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Impact of micro-landform on grassland plant community structure and function in the hilly Loess Plateau region, China.

黄土丘陵区微地形对草地植物群落结构组成和功能特征的影响


对黄土丘陵区微地形(阳坡坡上、中、下部,坡顶,阴坡坡上、中、下部)条件下草地植物群落进行群落组成调查和地上、地下生物量测定,分析微地形对草地植物群落结构组成和功能特征的影响.结果表明: 研究区内草地植物群落主要由菊科、禾本科和豆科物种组成.群落地上和地下生物量以及根系年生长量分别为164.12 g·m-2、1044.87 g·m-2、731.77 g·m-2·a-1.群落地上和地下生物量以及根系年生长量在不同坡向的大小均为:阴坡>阳坡>坡顶.在阴坡,群落生物量和根系年生长量的大小为:坡下部>坡中部>坡上部>坡顶部,阳坡群落生物量在不同坡位的大小顺序与阴坡不同.根系生长主要集中在0~20 cm土层,且从上到下逐渐减小.根系周转率的平均值为0.75 a-1,在不同微地形条件下不同土层内大小不同.
 

In order to analyze the impact of micro-landform on grassland plant community structure and function, species composition, aboveground and belowground biomass, and annual fine root production at different slope aspects (sunny slope and shady slope) and different slope positions (top, upper, middle and lower) were investigated in the hilly Loess Plateau region. The results showed that grassland communities were mainly composed of plants species belonging to Compositae, Poaceae and Leguminosae. The aboveground and belowground biomass and annual fine root production of community were 164.12 g·m-2, 1044.87 g·m-2 and 731.77 g·m-2·a-1, respectively. Aboveground biomass, belowground biomass and annual fine root production of community were in the order of shady slope > sunny slope > top slope.
In shady slope, the biomass of community under different positions were in the order of lower > middle > upper > top, but it exhibited different orders in the sunny slope compared with shady slope. Fine root mainly concentrated in the 0-20 cm top soil layer and decreased with soil depth. The average turnover time of root was 0.75 a-1 and changed with soil layers and micro-landform.


全 文 :黄土丘陵区微地形对草地植物群落
结构组成和功能特征的影响
汝海丽1,2  张海东3  焦  峰1,3∗  薛超玉3  郭美丽1,2
( 1中国科学院水利部水土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 2中国科学院大学, 北京 100049; 3西北农林科技大学资源环境学
院, 陕西杨凌 712100)
摘  要  对黄土丘陵区微地形(阳坡坡上、中、下部,坡顶,阴坡坡上、中、下部)条件下草地植
物群落进行群落组成调查和地上、地下生物量测定,分析微地形对草地植物群落结构组成
和功能特征的影响.结果表明: 研究区内草地植物群落主要由菊科、禾本科和豆科物种组
成.群落地上和地下生物量以及根系年生长量分别为 164.12 g·m-2、1044.87 g·m-2、731.77
g·m-2·a-1 .群落地上和地下生物量以及根系年生长量在不同坡向的大小均为:阴坡>阳坡>
坡顶.在阴坡,群落生物量和根系年生长量的大小为:坡下部>坡中部>坡上部>坡顶部,阳坡群
落生物量在不同坡位的大小顺序与阴坡不同.根系生长主要集中在 0 ~ 20 cm 土层,且从上到
下逐渐减小.根系周转率的平均值为 0.75 a-1,在不同微地形条件下不同土层内大小不同.
关键词  坡向; 坡位; 物种多样性; 生物量; 根系年生长量
Impact of micro⁃landform on grassland plant community structure and function in the hilly
Loess Plateau region, China. RU Hai⁃li1,2, ZHANG Hai⁃dong3, JIAO Feng1,3∗, XUE Chao⁃yu3,
GUO Mei⁃li1,2 ( 1 Institute of Soil and Water Conservation, Chinese Academy of Sciences, Yangling
712100, Shaanxi, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100,
Shaanxi, China) .
