高寒草甸坡向梯度上植物群落组成及其氮磷化学计量学特征的研究

发布时间：2020-09-29 23:04

　　坡向是青藏高原山地上决定植物群落组成变化的主导因子之一。坡向影响着地表接受的太阳辐射量,而太阳辐射在不同坡向上的再分配决定了土壤温度、土壤蒸发量、土壤含水量等生态因子的分配。南坡(阳坡)接受的太阳辐射较多,较热、干旱,而北坡(阴坡)接受的太阳辐射较少,故而较湿、阴冷。由于不同坡向光、热、水、土等自然因素的不同,植被的组成会产生相应的变化。这种在坡向的生境梯度上,植物群落组分结构上的变化如何影响土壤理化特征、植物的化学计量特征、抗逆生理特征等,而这些又如何响应于群落组成的变化,这是高寒草甸地区群落学研究中少有涉及的论题。本文以青藏高原东部的高寒草甸为例,分析了阴阳坡梯度上土壤因子和植物群落组成的变化特征,研究了植物叶片氮磷化学计量特征对坡向的响应以及植物物种生理因子的坡向差异。本文的主要结果为： (1)从阳坡到阴坡,环境因子的变化较大,日平均土壤温度和光照度的变化趋势为阳坡半阴半阳坡阴坡,土壤含水量的变化趋势为阴坡半阴半阳坡阴坡。土壤养分的变化趋势为：土壤全磷和有机质总体表现为阴坡大于阳坡,而土壤全氮和速效氮、速效磷在坡向梯度上变化不显著。 (2)坡向梯度上植物组成结构发生了明显变化,阳坡主要由禾草(禾本科和莎草科)组成,阴坡则主要由杂草(非豆科杂草)组成。阴坡-阳坡梯度上群落物种多样性指数和丰富度指数的变化显著,其均表现为阴坡半阴半阳坡阳坡。 (3)在阳坡-阴坡梯度上,植物叶片的氮磷化学计量特征也发生了变化。在阳坡,植物叶片氮磷含量都小于阴坡,而磷含量的变化尤为显著；阳坡的叶片氮磷比则显著的高于阴坡。另外,植物叶片功能群的氮磷计量特征同样发生了变化,禾草类的平均叶片氮磷含量显著低于杂草类,而豆科的叶片氮含量和氮磷比在不同坡向均高于禾草和杂草类。 (4)在阳坡-阴坡梯度上,阳坡植物的氮磷比明显大于16,而阴坡则小于14,根据限制性元素计量比值判断,不同坡向上限制性元素发生了变化,即阳坡为磷限制,而阴坡则为氮限制。 (5)在阳坡-阴坡梯度上,植物的生长率与N：P呈显著负相关,与植物叶片磷含量呈显著正相关,这支持生长速率假说。另外,随着海拔高度的上升,植物叶片氮磷含量和氮磷比都呈现明显的下降趋势,这一现象支持生物-地球化学假说。 (6)在阴坡-阳坡梯度上,随着土壤含水量的下降和土壤温度、光照度的增加,植物物种脯氨酸与可溶性糖含量呈增加趋势,其大小顺序为：棘豆(Oxytropis kansuensis)狼毒(Stellera chamaejweisme)火绒草(Leontopodium leontopodioides)莓叶委陵菜(Otentilla fragarioides)矮嵩草(Kobresia humilis)金露梅(Potentilla fruticosa),而植物叶绿素呈减少趋势,其大小顺序为：棘豆(Oxytropis kansuensis)矮嵩草(Kobresia humilis)莓叶委陵菜(Otentilla fragarioides)火绒草(Leontopodium leontopodioides)金露梅(Potentilla fruticosa)狼毒(Stellera chamaejweisme),这些表明随着逆境胁迫的加剧,植物通过增加自身细胞的渗透调节物质来应对外界胁迫的能力。本研究主要结论如下： (1)在高寒草甸阴坡-阳坡梯度上,植物群落组成和物种多样性均发生了变化,引起这种变化的主导因素为土壤含水量。 (2)在阴坡-阳坡梯度上,植物叶片的氮磷化学计量特征并不一致,阴坡的植物叶片氮磷含量都显著高于阳坡,而其氮磷比则显著小于阳坡。限制性元素发生了变化,阴坡为氮限制,而阳坡则为磷限制,土壤含水量和土壤温度共同决定了这一变化。 (3)由阴坡至阳坡的生境梯度上,随着土壤含水量的下降和土壤温度、光照度的增加,逆境胁迫的增强,植物物种的脯氨酸和可溶性糖含量总体呈增加趋势,而叶绿素含量总体呈下降趋势,这是植物对逆境胁迫的一种生理适应,表明在阳坡植物具有较强的抗逆性。
