宁夏草原针茅属植物群落物种多样性和生产力格局及影响因素研究

doi:10.11686/cyxb2020064

摘要/Abstract

摘要：

物种多样性和生产力是草地生态系统的核心指标，是实现草地生态系统服务与功能的根本所在。宁夏温性草原位于干旱与半干旱的过渡区，针茅属植物是其优势种群，对水热变化敏感；因此，在全球气候变化背景下，探讨宁夏草原针茅属植物群落物种多样性与生产力的格局，在宏观尺度揭示其影响因素，不仅在生态学理论研究中具有重大价值，而且对宁夏天然草地生产与管理也具有指导意义。本研究以宁夏温性草原针茅属植物群落为对象，沿着环境梯度设置15个野外观测样地，调查了植物群落特征，测定土壤养分指标，结合各个样地的气候因子、土壤养分和空间数据，探讨了植物群落多样性和生产力空间分布格局及其对生态因子的响应，阐明植物群落物种多样性与生产力的关系。结果显示：1）宁夏针茅属群落生产力与纬度呈显著正相关，与海拔和经度显著负相关；物种多样性与纬度显著负相关，与海拔显著正相关，而与经度关系不显著；2）冗余分析（RDA）结果显示：土壤速效氮（SAN）、年均温度（MAT）、土壤有机碳（SOC）、土壤全氮（TN）、年均辐射（Ssrad）、土壤水分（SWC）、土壤容重（BD）、土壤全磷（TP）、年均降水量（MAP）、生长季月均降水量（GSP）、干旱季月均降水量（PDA）是影响物种多样性和生产力的主要因素；土壤因子对生产力、多样性及整体解释量分别为15.6%、17.8%、19.8%，水热因子对生产力、多样性及整体解释量分别为13.8%、37.9%、25.2%，共同解释量分别为68.7%、39.6%、50.6%。总体而言，水热及土壤因子是宁夏针茅属草原生产力及多样性格局的驱动因素，但对多样性和生产力解释比例不同，具有一定的倾向性；群落多样性与生产力呈正相关趋势，但不显著。本研究结果能为宁夏天然草原的生产与管理提供理论依据。

关键词: 针茅属群落, 多样性, 生产力, 水热条件, 土壤

Abstract:

Species diversity and productivity are core indicators of grassland ecosystems and the fundamental factors for characterizing the services and functions of grassland ecosystems. The temperate grasslands in Ningxia are located in the transitional area between arid and semi-arid grasslands. Stipa is the dominant plant genus and it is sensitive to changes in water and heat. Therefore， in this study， we focused on the diversity of Stipa plant communities in Ningxia grasslands in the context of global climate change. A knowledge of the patterns of diversity and productivity， and the factors that influence them at the macro-scale， is not only of great value for research on ecological theory， but is also significant for the production and management of natural grasslands in Ningxia. In this study， 15 Stipa plant communities in the temperate grassland of Ningxia were studied in detail. Fifteen field observation plots were established along an environmental gradient， and the characteristics of the plant community， soil nutrient status， and climatic factors were measured. The spatial distribution patterns of plant community diversity and productivity， and the responses of plant communities to ecological factors were also determined. These analyses clarified the relationship between plant community species diversity and productivity. We found that： 1） The productivity of the Stipa community in Ningxia was significantly positively correlated with latitude and negatively correlated with altitude and longitude； species diversity was significantly negatively correlated with latitude and significantly positively correlated with altitude， but not significantly correlated with longitude； 2） The results of redundancy analyses showed that soil available nitrogen， annual average temperature， soil organic carbon， soil total nitrogen， annual average radiation， soil moisture， soil bulk density， soil total phosphorus， average annual precipitation， average monthly precipitation of the growing season， and average monthly precipitation of the dry season were the main factors affecting species diversity and productivity. Soil factors explained， respectively， 15.6%， 17.8%， and 19.8% of the variation in productivity， diversity， and overall interpretation， and hydrothermal factors explained， respectively， 13.8%， 37.9%， and 25.2% of the variation in the same factors， while the interaction between hydrothermal factors and soil factors explained， respectively， 68.7%， 39.6%， and 50.6% of the variation in the same factors. In general， water， heat， and soil factors were identified as the drivers of the productivity and diversity patterns of Stipa in Ningxia， but the sizes of their contributions to diversity and productivity differed， and showed certain trends. Community diversity and productivity tended to be positively correlated， but this was not statistically significant. The results of this study provide a theoretical basis for the production and management of natural grasslands in Ningxia.