Abstract: In order to analyze the impact of micro⁃landform on grassland plant community structure
and function, species composition, aboveground and belowground biomass, and annual fine root
production at different slope aspects ( sunny slope and shady slope) and different slope positions
(top, upper, middle and lower) were investigated in the hilly Loess Plateau region. The results
showed that grassland communities were mainly composed of plants species belonging to Composi⁃
tae, Poaceae and Leguminosae. The aboveground and belowground biomass and annual fine root
production of community were 164.12 g·m-2, 1044.87 g·m-2 and 731.77 g·m-2·a-1, respec⁃
tively. Aboveground biomass, belowground biomass and annual fine root production of community
were in the order of shady slope > sunny slope > top slope. In shady slope, the biomass of commu⁃
nity under different positions were in the order of lower > middle > upper > top, but it exhibited dif⁃
ferent orders in the sunny slope compared with shady slope. Fine root mainly concentrated in the 0-
20 cm top soil layer and decreased with soil depth. The average turnover time of root was 0.75 a-1
and changed with soil layers and micro⁃landform.
Key words: slope aspect; slope position; species diversity; biomass; annual fine root production.
本文由国家自然科学基金项目(41271043,31370455)、中国科学院
“百人计划”项目资助 This work was supported by the National Natural
Science Foundation of China (41271043,31370455) and the Program of
One⁃Hundred Talented People of the Chinese Academy of Sciences.
2015⁃06⁃03 Received, 2015⁃11⁃18 Accepted.
∗通讯作者 Corresponding author. E⁃mail: jiaof@ ms.iswc.ac.cn
    群落物种多样性和生物量是草地植物群落生态 学研究的核心部分[1-2] .群落物种多样性是表征群落
结构的重要参数,不仅可以反映群落内物种组成的
变化,还可以表征群落的稳定性及生境差异[3-4] .群
落生物量是指某一时刻调查时单位面积上积存的有
机物质,是生态系统获取能量能力的集中表现,对生
态系统结构形成和功能变化具有重要作用,也是草
应 用 生 态 学 报  2016年 1月  第 27卷  第 1期                                            http: / / www.cjae.net
Chinese Journal of Applied Ecology, Jan. 2016, 27(1): 25-32                      DOI: 10.13287 / j.1001-9332.201601.039
地生态系统研究的内容之一[5] .对于植物生态系统,
植物的地下部分与地上部分同等重要,但早期关于
草地植物群落生物量的研究多关注于地上部分.近
年来,随着植被生态系统的深入研究,地下部分的研
究开始受到广泛关注[6] .根系作为提供植物生长所
需养分和水分的重要器官,其生长特性及空间分布
是反映植物地下部分生长的重要内容.根系的空间
结构不仅决定了其对土壤资源的利用效果及潜力,
也反映了土壤中水分和养分的分配格局[7-8] .
在区域至全球尺度上,地带性气候条件是决定
植被类型和分布的主导因素,但是在同一气候区,地
形是影响植被格局和特征的重要因子之一[9-10] .微
地形条件下由于微气候的差异,导致不同地形条件
下土壤理化性质的差异,并且微气候环境的不同通
常与土壤水分和土壤腐蚀潜力相关,这也可以解释
植物群落分布的不同[11] .坡向和坡位是黄土丘陵区
重要的地形因子,是导致植物群落特征产生差异的
间接环境因子,它通过改变光照、温度、水分和土壤
养分等生态因子而对群落结构和生产力以及生态系
统功能等产生重要影响[12] .
