不同放牧强度下克氏针茅型草地的植被恢复

不同放牧强度下克氏针茅型草地的植被恢复

植物的根系是构成个体和生态系统的重要组成部分。根系的空间分布特征决定了植被和土壤环境之间的作用范围。分布特征及其复杂关系对植物和土壤环境的生长有重要影响。放牧是对草地生态系统的主要干扰方式之一。放牧通过采食和践踏直接作用于草地植物地上部分和土壤,从而对地下根系产生影响,而根系在吸收水分和养分的过程中反过来作用于植物和土壤(呼伦贝尔草原是我国温带草原分布最集中、最具代表性的生态系统类型,是我国北方地区的重要生态防护屏障,但在长期过牧与连续干旱的双重压力下,已成为我国北方草地退化的重点区域,是我国境内对全球变化反应较为敏感的生态系统地带(本文以呼伦贝尔草原克鲁伦河流域不同放牧强度下的草原群落作为研究对象,开展群落地下生物量和群落建群种根系分布特征研究,揭示不同放牧强度下群落根系功能群类型配比分布规律,为草原的保护利用和退化草原的恢复重建提供基础依据。研究领域和方法气候、水文、潜在年蒸发量研究区位于内蒙古呼伦贝尔草原克鲁伦河流域(47°36′N—49°50′N,115°31′E—117°43′E,图1),气候属于温带半干旱季风气候,年降水量250～400mm,湿润度0.5～0.7,年均温-3℃～0℃,全年≥10℃的活动积温1600℃～2000℃,潜在年蒸发量为950～1900mm(群落建群种变化于2010年植物生长季(7月末至8月初),在研究区采用空间演替系列代替时间演替系列的方法,以具代表性克氏针茅草原群落的建群种变化为依据选取轻度放牧、中度放牧、重度放牧3个实验样地(表1)。轻度放牧样地围栏封育时间为2001年,为季节性放牧,在生长季不受人为干扰;中度放牧样地为轮牧活动,植物得以恢复生长;重度放牧样地为自由放牧区,常年受到放牧压力影响。不同立地条件下群落基本及根幅、根深及根含量的含量在每个样地的典型地段设置25m样线,每间隔5m设一个50cm×50cm样方,登记样方内的种类组成,测定分种地上部盖度、高度、干重,确定植物根系功能群类型(在50cm×50cm样方内估计群落物种盖度,如果物种盖度<1%,根据采用三因素综合优势比(SDRSDR高度比:某一物种的高度占群落中最高物种高度的百分比盖度比:某一物种的盖度占群落中最大盖度物种盖度的百分比干重比:某一物种的干重占群落中最大干重物种干重的百分比如图3所示,在每个放牧样地的典型地段设置3个10m×10m样方,在样方中心部位及4个角附近确定9株建群种,齐地面刈割地上部分,带回实验室在65℃下烘干称重;并用挖掘法将地下根系全部挖出,测定其根幅及最长根深;采用碱解扩散法测定根系黏附的土壤有效氮(碱解氮)含量;记录每株建群种的根数,并用游标卡尺测量根系总长度;用排水法测定株建群种单株的根系体积,而后在65℃下烘干至恒重。群落建群种相关指标的计算公式:根冠比(R/S)=地下生物量(g)/地上生物量(g)比根长(SRL)=总根长(cm)/地下生物量(g)地下体积(cm根长密度(SED)=总根长(cm)/地下体积(cm数据处理和反+实验数据用MicrosoftOfficeExcel2007进行初步数据分析和作图;采用SPSS13.0进行单因素方差分析以及Pearson相关分析检验根系特征指标与土壤理化性质的相关性。结果与分析群落植物组成根系在很大程度上决定着该群落的碳循环过程、水分平衡及矿质元素的生物化学循环(由表2和表3看出,草地退化引起群落建群种的替代和优势种组成的变化,导致草地根系形态功能群类型配比发生明显变化。轻度放牧样地群落植物种类丰富,每个样方内平均有10种植物,6种根系功能群类型。群落中旱生丛生禾草层片占绝对优势,建群层片是克氏针茅密丛型根系的禾草层片,优势层片是根茎型根系的羊草层片。群落根系功能群类型配比为密丛型占99.7%、根茎型占38.8%、轴根型占33.9%、疏丛型占19.6%、鳞茎型占13.9%、根蘖型占7.0%。