Key words: Stipa community, diversity, productivity, hydrothermal conditions, soil

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图/表 10

图1 样地调查分布

Fig. 1 Survey distribution of sample

表1 各观测样点概况

Table 1 Overview of each observation sample point

样地编号No.	经度Longitude (E)	纬度Latitude (N)	海拔Elevation (m)	优势种Dominant species
S₁	106°29′06″	38°05′14″	1220.53	短花针茅S. breviflora
S₂	106°29′07″	38°05′13″	1233.42	沙生针茅S. caucasic
S₃	107°17′55″	37°41′17″	1489.14	长芒草S. bungeana
S₄	107°17′55″	37°41′15″	1486.94	短花针茅S. breviflora
S₅	106°16′07″	37°14′58″	1929.39	戈壁针茅S. tianschanica
S₆	106°14′52″	37°14′58″	1675.94	短花针茅S. breviflora
S₇	106°01′55″	37°43′24″	1624.32	短花针茅S.breviflora
S₈	105°11′43″	37°11′10″	2086.00	戈壁针茅S. tianschanica
S₉	105°11′44″	37°11′10″	2085.01	短花针茅S. breviflora
S₁₀	105°30′44″	36°47′05″	1680.42	短花针茅S. breviflora
S₁₁	106°14′39″	36°39′55″	1676.49	短花针茅S. breviflora
S₁₂	106°29′47″	36°44′21″	1998.14	大针茅S. grandis
S₁₃	106°17′51″	36°16′46″	1926.49	大针茅S. grandis
S₁₄	106°24′40″	36°12′04″	1815.14	大针茅S. grandis
S₁₅	105°37′46″	36°24′21″	2462.52	甘青针茅S. przewalskyi

表2 宁夏草原针茅属植物群落多样性和生产力的整体分布

Table 2 The distribution of community diversity and productivity of Stipa in Ningxia grassland (mean±SD)

植物群落 Plant community	地上生物量 Aboveground biomass (g·m^-2)	Simpson优势度指数Simpson dominance index （J）	Shannon-Wiener多样性指数Shannon-Wiener diversity index ( $H'$ )	Pielou均匀度指数 Pielou evenness index (Y)	物种丰富度 Species richness (S)
短花针茅S. breviflora	124.97±59.09c	0.70±0.16bc	1.47±0.47cd	0.79±0.10bc	6.89±2.75c
长芒草S. bungeana	110.05±62.18c	0.85±0.20a	2.19±0.09a	0.87±0.24ab	12.00±1.26ab
戈壁针茅S. tianschanica	241.53±27.44b	0.74±0.68ab	1.66±0.25bc	0.82±0.59abc	7.80±1.87c
沙生针茅S.caucasica	112.30±86.29c	0.61±0.92c	1.28±0.27d	0.74±0.68c	5.80±1.64c
甘青针茅S. przewalskyi	326.20±58.02a	0.86±0.01a	2.28±1.14a	0.88±0.18a	13.40±2.30a
大针茅S. grandis	198.74±51.15b	0.80±0.06ab	1.96±0.22ab	0.83±0.67ab	10.80±1.93b

表2 宁夏草原针茅属植物群落多样性和生产力的整体分布

Table 2 The distribution of community diversity and productivity of Stipa in Ningxia grassland (mean±SD)