目前,已有大量关于微地形条件下草地植物群
落生态学特性的研究[13-15];但在黄土丘陵区植被自
然恢复过程中,关于微地形条件下草地植物群落物
种多样性与生物量特征的研究较少[16-17] .本研究以
安塞水土保持综合试验站不同微地形条件下草地植
物群落为研究对象,调查了群落物种组成并测定了
群落地上、地下生物量以及根系年生长量和周转率
特征,并分析了其随坡向、坡位的变化规律,有助于
对该区草地植物群落结构和功能特征的深入研究,
以期为黄土丘陵区植被恢复与重建提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
试验区位于安塞县真武洞镇中国科学院水土保
持研究所安塞水土保持综合试验站 ( 36° 41′ N,
109° 13′ E),属典型的黄土高原丘陵沟壑区.气候类
型为暖温带半干旱气候,年均温 8.8 ℃,降雨多集中
在 7—9月,且暴雨较多,年降水量 531.4 mm,年日
照时数 2395.6 h.主要土壤类型为黄绵土,占土地总
面积的 95%.植被区属于森林草原区,主要草本植物
有白羊草 (Bothriochloa ischaemum)、长芒草 ( Stipa
bungeana)、中华隐子草(Cleistogenes chinensis)、丛生
隐子草(C. caespitosa)等禾本科植物,达乌里胡枝子
(Lespedeza davurica)、草木樨状黄芪(Astragalus me⁃
lilotoides)等豆科植物,铁杆蒿(Artemisia sacrorum)、
茭蒿(A. giraldii)、阿尔泰狗娃花(Heteropappus altai⁃
cus)等菊科植物,菊叶委陵菜(Potentilla tanacetiflo⁃
lia)、二裂委陵菜(P. bifurca)等蔷薇科植物.在水分
较好地段有杠柳(Periploca sepium)、狼牙刺(Sophora
viciifolia)、铁线莲(Clematis fruticosa)等灌木入侵,形
成以中旱生草本植物占绝对优势的植物群落.
1􀆰 2  研究方法
1􀆰 2􀆰 1样地信息采集  根据黄土丘陵区特殊的地形
地貌条件对植被群落的影响,选择典型断面.选择相
同或相似的退耕时间,按照不同坡位(坡下部、坡中
部、坡上部、坡顶部)和坡向(阴坡和阳坡)进行样地
设置,每个样地 3个重复.用 GPS 采集样地的经、纬
度以及海拔信息.在各个样地内随机取 10 个 1 m×1
m的样方,记录样方内草本植物的种类、多度、盖度、
高度、频度.采样时间为 2013 和 2014 年的 8 月(植
物生长旺季),样地基本情况见表 1.
1􀆰 2􀆰 2地上、地下生物量测定  于 2013 年 8 月中旬
在各个样地内选取 3 个 1 m×1 m 的样方.在每个样
方内,从茎基部剪下地上部分,带回室内在 75 ℃下
48 h烘干至恒量,称干质量.地下生物量采用钻土芯
法采集,土钻内径 9.0 cm.在样地内随机选取 10 个
点进行取样,每个样点按照 0 ~ 20、20 ~ 50、50 ~ 80、
80~100 cm分层钻取.室内用筛孔为0.1 mm筛子在
表 1  样地信息
Table 1  General information of sites
坡向
Aspect
坡位
Position
海拔
Altitude (m)
坡度
Grade (°)
盖度
Coverage (%)
群落组成
Community composition
坡顶部 Top 1308 0 70 长芒草+菊叶委陵菜
阳坡 坡下部 Lower 1187 33 60 白羊草
Sunny 坡中部 Middle 1228 26 75 白羊草+铁杆蒿
坡上部 Upper 1286 28 65 丛生隐子草
阴坡 坡上部 Upper 1290 13 70 铁杆蒿+达乌里胡枝子
Shady 坡中部 Middle 1274 17 65 铁杆蒿+长芒草
坡下部 Lower 1164 15 85 丛生隐子草+长芒草
62 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 2  微地形条件下 0~ 20 cm土层土壤养分和水分含量
Table 2  Soil nutrients and moisture content in 0-20 cm soil layer under different habitats
坡向
Aspect
坡位
Position
土壤有机质
SOM
(g·kg-1)
土壤全氮
TN
(g·kg-1)
土壤全磷
TP
(g·kg-1)
土壤铵态氮
AN
(g·kg-1)
土壤硝态氮
NN
(g·kg-1)
土壤速效磷
AP
(g·kg-1)
土壤速效钾
AK
(g·kg-1)
土壤水分
SMC
(%)
土壤温度
ST
(℃)
坡顶部 Top 5.44 0.44 0.45 6.14 16.23 0.87 54.08 7.20 21.23
阳坡 坡下部 Lower 7.80 0.43 0.36 6.66 26.59 0.69 49.82 9.66 20.76
Sunny 坡中部 Middle 9.80 0.55 0.41 6.83 19.72 0.62 73.09 10.43 24.83
坡上部 Upper 10.32 0.76 0.52 7.42 18.20 0.66 126.75 8.34 24.69
阴坡 坡上部 Upper 7.68 0.65 0.45 6.55 26.26 0.68 81.71 10.06 19.73
Shady 坡中部 Middle 8.13 0.73 0.63 7.28 17.31 0.73 69.44 11.99 19.93
坡下部 Lower 12.02 0.81 0.48 7.53 17.15 0.68 65.40 12.47 16.05
SOM: Soil organic matter; TN: Total nitrogen; TP: Total phosphorus; AN: Ammonium nitrogen; NN: Nitrate nitrogen; AP: Available phosphorus; AK:
Available potassium; SMC: Soil moisture content; ST: Soil temperature.
