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Spatial distribution pattern and allometric growth of three common species on moving sand dunes in Horqin Sandy Land, China.

科尔沁沙地流动沙丘3种常见植物的空间分布格局与异速生长


研究流动沙丘上物种小尺度分布格局和植物异速分配特点有助于理解植物在流动沙丘生境上的适应策略.调查了科尔沁沙地28个1 m×1 m样方内沙蓬、烛台虫实和狗尾草3个物种的位置、多度、高度以及生物量信息.采用最近邻体法与O-ring O(r)函数方法进行空间格局分析.结果表明: 在1 m×1 m样方内,群落水平上植物个体间以聚集分布为主,而在种群水平上物种大体以随机分布为主;个体间距离在0~50 cm范围内无论种内还是种间,它们以互助作用为主,在特定尺度上物种出现聚集分布并随1 m×1 m样方内植物多度增加而变化.在0~40 cm内,沙蓬和狗尾草聚集分布增加;在10~20 cm内,3个物种的种内和种间聚集均增加;在10~30 cm内,狗尾草与沙蓬、烛台虫实出现种间正相关的概率增加;在40~50 cm内,沙蓬与烛台虫实以及沙蓬与狗尾草出现正相关的概率增加.物种构件结果表明:3个物种地上部分生长速度显著大于地下部分,狗尾草根冠比最大且营养器官的生物量比例居中,烛台虫实分配给生殖器官和茎的生物量比重较大,沙蓬分配给营养器官的比重较大.结合小尺度上的格局分析与构件分配特点,可以推断3种植物是典型的r对策者.
 

Research on fine scale pattern and characteristics of allometric growth could contribute to better understanding plants’ adaptation in moving sandy dunes. The abundance, height and biomass of 3 species Agriophllum aquarrosum, Corispermum candelabrum and Setaria viridis in  twentyeight 1 m × 1 m quadrats of Horqin Sandy Land were identified, mapped and described. The nearest neighbor method and O-ring O(r) function analysis were applied to analyze the spatial patterns. The results showed that the individual spatial pattern was mainly aggregated in 1 m×1 m quadrat at community level but mainly random at population level. At 0-50 cm individual distance scale, both intraspecific and interspecific relationship were facilitation and aggregated distribution occurred at some scales and varied with increasing plant abundance in 1 m×1 m quadrat. In 0-40 cm, the aggregated distribution of S. viridis and A. aquarrosum increased obviously; in 10-20 cm, both intraspecific and interspecific aggregation increased; in 10-30 cm, the occurrence possibility of positive correlations between S. viridis and A. aquarrosum, S. viridis and C. candelabrum all increased; in 40-50 cm, the possibility of positive correlations between A. squarrosum and S. viridis, A. squarrosum and C. candelabrum all increased. Research on the three species components indicated that the growth rate of aboveground was faster than that of underground. S. viridis had the highest ratio of underground biomass to aboveground biomass but its nutritional organs’ biomass ratio was medium. C. candelabrum allocated more biomass to propagative organs and stem, but A. squarrosum allocated more biomass to nutritional organs. Based on the spatial distribution and allometric characteristics, the three common species in moving sand dunes preferred r strategy in their life history.


全 文 :科尔沁沙地流动沙丘 3种常见植物的
空间分布格局与异速生长∗
贾美玉1,2  李雪华1∗∗  吴忠铉3  朴弘哲3  苗纯萍1,2  韩  旭1,2
( 1中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2中国科学院大学, 北京 100049; 3韩国东国大学, 首尔 100⁃715)
摘  要  研究流动沙丘上物种小尺度分布格局和植物异速分配特点有助于理解植物在流动
沙丘生境上的适应策略.调查了科尔沁沙地 28个 1 m×1 m样方内沙蓬、烛台虫实和狗尾草 3
个物种的位置、多度、高度以及生物量信息.采用最近邻体法与 O⁃ring O(r)函数方法进行空间
格局分析.结果表明: 在 1 m×1 m样方内,群落水平上植物个体间以聚集分布为主,而在种群
水平上物种大体以随机分布为主;个体间距离在 0~50 cm 范围内无论种内还是种间,它们以
互助作用为主,在特定尺度上物种出现聚集分布并随 1 m×1 m 样方内植物多度增加而变化.
在 0~40 cm内,沙蓬和狗尾草聚集分布增加;在 10~ 20 cm 内,3 个物种的种内和种间聚集均
增加;在 10~30 cm内,狗尾草与沙蓬、烛台虫实出现种间正相关的概率增加;在 40 ~ 50 cm
内,沙蓬与烛台虫实以及沙蓬与狗尾草出现正相关的概率增加.物种构件结果表明:3 个物种
地上部分生长速度显著大于地下部分,狗尾草根冠比最大且营养器官的生物量比例居中,烛
台虫实分配给生殖器官和茎的生物量比重较大,沙蓬分配给营养器官的比重较大.结合小尺
度上的格局分析与构件分配特点,可以推断 3种植物是典型的 r对策者.
关键词  流动沙丘; 物种格局; 种间相关; 异速生长
∗国家自然科学基金项目(41271115)和辽宁省自然科学基金项目(2013020064)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: lixuehua@ iae.ac.cn
2014⁃12⁃19收稿,2015⁃07⁃23接受.
