本文關(guān)鍵詞：松嫩鹽堿化草地景觀植被斑塊的生態(tài)效應(yīng)與動態(tài)機制，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：草地(grassland)作為地球上重要的生態(tài)系統(tǒng)(ecosystem),對于維護全球生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)平衡以及支持人類社會的可持續(xù)發(fā)展都具有舉足輕重的意義。然而,長期以來由于人類不合理的利用,致使草地生態(tài)系統(tǒng)遭到了嚴(yán)重的破壞,景觀破碎化(landscape fragmentation)程度日益加深,成為威脅全球生物多樣性的最嚴(yán)重原因之一。草地生境破碎后,植被常以不連續(xù)的群落斑塊分布,構(gòu)成了異質(zhì)性的生態(tài)系統(tǒng),斑塊和斑塊動態(tài)決定了草地內(nèi)部的空間格局和生態(tài)過程,如果能揭示植被、環(huán)境的空間格局,植被與環(huán)境空間分布的響應(yīng)關(guān)系,以及在干擾下的植被、環(huán)境條件格局的變化機制,對于深入理解干擾條件下景觀變化規(guī)律具有重要的理論意義。本研究為了系統(tǒng)了解草地景觀格局在正負(fù)兩個干擾方向下的演替規(guī)律,以鹽堿化草地為研究對象,按正干擾(圍封)與負(fù)干擾(刈割)兩條主線,分別研究在不同的干擾方向下,在種群、群落斑塊兩個研究尺度上,草地景觀的變化規(guī)律以及動態(tài)機制。目的在于揭示不同的干擾強度對草地景觀格局與生物過程的影響,以探求草地景觀在干擾過程中的動態(tài)規(guī)律以及發(fā)展變化機制。從而有益于更全面地闡釋草地景觀生態(tài)系統(tǒng)的異質(zhì)性、穩(wěn)定性、持久性的規(guī)律,可以為指導(dǎo)刈割、放牧等實踐活動,為草地生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)、建設(shè)與管理提供理論依據(jù)。本論文主要采用野外直接觀測與控制實驗方法開展了研究。在圍封條件下,選擇了一塊曾經(jīng)為鹽堿斑廣布的退化草場,經(jīng)過10年的圍欄封育,草地植被基本得到恢復(fù),并以非常明顯的斑塊化分布。對其中的沃島效應(yīng)、斑塊內(nèi)異質(zhì)性、斑塊邊緣效應(yīng)等進行了研究;在刈割條件下,主要是設(shè)立了輕度、中度、重度三種干擾梯度,連續(xù)進行了四年的干擾實驗,對群落性狀、物種組成、物種分布空間格局以及復(fù)雜性進行了研究。通過對大量的實驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計與比較分析,獲得了以下研究結(jié)論:1.圍封條件下草地景觀異質(zhì)性規(guī)律(1)植被斑塊的沃島效應(yīng)鹽堿化草地是一個異質(zhì)性的生態(tài)系統(tǒng),草地在恢復(fù)過程中,植被表現(xiàn)為不連續(xù)的斑塊集群形式,有著明顯的斑塊化(patch)特征。①土壤性質(zhì)的沃島效應(yīng)(fertile island effect)。在土壤表層(0~30 cm)有機質(zhì)含量植被斑塊高于堿斑,而pH值與電導(dǎo)率植被斑塊低于堿斑。在垂直方向上,植物群落土壤pH值和電導(dǎo)率隨深度分布都呈“雙曲線”型,植物群落土壤剖面表層有機質(zhì)含量最高,向下迅速減少。這說明草地在恢復(fù)過程中,有著明顯的斑塊化特征和沃島效應(yīng),其形成是植被斑塊的演變與土壤性狀的變化強烈互饋效應(yīng)的結(jié)果。②植被特征的沃島效應(yīng)。斑塊內(nèi)的生物多樣性決定于斑塊的空間形態(tài)屬性與土壤屬性兩個方面。