流水中冲洗出根系,75 ℃下烘干至恒量后称干质
量.地下生物量( g·m-2)= 平均每根土芯根系干质
量 / [π×(0.09 / 2) 2].
1􀆰 2􀆰 3根系年生长量测定及周转率计算  根系年生
长量的测定采用内生长土芯法,土芯长度 1 m.在
2013年 8 月中旬挖取根系生物量后的 10 个土洞
中,埋入尼龙网袋,于 2014年 8月中旬取出,测定长
入土芯不同深度的根系干质量(包括活根和死根),
即为该年度的根系年生长量的最小估计.根系年生
长量( g·m-2·a-1) = 平均每根土芯根系干质量 /
[π×(0.09 / 2) 2],根系周转率(a-1)=根系年生长量 /
根系生物量[18] .
1􀆰 2􀆰 4土壤养分、含水量测定  在每个断面上按照 S
形选取 5 个样点,每个样点钻取 0 ~ 20 cm 土层土
样,5 个样点每层的土样经四分法取舍后混合装入
自封袋,带回实验室,自然风干后,分别过 2和 0.149
mm尼龙筛后备用.土壤有机碳用重铬酸钾容量外加
热法测定;样品经浓 H2S04和混合加速剂(Na2S04 ∶
CuSO4,质量比 10 ∶ 1)消煮⁃流动分析仪测定土壤全
N含量;利用氯化钾浸提⁃流动分析仪测定土壤速效
氮含量;利用钼锑抗比色法测定土壤全 P 含量;利
用碳酸氢钠浸提⁃紫外分光光度计测定速效磷含量;
利用醋酸铵浸提⁃火焰光度计法测定土壤速效钾含
量.土壤含水量采用土钻法取样后,用烘干(105 ℃)
称量法测定.用地温计 EM50 测量土壤 0 ~ 20 cm 土
层温度.
1􀆰 3  数据处理
物种相对重要值计算[19]:
P i =(相对盖度+相对多度+相对频度) / 3
Margalef丰富度指数[19]:
Ma=(S-1) / lnN
Pielou均匀度指数[19]:
Jsw = ( - ∑P i lnP i) / lnS
Shannon多样性指数[19]:
H =- ∑P i lnP i
式中:P i为物种的相对重要值;S 为样方内物种数
目;N为样方内所有物种个体数之和.
利用 Excel 软件对数据进行统计分析,利用
SPSS 17.0软件进行双因素方差分析,采用最小差异
显著法(LSD)进行多重比较(α = 0.05).利用 Sigma⁃
Plot 10.0软件作图.