【学位单位】：兰州大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2013
【中图分类】：S812
【文章目录】：
中文摘要
Abstract
第一章前言
    1.1 坡向梯度上的环境因子
        1.1.1 地形因子
        1.1.2 坡向梯度上的植物生态学研究
    1.2 生态化学计量学的概念与基本理论
        1.2.1 生态化学计量学的概念
        1.2.2 基本理论
    1.3 生态化学计量学的研究概况
        1.3.1 国外生态化学计量学的研究
        1.3.2 国内生态化学计量学的研究
        1.3.3 限制性元素的研究
        1.3.4 生态系统生态化学计量学特征的区域格局
    1.4 研究目的和内容
第二章实验地概况
    2.1 地理位置
    2.2 气候特征
    2.3 植被和土壤状况
第三章高寒草甸阴坡-阳坡梯度上植物群落组成的变化
    3.1 实验方法
        3.1.1 样地布置
        3.1.2 样品处理
        3.1.3 物种多样性指数的计算
    3.2 数据分析和统计方法
    3.3 结果与分析
        3.3.1 不同坡向上土壤温度、水分及光照的变化
        3.3.2 不同坡向上土壤养分的变化
        3.3.3 不同坡向上植物群落组成的变化
        3.3.4 不同坡向上植物物种多样性的变化
        3.3.5 坡向与土壤因子之间的关系
        3.3.6 功能群多度、物种多样性与土壤因子之间的关系
        3.3.7 环境因子对物种分布影响大小关系的冗余分析
    3.4 讨论
        3.4.1 坡向梯度上土壤因子的变化特点
        3.4.2 坡向对植物群落组成的影响
        3.4.3 坡向对植物物种多样性的影响
        3.4.4 坡向梯度上影响物种分布及多样性的主导因子
第四章高寒草甸阴坡-阳坡梯度上植物氮磷化学计量特征的变化
    4.1 实验方法
        4.1.1 样地布置
        4.1.2 样品处理
        4.1.3 生长速率的计算
    4.2 数据分析
    4.3 结果与分析
        4.3.1 不同坡向植物叶片氮磷化学计量特征变化
        4.3.2 不同坡向植物功能群氮磷化学计量特征
        4.3.3 不同海拔植物叶片氮磷化学计量特征变化
        4.3.4 不同坡向植物生长速率的变化
        4.3.5 不同坡向土壤因子与植物叶片氮磷计量关系
    4.4 讨论
        4.4.1 植物叶片氮磷计量特征与土壤因子对坡向的响应
        4.4.2 不同坡向植物功能群氮磷化学计量特征差异
        4.4.3 不同坡向营养限制类型的改变
        4.4.4 不同海拔植物氮磷化学计学特征差异
        4.4.5 坡向梯度上植物的生长速率变化
第五章高寒草甸阴坡-阳坡梯度上植物物种生理变化特征
    5.1 实验设计
        5.1.1 样品采集
        5.1.2 样品分析
    5.2 数据分析
    5.3 结果与分析
        5.3.1 植物叶片脯氨酸含量随坡向的变化
        5.3.3 植物叶片叶绿素含量随坡向的变化
        5.3.4 植物生理指标与土壤因子之间的关系
    5.4 讨论
        5.4.1 植物叶片脯氨酸含量对坡向的响应
        5.4.2 植物叶片可溶性糖含量对坡向的响应
        5.4.3 植物叶片叶绿素含量对坡向的响应
        5.4.4 植物生理因子与环境因子的关系
第六章主要结论
参考文献
附录1
在学期间研究成果
致谢

【参考文献】