貝加爾針茅草原植物多樣性與地上生物量及其關(guān)系對(duì)刈割的響應(yīng)

郭明英， 衛(wèi)智軍， 吳艷玲， 閆瑞瑞， 烏仁其其格

(1. 呼倫貝爾市草原工作站， 內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021008； 2. 內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特010019；3. 內(nèi)蒙古師范大學(xué)生命科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 內(nèi)蒙古 呼和浩特010022； 4. 呼倫貝爾草原生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站/農(nóng)業(yè)部資源遙感與數(shù)字農(nóng)業(yè)重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京100081；5. 呼倫貝爾學(xué)院生命科學(xué)與化學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼倫貝爾021008)

貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草原是歐亞草原區(qū)、亞洲中部草原亞區(qū)東部特有的一種原生草原類型，是草甸草原的代表類型之一和重要的天然放牧場(chǎng)和割草場(chǎng)資源，在呼倫貝爾畜牧業(yè)生產(chǎn)中占有重要的地位。本研究以呼倫貝爾貝加爾針茅草甸草原為研究對(duì)象，分析不同刈割方式對(duì)天然割草地植物多樣性和地上生物量的影響及其相互關(guān)系，為貝加爾針茅草甸草原割草地的合理利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)自然概況

研究區(qū)位于呼倫貝爾市陳巴爾虎旗呼和諾爾鎮(zhèn)，地理位置49°49.547′ N，119°71.053′ E，是呼倫貝爾草原中心地帶，海拔576.6 m。該地區(qū)屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫-1.6℃，極端最高氣溫41.6℃，極端最低氣溫-48.0℃，年均降雨量為320.7 mm，無霜期116 d，2014，2015，2016年氣象資料從陳巴爾虎旗氣象局獲取，研究區(qū)降雨量及溫度如圖1所示。植物群落類型為溫性草甸草原，屬于貝加爾針茅群落，主要優(yōu)勢(shì)種有貝加爾針茅、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenes.squarrosa)、雙齒蔥(Alliumbidentatum)、扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)、寸草苔(Carexduriuscula)、絲葉苦荬菜(Lxerischinensis)等，并伴以其他雜類草。

圖1 研究區(qū)域氣溫和降雨量變化Fig.1 changes of temperature and rainfall in experimental region

1.2 研究方法

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)分別于2014—2016年進(jìn)行，試驗(yàn)地貝加爾針茅草原割草地，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，4個(gè)留茬高度3個(gè)刈割時(shí)間，留茬高度分別為對(duì)照(CK)、留茬2 cm(A)、留茬5 cm(B)和留茬8 cm(C)，刈割時(shí)間分別為8月1日、8月15日和8月30日，每個(gè)處理3次重復(fù)。

1.2.2取樣與分析 分別于2014—2016年的不同刈割時(shí)間對(duì)植物種類組成、高度、多度和蓋度等特征值進(jìn)行測(cè)定，根據(jù)不同留茬高度將植物地上部分帶回實(shí)驗(yàn)室烘干至恒重。

以物種多樣性和重要值作為研究某個(gè)種在群落中的地位和作用的綜合數(shù)量指標(biāo)。本文采用相對(duì)多度、相對(duì)高度及相對(duì)蓋度作為重要值的計(jì)算依據(jù)。多樣性選用豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener多樣性指數(shù)、Simpson優(yōu)勢(shì)度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)。采用Excel 2003軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理制圖，SAS 9.0軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 刈割方式對(duì)植物多樣性的影響

群落豐富度指數(shù)(Ma)、多樣性指數(shù)(H`)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)和均勻度指數(shù)(Jsw)在8月15日最高，8月1日次之，8月30日為最低，且D和Jsw于8月1日和8月15日顯著高于8月30日(P<0.05)。留茬高度對(duì)群落多樣性均有顯著性差異(P<0.05)。

年份變化Ma和H′呈現(xiàn)為2014年和2016年顯著高于2015年(P<0.05)；優(yōu)勢(shì)度指數(shù)(D)2016年顯著高于2014年和2015年(P<0.05)；Jsw無顯著差異。

2.2 刈割方式對(duì)地上生物量的影響

留茬高度和年份變化對(duì)地上生物量的影響均達(dá)極顯著水平(P<0.001)，2014年顯著高于2015年和2016年(P<0.05)，對(duì)照區(qū)顯著高于其他3種留茬高度(P<0.05)。刈割時(shí)間對(duì)地上生物量的影響差異不顯著(P>0.05)；2因子交互作用對(duì)地上生物量均存在顯著影響(P<0.05)，而3因子交互作用對(duì)地上生物量影響不顯著(P>0.05)。

2.3 不同刈割方式下植物多樣性與地上生物量的關(guān)系

回歸分析表明，3年的群落地上生物量均隨著植物多樣性的增加而隨之增加，且植物多樣性和地上生物量均表現(xiàn)為顯著的正相關(guān)，其中2014年表現(xiàn)為極顯著的正相關(guān)關(guān)系(圖3)。

表2 貝加爾針茅割草地植物多樣性指數(shù)Tab.2 Plant diversity index of Stipa baicalensis mowing grassland

