放牧干扰对灌草地土壤植被空间格局的影响

【摘要】长期放牧导致荒漠草原地表凋落物储存较少,且干旱少雨气候不利于其分解,而家畜排泄物能够在较短时间内将养分释放,对放牧草地生态系统有很重要的影响。同时,放牧及灌木入侵导致土壤资源斑块的空间异质性,影响植物物种的组成和群落分布,进而影响草地稳定性。在较小空间尺度上,地形、放牧、种间竞争等导致植被分布格局空间异质性,可能是维持较大尺度上群落多样性、生产力及植被稳定性的重要因素。自由放牧草地羊粪归还作用在空间上往往表现出一定梯度分布格局,是影响自由放牧草地十壤与植被空间分布与演替动态的重要因素。为深入认识荒漠草原放牧对草地的影响格局与作用机制,以宁夏盐池荒漠草原围栏放牧草地为研究对象,选取3个不同的微地形地貌。采用地统计学方法,重点分析不同微地形尺度上草地植物与土壤空间变异规律及其与家畜排泄物、枯落物地貌等环境因子之间的关系。获得主要结论如下：(1)从土壤养分的空间结构C/(C+C0)看：微地形Ⅰ全磷具有较强空间自相关性,有机碳和全氮为中等程度的空间自相关,Ⅱ区土壤养分中等程度空间自相关,Ⅲ区与微地形Ⅰ区土壤养分空间结构表现出相似的特征。从空间自相关范围看：微地形Ⅰ、Ⅱ区土壤全氮变程最大,全磷最小；Ⅲ区有机碳变程最大。分形维数D分析表明：Ⅰ区全磷>有机碳>全氮；Ⅱ全磷空间异质性最大,其次是5～10cm有机碳和全氮,0～5cm全氮和有机碳异质性最小；Ⅲ全磷空间异质性最强,其次为5～10cm有机碳,全氮以及0～5cm有机碳空间异质性均较小。(2)从土壤养分空间异质性影响因素看,在0～5cm土层：微地形Ⅰ区,土壤有机碳、全氮和全磷空间变异的主要控制因子分别为相对高程、地表羊粪量和植被盖度；柠条位置和大小也显著影响有机碳分布；N/P空间变异的主要控制因子为地表羊粪量。微地形Ⅱ区有机碳显著性影响因子为相对高程和0.25～2mm土壤粗砂粒含量；全氮的显著性影响因子为物种数和枯落物；全磷的显著性影响因子为相对高程、0.0385～0.25mm土壤细砂粒含量、柠条位置；土壤N/P的主要控制因子为物种数。微地形Ⅲ区域,有机碳和全氮的主要控制因子分别凋落物和植被密度,全磷的显著性影响因子分别为相对高程、全盐、植被盖度,C/N和N/P受到生态因子的综合作用影响。在5～10cm土层土壤养分空间变异特征中：微地形Ⅰ区,有机碳主要控制因子为相对高程和枯落物；全氮、全磷主要控制因子为植被盖度,N/P主要控制因子0～0.0385mm土壤粘粉粒含量。微地形Ⅱ区,有机碳显著性影响因子为相对高程、0.0385～0.25mm土壤细砂粒含量和枯落物；全氮显性影响因子为物种数和0.25-2mm土壤粗砂粒含量；全磷显著性影响因子为全盐；N/P的显著性影响因子为物种数和全盐。微地形Ⅲ区,有机碳的显著性影响因子为相对高程、全盐、0.0385～f0.25mm土壤细砂粒含量；全氮的主要控制因子为全盐；全磷显著性影响因子相对高程和全盐；C/N的主要控制因子为柠条位置。(3)植被半方差模型拟合及其参数分析结果表明：微地形Ⅰ区,植被特征变量中,盖度的空间依赖性较强,其次分别为植物密度、物种数,植物群落多样性中,丰富度指数空间异质性最大,其次分别是均匀度、香浓维纳指数。微地形Ⅱ区,植被特征变量空间异质性特征为：物种数>密度>盖度；植物群落多样性指数的空间异质性特征为香浓维纳指数H>丰富度指数M>均匀度指数J。微地形Ⅲ区,植被特征变量中,空间异质性密度最大,其次是盖度,物种数最小,植物群落多样性均表现同质性。(4)植被空间异质性影响因素分析结果表明：微地形Ⅰ区,环境因子：高程是植被特征及多样性的主要控制因子。土壤养分中：0～5cmTP和5～10cmSOC是植被密度、盖度主要控制因子(负相关),物种数受到综合因素的影响,3～5cmTN和5～10cmSOC是植被多样性主要控制因子(正相关)。微地形Ⅱ区,环境因子：高程是植被物种数和多样性的主要控制因子。土壤养分中：0～5cm全磷是植被的主要控制因子,5～10cm土壤养分对植被影响较为复杂；植物多样性主要受到全氮和全磷的控制。微地形Ⅲ区,植物盖度控制因子为枯落物量、0.25～2mm土壤粗砂粒含量、全磷；密度和丰富度的控制因子为相对高程和TP；香浓维纳指数的主要控制因子为枯落物、TN。从方差解释量来看,此区域土壤养分占主导地位,地形因素影响减弱。(5)整个研究区域,地表羊粪量与土壤养分资源异质性斑块的形成有关,且仅在重度放牧干扰下控制0-5cm全氮的空间分布,进而影响植被空间格局。土壤有机碳和全磷空间分布主要受到地形因子(相对高程)影响,且从微地形Ⅰ到微地形Ⅲ区,其影响的程度逐渐减弱；全氮空间分布主要受到植被因子(密度、盖度、物种数)的影响,土壤C/N和N/P受到较多因素的影响。微地形Ⅰ到Ⅲ区,地形因子对植被空间分布格局的控制作用逐渐较小直到消失。植被因子中,柠条位置和大小对植物群落分布有一定程度的影响,而非主要控制因素；枯落物对植被的影响作用逐渐增加。土壤养分对植被的影响作用较复杂。(6)微地形小尺度上,首先是地形地貌影响土壤养分再分配和植被的空间分布。其次,重度放牧干扰下,地表羊粪量影响土壤氮素的空间格局,进而影响植被的空间分布及异质性。中度和轻度放牧干扰下,地表羊粪量可能在很小的尺度上(1m2)影响土壤和植被空间格局。土壤和植被的相互作用是它们空间格局主要驱动力因素。同时,枯落物的生态地位显著增加。小尺度上的地貌对土壤养分再分配,羊只的选择性采食,植物种群适应性特征,土壤和植被相互作用等生态过程维持了大尺度上景观异质性。
【作者】王兴；
【导师】宋乃平；
【作者基本信息】宁夏大学，生态学，2014，硕士
【关键词】放牧干扰；家畜排泄物；微地形；地统计分析；空间异质性；控制因子；

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