文章编号  1001-9332(2015)10-2953-08  中图分类号  Q14  文献标识码  A
Spatial distribution pattern and allometric growth of three common species on moving sand
dunes in Horqin Sandy Land, China. JIA Mei⁃yu1,2, LI Xue⁃hua1, Oh Choong⁃hyeon3, Park
Hong⁃chul3, MIAO Chun⁃ping1,2, HAN Xu1,2 (1Institute of Applied Ecology, Chinese Academy of Sci⁃
ences, Shenyang 110016, China; 2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;
3Dongguk University, Seoul 100⁃715, Korea) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(10): 2953-2960.
Abstract: Research on fine scale pattern and characteristics of allometric growth could contribute to
better understanding plants’ adaptation in moving sandy dunes. The abundance, height and biomass
of 3 species Agriophllum aquarrosum, Corispermum candelabrum and Setaria viridis in twenty⁃eight
1 m × 1 m quadrats of Horqin Sandy Land were identified, mapped and described. The nearest
neighbor method and O⁃ring O( r) function analysis were applied to analyze the spatial patterns. The
results showed that the individual spatial pattern was mainly aggregated in 1 m×1 m quadrat at com⁃
munity level but mainly random at population level. At 0-50 cm individual distance scale, both in⁃
traspecific and interspecific relationship were facilitation and aggregated distribution occurred at
some scales and varied with increasing plant abundance in 1 m×1 m quadrat. In 0-40 cm, the ag⁃
gregated distribution of S. viridis and A. aquarrosum increased obviously; in 10-20 cm, both in⁃
traspecific and interspecific aggregation increased; in 10-30 cm, the occurrence possibility of posi⁃
tive correlations between S. viridis and A. aquarrosum, S. viridis and C. candelabrum all increased;
in 40-50 cm, the possibility of positive correlations between A. squarrosum and S. viridis, A. squar⁃
rosum and C. candelabrum all increased. Research on the three species components indicated that
the growth rate of above⁃ground was faster than that of underground. S. viridis had the highest ratio
of under⁃ground biomass to above⁃ground biomass but its nutritional organs’ biomass ratio was me⁃
dium. C. candelabrum allocated more biomass to propagative organs and stem, but A. squarrosum al⁃
应 用 生 态 学 报  2015年 10月  第 26卷  第 10期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Oct. 2015, 26(10): 2953-2960
located more biomass to nutritional organs. Based on the spatial distribution and allometric charac⁃
teristics, the three common species in moving sand dunes preferred r strategy in their life history.
Key words: moving sand dune; species distribution pattern; interspecific correlation; allometric
growth.
    格局与过程的关系一直是生态学研究的核心问
题之一[1-3] .植被格局通常以物种组成、数量以及空
间分布等表观特征呈现,而表观特征变化动态中隐
含着生态学过程及其与自然要素间的重要互馈机
制[4] .植物个体空间分布格局是不同生态、物理过程
综合作用的结果,它决定了相邻个体间相互作用的
方式和强度,进而影响了不同水平上的异速生长与
分配关系[5] .植物构件性状间的权衡和组合是植物
在进化过程中适应环境形成的生活史对策,阐明不
同构件结构与功能的关系是理解物种性状演化的关
键[6],在很大程度上有助于理解多个物种的稳定共
存理论[7] .因此,异速生长关系和空间分布格局的结
合分析将有助于理解生态过程中环境因子在群落和
种群结构与动态中的作用.
利用遥感、雷达和摄影测量的光学数据进行大
尺度植被空间格局分析,同时与生态学过程(植被
演替、生物多样性、放牧格局、捕食关系、扩散、营养
动态、干扰的传播)结合研究,有助于在宏观上解决
物种的保护与管理、环境资源的经营管理、土地利用
规划、生物多样性保护与维持、人类对景观及其组分
的影响等生态问题[8-9] .从植物个体角度而言,草本
植物发生相互作用的距离可能在厘米级范围内,小
尺度空间数据更能说明植被过程的复杂性和影响因
素的多样性[10] .通过分析比利时和法国北部地区多
尺度下物种分布点格局, 发现物种扩散能力和生态
位限制是稀有物种分布范围狭小的主因,而隔离效
应和空间异质性主要体现在小尺度上,特别在 1 m×
1 m尺度上种间竞争排斥会限制物种数量[11-13] .何
志斌等[14]采用点格局方式进行跨尺度 (1 m2 ~ 1
km2)研究,结果表明荒漠植被物种多样性在小尺度
下(10 m×10 m)由种间关系决定.张明娟等[15]研究
了 0 ~ 0. 5 m 小尺度下芨芨草 ( Achnatherum splen⁃
dens)种群在中低密度下随胁迫增加而趋向聚集分
布,但在高密度下芨芨草种群以随机分布为主.李素
清等[16]用 DCA 和 TTLQV 方法研究 10 cm×10 cm
尺度两条垂直样带上的群落,发现群落格局与其优
势种格局关系密切.Rees等[17]对沙丘一年生植物研
究发现,种内聚集减少了种群的大小,并且小尺度种
间分离导致了种间竞争的消失;Stoll 等[18]在试验中
发现,处于竞争劣势的一年生植物,聚集分布比随机
分布具有更高的生物量.
