1、舜王坪山地草甸土壤水分对群落优势种 生产力的影响 舜王坪山地草甸土壤水分对群落优势种生产力的影响内容摘要本研究以山西历山舜王坪山地草甸优势种橐吾（Ligularia sibirica）、早熟禾（Poa annua）和地榆（Sanguisorba officinalis）为研究对象，通过对土壤水分与优势种生产力关系的分析，发现土壤水分仅对优势种地榆的相对生物量产生影响，而对优势种橐吾和早熟禾的生物量和相对生物量未产生影响。表明土壤水分会对当地生态系统优势种产生一定的影响，但这种作用受群落内其他物种的影响。同时，土壤水分的影响也受优势种种类的影响。【关键词】 土壤水分 生物量 相对生物量 山地草甸
2、 The effect of soil moisture on the productivity of dominant species in the meadow of shunwangping mountainAbstractIn this study, the dominant species of Wangping, Poa annua and Sanguisorba officinalis were studied by analyzing the relationship between soil moisture and dominant species productivity
3、. Soil moisture was found to have an effect only on the relative biomass of dominant cultivar elm, and on the biomass and relative biomass of dominant cultivar ligularia and precocity. It is shown that soil water will have some effect on the dominant species of local ecosystem, but this effect is in
4、fluenced by other species in the community. At the same time, the influence of soil moisture is also affected by the dominant species.【Key words】soil moisture biomass relative biomass mountain meadow舜王坪山地草甸土壤水分对优势种群落优势种生产力的影响学生姓名：赵凡凡 指导老师：赵峰侠1 立题依据及研究内容1.1研究的背景和意义生态系统功能的集中体现是生产力，对维持生态平衡发挥着重要作用。众多学者认
5、为生态系统功能由生物多样性决定，但是近年来质量比例假说（The Mass Ratio Hypothesis）认为在某个时间段的生态系统功能主要由植物优势种的性状值决定1。鉴于此，可以推出优势种决定着生态系统的功能，也就是说优势种对群落生产力具有关键作用。土壤水分对植物根系的生长、分布和力学性能的发展有重要作用2，因此，研究土壤水分对群落优势种生产力有影响至关重要。本文主要研究舜王坪山地草甸土壤水分对群落生产力优势种的影响，进而得出土壤水分对群落生产力和生态系统功能的意义。基于舜王坪是自然保护区，通过对舜王坪山地草甸土壤水分对群落优势种生产力的研究，以指导舜王坪生态系统保护与管理，使舜王坪在维持
6、其生态系统功能时，并一定程度对当地经济起到促进作用。1.2国内外研究现状在对土壤因子与植物生产力的研究中，众学者从土壤的各个因子出发，分别研究其对各类植物和植物的各部分。朱志梅等在草原沙漠化过程研究中提出土壤因子中碳氮比与植物的生理响应关系密切3。因此，控制土壤中关键因子是防止草原沙化的一个重要举措；朱雅娟等在研究发现，在沙漠中的不同植物对土壤水分利用效率具有季节性变化特点，不同类型的植物需要的水分来源也不同4；郭庆达等在研究黄土高原南部土壤水分对植物有效性的动态规律中发现，土壤在一定的湿度范围内，对植物的有效性随土壤湿度减少呈抛物线规律递减5；杨利民等的研究结果认为水的作用导致草地群落养分资
