科尔沁沙地流动沙丘优势物种构件特征的差异性及相关性分析.pdf

第 卷第 期 年 月环境生态学 生物多样性科尔沁沙地流动沙丘优势物种构件特征的差异性及相关性分析张优倩贾美玉陈秋华李皓伦王泽禹李国栋杨 娟(东华理工大学 水资源与环境工程学院江西 南昌)收稿日期:基金项目:年江西省大学生创新创业训练计划()东华理工大学博士科研启动基金项目(理工类)()东华理工大学大学生创新创业实践中心建设项目“土壤污染生物修复实践中心”()资助作者简介:张优倩()女江西萍乡人本科生主要研究领域为环境生态学、环境工程通讯作者:贾美玉:.摘要:沙地的植被恢复研究一直是荒漠化防治的关键而沙地物种的适应策略是众多生态学者关注的焦点 选取科尔沁沙地流动沙丘 个优势物种烛台虫实()、狗尾草()和沙蓬()作为研究对象通过科尔沁沙地优势物种构件生物量及水分含量的差异性及相关性分析揭示 个物种结构上的适应策略 结果表明:)同一物种的地上和地下生物量之间存在显著差异性且每个物种的地上和地下生物量呈显著正相关关系物种会自发调整自身的生物量分配情况从而适应极端气候条件不同物种的地上和地下生物量均存在显著差异性当与其他物种生存于同一空间时有的植物可能会调整自身的生物量分配情况从而避免直接进行物种间的竞争)同一物种的地上和地下水分含量之间存在显著差异性且地上和地下水分含量呈显著正相关关系极端干旱气候发生时物种会将自身水分进行再分配将更多的水分供给根系确保物种的生存优势物种间的地上和地下水分含量均存在显著差异性由于群落资源有限物种除了调整自身生物量分配外还会重新分配水分以减弱物种间的竞争关系获得更大的生存可能性 了解物种间各构件的差异性和相关性有利于理解物种自身在干旱条件下的存活机理和适应特点进一步预测沙地植被恢复的动态过程加快沙地植被的恢复关键词:构件生物量差异性分析相关性分析科尔沁沙地中图分类号:文献标识码:文章编号:().().().:.环 境 生 态 学第 期 .:荒漠化广泛存在于世界三大陆地影响着 亿人的生活 中国是人口最多的国家遭受了面积高达 万 的荒漠化 在干旱和半干旱地区固定流动沙丘是对抗荒漠化的重要途径而植被恢复在沙丘固定中起着至关重要的作用不仅遏制生态环境恶化还可改善脆弱和退化的生态系统 植被恢复对保护水土资源、防止生态退化和土地荒漠化扩展具有重要作用成为土地荒漠化防治的主要措施和手段生物量是有机体或群落在一定时间内积累的有机质总量 生物量是陆地生态系统碳储量的重要组成部分直接体现生态系统的生产力和植物性状反映植物对环境的适应策略 生物量分配指在植物生长发育过程中叶同化的资源流向根、茎、叶、花、果等各器官的比例即各器官积累的资源占总资源的比例是植物生存与生殖平衡的结果 生物量分配主要受物种遗传、环境条件及个体形态特征的影响其分配模式在不同生活型的植物间差异很大 植物构件功能性状间的相关性在全球范围的生境内部普遍存在这源于物种的发育机制与基本适应关系的联合 各构件性状之间的权衡和组合是植物在不断进化过程中形成的生活史对策阐明不同构件结构和功能的关系是理解物种性状演化的关键在很大程度上有助于理解多物种的稳定共存理论许多研究表明植物生物量在地上和地下的分配受气候、土壤和水分等因子的影响 目前已有许多研究探讨陆地生态系统生物量分配与异速生长的影响因子 通过影响生态系统土壤碳输入生物量在地上与地下部分的分配(根冠比/)情况可影响整个生态系统的碳循环在陆地生态系统碳循环中起到至关重要的作用作为植物生长最重要的非生物因子之一水分影响植物的生存、生理代谢、生长发育乃至地理分布 