一年生植物是科尔沁沙地植被的重要组成部
分,其能很好地适应荒漠地区的生物和非生物环境
因素[19] .该区域有关一年生植物的研究主要集中在
气候、多样性、种子库等方面,对植被格局特别是小
尺度上格局和异速分配结合研究较少.目前,最近邻
体法和点格局对植物空间格局的研究很多,本文吸
取两种方法的优点结合植物不同的密度区间对植物
格局与种间关系进行研究.本文选取流动沙丘上 3
种常见一年生植物沙蓬(Agriophyllum squarrosum)、
烛台虫实(Corispermum candelabrum)和狗尾草( Se⁃
taria viridis),通过 1 m×1 m小尺度上的空间格局分
析以及植株异速生长分配的研究,探讨流动沙丘微
生境内物种生态适应对策,以及植物间的生物因素
和环境因素的影响机制.研究结果将有利于深入理
解沙丘植被过程机制,以及空间格局对尺度的依赖
性,从而为半干旱荒漠区生物多样性保护和植被管
理等提供科学依据.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
研究区位于内蒙古自治区翁牛特旗乌兰敖都地
区(43°02′ N,119°39′ E).属于温带大陆性半干旱气
候,年降水量 284 mm,70%集中在 6—8 月(1957—
2002年).大气平均湿度 50% ~55%,年均气温 5.8 ~
6.4 ℃,≥10 ℃年积温 3000 ~ 3200 ℃,无霜期 140 ~
160 d,年均风速 4.5 m·s-1,冬季盛行西北风,夏秋
季节盛行西南风.地带性土壤为沙质栗钙土,在风蚀
作用下大部分退化为风沙土[20] .地貌以流动、半流
动沙丘、固定、半固定沙丘、丘间低地和石质残丘为
特征.流动沙丘上代表植物有小黄柳(Salix gordeje⁃
vii)、差巴嘎蒿( Artemisia halodendron)、沙蓬、狗尾
草、烛台虫实等.
1􀆰 2  植被调查与取样
2014年 8月,在科尔沁沙地西南沙丘中选取典
型流动沙丘群内 3个样地,随机设置 1 m×1 m的 28
个样方(样地 1 和 3 各 10 个,样地 2 有 8 个).每 1
m2样方被分割成 100个 10 cm×10 cm 网格,记录网
4592 应  用  生  态  学  报                                      26卷
格内物种、数量、高度和盖度.以样方一角为坐标原
点(0,0),西南方向为 X 轴,东南方向为 Y 轴,记录
网格内所有植株坐标.在样地内,选取 3 种植物成熟
个体各 30 株(根据样地内物种具体情况按大、中、
小取样各 10 株),在实验室内分离根、茎、叶、花等
构件,在 80 ℃烘箱中烘干至恒量,称量生物量[20]
(1 / 10000 电子天平,AR2140,上海 Ohaus Corpora⁃
tion 制造).
1􀆰 3  数据处理
最近邻体法是 Clark等[21]发展出来的一种基于
距离的点格局分析方法,即:计算样方内每个植物个
体到其最近邻体距离的平均值,并将其与完全随机
分布零假设下的期望值距离相比较,然后推断所观
察到的格局是接近还是偏离完全随机假设.最近邻
体法的数学计算公式:
􀭵dl =∑

i = 1
di

æ
è
ç
ö
ø
÷
式中:di 是第 i株植物到其最近邻体的距离;􀭵dl 是样
方内所有植物个体到其最近邻体距离的平均值;n
是样方内个体数.
在完全随机分布假设下植物个体到其最近邻体
距离的期望值的计算公式为:
􀭵E(􀭵dl)=

2 A / n
式中:A是样方面积.
由以上 2 个公式可推断,观测值 􀭵dl 与期望值
􀭵E(􀭵dl)的比值 R 的计算公式为:R =􀭵dl / E(􀭵dl).理论
上,0<R<2.1491,当 R≈1 时,被观察到的格局被认
为是随机分布的;当 R<1 时,是聚集分布;而 R>1
时,是均匀分布,且 R 值越大模型越分散. Clark
等[21]提出了用 Z⁃test进行显著性检验,其公式为:
Z= | di-E(􀭵dl) |σE(
􀭵d1)
σE(􀭵dl)= (4-π)×A / 4πn2 = 0.26136× A / n2
最后,计算出来的 Z 值与在置信度水平为 0.05
时的临界值 1.96相比较,以检验随机分布零假设是
否成立.如果计算出来的 Z值大于临界值 1.96,说明
该点模型不具有随机性.
O⁃ring O( r)函数分析方法与 Ripley K( r)函数
分析方法不同,前者用圆环取代了传统格局分析中
的圆盘.O( r)= λg( r).其中,g 函数是由 K 函数推导
而来, g函数与 K函数的关系是:g( r)= (1 / 2πr) ×
dK( r) / dr.式中:r 为空间尺度.随机分布情况下,在
所有尺度 r下 g( r)= 1,O( r)= λ;当 g( r)>1、O( r)>
λ时,表明在尺度 r下种群为聚集分布;当 g( r) <1、
O( r)<λ则为均匀分布.对于 2个种的关系分析是一
样的,即 O12( r)= λ2g12( r),用于分析物种相关关系
的二元成对相关函数 g12( r)也是由 K 函数派生来
的;二者之间关系是 g12 ( r) = K12 ( r) / ( 2πr).当
g12( r)= 1、O12( r)= λ2时,表明 2 个植物种在 r 尺度
下无关联;当 g12( r)>1、O12( r)>λ2时,表明二者为正
关联;当 g12( r) <1、O12( r) <λ2时,表明二者为负关
联.本文选用 CSR 95%置信区间的拟合次数为 20,
进行种群的空间格局分析和种间关联分析[22] .
采用 Excel 2013、SPSS 18.0 和 Programita 软件
对数据进行统计分析.采用单因素方差分析法(one⁃
way ANOVA)和 Duncan 法进行方差分析和多重比
较(α= 0.05).利用 Excel 2013 和 Origin 8.5 软件作
图.图表中数据为平均值±标准差.