7、源的空间异质性降低，物种之间竞争增大，使得物种多样性下降，但生产力显著增加6；张志南在研究黄土高原半干旱区天然草地群落与土壤水碳关系的研究中指出在群落尺度上，生物量和物种多样性与土壤水分的关系非常复杂，在区域尺度上，生物量与物种多样性与土壤水分呈现正相关关系，土壤水分与禾草类功能群比例呈正相关关系，与杂类草功能群比例呈负相关关系7；李博等在对研究内蒙古锡林郭勒盟典型草原时发现，当降水量变小，土壤水势偏低时，土壤水分对植物生长有很大影响8；李绍良先生在对草原土壤水分特性及其与植物产量的关系的分析研究中，解释了植物水分利用与土壤水分之间的关系9；土壤水分是土壤组成的重要部分，同时也是连接气候变化和
8、影响植被覆盖的关键因子，土壤水分的变化与运动，不仅影响植物生长，还影响土壤中各物质与能量的循环过程10；因此，研究土壤水分对群落优势种生产力的影响，对生态系统的功能发挥着重要作用。1.3主要研究内容本研究着重围绕土壤水分对优势种生物量及优势种相对生物量的影响，以舜王坪山地草甸土壤水分为研究条件，以橐吾（Ligularia sibirica）、早熟禾（Poa annua）和地榆（Sanguisorba officinalis）三种优势种生物量及相对生物量为研究对象，研究的主要内容有：（1）土壤水分对优势种橐吾生产力的影响；（2）土壤水分对优势种早熟禾生产力的影响；（3）土壤水分对优势种地榆生产力
9、的影响。2 研究方法2.1研究区概况历山舜王坪亚高山草甸处于历山的主峰舜王坪，海拔2358米，地理坐标为北纬352345-352525，东经1115700-1115830。亚高山草甸土水热条件较好的土壤剖面的中上部，可形成灰棕色腐殖质层，土壤剖面中下部较密实，大多呈黄棕色11。历山所属地区为暖温带大陆性气候，降水量为600-800mm，有时高达1200mm以上，降水集中在7-9月，占全年降水量的大约70；年蒸发量1718mm。舜王坪亚高山草甸主要由旱生或旱中生地面植物组成，群落层次比较简单，草甸主要为草本植物，主要群落类型有白羊草草丛，蒿类草丛等。2.2土壤样品采集用“土钻法”获取土壤样品。采
10、用5cm直径土钻沿每个样方对角线（两个角和中心位置）钻取近地表20cm深度土壤，混匀后放入铝盒和塑封袋中带回实验室，用于土壤养分指标分析，包括土壤有机碳，水解氮及含水量。2.3土壤水分测定方法采用烘干称重法。（1）将放入土样的铝盒称重（铝盒已知重量）；（2）放入烘箱，在105-110温度下烘大约八小时至恒重；（3）取出放在干燥器中冷却20分钟，立即称重；（4)同上2、3，重烘三小时，取出放在干燥器中，待冷却后，再立即称重；（5）结果计算。2.4优势种生产力测定方法样方内所有植物地上部分分物种齐地面剪下，按生物量大小从高到低排序，前三种物种作为优势种12，在实验室65烘干条件下烘干直至恒重，称量
11、后作为优势种生产力指标。在分析土壤水分对优势种生产力影响中不仅考虑优势种在不同样方中的生物量，还考虑优势种在不同样方中的相对生物量。2.5统计分析方法（1）用IBM Spss statistics 21分析软件对土壤水分和优势种生产力两个变量进行pearson分析和线性回归分析。（2）使用 SigmaPlot作图。3 研究结果3.1土壤水分与不同优势种生物量之间的关系3.1.1土壤水分与不同优势种生物量之间的Pearson相关分析由表1可知，土壤水分与优势种橐吾生物量间没有显著性相关（R=0.304，p=0.271），表明土壤水分对优势种橐吾生物量在群落中的作用不明显；土壤水分与优势种早熟禾生