通過物種多樣性與斑塊空間屬性及土壤指標(biāo)的相關(guān)性分析,結(jié)果表明,物種多樣性與面積(r=0.67)、周長(r=0.65)呈顯著正相關(guān),與周長/面積(r=-0.51)呈顯著負(fù)相關(guān)(p0.05),而與有機質(zhì)(r=0.44)、電導(dǎo)率(r=-0.33)等土壤屬性相關(guān)性不顯著,這說明對物種豐富度起決定作用的是空間形態(tài)指標(biāo),即較高的物種多樣性存在于面積大、趨于圓形、高營養(yǎng)的斑塊中;cca分析結(jié)果表明,有機質(zhì)、電導(dǎo)率是與cca排序軸相關(guān)性最強的環(huán)境因子,其次為斑塊的面積與周長,這說明斑塊內(nèi)的群落結(jié)構(gòu)首先決定于土壤狀況,其次決定于斑塊的空間形態(tài)指標(biāo),即雜類草傾向于選擇營養(yǎng)高、鹽堿度低、大面積的斑塊中。(2)植被斑塊內(nèi)部的異質(zhì)性特征鹽堿化草地是一個高度異質(zhì)性的生態(tài)系統(tǒng),不僅斑塊內(nèi)外有差別,植被斑塊內(nèi)的資源分布也不均勻。地統(tǒng)計分析表明,群落斑塊內(nèi)部物種多樣性、土壤有機質(zhì)、電導(dǎo)率存在明顯的空間自相關(guān)性(c0/(c0+c)值均小于25%)。通過克里格插值也可以看出,物種多樣性、土壤有機質(zhì)、土壤電導(dǎo)率在地表呈現(xiàn)出斑塊狀分布的特點和圈層結(jié)構(gòu)。在水平方向上,植被是以類似“同心圓”的方式進行空間擴散,并以這種結(jié)構(gòu)模式逐漸對土壤的性質(zhì)產(chǎn)生影響。物種多樣性的自相關(guān)距離大于0~-10cm土壤層內(nèi)有機質(zhì)與電導(dǎo)率的自相關(guān)距離,這說明了土壤的變化是有一定滯后性的。通過變程分析可知,有機質(zhì)的變程由上至下逐漸減少,而電導(dǎo)率在-10~-20cm土層內(nèi)最大,這說明在垂直方向上,植被對土壤的改善是一個自上而下的緩慢過程。但土壤電導(dǎo)率要受到地表植被覆蓋層以及地下積鹽層的雙向影響,地表的鹽堿化程度就是由地表植被覆蓋層與地下積鹽層對鹽分運移影響的矛盾運動決定的。(3)植被斑塊間的邊界特征在鹽堿化草地中,多年生植物群落斑塊與堿斑存在著比較明顯的邊界。邊界處土壤指標(biāo)與植被指標(biāo)都會產(chǎn)生急劇的變化。邊界處群落的演替過程是由多年生禾草作為先鋒物種,先進入到邊界堿性環(huán)境中改善生境,之后雜類草入侵,植被不斷向堿斑處擴展。植被指標(biāo)與土壤指標(biāo)所劃分的邊界位置存在著差異,說明植被與環(huán)境條件的變化并不是同步的。而在所有的指標(biāo)中,土壤指標(biāo)更具有穩(wěn)定性,因此,雖然在感觀上植物界線更明顯,但土壤指標(biāo)更適合做邊界位置的判定依據(jù)。2.刈割干擾下種群分布空間規(guī)律(1)羊草(leymuschinensis)在受到刈割干擾后,種群調(diào)節(jié)機制會發(fā)揮作用,并與外界干擾進行著抗衡,從而使羊草的密度與最大密度強度均體現(xiàn)為明顯的m型波動曲線,但這種調(diào)節(jié)機制是存在一定閾值的。不同的干擾強度對羊草的競爭能力的影響是有差別的,重度干擾壓制甚至?xí)耆茐牡粞虿莸母偁巸?yōu)勢;中度干擾會抑制羊草的競爭優(yōu)勢;輕度干擾會對羊草的競爭優(yōu)勢產(chǎn)生影響但仍然會保持這種競爭優(yōu)勢。種群之間的競爭會體現(xiàn)在空間構(gòu)型上,無論是優(yōu)勢種-羊草,還是入侵種狗尾草(setariaviridis)和黃蒿(artemisiascoparia),在分布格局上都呈集群式分布,包括聚集格局(負(fù)二項分布)與核心狀格局(奈曼分布)兩種格局。聚集狀分布格局(負(fù)二項分布)往往是種群在競爭中處于優(yōu)勢地位,空間結(jié)構(gòu)比較成熟,發(fā)展比較穩(wěn)定。