2  结果与分析
2􀆰 1  3种常见植物小尺度空间分布格局
2􀆰 1􀆰 1最近邻体法的空间格局分析  3 种常见植物
所有个体的 R<1、Z>1.96, 表明 3 种常见植物的群
落呈聚集分布.从单个物种来看,沙蓬和烛台虫实的
R>1,有均匀分布的趋势,但 Z<1.96,差异不显著,
表明其种群仍属于随机分布;狗尾草的 R<1,有聚集
分布的趋势,但 Z<1.96,差异不显著,表明狗尾草种
群也属于随机分布(表 1).
2􀆰 1􀆰 2 O⁃ring O( r)函数的空间格局分析  以狗尾草
的空间分布图(图 1)和狗尾草与烛台虫实的空间种
间关联图(图 2)为例,说明 Programita软件中 O⁃ring
O( r)函数分布格局的判断方法.
    狗尾草的 O( r)曲线在 3~34 cm 之间大都位于
上包迹线以上,种群为聚集分布,在 34 ~ 50 cm 处于
两包迹线之间,为随机分布(图 1).狗尾草和烛台虫
实种间关联曲线在22和48.5 cm处O12( r)的值大
表 1  3种常见植物空间分布格局的最近邻体法参数
Table 1   Parameters of nearest neighbor method of three
common plants
项目
Item
E(􀭵d i) 􀭵d i R Z
所有个体
All individuals
0.10±0.04 0.07±0.03 0.66 2.92
沙蓬
Agriophyllum squarrosum
0.19±0.04 0.20±0.04 1.05 0.26
烛台虫实
Corispermum candelabrum
0.24±0.05 0.27±0.06 1.12 0.36
狗尾草
Setaria viridis
0.13±0.03 0.09±0.04 0.72 1.29
559210期                贾美玉等: 科尔沁沙地流动沙丘 3种常见植物的空间分布格局与异速生长         
图 1  狗尾草空间格局随尺度的变化曲线
Fig.1  Spatial pattern curve of Setaria viridis at different scales.
两条虚线为包迹线代表 95%的置信区间,黑色线代表观察值 The two
dash lines were envelope lines which meant 95% confidence intervals,
black line represented observed values.下同 The same below.在包迹线之
内为随机分布,大于上包迹线为聚集分布,小于下包迹线为均匀分布
The curve between envelope lines was random distribution, higher than
the upper envelope line was aggregated distribution, and lower than the
under envelope line was uniform distribution.
于包迹线上的值,说明在这 2 个距离上两物种是正
相关(图 2).
运用 O⁃ring O( r)函数分析 28 个样方内 3 种植
物的空间分布格局(单个物种 n>2 的样方),对不同
尺度范围内(0~10、10~20、20~30、30~40 和 40~50
cm)出现聚集、随机和均匀分布的样方数进行统计
(表 2).针对大于上包迹线的样方,统计不同植物密
度区间(≤9、 ≥10、≤19和 ≥20)下,不同尺度范围
内样方数占 0 ~ 50 cm 尺度内总样方数的比例结果
(表 3).
    单个物种格局中,样方数排序:大于上包迹线>
上下包迹线间>小于下包迹线.在上下包迹线间的样
方数为:狗尾草 =烛台虫实>沙蓬;大于上包迹线的
样方数为:狗尾草>沙蓬>烛台虫实;小于下包迹线
图 2  狗尾草和烛台虫实的种间关联曲线
Fig. 2   Interspecific association of Corispermum candelabrum
and Setaria viridis.
在包迹线之内说明两物种无关联,大于上包迹线为正相关,小于下包
迹线为负相关 The curve between envelope lines indicated no associa⁃
tion, higher than the upper envelope line was positive association, and
lower than the under envelope line stand for negative association.
的样方数为:狗尾草>沙蓬=烛台虫实.表明在 0 ~ 50
cm尺度上,3 个物种的格局大都是聚集分布为主,
存在少数情况的随机分布;狗尾草随机分布和聚集
分布的样方数在 3 个物种中都是最多的,且存在均
匀分布的情况.针对大于上包迹线的样方数分析,沙
蓬和狗尾草在 20~30 cm、烛台虫实在 30 ~ 40 cm 尺
度范围内在大于包迹线的样方数较多,表明它们在
这些尺度上聚集分布明显(表 2).