12、物量之间无显著性相关（R=-0.059，p=0.705），表明土壤水分对优势种早熟禾生物量在群落中的作用未产生影响；土壤水分与优势种地榆生物量间没有显著相关（R=-0.288，p=0.058），表明土壤水分对优势种地榆生物量在群落中的作用未产生影响。表1土壤水分与不同优势种生物量的皮尔森相关性优势种种类土壤水分显著性水平橐吾0.304p=0.271早熟禾-0.059p=0.705地榆-0.288p=0.058 注：*代表P0.01；*代表p0.053.1.2土壤水分与不同优势种生物量之间的回归分析3.1.2.1山地草甸土壤水分对优势种橐吾生物量的影响将土壤水分与优势种橐吾生物量进行线性回归分析
13、，研究结果如表2和图1所示，土壤水分与橐吾生物量拟合为线性关系（R2=0.092,p=0.271）,说明随着土壤水分的增加，橐吾生物量增加，且增加较为明显。表2 土壤水分与优势种生物量的线性回归优势种 回归方程FpR2橐吾y 1 = 427.817x+0.7901.3220.2710.092早熟禾y 2=-20.822x+57.4100.1450.7050.003地榆y 3= -159.980x +114.4073.8060.0580.083图1 土壤水分与优势种橐吾生物量的线性曲线3.1.2.2山地草甸土壤水分对优势种早熟禾生物量的影响将土壤水分与优势种早熟禾生物量进行线性回归分析，研究结果
14、如表2和图2所示，土壤水分与早熟禾生物量拟合为线性关系（R2=0.003，p=0.705），说明随着土壤水分的增加，对早熟禾生物量并没有明显作用。图2 土壤水分与优势种早熟禾生物量的线性曲线3.1.2.3山地草甸土壤水分对优势种地榆生物量的影响将土壤水分与优势种地榆生物量进行线性回归分析，研究结果如表2和图3所示，土壤水分与地榆生物量拟合为线性关系（R2=0.083,p=0.058）,说明随着土壤水分的增加，地榆生物量呈下降趋势。图3 土壤水分与优势种地榆生物量的线性曲线3.2土壤水分与不同优势种相对生物量之间的关系3.2.1 土壤水分与不同优势种相对生物量之间的Pearson相关分析由表3可
15、知，土壤水分与优势种橐吾相对生物量间无显著性相关（R=0.356,p=0.192）,表明土壤水分对优势种橐吾在群落中的作用未产生影响；土壤水分与优势种早熟禾相对生物量间没有显著性相关（R=-0.246,p=0.108）,表明土壤水分对优势种早熟禾在群落中的地位未产生影响；土壤水分与优势种地榆相对生物量呈显著负相关（R=-0.329,p=0.038）,说明土壤水分是影响地榆相对生物量的重要因素，随着土壤水分的减少，地榆相对生物量增大。表3 土壤水分与不同优势种相对生物量的皮尔森相关性优势种种类土壤水分显著性水平橐吾0.356p=0.192早熟禾-0.246p=0.108地榆-0.329*p=0.
16、038 注：*代表p0.01；*代表p0.053.2.2土壤水分与不同优势种相对生物量间回归分析3.2.2.1山地草甸土壤水分对优势种橐吾相对生物量的影响将土壤水分与优势种橐吾相对生物量进行线性回归分析，研究结果如图4和表4所示，土壤水分与橐吾相对生物量拟合为线性关系（R2=0.127,p=0.192）,说明随着土壤水分的增加，橐吾相对生物量增加，且增长较为明显。优势种 回归方程FpR2橐吾y 1 = 0.839x+0.2131.8930.1920.127早熟禾y 2=-0.509x+0.4882.6960.1080.060地榆y 3= -0.902x +0.6194.6100.0380.10
17、8表4 土壤水分与优势种相对生物量的线性回归图4 土壤水分与优势种橐吾相对生物量的线性曲线3.2.2.2山地草甸土壤水分对优势种早熟禾相对生物量的影响将土壤水分与优势种早熟禾相对生物量进行线性回归分析，研究结果如图5和表4所示，土壤水分与早熟禾相对生物量拟合为线性关系（R2=0.060,p=0.108）,说明随着土壤水分的增加，早熟禾相对生物量降低，但下降速度缓慢。图5 土壤水分与优势种早熟禾相对生物量的线性曲线3.2.2.3山地草甸土壤水分对优势种地榆相对生物量的影响将土壤水分与优势种地榆相对生物量进行线性回归分析，研究结果如图6和表4所示，土壤水分与地榆相对生物量拟合为线性关系（R2=0.