2  结果与分析
2􀆰 1  草地植物群落物种组成及物种多样性
研究区内草地植物群落物种分布在菊科、禾本
科和豆科的比例较高,7 个样地这 3 大科的植物种
占总物种数比例的平均值为 58.1%,其中,以菊科植
物占据优势地位,占 3大科物种数的 54.8%,其次是
豆科,再其次是禾本科.阳坡以白羊草、草木樨状黄
芪、丛生隐子草等喜阳性植物为优势种,共有草本植
物 28种.阴坡则以铁杆蒿、长芒草、达乌里胡枝子为
优势种,共有草本植物 36 种,比阳坡高 28.6%.坡顶
以长芒草、菊叶委陵菜等为优势种,共有草本植物
29种,其值小于阴坡而大于阳坡.
如图 1 所示,Margalef 丰富度指数从阳坡坡下
部到阴坡坡下部表现出“W”型的变化趋势,最小值
在阳坡坡上部出现,最大值在阴坡坡下部出现,平均
值为 2.81,变异系数为 16.4%.Pielou 均匀度指数为
0.6~0.8,平均值为 0.68,变异系数为 11.2%,从阳坡
坡下部到阴坡坡下部变化趋势不明显.Shannon 多样
性指数的平均值为 2.20,变异系数为 9.5%,从阳坡
坡下部到阴坡坡下部有微弱的上升趋势,但并不明
显.总体来说,Margalef 丰富度指数、Pielou 均匀度指
数、Shannon多样性指数在不同坡向的大小顺序均
为:阴坡(3.11、0.71、2.36)>坡顶(2.80、0.67、2.24)>
721期                    汝海丽等: 黄土丘陵区微地形对草地植物群落结构组成和功能特征的影响         
表 3  不同立地条件下群落组成
Table 3  Composition of plant community under different habitats
坡向
Aspect
坡位
Position
总科数
Total
families
总属数
Total
genera
总种数
Total
species
物种数分布 Species distribution
菊科
Compositae
豆科
Poaceae
禾本科
Leguminosae
小计
Sum
所占比例
Percentage
坡顶部 Top 11 17 29 8 3 2 13 44.8
阳坡 坡下部 Lower 11 14 20 7 4 2 13 65.0
Sunny 坡中部 Middle 10 22 24 7 3 3 13 54.2
坡上部 Upper 11 18 21 8 3 3 14 66.7
阴坡 坡上部 Upper 11 20 26 8 4 5 17 65.4
Shady 坡中部 Middle 12 21 27 9 3 4 16 59.3
坡下部 Lower 13 23 32 10 5 3 18 56.3
表 4  不同坡向、坡位群落物种多样性方差分析
Table 4  Analysis of variance of community species diversity under different slope aspects and slope positions
因素
Factor
Magalef丰富度指数 Ma
均方差 MS F
Pielou均匀度指数 Jsw
均方差 MS F
Shannon多样性指数 H
均方差 MS F
坡向 Aspect 1.12 43.04∗∗ 0.02 5.98∗ 0.18 9.14∗∗
坡位 Position 0.61 23.61∗∗ 0.01 2.61 0.07 3.68∗
坡向×坡位 Aspect×position 0.13 5.18∗ 0.01 1.05 0.02 1.03
Ma: Magalef丰富度指数 Magalef richness index; Jsw: Pielou均匀度指数 Pielou evenness index; H: Shannon多样性指数 Shannon diversity index.
∗P<0.05; ∗∗P<0.01. 下同 The same below.
阳坡(2.51、0.66、2.03).但 3 个多样性指数在阴、阳
坡不同坡位的大小顺序并不一致.
如表 4 所示,坡位对 Margalef 丰富度指数和
Shannon多样性指数影响显著.坡向和坡位的交互作
用对 Margalef丰富度指数、Pielou均匀度指数、Shan⁃
non多样性指数都有影响,其中,对 Margalef 丰富度
指数的影响达显著水平.
图 1  不同立地条件下群落物种多样性
Fig.1  Species diversity of communities under different habitats.
Ma: Margalef丰富度指数 Margalef richness index; Jsw: Pielou 均匀度
指数 Pielou evenness index; H: Shannon多样性指数 Shannon diversity
index. a) 阳坡坡下部 Lower sunny slope; b) 阳坡坡中部Middle sunny
slope; c) 阳坡坡上部 Upper sunny slope; d) 坡顶部 Top slope; e) 阴
坡坡上部 Upper shady slope; f) 阴坡坡中部 Middle shady slope; g)
阴坡坡下部 Lower shady slope. 下同 The same below.
