祁连山中段植物叶片功能性状和群落结构对坡向的响应研究

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坡向作为重要的地形因子之一,通过调节水热组合,使植物群落组成呈规律性变化,有关这方面的内容,国内外已有大量的研究报道。然而,鲜有研究从植物叶片功能性状角度探讨不同坡向间物种的共存和生存策略问题。在以功能性状为基础的生态学研究中,主要涉及两个方面的问题:一个是物种对环境的适应性,也就是物种的生存策略;另一个是群落构建法则,包括生物间的相互作用和环境筛选作用,其中前者使共存物种的性状趋异,而后者使共存物种的性状趋同。  本研究通过野外群落学调查和室内实验相结合的方法,以祁连山西水林区的3个山体为例,调查了南(包括西南坡)-北坡(包括西北坡)生境梯度上植物群落组成和环境因子的变化,同时选取了每个坡向上优势种植物的叶片和土壤样品,测定了优势植物种的叶片稳定碳同位素(δ13C)、叶片水分(LWC)、叶片干物质含量(LDMC)、比叶面积(SLA)等叶片功能性状,以及化学氮磷计量和土壤理化性质等方面的指标,分析了叶片性状、氮磷化学计量特征、植物群落组成随坡向梯度的变化,揭示了不同坡向植物利用资源的策略和环境筛选作用、植物氮磷化学计量特征的转变模式及植物群落组成的变化,对祁连山区生物多样性保护和植被恢复具有指导意义。  主要研究结果如下:  1、南北坡植被利用资源的策略不同,南坡植物采取有效贮存资源的慢回报策略,而北坡植物采取快速获取资源的快回报策略,其中土壤全磷是影响策略选择的最重要因素;坡向具有环境筛选作用,资源利用策略和筛选作用都可通过不同坡向间植物叶性状予以体现:在土壤含水量较低的南坡,植物群落叶片具有较高干物质含量(LMCD)和氮磷比(N∶P),较低稳定碳同位素δ13C、叶片含水量(LWC)、相对含水量(RWC)、比叶面积(SLA)和叶片磷含量(LPC)等,且多数以草本群落为主;而在土壤含水量较高的北坡,植物群落具有较高叶片稳定碳同位素δ13C、叶片含水量(LWC)、相对含水量(RWC)、比叶面积(SLA)和叶片磷含量(LPC)等,且多数以乔木群落为主;  2、不同坡向植物叶片C、N含量变化差异不大,由南坡到北坡,植物叶片P含量显著增大,N∶P显著减小,植物叶片N含量与P含量呈极显著正相关关系;土壤C、N、P元素含量都呈增加趋势,北坡与其它坡向差异显著;随着土壤深度的增加,土壤C、N、P含量的垂直空间分布格局具有层次性,表现为表层(0-10 cm)>中层(20-40 cm)>底层(40-60 cm),土壤C、N、P两两之间的相关性极其显著(P<0.01),土壤C、N之间线性拟合程度较高(R2=0.58),C与N含量几乎同步变化;植物生长的营养限制类型不同,其中南坡植物为磷限制,北坡植物为氮限制,对影响氮磷比的环境因子进行主成分分析,结果显示:可由3个主成分反映,第一主成分主要由土壤水分、土壤容重、土壤有机碳、土壤全氮、土壤温度等5个因子构成,第二主成分主要由土壤粉粒和土壤砂粒等2个因子构成,第三主成分主要由土壤粘粒这一个因子构成。  3、研究区总共记录了79个物种,分属19科38属。其中,被子植物16科35属76种,裸子植物2科2属2种,蕨类植物1科1属1种。主要的科有菊科(18种)、蔷薇科(4种)、禾本科(7种)、莎草科(4种)。由南坡到北坡,土壤温度和容重都呈减小趋势,土壤水分呈增加趋势,植物群落结构变化明显:南坡主要是冰草+大针茅+委陵菜+干生薹草群落;西南坡主要是干生薹草+冰草+委陵菜+草地早熟禾群落;西北坡主要是矮生嵩草+密生苔草+冰草+委陵菜群落;北坡主要是青海云杉+苔草+圆穗蓼+东方草莓+马先蒿群落,通过冗余分析表明,造成这一植被格局的首要限制性因子是土壤温度。
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