两两物种种间关联中,样方数排序:大于上包迹
线>上下包迹线间>小于下包迹线.在上下包迹线间
的样方数为:沙蓬+狗尾草 =烛台虫实+狗尾草>沙
蓬+烛台虫实;大于上包迹线的样方数为:沙蓬+狗
尾草>沙蓬+烛台虫实>烛台虫实+狗尾草;小于下包
迹线的样方数为:沙蓬+烛台虫实>烛台虫实+狗尾
草=沙蓬+狗尾草.表明在0 ~ 50 cm尺度上,两两物
表 2  3种常见植物空间格局和种间关联的样方数统计
Table 2  Quadrat quantity statistics of three common plants spatial pattern and species association
物种
Species
上下包迹线间
Between
envelope
lines
大于上包迹线
Above the upper envelope line
0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm 30~40 cm 40~50 cm
小于下包迹线
Below under
envelope
line
沙蓬
Agriophyllum squarrosum
2 5 6 11 3 12 0
烛台虫实
Corispermum candelabrum
3 0 5 4 8 1 0
狗尾草
Setaria viridis
3 7 9 10 9 4 1
沙蓬+烛台虫实
Agriophyllum squarrosum + Corispermum candela⁃
brum
0 1 5 7 7 7 1
沙蓬+狗尾草
Agriophyllum squarrosum + Setaria viridis
1 2 7 9 7 9 0
烛台虫实+狗尾草
Corispermum candelabrum+ Setaria viridis
1 4 3 4 4 4 0
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表 3  不同植物密度和尺度下 3种常见植物聚集格局与种间正关联的样方比例统计
Table 3  Quadrat ratio of three common plants aggregation and positive correlation in different plant densities and scales
物种
Species
植物密度区间
Plant density
interval
大于上包迹线的样方比例
Quadrat ratio above the upper envelope
0~10 cm 10~20 cm 20~30 cm 30~40 cm 40~50 cm
沙蓬 Agriophyllum squarrosum ≤9 0.17 0.22 0.33 0.11 0.50
≥10 0.25 0.25 0.63 0.13 0.38
虫实 Corispermum candelabrum ≤9 0.00 0.33 0.27 0.53 0.07
≥10 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00
狗尾草 Setaria viridis ≤9 0.10 0.30 0.30 0.20 0.10
≥10 0.67 0.67 0.78 0.78 0.33
沙蓬+烛台虫实 Agriophyllum squarrosum+Corispermum candelabrum ≤19 0.08 0.23 0.46 0.46 0.39
≥20 0.00 0.50 0.25 0.25 0.50
沙蓬+狗尾草 Agriophyllum squarrosum+Setaria viridis ≤19 0.17 0.17 0.33 0.42 0.42
≥20 0.00 0.63 0.63 0.25 0.50
烛台虫实+狗尾草 Corispermum candelabrum+Setaria viridis ≤19 0.33 0.17 0.17 0.50 0.33
≥20 0.33 0.33 0.50 0.17 0.33
大于包迹线的样方比例指某一植物密度区间内某一尺度上样方数占 0~ 50 cm尺度内样方数的比例 Quadrat ratio above upper envelope was that
quadrat quantity at a certain scale accounting for the proportion of 0-50 cm quadrat quantity in a certain plant density.
种的种间关系以正相关为主,存在少数不相关的情
况,沙蓬和烛台虫实存在负相关的情况.从大于上包
迹线的样方数看,物种种间正关联在 10 ~ 50 cm 尺
度上都有发生,但不同的两个物种发生正相关的尺
度区间有差异(表 2).
单个物种的植物密度区间从≤9 到≥10,大于
上包迹线的样方数比例为:沙蓬在 0~ 40 cm 尺度上
增加,烛台虫实在 0 ~ 50 cm 尺度上减小,狗尾草在
0~50 cm尺度上增加.表明随着样方内种群数量增
加,沙蓬和狗尾草出现聚集分布的概率在 0 ~ 40 cm
尺度上增加,烛台虫实出现聚集分布的概率在 0~50
cm尺度上减小.两两物种的植物密度区间从≤19 到
≥20,大于上包迹线的样方数比例为:沙蓬+烛台虫
实在 10~20、40~50 cm上增加,在 0~10、20 ~ 40 cm
尺度上下降;沙蓬+狗尾草在 10~30、30~50 cm尺度
上增加,在 0~10、30 ~ 40 cm 尺度上下降;烛台虫实
+狗尾草在 10 ~ 30 cm 尺度上增加,在 30 ~ 40 cm 尺
度上下降,在 0~ 10、40 ~ 50 cm 尺度上不变.随着样
方中两物种种群数量的增加,沙蓬、烛台虫实和狗尾
草在 10 ~ 20 cm 尺度上正相关作用增强,在 0 ~ 10、
30~40 cm尺度上正相关作用减弱(表 3).
2􀆰 2  物种不同部分的异速生长与分配
2􀆰 2􀆰 1 3种植物地上与地下生物量比较  沙蓬、烛台
虫实、狗尾草之间地上生物量存在显著差异;沙蓬与
狗尾草、沙蓬与烛台虫实的地下生物量有显著性差
异,而狗尾草与烛台虫实的差异不显著;沙蓬与狗尾
草、狗尾草与烛台虫实的根冠比差异显著,而沙蓬与
烛台虫实的根冠比差异不显著.沙蓬、烛台虫实、狗
尾草都是地上生物量>地下生物量.3 种植物的根冠
比都<1,大小顺序为狗尾草>烛台虫实 =沙蓬.沙蓬
的地上和地下生物量均是 3 个物种中最高的,狗尾
草的根冠比最高,但地上和地下生物量均较烛台虫
实低.3 个物种的地上部分生长速度明显快于地下
部分(图 3).
2􀆰 2􀆰 2 3 种植物各个构件器官生物量分配  烛台虫
实的花占整体的比重高于其他两物种,沙蓬叶占整
体的比重高于其他两物种,狗尾草根占整体的比重
较其他 2 个物种高.3 种植物对各器官分配差异很
大,狗尾草和沙蓬分配给叶的比重较大,烛台虫实分
配给生殖器官的生物量比重较大,沙蓬和烛台虫实
的茎生物量比重都很高(图 4).表明狗尾草和沙蓬
投入生长的生物量高于投入生殖的生物量,烛台虫
实用于生殖的生物量较多.
图 3  3种常见植物地上与地下生物量
Fig.3  Above⁃ground and under⁃ground biomass of three com⁃
mon plants.
A: 沙蓬 Agriophyllum squarrosum; B: 狗尾草 Setaria viridis; C: 烛台
虫实 Corspermum candelabrum. UB: 地下生物量 Under⁃ground bio⁃
mass; AB: 地上生物量 Above⁃ground biomass; R / A:根冠比 Root bio⁃
mass / above⁃ground biomass. 不同字母表示差异显著(P<0.05)Differ⁃
ent letters meant significant difference at 0.05 level.