从功能群类型配比来看,密丛型占绝对多数,其次是根茎型和轴根型占较大比例,密丛型根系的禾草占绝对优势。中度放牧样地群落物种丰富度和根系功能群都发生了变化,每个样方内平均有9种植物,5种根系功能群类型。疏丛型占98.5%、密丛型占64.6%、根茎型占22%、鳞茎型占19.8%、轴根型占16.6%,疏丛型和密丛型根系的禾草占绝对优势。重度放牧样地群落植物种类较少,根系功能群类型减少,样方内平均有6种植物,4种根系功能群类型。鳞茎型占100%、轴根型占37.5%、根茎型占20.3%、根蘖型占9.3%。根系功能群类型配比出现明显分化,鳞茎型与轴根型根系的植物取代丛生型根系的禾草,占绝对优势。群落不同放牧强度对土壤微生物的影响从0～40cm土层深度范围内地下生物量的空间分布特征来看(图4),重度放牧样地群落地下生物量最大,中度放牧样地最小。主要原因是由于草原退化程度不同,群落发生了建群种替代和优势种组成的变化,根系类型及其生物学特性也随之发生了变化。从整个放牧强度系列来看,群落地下生物量大部分分布于表层(0～10cm)土壤中,轻牧群落占80%,中牧占83%,重牧占92%;随着土层深度的增加,地下生物量迅速降低,其空间分布形态表现为倒金字塔型,即由浅层到深层呈“T”字型分布:轻度放牧样地地下生物量下降速度最慢,30～40cm土壤中还存在少量的根;重度放牧地下生物量下降速度最快,在20～30cm土壤中只存在极少量的根。在不同的牧场强度下，群落建设的根系生态特征发生了变化群落建群种根系类型的变化由表4可知,由于不同强度放牧干扰导致草原群落的建群种发生了明显替代现象。轻度放牧样地的群落建群种为克氏针茅,中度放牧样地为糙隐子草,重度放牧样地为碱韭。不同放牧强度样地群落建群种根系类型变化明显,轻度放牧样地以密丛生型根系的禾草为建群种,中度放牧样地则以疏丛型根系的禾草植物为建群种,而重度放牧样地则以鳞茎型根系的杂类草植物为主。不同根系类型有着不同的生物生态学特性,在草原退化过程中,群落建群种的根系形态构型特性、根系分布以及根系生物量都发生了明显变化。轻度、中度、重度放牧样地的群落建群种根数变化范围分别为49～224、149～240、58～1140个,其根系体积变化范围分别为9～18、6～8.5、2.4～103cm群落建设ri的根结构比变化由图5可见,各样地群落建群种的R/S值之间具有显著差异(吸收能力与体积根系密度的关系根长密度和比根长是反应植物根系吸收能力的2个重要指标。与生物量相比,二者在一定程度上更能代表单位体积根系的吸收能力,数值越大,根系吸收能力就越大。由图6可见,轻度放牧、中度放牧、重度放牧样地群落建群种比根长分别为448.6、652.6和412.7cm·g群落建设品种的根冠比、根长密度、比和根长与土壤速效氮含量的关系由表5可知,群落建群种根冠比、根长密度与土壤速效氮的相关系数分别为0.873和0.877,在讨论不同放牧强度对根系功能群类型配比的影响影响群落根系类型配比的重要因素之一是群落的种类组成,在特定的群落中根系功能群类型配比是相对稳定的。由于放牧干扰引起群落建群种的替代和优势种组成的变化,致使草原根系功能群类型配比发生明显变化。轻度放牧和中度放牧样地以丛生型根系的禾草植物占绝对优势,而重度放牧样地则以鳞茎型与轴根型根系的植物占绝对多数;随放牧强度增大,群落植物种类和根系功能群类型同时趋于简单化。疏丛型、密丛型、根茎型等浅根系功能群类型均随放牧强度增大而逐渐减少,发达的轴根型和鳞茎型根系功能群类型植物则明显增加。放牧动物的采食和践踏直接作用于草原植被和土壤,导致表层土壤发生明显板结和旱化,土壤坏境不利于浅根系植物生长,而轴根型和鳞茎型根系类型植物则能更好的适应这种退化环境(不同放牧强度下群落地下生物量的空间分布特征变化放牧干扰导致群落植物种类数量增减和植物种类组成发生变化,使不同放牧强度下群落地下生物量