植物群落 Plant community	地上生物量 Aboveground biomass (g·m^-2)	Simpson优势度指数Simpson dominance index （J）	Shannon-Wiener多样性指数Shannon-Wiener diversity index ( $H'$ )	Pielou均匀度指数 Pielou evenness index (Y)	物种丰富度 Species richness (S)
短花针茅S. breviflora	124.97±59.09c	0.70±0.16bc	1.47±0.47cd	0.79±0.10bc	6.89±2.75c
长芒草S. bungeana	110.05±62.18c	0.85±0.20a	2.19±0.09a	0.87±0.24ab	12.00±1.26ab
戈壁针茅S. tianschanica	241.53±27.44b	0.74±0.68ab	1.66±0.25bc	0.82±0.59abc	7.80±1.87c
沙生针茅S.caucasica	112.30±86.29c	0.61±0.92c	1.28±0.27d	0.74±0.68c	5.80±1.64c
甘青针茅S. przewalskyi	326.20±58.02a	0.86±0.01a	2.28±1.14a	0.88±0.18a	13.40±2.30a
大针茅S. grandis	198.74±51.15b	0.80±0.06ab	1.96±0.22ab	0.83±0.67ab	10.80±1.93b

图2 宁夏草原针茅属群落生产力、物种丰富度、Shannon-Weiner多样性指数的空间分布格局

Fig.2 Spatial distribution patterns of productivity, species richness and Shannon-Weiner diversity indices of Stipa community in Ningxia grassland

表3 宁夏草原针茅属植物群落（0~30 cm）土壤特征

Table 3 Soil characteristics of the community (0-30 cm) of Stipa in Ningxia grassland (mean±SD)

样地编号No.	土壤有机碳SOC (g?kg^-1)	土壤全氮 TN (g?kg^-1)	土壤全磷 TP (g?kg^-1)	pH	土壤速效氮 SAN (mg?kg^-1)	土壤速效磷 SAP (mg?kg^-1)	容重 BD (g?cm^-3)	土壤含水量SWC (%)
S₁	2.34±0.51g	0.03±0.00h	0.22±0.02h	8.14±0.03fg	2.91±0.70gh	10.75±4.94fg	1.4007b	3.35e
S₂	2.87±0.62g	0.03±0.00h	0.24±0.00h	8.08±0.03g	2.10±0.73gh	22.25±6.25def	1.5451a	3.78de
S₃	2.65±0.33g	0.04±0.00h	0.20±0.01h	8.16±0.02efg	1.09±0.71h	11.88±2.47fg	1.3956b	4.81de
S₄	3.97±0.28g	0.04±0.01h	0.28±0.02g	8.16±0.05efg	3.61±2.64fgh	8.49±2.99g	1.1980d	13.83c
S₅	21.18±2.18d	0.11±0.01f	0.44±0.04e	8.14±0.05fg	12.01±1.60cd	30.56±8.56cd	1.2119d	11.59c
S₆	3.30±0.65g	0.05±0.00h	0.44±0.01e	8.23±0.06def	5.25±1.58fg	43.75±3.12a	1.1673def	11.94c
S₇	4.20±0.66g	0.07±0.03g	0.39±0.03f	8.21±0.06ef	4.20±3.16fg	15.08±4.88efg	1.3235bc	4.24de
S₈	13.29±3.77e	0.10±0.02ef	0.48±0.02d	8.32±0.08bcd	10.03±2.11de	16.03±4.56efg	1.1790de	6.87de
S₉	26.77±2.30c	0.16±0.01d	0.52±0.01c	8.16±0.03efg	15.05±0.73bc	42.23±9.14ab	1.1420defg	6.55de
S₁₀	11.70±0.58ef	0.10±0.01ef	0.52±0.01c	8.23±0.02def	6.88±2.05ef	16.96±2.94efg	1.2281cd	4.19de
S₁₁	8.38±1.65f	0.08±0.01fg	0.53±0.02c	8.26±0.04cde	4.90±1.73fg	12.26±5.38fg	1.2208d	7.23d
S₁₂	26.61±6.34c	0.15±0.01d	0.63±0.01ab	8.35±0.06abc	15.40±1.73bc	24.69±2.91de	1.1624def	10.65c
S₁₃	28.03±3.12c	0.18±0.01c	0.60±0.01b	8.42±0.01a	15.74±1.41b	22.25±4.94def	1.0851efg	21.89b
S₁₄	39.05±2.80a	0.21±0.01b	0.66±0.01a	8.39±0.03ab	18.54±0.73b	38.11±12.47abc	1.0546g	19.35b
S₁₅	35.34±3.97b	0.30±0.01a	0.63±0.01ab	7.84±0.06h	29.62±4.40a	32.45±7.21bcd	1.0661fg	30.37a