759210期                贾美玉等: 科尔沁沙地流动沙丘 3种常见植物的空间分布格局与异速生长         
图 4  3个物种构件生物量分配比例
Fig.4  Biomass allocation ratio of each component of three spe⁃
cies.
Ⅰ: 根 Root; Ⅱ: 茎 Stem; Ⅲ: 叶 Leaf; Ⅳ: 花 Flower.
3  讨    论
利用最近邻体法研究表明,科尔沁沙地流动沙
丘上 3种植物 1 m×1 m 范围内群落水平上呈聚集
分布,单个物种种群水平上总体呈随机分布.但
O⁃ring O( r)函数研究结果发现,3 个物种在特定尺
度上存在聚集分布,个体间距离在 0~ 50 cm 尺度上
无论物种内还是种间,它们以互助作用为主.但袁建
立等[23]研究发现,安西荒漠保护区 4 种典型荒漠多
年生灌木物种间和物种内都存在竞争关系,而且种
内竞争重要性大于种间竞争.表明即使在相似生境
下,草本和灌木的适应策略也有不同.3 种成熟期植
物生物量分配为地上部分>地下部分,这与古尔班
通古特沙漠 4种荒漠草本植物不同生长期的生物量
分配结果类似.植物生长末期,荒漠草本植物将更多
的生物量积累到地上部分,以获取足够的光合产物
并完成有性繁殖[24] .与之类似,不同固沙时间下小
画眉草(Eragrostis poaeoides)的繁殖分配研究表明,
沙丘固定时间相对较短,一年生植物将把更多的资
源和能量用于营养生长,以抵御不利的生长环
境[25] .下面分别对每个物种在 O⁃ring O( r)函数分析
下的格局与尺度关系并结合异速分配特点进行
分析.
沙蓬在流动沙丘上聚集分布多于随机分布,且
在 20~30和 40 ~ 50 cm 尺度上聚集分布明显.随种
群数量增加,0~40 cm尺度上聚集分布出现增多.沙
蓬与烛台虫实以及狗尾草的种间关系以正相关为主
并在 0~50 cm尺度上均有出现,尤以 0~40 cm尺度
上明显,但随两物种多度的增加,在 10 ~ 20 和 40 ~
50 cm尺度上正相关出现概率增加,在 30~40 cm尺
度上正相关出现概率减少.沙蓬是流动沙丘上的先
锋植物,能适应流动沙丘极端贫乏的养分条件,常在
流动沙丘定居成功并成片密集生长,但本研究发现,
聚集分布与种间正相关很少出现在某些特定的尺
度,如 0~10 cm,这可能因为沙蓬地上生物量大,生
长需较大空间和养分资源,故而与其他物种存在竞
争.但其他尺度范围存在正相关且随沙蓬多度增加
正相关关系趋于明显,为其他物种入侵创造条件以
及形成“保种效应”的沙堆.如差巴嘎蒿(Artemisia
halodendron)的种子粒小且极易被吹走,但这些种子
在沙蓬成片生长处可以停住并发芽生长[26-27] .沙蓬
地上生物量占到绝大部分[28-29],显著大于地下生物
量,但根所占的空间远大于地上部分,表明沙蓬为维
持生存,必须充分利用地下营养物质,尤其是水分.
构件生物量分配中,茎的生物量分配最多.沙蓬根系
发达,茎秆粗硬,有较高的机械强度和抗风蚀能力,
为其他物种入侵提供庇佑,促进群落演替和植被发
育进程[28,30] .
烛台虫实在流动沙丘上聚集分布较常见.在
30~40 cm尺度上聚集分布较多,随着其种群密度增
加,聚集分布明显减少,这证实了 Perry等[31]研究结
果,即多度增加不一定导致聚集分布增加,还与研究
尺度有关.与沙蓬和狗尾草的种间关系以正相关为
主,在 20 ~ 50 cm 尺度上较明显,随两物种多度增
加,在 10~ 20 cm 上正相关增加,30~40 cm上减小.
说明在较小尺度如 0 ~ 10 cm 上种内和种间竞争的
存在使烛台虫实不易形成聚集分布,以及不易出现
与其他物种的正相关.烛台虫实投入生殖的资源较
多,对于营养部分的投入,叶比重最少,茎比重最多.
烛台虫实在流动沙丘上不存在竞争优势,故它必须
增加生殖投入,增加结实率来提高自身的生存机会.
狗尾草在 0~50 cm整个尺度上,以聚集分布为
主,且与烛台虫实和沙蓬正关联明显,随多度增加,
聚集分布增多.但种间关系以正相关为主且随两物
种多度增加,在 10 ~ 30 cm 尺度上正相关增加,在
30~40 cm尺度上减少.在高温和干旱生境条件下,
李善林等[32]发现,狗尾草在一定密度下对草坪草抵
抗恶劣环境有协助作用,这与狗尾草与沙蓬、烛台虫
实的正相关结果一致.狗尾草的异速分配结果与何
玉惠等[33]对不同类型沙地狗尾草的生长特征及生
物量分配结果一致,这表明狗尾草地上生物量与总
体的比值>80%,而地下生物量占总体的百分比不超
过 20%,根占整体的比例最大,这与它合理调整资
源分配比例有关.在恶劣环境条件下,由于生存环境
不能提供植物体所需的水分与养分,加上风蚀、沙埋
等因素的影响,狗尾草通过加强根系生长吸收更多
8592 应  用  生  态  学  报                                      26卷
的水分与养分,减缓地上部分高生长,适应严酷的自
然环境.