18、108,p=0.038）,说明随着土壤水分的增加，地榆相对生物量降低，但两者相关系数较低。图6 土壤水分与优势种地榆相对生物量的线性曲线4 讨论通过现有的黄土高原植被生产力研究的文献可以得出：只要水分和土壤肥力条件进行改善，林地草地植被就会相应提高，并且黄土高原林地和草地生产力水平的时空分布，与区域内水分状况分布有着严格的一致性13。大量研究发现，优势种的功能性状影响生态系统功能。Mokany等研究澳大利亚堪培拉北部的天然草地的结果认同质量比例假说，认为优势种的功能性状在生态系统中发挥着重要作用14。因此，土壤水分可能会对优势种的生产力产生重要影响，但本研究发现，土壤水分对优势种生产力未产生影
19、响，说明在舜王坪山地草甸土壤水分可能对生态系统功能产生微弱影响，可能是因为舜王坪山地草甸位于黄土高原的东南部，受黄土高原生态系统整体影响小，且舜王坪山地草甸海拔较高，气温、湿度等与黄土高原其他地区有差异，导致土壤水分对优势种生产力产生的作用微弱。林夏珍等在对不同种类的橐吾进行不同遮阴条件下的光适应研究中发现，橐吾对光照要求不高，属于耐阴植物类型，适合在弱光环境下栽培15-16。因此土壤水分对橐吾生产力影响作用微弱。余群等在研究土壤含水量对草地早熟禾出苗及根系的影响中发现，土壤含水量高的处理生物量明显高于土壤含水量低的处理，但并不意味着土壤含水量越高植株生物量就越高17。所以土壤水分在一定范围内
20、对早熟禾有影响，与本研究中土壤水分对早熟禾影响不显著基本一致。在本研究中发现土壤水分对地榆绝对生物量影响微弱，但对地榆相对生物量影响显著，说明土壤水分在对地榆产生影响过程中受群落内其它物种的影响。5 结论通过研究舜王坪山地草甸土壤水分对优势种橐吾、早熟禾和地榆生产力影响，发现土壤水分仅对优势种地榆的相对生物量产生影响，而对优势种橐吾和早熟禾的生物量和相对生物量未产生影响。表明土壤水分会对当地生态系统优势种产生一定的影响，但这种作用受群落内其他物种的影响。同时，土壤水分的影响也受优势种种类的影响。参考文献1Grime,JP(1998).Benefit of plant diversity to
21、ecosystems：immediate,filter and founder effects.Journal of Ecology,86,902-910.2蒋静，张超波，张雪彪，杨启红.土壤水分对植物根系固土力学性能的影响综述J.中国农学通报，2015,31(11):253-261.3朱志梅，杨持，曹明明. 草原沙漠化过程中土壤因素分析及其植物的生理响应J. 生态学报，2007，27(1):48-57.4朱雅娟，贾志清，卢琦，等.乌兰布和沙漠5种灌木水分利用策略J.林业科学，2010,46(4):15-21.5郭庆达，李玉山.黄土高原南部土壤水分有效性研究J.土壤学报，1994,31(3):
22、236-243.6杨利民，周广胜，李建东.松嫩平原草地群落物种多样性与生产力关系研究J.植物生态学报，2002,26(5):589-593.7张志南.黄土高原半干旱区天然草地群落及土壤水碳关系研究D.杨凌:西北农林科技大学，2014:1-49.8李博等.锡林河流域植被及其利用A，草原生态系统研究-,1988,pp.84-183.9李绍良.草原土壤水分状况与植物生物量关系的初步研究A，草原生态系统研究-C，1985:pp.195-202.10柴雯，王根绪，李元寿，等.长江源区不同植被覆盖下土壤水分对降水的响应J.冰川冻土，2008，(02):329-337.11陈姣.生态恢复工程对历山舜王坪亚高
23、山草甸植被的影响研究D.山西:黄土高原研究所，2012:1-33.12吕亭亭，王平，燕红，等.草甸和沼泽植物群落功能多样性与生产力的关系J.植物生态学报，2014,38(5):405-416.13刘江华.黄土丘陵区小流域土壤水分和植被生产力空间分异研究D.西北农林科技大学，2003.14Mokany K,Ash J,Roxburgh S(2008).Functional identity is more important than diversity in influencing ecosystem processes in a temperate native grassland.Journal of Ecology,1996,884-893.15林夏珍，卢婷.遮光对蹄叶橐吾形态及光合特性的影响C/张启翔.中国观赏园艺研究进展.北京：中国林业出版社,2008:362-366.16林夏珍，卢婷.遮光对窄头橐吾形态及光合特性的影响J.浙江林学院学报，2008,25（5):614-618.17余群，张寒丽，柴琦，李章杰，唐世杰.不同土壤含水量对草地早熟禾出苗及根系的影响J.草业科学，2013,30(09):1338-1343.