有研究表明水分是限制草本植物生长的一个重要因素 图娜拉等研究不同物种的水分特征时发现不同物种在不同的深度进行土壤水分的消耗 在研究水分与生物量的关系时发现土壤中的水分分布情况直接影响植物根系的生长决定其从土壤中吸收养分和水分的能力引起植株生物量和水分含量的变化 因此在研究植物的生物量和生长情况时研究植物的水分分配是非常必要的 不同植物的水分分配表现不同因此研究不同物种的水分分配特征有助于理解物种间的相关关系及相互作用沙地生态系统的恢复受草本植物分布影响很大揭示草本植物响应流动沙丘的机理有利于推测植被在沙地生态系统恢复过程中的发展动态指导人为管理加快生态系统恢复步伐 材料与方法 研究区概况研究区位于内蒙古自治区翁牛特旗乌兰敖都地区()属于温带大陆性半干旱气候年降水量为 的降水集中在 月(年)大气平均湿度为 年均气温为 的年积温为 无霜期为 年均风速为 /冬季盛行西北风夏秋季盛行西南风(图)地带性土壤为沙质栗钙土在风蚀作用下大部分退化为风沙土 地貌特征以流动/半流动沙丘、固定/半固定沙丘、丘间低地和石质残丘为主 流动沙丘的代表植物有小黄柳()、差巴嘎蒿()、沙蓬()、狗尾草()、烛台虫实()等 调查取样以科尔沁沙地西南部流动沙丘迎风坡为研究地点 在流动沙丘迎风坡底部选取处于盛花期的植株每种植物为 株(不同高度范围选 株)采用挖根法获取完整植物然后装入纸袋带回实验室处理 从植物茎基部将根系剪下用 筛子冲洗根系量取地上部分高度将地上部分进行茎、叶、花的分离将不同植物构件分别装在纸袋内置于 烘箱中烘干至恒重然后用/电子天平分别进行茎、花、叶和根干重的称量选取科尔沁沙地 个优势物种 烛台虫实、沙蓬和狗尾草进行不同构件特征(生物量和水分含量)研究 由于未采集到沙蓬的鲜重数据在涉及水分含量的比较时仅进行烛台虫实和狗尾草的 年张优倩等:科尔沁沙地流动沙丘优势物种构件特征的差异性及相关性分析图 研究区地理位置图.比较由于仅收集了狗尾草地上部分的重量数据在涉及根、茎或(叶花)的比较时只进行烛台虫实和沙蓬相应数据的比较 数据分析构件生物量是指不同构件的干重数据 通过 进行计算获得 个优势物种的构件(根、茎、叶花)生物量均值和标准误差获得优势物种鲜重和干重数据后将两者相减差值即为物种的水分含量 用相同的方法获得水分含量的均值和标准误差 获得优势物种构件生物量和水分含量后即可进行差异性和相关性分析显著性水平取 方差分析采用单因素方差分析法()和多重比较法()对不同构件的生物量和水分含量进行差异性分析采用 相关法对不同构件进行生物量和水分含量的相关性分析 软件分析与图形处理使用 数据分析软件()进行空间点格局、方差分析、多重比较、检验和作图 结果与讨论 同一物种不同构件生物量和水分含量的差异性分析 烛台虫实对于优势物种烛台虫实选取根、茎、叶、花 个不同构件进行差异性分析 采用单因素方差分析法比较不同构件的干重结果表明:茎干重均值最大显著高于其他 个构件()根干重均值最小 但与花、叶干重差异性不显 著(图)比较不同构件的水分含量结果表明:茎的水分含量均值最大显著高于其他 个构件()根的水分含量均值最小花和叶的水分含量均值则相差不大(图)()生物量()水分含量图 烛台虫实不同构件生物量和水分含量差异性分析.环 境 生 态 学第 期 狗尾草对于优势物种狗尾草选取地上和地下部分进行差异性分析 采用单因素方差分析法比较狗尾草的地上和地下干重结果表明:地上干重显著高于地下干重()(图)比较地上和地下部分的水分含量结果表明:地上部分水分含量显著高于地下部分()(图)()生物量()水分含量图 狗尾草不同部位生物量和水分含量差异性分析.