3种植物格局与异速分配的研究结果符合一年
生植物的生活型特点.梁存柱等[34]和张景光等[35]对
阿拉善荒漠区一年生植物层片物种多样性及其分布
特征与本研究结果一致,这表明沙蓬、烛台虫实等是
典型的夏雨型沙生一年生植物,聚集生长,结实量
大,种子萌发迅速,快速生根和抢占资源空间,可在
流动沙丘上形成先锋群落.这是它们在植物系统演
化史上的进化性或适应性的表现.在降雨较多年份
或季节,利用沙土具有较高的保水性能,依靠种子数
量多、萌发力强的竞争优势,形成不稳定的层片.何
玉惠等[36]对沙地恢复过程中两种一年生植物种子
萌发和幼苗种群动态研究发现,烛台虫实和狗尾草
有 C型存活曲线,是较为典型的 r 对策者.物种格局
与构件分配受季节和地形位置影响,它们调整种内
和种间分布,并对各器官做出合理分配来权衡生长
和生殖的适应性.它们在降雨季节利用充足的水分
把更多的资源和能量用于营养生长,干旱季节增加
结实量来抵御不利的生长环境.综合格局与异速生
长结果可推断,在流动沙丘上,3 个物种都是投机主
义者,即 r对策者.
参考文献
[1]  Watt AS. Pattern and process in the plant community.
Journal of Ecology, 1947, 35: 1-22
[2]   Cale WG, Henebry GM, Yeakley JA. Inferring process
from pattern in natural communities. BioScience, 1989,
39: 600-605
[3]  Levin SA. The problem of pattern and scale in ecology.
Ecology, 1992, 73: 1943-1967
[4]  Schurr FM, Bossdorf O, Milton SJ, et al. Spatial pattern
formation in semi⁃arid shrubland: A priori predicted
versus observed pattern characteristics. Plant Ecology,
2004, 173: 271-282
[5]  Li T (李   涛). Response Mechanism of Desert Plant
Allometric Exponents and Spatial Patterns to a Precipi⁃
tation Gradient. Master Thesis. Lanzhou: Lanzhou Uni⁃
versity, 2010 (in Chinese)
[6]  Eviner VT, Chapin III FS. Functional matrix: A concep⁃
tual framework for predicting multiple plant effect on
ecosystem process. Annual Review of Ecology, Evolution
and Systematics, 2003, 34: 455-485
[7]  Westoby M, Falster DS, Moles AT, et al. Plant ecologi⁃
cal strategies: Some leading dimensions of variation be⁃
tween species. Annual Review of Ecology and Systema⁃
tics, 2002, 33: 125-159
[8]  Li S (刘  颂), Guo F⁃F (郭菲菲), Li Q (李  倩).
Research status and development trend of landscape pat⁃
tern in China. Journal of Northeast Agricultural University
(东北农业大学学报), 2010, 41(6): 144- 151 ( in
Chinese)
[9]   Hugenholtz CH, Barchyn TE. Spatial analysis of sand
dunes with a new global topographic dataset: New ap⁃
proaches and opportunities. Earth Surface Processes and
Landforms, 2010, 35: 986-992
[10]  Purves DW, Law R. Fine⁃scale spatial structure in a
grassland community: Quantifying the plant’s⁃eye view.
Journal of Ecology, 2002, 90: 121-129
[11]  Bossuyt B, de Fré B, Hoffmann M. Abundance and
flowering success patterns in a short⁃term grazed grass⁃
land: Early evidence of facilitation. Journal of Ecology,
2005, 93: 1104-1114
[12]  Bossuyt B, Hermy M. Seed bank assembly follows vege⁃
tation succession in dune slacks. Journal of Vegetation
Science, 2004, 15: 449-456
[13]   Bossuyt B, Honnay O, Hermy M. Scale⁃dependent fre⁃
quency distributions of plant species in dune slacks:
Dispersal and niche limitation. Journal of Vegetation Sci⁃
ence, 2004, 15: 323-330
[14]  He Z⁃B (何志斌), Zhao W⁃Z (赵文智), Chang X⁃X
(常学向), et al. Scale dependence in desert plant
biodiversity. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2004,
24(6): 1146-1149 (in Chinese)
[15]  Zhang M⁃J (张明娟), Liu M⁃S (刘茂松), Xu C (徐
驰), et al. Spatial pattern responses of Achnatherum
splendens to environmental stress in different density
levels. Acta Ecologica Sinica (生态学报), 2012, 32
(2): 595-604 (in Chinese)
[16]  Li S⁃Q (李素清), Wu D⁃M (武冬梅), Wang T (王
涛), et al. Spatial pattern analysis of herbaceous com⁃
munity for dominant species and communities in Chang⁃
zhi wetland, Shanxi. Acta Prataculturae Sinica (草业学
报), 2011, 20(3): 43-50 (in Chinese)
[17]  Rees M, Grubb PJ, Kelly D. Quantifying the impact of
competition and spatial heterogeneity on the structure
and dynamics of a four⁃species guild of winter annuals.
The American Naturalist, 1996, 147: 1-32
[18]  Stoll P, Prati D. Intraspecific aggregation alters competi⁃
tive interactions in experimental plant communities.