2􀆰 2  微地形条件下草地植物群落地上、地下生物量
变化
如图 2所示,植物群落地上生物量为 119.46 ~
236.35 g·m-2,平均值 164.12 g·m-2,变异系数为
29􀆰 0%;群落地下生物量为 618. 68 ~ 1642􀆰 23
g·m-2,平均值 1044.87 g·m-2,变异系数为 36.6%.
群落地上、地下生物量从阳坡坡下部到阴坡坡下部
的变化趋势基本一致,两者都在坡顶部最小,阴坡坡
下部最大,其在不同坡向的大小顺序都为:阴坡
(196.37、1208. 49 g·m-2) >阳坡(146. 76、1022. 60
g·m-2)>坡顶(119.46、640.68 g·m-2).群落地上、
地下生物量在阴 、阳坡的不同坡位大小顺序不
图 2  不同立地条件下群落地上生物量
Fig. 2   Aboveground biomass of communities under different
habitats.
82 应  用  生  态  学  报                                      27卷
表 5  不同坡向、坡位群落地上、地下生物量及根系年生长量方差分析
Table 5  Variance analysis of aboveground biomass, belowground biomass and annual fine root production under different
slope aspects and slope positions
因素
Factor
地上生物量 Aboveground biomass
均方差 MS F
地下生物量 Belowground biomass
均方差 MS F
根系年生长量 Annual fine root production
均方差 MS F
坡向 Aspect 7384.61 4.44 103658.10 58.17∗∗ 9142.94 3.38
坡位 Position 1676.62 1.01 194915.38 109.39∗∗ 10295.19 3.81
坡向×坡位 Aspect×position 1224.61 0.74 487107.02 273.36∗∗ 124908.96 46.22∗∗
同(图 3).在阳坡,地上生物量的大小顺序为:坡中部>
坡下部>坡上部>坡顶部,而地下生物量的大小顺序
为:坡中部>坡上部>坡顶部>坡下部.在阴坡,地上、
地下生物量的大小顺序均为:坡下部>坡中部>坡上
部>坡顶部.群落地下生物量显著大于地上生物量,7
个样地群落地下生物量与地上生物量之比分别为
4􀆰 29、8􀆰 46、8.11、5.20、4.23、7.15、6.72,平均值 6.31.
7个样地群落地下生物量随土层深度增加呈递减趋
势,且 0 ~ 20 cm 土层生物量显著大于其他各层,占
0~100 cm土层总生物量的比例为 48.1%.除了坡顶,
其余各样地地下生物量在 4个土层间差异均达显著
水平.如表 5 所示,坡向、坡位及二者的交互作用对
草地植物群落地下生物量的影响均显著.
2􀆰 3  微地形条件下草地植物群落根系年生长量及
其周转率变化
如图 4所示,群落 0 ~ 100 cm 土层根系年生长
量为 559.78 ~ 1096.35 g·m-2·a-1,均值为 731􀆰 77
g·m-2·a-1,变异系数 22.2%,其从阳坡坡下部到
阴坡坡下部的变化趋势与群落生物量基本一致.0 ~
20、20~50、50~80、80~100 cm土层根系年生长量为
212.14~ 405.94、136.41 ~ 237.81、111.14 ~ 258.53 和
79.87~140.07 g·m-2·a-1,与根系生物量的空间分
布特征一致,根系生长量也随土层深度增加依次减
图 3  不同立地条件下不同土层地下生物量
Fig.3  Belowground biomass at different soil layers under dif⁃
ferent habitats.
图 4  不同立地条件下不同土层根系年生长量
Fig.4  Annual fine root production at different soil layers under
different habitats.