且結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定的種群中。核心狀分布格局(奈曼分布)是種群在不穩(wěn)定的狀態(tài)下,采取的大聚居、小分散的空間策略,試圖在不利的條件下,盡量在空間競爭中獲勝。(2)刈割干擾能顯著地降低羊草種群的異質(zhì)性。羊草種群在受到刈割干擾后,種群都有一個恢復(fù)過程,而恢復(fù)過程就是異質(zhì)性提高的過程。刈割干擾能影響羊草種群自相關(guān)的強弱。在中等強度干擾下,羊草種群的斑塊分化現(xiàn)象最明顯。重度以及輕度刈割小區(qū)斑塊形狀比較復(fù)雜,格局強度尺度變化大,個體分布不均勻,種群結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,格局強度高。(3)在刈割干擾下,羊草屬于優(yōu)勢種,黃蒿屬于入侵種,而狗尾草屬于速生速滅的入侵過渡種。狗尾草對生境條件的要求要高于黃蒿,其本身的競爭優(yōu)勢也會受到刈割的強烈抑制,并很快退出生態(tài)空間。黃蒿與羊草一樣,對于刈割有其自身的調(diào)節(jié)機制。在干擾條件下,狗尾草、黃蒿異質(zhì)性和空間自相關(guān)性都很高,它們都以很強的斑塊化程度聚集。從分?jǐn)?shù)維體現(xiàn)的競爭優(yōu)勢上來看,在重度干擾會抑制所有生物的競爭優(yōu)勢情況下,羊草略顯優(yōu)勢;在中等干擾條件下,黃蒿、狗尾草比羊草擁有具有較強的占據(jù)生態(tài)空間的能力;在輕度干擾條件下,羊草仍然能處于優(yōu)勢的建群地位,黃蒿、狗尾草處于伴生的地位。本論文針對圍封與刈割兩個相反方向的干擾條件,在種群與斑塊群落兩個研究尺度上,研究了堿化草甸草原微景觀的格局特征、復(fù)雜性、變化過程,突破了以往研究中斑塊作為異質(zhì)性的最小單位,對斑塊間、斑塊內(nèi)、斑塊邊緣的異質(zhì)性進行了全面的研究。同時從土壤條件、棲息生境空間屬性、干擾強度、物種空間策略上對草地生態(tài)系統(tǒng)多樣性變化機制,進行多方位的探討,能更詳細解釋斑塊發(fā)展動態(tài)的機制。從而為預(yù)測鹽堿化草甸草原生態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)變化、診斷草地生態(tài)系統(tǒng)的健康、加強草地生態(tài)系統(tǒng)的管理、改良鹽堿化草地、生態(tài)脆弱地區(qū)防治土地退化提供理論依據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：草地景觀 鹽堿化草地 刈割干擾 恢復(fù)干擾 斑塊 空間格局 異質(zhì)性
【學(xué)位授予單位】：東北師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：S812
【目錄】：

• 中文摘要4-7
• Abstract7-14
• 第一章 引言14-23
• 1.1 研究背景14-15
• 1.2 主要相關(guān)概念15-17
• 1.2.1 干擾15-16
• 1.2.2 空間異質(zhì)性16
• 1.2.3 斑塊16-17
• 1.2.4 景觀格局與過程17
• 1.3 研究進展與分析17-20
• 1.3.1 研究進展18-20
• 1.3.2 研究中存在的不足20
• 1.4 主要研究內(nèi)容20-22
• 1.5 研究目的與意義22-23
• 1.5.1 研究目的22
• 1.5.2 研究意義22-23
• 第二章 研究區(qū)域及研究方法23-33
• 2.1 研究區(qū)域23-26
• 2.1.1 區(qū)域概況23-25
• 2.1.2 研究地點25-26
• 2.2 研究方法26-33
• 2.2.1 技術(shù)路線26-27
• 2.2.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析方法27-33