Ecology, 2001, 82: 319-327
[19]  Liang C⁃Z (梁存柱), Liu Z⁃L (刘钟龄), Zhu Z⁃Y
(朱宗元), et al. Specific diversity and distribution
characteristics of annual Synusia in Alashan Desert. Chi⁃
nese Journal of Applied Ecology (应用生态学报),
2003, 14(6): 897-903 (in Chinese)
[20]  Li X⁃H (李雪华), Li X⁃L (李晓兰), Jiang D⁃M (蒋
德明), et al. A comparative study of the individual bio⁃
mass and modular biomass of 70 herbaceous species
found in the Horqin Sandy Land. Arid Zone Research
(干旱区研究), 2009, 26(2): 200-205 (in Chinese)
[21]  Clark PJ, Evans FC. Distance to nearest neighbor as a
measure of spatial relationship in populations. Ecology,
1954, 35: 445-453
[22]   Zhang J⁃T (张金屯). Quantitative Ecology. 2nd Ed.
Beijing: Science Press, 2011 (in Chinese)
[23]  Yuan J⁃L (袁建立), Zheng K (郑  凯), Wang L (王
959210期                贾美玉等: 科尔沁沙地流动沙丘 3种常见植物的空间分布格局与异速生长         
亮). The relationship among four typical desert plants in
Anxi extra⁃arid desert national nature reserve in Gansu,
China. Journal of Desert Research (中国沙漠), 2014,
34(3): 740-746 (in Chinese)
[24]  Xiao Y (肖  遥), Tao Y (陶  冶), Zhang Y⁃M (张
元明). Biomass allocation and leaf stoichiometric cha⁃
racteristics in four desert herbaceous plants during diffe⁃
rent growth periods in the Gurbantünggüt Desert, China.
Chinese Journal of Plant Ecology (植物生态学报),
2014, 38(9): 929-940 (in Chinese)
[25]  Zhang J⁃G (张景光), Zhang Z⁃S (张志山), Wang X⁃
P (王新平), et al. Reproductive allocation of annual
plant Eragrostis poaeoides in planted area for sand fixa⁃
tion in Shapotou region. Journal of Desert Research (中
国沙漠), 2005, 25(2): 202-206 (in Chinese)
[26]  Li S⁃G (李胜功), Chang X⁃L (常学礼), Zhao X⁃Y
(赵学勇). Study of Agriophyllum squarrosum: Pionee⁃
ring plant on shifting sand. Journal of Arid Land Re⁃
sources and Environment (干旱区资源与环境), 1992,
6(4): 63-70 (in Chinese)
[27]  Hu X⁃S (胡新生), Ma J⁃M (马俊梅), Gao W⁃L (高
万林). Research on a pioneer species ( Agriophyllum
squarrosum) spatial distribution on shifting sand dunes.
Gansu Science and Technology (甘肃科技), 2010, 26
(14): 46-50 (in Chinese)
[28]  Ma Q⁃L (马全林), Wang J⁃H (王继和), Zhang J⁃G
(张景光), et al. Ecological protective function of a
pioneer species (Agriophyllum squarrosum) on shifting
sand dunes. Journal of Soil and Water Conservation (水
土保持学报), 2008, 22(1): 140-150 (in Chinese)
[29]  Han X⁃D (韩向东). Study on biological characters of
Agriophyllum squarrosum, a pioneer plant for sand con⁃
trol. Journal of Gansu Forestry Science and Technology
(甘肃林业科技), 2007, 32(4): 3-8 (in Chinese)
[30]   Zhang J⁃Y (张继义), Zhao H⁃L (赵哈林), Cui J⁃Y
(崔建恒), et al. Biomass of Agriophyllum squarrosum
community and its function on mobile sand dune in
Horqin Sandy Land. Journal of Soil and Water Conserva⁃
tion (水土保持学报), 2003, 17(3): 152- 154 ( in
Chinese)
[31]  Perry GLW, Miller BP, Lamont BB, et al. A compari⁃
son of methods for the statistical analysis of spatial point
patterns in plant ecology. Plant Ecology, 2006, 187:
59-82
[32]  Li S⁃L (李善林), Han L⁃B (韩烈保). The influence
of green bristle grass on three turf grass species under
heat and drought condition. Journal of Beijing Forestry
University (北京林业大学学报), 2000, 22(2): 34-
36
[33]  He Y⁃H (何玉惠), Zhao H⁃L (赵哈林), Liu X⁃P
(刘新平), et al. Growth characteristics and biomass al⁃
location of Setaria viridis on different types of sandy
land. Chinese Journal of Ecology (生态学杂志 ),
2008, 27(4): 504-508 (in Chinese)
[34]  Liang C⁃Z (梁存柱), Wang W (王   炜), Zhu Z⁃Y
(朱宗元), et al. The organization patterns and ecologi⁃
cal adaptive modes of annual plant Synusia in desert re⁃
gions. Journal of Arid land Resources and Environment
(干旱区资源与环境), 2002, 16(1): 77 - 83 ( in
Chinese)
[35]  Zhang J⁃G (张景光), Li X⁃R (李新荣), Wang X⁃P
(王新平), et al. Allometry dynamics of annual plant
Eragrostis poaaeoidesin planted vegetation for fixing sand
dunes. Journal of Desert Research (中国沙漠), 2002,
22(6): 607-611 (in Chinese)
[36]  He Y⁃H (何玉惠), Zhao H⁃L (赵哈林), Liu X⁃P
(刘新平), et al. Seed germination and seedling popu⁃
lation dynamic of two annual plants during sand land
restoration process. Journal of Desert Research (中国沙
漠), 2010, 30(6): 1331-1335 (in Chinese)
作者简介  贾美玉,女,1988年生,硕士研究生. 主要从事沙
地植被格局研究. E⁃mail: meiyu.jia@ 163.com
责任编辑  孙  菊
0692 应  用  生  态  学  报                                      26卷