小.7个样地 0~ 20、20 ~ 50、50 ~ 80、80 ~ 100 cm 土层
根系年生长量之间差异均显著.根系生长主要集中
在 0~20 cm土层,占 0 ~ 100 cm 土层总生物量的比
例为 37. 8%.根系年生长量在不同坡向的大小顺
序为:阴坡 ( 782. 27 g·m-2 ·a-1 ) >阳坡 ( 727􀆰 37
g·m-2·a-1)>坡顶(592.61 g·m-2·a-1).在阳坡,
群落根系年生长量的大小顺序为:坡中部>坡上部>
坡顶部>坡下部;在阴坡,其大小顺序为:坡下部>坡
上部>坡中部>坡顶部.根系在 7 个样地 0 ~ 100 cm
土层的周转速率分别为 0.92、0.61、0.71、0.96、0.93、
0􀆰 49和 0.66 a-1,平均值为 0.75 a-1,并且同一样地
不同土层的周转速率不同.
3  讨    论
3􀆰 1  微地形条件对草地植物群落组成和物种多样
性的影响
群落物种组成是反映群落结构变化的重要指示
因子,是群落最重要、最基本特征之一[20] .微地形条
件下草地植物群落因生态因子(光照、温度、土壤养
分和水分)的差异对物种的分布格局、群落类型产
生影响[21] .从阳坡到阴坡变化显著的资源主要是光
和水,而不同的环境资源和环境异质性是形成群落
921期                    汝海丽等: 黄土丘陵区微地形对草地植物群落结构组成和功能特征的影响         
分布格局差异的主要原因之一[22] .本研究中,阳坡
以白羊草、草木樨状黄芪、丛生隐子草等喜阳性植物
为优势种,共有草本植物 28种,阴坡则以铁杆蒿、长
芒草、达乌里胡枝子为优势种,共有草本植物 36 种,
坡顶则以长芒草、菊叶委陵菜等为优势种,共有草本
植物 29 种.阴坡植物种类较阳坡丰富,这是由于阴
坡土壤水分和养分条件好于阳坡,适合更多的植物
种生存和生长发育.微地形因子(坡向、坡位)通过地
面起伏变化,外加风蚀、水蚀影响,改变了表层土的
土壤特性,从而在极小的范围内形成了明显的生境
异质性,为局域范围内草地植物群落物种多样性的
形成与维持提供了一种重要机制[23] .本研究中,群
落 Margalef丰富度指数,Pielou 均匀度指数和 Shan⁃
non多样性指数从阳坡坡下部到阴坡坡下部均呈上
升趋势,其值均在阴坡坡下部最大,阳坡坡上部最
小.3个多样性指数在不同坡向上的大小表现为:阴
坡>坡顶>阳坡,这与周萍等[24]的研究结果一致.
3􀆰 2  微地形条件对草地植物群落生物量的影响
植物群落生产力水平是生态系统功能的主要表
现形式[25],而生物量是反映能流、物质流和描述第
一性生产力的重要指标[5] .本研究中,地上、地下
生物量的平均值(164.12、1044.87 g·m-2)高于中
国草地生态系统地上、地下生物量 (127. 9、639􀆰 3
g·m-2) [26-28],低于黄土高原草本植物地上、地下生
物量(150 ~ 450、1490 ~ 6000 g·m-2) [29] .群落地下
生物量从 0~20、20 ~ 50、50 ~ 80 到 80 ~ 100 cm 土层
逐渐减小,且主要分布在 0 ~ 20 cm 土层.群落地上、
地下生物量均在坡顶最小,这是由于坡顶的土壤腐
殖质层厚度小,受干扰程度强,从而对植物生长发育
不利[30] .群落地上、地下生物量均在阴坡大于阳坡,
这是由于阳坡光照强度大,地表温度相对较高,表层
土壤水分蒸发快,抑制了植物的生长和发育.相比阳
坡,阴坡土壤水分和养分条件相对较好,而在黄土丘
陵区,土壤水分和养分是限制植物生长的关键因
子[31] .坡位导致坡上部与坡下部的植被类型差异明
显,阴、阳坡的坡顶部和坡上部生长的植株较坡中、
下部矮小,且群落总盖度较小,导致坡顶部和坡上部
的群落生产力低于坡中、下部.植物在生长过程中地
上部分与地下部分相辅相成,协调生长,二者的比值
可以反映分配给地下部的光合产物比例,是群落的
重要参数之一.本研究中,草地植物群落地下、地上
生物量之比为 6.31,与安塞铁杆蒿、长芒草和白羊草
3个群落的地下、地上生物量比值 (3. 78、5. 65 和
11􀆰 19) [29]接近.