沙蓬对于优势物种沙蓬选取根、茎、叶 个构件进行差异性分析 采用单因素方差分析法比较沙蓬的根、茎、叶干重结果表明:叶干重均值最大显著高于另外 个构件()根干重均值最小茎干重均值显著高于根干重均值(图)图 沙蓬不同构件生物量差异性分析.同一物种不同构件生物量和水分含量的相关性分析 烛台虫实对于优势物种烛台虫实选取根、茎、叶、花 个不同构件进行相关性分析 对不同构件的生物量和水分含量进行相关性分析和显著性检验由相关数据可知:根、茎、叶、花 个构件的干重两两之间均存在显著的正相关关系(图)其中根、茎干重相关值为 ()根、叶干重相关值为()根、花干重相关值为 ()茎、叶干重相关值为 ()茎、花干重相关值为 ()叶、花干重相关值为 ()根、茎、叶、花 个构件的水分含量两两之间均存在显著的正相关关系(图)其中根、茎水分含量相关值为 ()根、叶水分含量相关值为()根、花水分含量相关值为()茎、叶水分含量相关值为()茎、花水分含量相关值为()生物量()水分含量图 烛台虫实不同构件生物量和水分含量相关性分析.年张优倩等:科尔沁沙地流动沙丘优势物种构件特征的差异性及相关性分析()叶、花水分含量相关值为()狗尾草对于优势物种狗尾草选取地上和地下部分进行相关性分析 对地上、地下 个部分的生物量和水分含量进行相关性分析和显著性检验由相关数据可知:地上和地下干重存在极显著的正相关关系()相关值为 (图)地上和地下水分含量存在极显著正相关关系()相关值为 (图)()生物量()水分含量图 狗尾草不同部位生物量和水分含量相关性分析.沙蓬对于优势物种沙蓬选取根、茎、叶 个构件开展研究 对不同构件生物量进行相关性分析和显著性检验由相关数据可知:沙蓬的不同构件生物量之间存在显著的正相关关系(图)其中根、茎干重之间存在极显著正相关关系相关值为 根、叶干重之间存在极强的正相关关系相关值为 茎、叶干重之间存在极显著的正相关关系相关值为 图 沙蓬不同构件生物量相关性分析.不同物种构件生物量和水分含量差异性分析 根(地下部分)采用单因素方差分析法比较 个物种的根干重结果表明:沙蓬根干重显著高于另外 个物种()而烛台虫实和狗尾草 者的根干重均值差异性不显著(图)采用单因素方差分析法比较烛台虫实和狗尾草根的水分含量(图)结果表明:烛台虫实的根水分含量显著高于狗尾草()图 烛台虫实和沙蓬的茎生物量差异性分析.叶花采用单因素方差分析法比较烛台虫实和沙蓬的(叶花)干重(图)结果表明:沙蓬的(叶花)干重均值显著高于烛台虫实(叶 花)干重()图 烛台虫实和沙蓬的(叶花)生物量差异性分析.()地上部分采用单因素方差分析法比较 个物种的地上部分(根茎叶花)干重(图)结果表明:沙蓬地上部分干重均值显著高于另外 个物种()狗尾草地上部分干重均值最小但与烛台虫实差异性不显著采用单因素方差分析法比较烛台虫实和狗尾草的地上水分含量(图)结果表明:烛台虫实的地上水分含量显著高于狗尾草(地下部分 对 个物种的根干重进行相关性分析和显著性检验由分析数据可知 者的根干重、沙蓬和狗尾草的地上干重、烛台虫实和狗尾草的地上干重的相关性不显著而沙蓬和烛台虫实之间的地上部分干重存在显著正相关关系 有研究提到在生物量方面沙蓬的地上和地下部分生物量都是最高的而狗尾草的生物量要比烛台虫实的低烛台虫实、沙蓬和狗尾草 者的地上生物量地下生物量这与本研究结果一致朱源等在研究生物多样性与生物量的关系时发现植物地上生物量与土壤深度成正相关关系 由于沙蓬和烛台虫实同为藜科植物而狗尾草属于禾本科植物沙蓬和烛台虫实 