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)；A為留茬2 cm，B為留茬5 cm，C為留茬8 cm，CK為對(duì)照

Note：Different lowercase letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level;A:2 cm stubble,B:5 cm stubble,C:8 cm stubble,CK:control

圖2 不同刈割年份及留茬高度對(duì)草地生物量的影響Fig.2 Effect of different mowing years and stubble heights on grassland Biomass

表3 貝加爾針茅割草地地上生物量的方差分析Tab.3 Variance analysis of aboveground biomass in Stipa baicalensis mowing grassland

變異來源Source自由度DF平方和SS均方MSF統(tǒng)計(jì)量F Value顯著性檢驗(yàn)Pr>F模型Model35309 884.888 853.8529.47<.0001年份NF2220 798.78110 399.39367.47<.0001刈割時(shí)間YF2933.61466.801.550.2185留茬高度LG359 009.4519 669.8265.47<.0001年份×刈割時(shí)間NF×YF47 242.211 810.556.030.0003年份×留茬高度NF×LG610 597.741 766.295.88<.0001刈割時(shí)間×留茬高度YF×LG64 544.73757.452.520.0285年份×刈割時(shí)間×留茬高度NF×YF×LG126 758.36563.201.870.0521誤差Error7221 631.07300.43總變異Total107331 515.95

3 討論

3.1 刈割對(duì)植物多樣性的影響

刈割干擾是草地多樣性變化的主要影響因素之一，研究表明8月15日呈現(xiàn)為草地群落物種豐富、多樣性高、均勻程度高和優(yōu)勢(shì)種地位高的特點(diǎn)，8月1日次之，8月30日最低，這與楊尚明等刈割對(duì)呼倫貝爾割草地群落特征的影響[1]，張宏一對(duì)羊草草地刈割時(shí)間的研究結(jié)果一致[2]。盡管多樣性受生物因子、環(huán)境因子、群落演替的階段、自然干擾和人為干擾等多種因素的綜合影響，但環(huán)境因子對(duì)植物多樣性的形成具有非常重要的作用。本研究結(jié)果顯示，刈割人為干擾對(duì)草地植物多樣性有一定的影響，但是由于不同試驗(yàn)?zāi)攴莸臍夂蛞蛩夭煌?，致使?duì)草地植物多樣性影響較大，這與已有[3-4]的研究結(jié)果一致。

圖3 不同年份貝加爾針茅割草地植物多樣性與地上生物量的關(guān)系Fig.3 The relationship between plant diversity and aboveground biomass of the Stipa baicalensismowing grassland in different years

3.2 刈割對(duì)植物地上生物量的影響

天然牧草的整個(gè)生命過程都在自然環(huán)境中進(jìn)行的，其產(chǎn)量的形成與高低很大程度上受制于區(qū)域氣候、土壤和牧草本身機(jī)能等因素的影響。本研究不同刈割時(shí)間對(duì)草地群落地上生物量無顯著影響，留茬高度和年份變化對(duì)地上生物量有顯著影響，呈現(xiàn)出對(duì)照區(qū)生物量最高，且2014年地上生物量顯著高于2015年和2016年，主要由于2015年和2016年呼倫貝爾草原牧區(qū)出現(xiàn)不同程度干旱(由圖1可知)，說明降雨量顯著影響植物地上生物量，這符合趙慧穎等[5]對(duì)呼倫貝爾草地天然牧草生物量預(yù)報(bào)模式研究和白永飛等[6]關(guān)于降雨量是決定群落生物量高低的限制因素的研究結(jié)果。

3.3 植被多樣性與地上生物量的關(guān)系

已有的研究從不同角度和不同地域環(huán)境探討了植物生產(chǎn)力與多樣性之間的關(guān)系，而多樣性與生物量的關(guān)系不是一成不變的，而受研究的生物類型、環(huán)境類型和時(shí)間尺度的制約。研究表明多樣性與地上生物量的存在多種模式，其中Tilman[7]研究表明，隨著多樣性的增加，生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力顯著增加，Kassen[8]研究發(fā)現(xiàn)植物多樣性與生產(chǎn)力呈正相關(guān)。這與本研究結(jié)果一致，即3個(gè)試驗(yàn)?zāi)甓戎参锒鄻有耘c地上生物量存在顯著的線性關(guān)系，呈“正相關(guān)”單峰關(guān)系。植物群落生產(chǎn)力與物種多樣性之間關(guān)系是十分復(fù)雜的，生產(chǎn)力與物種多樣性之間可能具有多重因果關(guān)系[9-10]。因所研究的植物群落類型或地域的不同而顯著不同，今后應(yīng)更加關(guān)注物種多樣性與生產(chǎn)力形成機(jī)制的研究。

4 結(jié)論

本研究采用不同刈割方式對(duì)貝加爾針茅草甸草原植物多樣性和地上生物量的影響及其相互關(guān)系進(jìn)行研究，結(jié)果表明：隨著留茬高度的增加，地上生物量顯著下降；刈割時(shí)間對(duì)群落地上生物量影響不明顯，但對(duì)物種優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)影響顯著，而留茬高度對(duì)植物多樣性影響均不顯著；植物多樣性和地上生物量呈現(xiàn)出顯著正相關(guān)關(guān)系。