;21世纪以来,牧草生长季平均气温持续升高,降水量极显著增多,日照时数微弱增多。西北针茅返青期、抽穗期、成熟期和黄枯期均呈逐年提前的变化趋势,其中黄枯期提前趋势显著。牧草开花期则呈延迟趋势。多元逐步回归分析表明,3月平均气温和0℃至返青日的累计温度对返青期的影响较大;5月平均气温和牧草返青-抽穗期累计降水量对抽穗期的影响较大;5月平均气温对开花期影响最大;4、7月平均气温对成熟期影响最大;≥5℃终日日数、7月平均气温和成熟-黄枯期累计日照时数对黄枯期的影响较大。

内蒙古克氏针茅草原土壤异养呼吸对土壤温度和水分变化的响应

土壤异养呼吸在野外自然条件下除受温湿度影响外,还受其他多种因子的综合影响,很难利用野外观测数据确定土壤异养呼吸对温湿度变化的响应方程形式,以及温湿度间是否存在交互作用。该研究在严格控制温湿度的条件下对内蒙古克氏针茅(Stipa krylovii)(西北针茅(Stipa sareptana var.krylovii))草原土样进行室内培养实验,旨在解决上述问题。该研究的正交实验包括5个温度梯度(9、14、22、30、40℃)和5个湿度梯度(土壤持水力(water holding capacity,WHC)分别为20%、40%、60%、80%、100%)。室内培养实验持续71天,土壤异养呼吸速率测定为2天(后期为1周)一次,土壤可溶性有机碳和微生物生物量碳含量测定约为18天一次。研究结果显示:土壤异养呼吸与温度呈显著正相关(p<0.001)且温度间差异显著(p=0.001),呼吸温度敏感性(Q10)与土壤水分含量呈正相关(p<0.001);呼吸与土壤水分二项式拟合效果较好,在80%WHC时呼吸速率最大,且最适湿度随温度上升而增加。土壤温度和水分的交互作用显著(p<0.05),土壤异养呼吸最适响应方程为lnRh=0.914+0.098T+0.046M+0.001TM–0.002T2–0.001M2(Rh为异养呼吸,T为温度,M为湿度),这说明加和形式的温湿度响应模型可能优于乘积形式。微生物生物量碳与土壤异养呼吸的相关性随培养时间发生变化,土壤可溶性有机碳与土壤异养呼吸无显著相关(培养第20天除外),原因可能是培养期间微生物死亡或群落结构改变导致微生物总体代谢活性的变化。

三江源区高寒草地牧草生长季气候变化特征及其对牧草生育期长度的影响

利用1999-2010年青海省三江源区西北针茅牧草生育期观测资料和同期气象资料,分析了牧草生长季气候变化特征及其对牧草生育期长度的影响。结果表明:(1)三江源区兴海高寒草地牧草生长季(4-9月)平均气温以0.36℃/10 a的速度升高,降水量以148.6 mm/10 a的速度极显著增多,日照时数以7.7 h/10 a的速度微弱增加,总的气候趋势呈现出"暖湿"特征,对高寒草地牧草的生长发育极为有利。(2)西北针茅牧草的各生育期长度,0℃-返青期日数、返青-抽穗期日数、开花-成熟期日数、成熟-黄枯期日数均表现逐年缩短的变化趋势,其中成熟-黄枯期日数显著缩短。抽穗-开花期日数则呈逐年延长的趋势。(3)对西北针茅牧草0℃-返青期日数,2月降水量、1月平均气温、累计日照时数的影响最大;对返青-抽穗期日数,累计降水量影响较大;对抽穗-开花期日数7月上旬降水量和累计日照时数影响大;对开花-成熟期日数影响较大的有7月中旬、下旬和8月上旬的平均气温以及累计温度;对成熟-黄枯期日数影响最大的气候因子是8月、9月中旬的平均气温、≥5℃日平均气温终日日数和累计降水量和累计日照时数。

气候变化通过调控青藏高原高寒草原植物生育期影响地上生物量积累

气候变化显著影响青藏高原高寒草原植物生物量及物候发生时间,且物候期的变化与植物营养生长期和生殖生长期长度紧密关联,可进一步影响植物生物量的积累。本研究基于1997—2020年青藏高原高寒草原植物生物量和物候定点观测及相应气候资料,应用简单线性回归及分段结构方程模型等统计方法,探究了研究区气候年际变化特征,不同植物生物量、物候期变化趋势,以及生物量与物候及气候因子的关联性。结果表明:1997—2020年间,研究区年均温和年降水量均呈显著上升趋势,呈现出明显“暖湿化”趋势;研究区优势种西北针茅的地上生物量及其在群落总生物量中的占比显著下降,而次优势种矮嵩草的生物量及其在群落总生物量中的占比则显著增加,表明矮嵩草在该高寒草原群落中的优势度日益升高;研究区暖湿化气候通过显著延长矮嵩草的生殖生长期提高了其地上生物量;年均温和年降水量通过显著缩短西北针茅的营养生长期进而降低其地上生物量的积累。总之,气候暖湿化通过调控物候期变化显著影响了植物地上生物量积累,物种间响应的差异性导致高寒草原植物组成发生了较大变化,研究区呈现出高寒草原向高寒草甸转变的趋势,亟待深入研究。