• 第三章 退化鹽堿化草地恢復(fù)過程中植被斑塊的沃島效應(yīng)33-47
• 3.1 材料與方法33-34
• 3.1.1 實驗設(shè)計33-34
• 3.1.2 土壤成分分析方法34
• 3.1.3 數(shù)據(jù)分析方法34
• 3.2 結(jié)果與分析34-43
• 3.2.1 植物斑塊對鹽堿化草地土壤性質(zhì)的影響34-38
• 3.2.2 植物對土壤異質(zhì)性的影響38-39
• 3.2.3 斑塊性質(zhì)對物種多樣性的影響39-43
• 3.3 討論43-46
• 3.3.1 退化鹽堿化草地在恢復(fù)過程中土壤的斑塊化特征43-44
• 3.3.2 退化鹽堿化草地在恢復(fù)過程中植物的斑塊化特征44
• 3.3.3 退化鹽堿化草地在恢復(fù)過程中土壤與植物的相互影響44-46
• 3.4 結(jié)論46-47
• 第四章 鹽堿化草地植被斑塊內(nèi)部的空間分異47-57
• 4.1 材料與方法47-48
• 4.1.1 實驗設(shè)計47-48
• 4.1.2 土壤成分分析方法48
• 4.1.3 數(shù)據(jù)分析方法48
• 4.2 結(jié)果與分析48-55
• 4.2.1 斑塊內(nèi)部土壤性質(zhì)的空間變異48-49
• 4.2.2 斑塊內(nèi)部植物與土壤性質(zhì)克里格局部插值估計49-53
• 4.2.3 斑塊內(nèi)部植物與土壤性質(zhì)變異函數(shù)53-55
• 4.3 結(jié)論55-57
• 第五章 鹽堿化草地群落斑塊的邊緣效應(yīng)57-68
• 5.1 前言57-58
• 5.2 材料與方法58-59
• 5.2.1 實驗設(shè)計58
• 5.2.2 數(shù)據(jù)分析方法58-59
• 5.3 結(jié)果與分析59-65
• 5.3.1 植被的空間模式59-62
• 5.3.2 土壤特性的空間模式62
• 5.3.3 植物指標(biāo)與土壤特性的相關(guān)性62-64
• 5.3.4 邊界位置的確定64-65
• 5.4 討論與結(jié)論65-68
• 第六章 刈割對鹽堿化草地種群空間競爭策略的影響68-79
• 6.1 材料與方法68-69
• 6.1.1 實驗設(shè)計68-69
• 6.1.2 測定方法69
• 6.1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法69
• 6.2 結(jié)果與分析69-77
• 6.2.1 羊草種群平均密度的變化70
• 6.2.2 羊草種群最大分布密度的變化70-71
• 6.2.3 種群分布類型的變化71-77
• 6.3 討論與結(jié)論77-79
• 6.3.1 刈割干擾對優(yōu)勢種平均密度與最大密度強度的影響77
• 6.3.2 刈割干擾對優(yōu)勢種與入侵種分布型的影響77-79
• 第七章 刈割條件下種群分布空間復(fù)雜性分析79-98
• 7.1 材料與方法80
• 7.1.1 實驗設(shè)計80
• 7.1.2 測定方法80
• 7.1.3 數(shù)據(jù)處理與分析方法80
• 7.2 結(jié)果與分析80-96
• 7.2.1 種群分布特征的半變異函數(shù)分析80-83
• 7.2.2 種群空間分布克里格插值83-94
• 7.2.3 種群分?jǐn)?shù)維變化94-96
• 7.3 結(jié)論96-98
• 第八章 結(jié)論與展望98-101
• 8.1 主要研究結(jié)論98-100
• 8.2 特色與創(chuàng)新100
• 8.3 研究展望100-101
• 參考文獻101-111
• 在學(xué)期間公開發(fā)表的相關(guān)論文111-112
• 致謝112

【參考文獻】

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本文編號：264622