种植物的土壤深度存在一定的相关性而 者同狗尾草之间不一定存在相关性所以沙蓬和烛台虫实的地上干重是呈现显著正相关性的而狗尾草和烛台虫实、狗尾草和沙蓬之间存在的相关性不显著 结论选取科尔沁沙地 个优势物种 烛台虫实、狗尾草和沙蓬作为研究对象采用单因素方差分析法、相关性检验法和差异性检验法分析同一物种不同部位、不同物种相同部位之间生物量和水分含量的差异性和相关性结果表明:科尔沁沙地优势物种的地上和地下生物量之间存在显著差异性和显著正相关关系在沙丘植被恢复过程中优势物种之间的地上、地下生物量之间均存在显著差异性 由于环环 境 生 态 学第 期境的变化为了应对不同的气候条件(干旱、洪涝、严寒、炎热等)植物会自发调整自身的生物量分配情况从而达到适应环境的目的 在与其他物种生存于同一空间时有的植物会调整自身的生物量分配情况如调整枝叶的生长方向以减少对其生物量的投入从而避免直接进行物种间的竞争 另外本研究还发现:科尔沁沙地优势物种的地上和地下水分含量之间存在显著差异性且为显著正相关关系在沙丘植被恢复过程中优势物种之间的地上和地下部分水分含量均存在显著差异性 在水分较为充足的条件下植物选择将更多水分供给地上部分以确保繁衍而在沙丘生态系统遇到极端干旱条件时优势物种会将自身水分重新分配将更多的水分供给根系让根系更好地发育确保物种的生存当物种处于群落中时由于群落资源有限沙丘草本植物会难以避免地产生竞争关系为了减弱竞争关系物种除了调整自身生物量分配情况外还会重新分配水分参考文献 .:.:.冯仲科罗旭石丽萍.森林生物量研究的若干问题及完善途径.世界林业研究():.李旭东张春平博华.黄土高原典型草原草地根冠比的季节动态及其影响因素.草业学报():.梁飞田长彦田明明等.追施氮肥对盐地碱蓬生长及其改良盐渍土效果研究.草业学报():.李雪华李晓兰蒋德明等.科尔沁沙地 种草本植物个体和构件生物量比较研究.干旱区研究():.:.:.():.:.:.:.:.:.():.():.颜韦.中国典型陆地生态系统的生物量分配及其影响因素分析.上海:华东师范大学.刘婵刘冰赵文智等.黑河流域植被水分利用效率时空分异及其对降水和气温的响应.生态学报():.张静李素慧宋海燕等.模拟喀斯特不同土壤生境下黑麦草对水分胁迫的生长和光合生理响应.生态学报():.徐海量乔木艾合买提那尤溥等.荒漠草地物种多样性的水分特征研究.干旱地区农业研究():.图娜拉巴音青克乐莫日根等.毛乌素沙地不同植被类型土壤水分特征研究.人民黄河():.曹雪松李和平郑和祥等.不同滴灌处理下紫花苜蓿的耗水特征及作物需水量估算.节水灌溉():.曹雪松李和平郑和祥等.地埋滴灌对紫花苜蓿耗水、产量及水分生产率的影响.干旱地区农业研究():.:.马安娜于贵瑞何念鹏等.中国草地植被地上和地下生物量的关系分析.第四纪研究():.(下转第 页)环 境 生 态 学第 期 .:.():.():.():.():.():.:.():.:.():.(上接第 页)何玉惠赵哈林刘新平等.不同类型沙地狗尾草的生长特征及生物量分配.生态学杂志():.:.():.:.():.韩向东.固沙先锋植物沙米的生物与生理生态学特征.咸阳:西北农林科技大学.().:.():.朱选伟黄振英张淑敏等.浑善达克沙地冰草种子萌发、出苗和幼苗生长对土壤水分的反应.生态学报():.陶冶张元明.准噶尔荒漠 种类短命植物生物量分配与异速生长关系.草业学报():.贾美玉李雪华吴忠铉等.科尔沁沙地流动沙丘 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