3􀆰 3  微地形对草地植物群落根系年生长量和周转
速率的影响
本研究中,0 ~ 100 cm 土层群落根系年生长
量为 559.78~1096.35 g·m-2·a-1,平均值 731􀆰 77
g·m-2·a-1,0 ~ 20 cm 土层根系年生生长量为
212􀆰 14~405.94 g·m-2·a-1 .吴伊波等[32]用内生长
袋法测得高寒草甸 7—9月 0~ 20 cm 土层根系年生
长量为 171 ~ 227 g·m-2·a-1,接近本研究结果下
限.邓强等[33]用内生长土芯法测得黄土高原退耕草
地 0~ 40 cm 土层细根(≤2 mm)年生产量为 315
g·m-2·a-1,根据程积民[34]研究结果,草地植被细
根(≤2 mm)生物量约占总地下生物量的 80%,计算
得0~40 cm土层根系年生长量为 394 g·m-2·a-1,
且0~40 cm土层根系生物量占 0 ~ 100 cm 土层的比
例为 65%~85%,得出 0~100 cm土层根系年生长量
为 464~ 606 g·m-2·a-1,与本研究结果接近.本文
对根系的研究深度为 1 m,对根系年生长量的测定
结果偏大,可能是由于 2013年 7月中下旬研究区有
连续强降雨发生,降雨过后土壤下层水分含量增大,
促进了细根的增长,导致根系年生长量增加.根系年
生长量在阴坡大于阳坡,但是在阴、阳坡的不同坡位
其大小顺序不同,坡向与坡位的交互作用对其影响
显著.研究区草本植物群落根系年生长量随土层深
度增加逐渐减小,0~20 cm土层生长量占 0~100 cm
土层的 37.8%.有研究表明,根系的空间分布自上而
下呈 T字形分布[35],与本研究结果一致.根系的这
种垂直分布形式主要受植物自身物种特性、土壤理
化性质和养分含量的影响[36],黄土丘陵区在气候区
划上属于半干旱区,水热同季[37],大部分水分和养
分储存于土壤表层,植物将大部分根系分布在 0~20
cm表土层中,以获取更多的热量、水分和矿质营养
来满足生长需求.随着土壤深度的增加,土壤温度、
含水量和养分条件变差,根量随之减少.因此,根系
的这种垂直分布特征可以反映土壤中微环境的变
化.根系的周转速率等于一年中生物量的增加值与
生物量的最大值之比.它可以反映不同作物利用营
养元素的能力,其值越大即周转率越高,表明植物对
特定环境中的营养物质有更强的利用能力[19] .吴伊
波等[32]用内生长袋法测得高寒草甸根系周转速率
最大值为 0􀆰 63 a-1,小于本研究结果(0.75 a-1),因
为本研究中植物多为 1 年生草本植物,根系没有木
质化过程,所以周转速度较快.
03 应  用  生  态  学  报                                      27卷
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作者简介  汝海丽,女,1988年生,硕士研究生. 主要从事微
地形条件下植物生理生态学研究. E⁃mail: 1175332809@ qq.
com
责任编辑  孙  菊
汝海丽, 张海东, 焦峰, 等. 黄土丘陵区微地形对草地植物群落结构组成和功能特征的影响. 应用生态学报, 2016, 27(1):
25-32
Ru H⁃L, Zhang H⁃D, Jiao F, et al. Impact of micro⁃landform on grassland plant community structure and function in the hilly Loess
Plateau region, China. Chinese Journal of Applied Ecology, 2016, 27(1): 25-32 (in Chinese)
23 应  用  生  态  学  报                                      27卷