表4 宁夏草原针茅属植物群落与生态因子的相关分析

Table 4 Correlation analysis of community and ecological factors of Stipa in Ningxia grassland

因子 Factor	生产力 Productivity	物种丰富度 Species richness (S)	Simpson优势度指数 Simpson dominance index （J）	Shannon-Wiener多样性指数 Shannon-Wiener diversity index ( $H'$ )	Pielou均匀度指数Pielou evenness index (Y)
经度Longitude	-0.554^*	NS	NS	NS	NS
纬度Latitude	-0.541^*	-0.563^*	-0.645^**	-0.585^*	-0.560^*
海拔Elevation	0.846^**	0.572^*	0.576^*	0.556^*	0.509
年均温MAT	-0.841^**	-0.604^*	-0.603^*	-0.586^*	-0.533^*
年降水量MAP	NS	0.700^**	0.705^**	0.691^**	0.593^*
年均辐射Ssrad	-0.626^*	-0.643^**	-0.684^**	-0.646^**	-0.584^*
生长季月均降水量GSP	NS	0.716^**	0.722^**	0.709^**	0.601^*
干旱季月均降水量PDA	NS	0.690^**	0.675^**	0.666^**	0.504^*
土壤有机质SOC	0.750^**	0.578^*	0.572^*	0.576^*	NS
土壤全氮TN	0.794^**	0.613^*	0.566^*	0.580^*	NS
土壤含水量SWC	0.675^**	0.596^*	0.599^*	0.610^*	0.615^*
土壤全磷TP	0.616^*	NS	NS	NS	NS
土壤速效氮SAN	0.857^**	0.593^*	0.537^*	0.567^*	NS
土壤速效磷SAP	NS	NS	NS	NS	NS
pH	NS	NS	NS	NS	NS

表4 宁夏草原针茅属植物群落与生态因子的相关分析

Table 4 Correlation analysis of community and ecological factors of Stipa in Ningxia grassland

因子 Factor	生产力 Productivity	物种丰富度 Species richness (S)	Simpson优势度指数 Simpson dominance index （J）	Shannon-Wiener多样性指数 Shannon-Wiener diversity index ( $H'$ )	Pielou均匀度指数Pielou evenness index (Y)
经度Longitude	-0.554^*	NS	NS	NS	NS
纬度Latitude	-0.541^*	-0.563^*	-0.645^**	-0.585^*	-0.560^*
海拔Elevation	0.846^**	0.572^*	0.576^*	0.556^*	0.509
年均温MAT	-0.841^**	-0.604^*	-0.603^*	-0.586^*	-0.533^*
年降水量MAP	NS	0.700^**	0.705^**	0.691^**	0.593^*
年均辐射Ssrad	-0.626^*	-0.643^**	-0.684^**	-0.646^**	-0.584^*
生长季月均降水量GSP	NS	0.716^**	0.722^**	0.709^**	0.601^*
干旱季月均降水量PDA	NS	0.690^**	0.675^**	0.666^**	0.504^*
土壤有机质SOC	0.750^**	0.578^*	0.572^*	0.576^*	NS
土壤全氮TN	0.794^**	0.613^*	0.566^*	0.580^*	NS
土壤含水量SWC	0.675^**	0.596^*	0.599^*	0.610^*	0.615^*
土壤全磷TP	0.616^*	NS	NS	NS	NS
土壤速效氮SAN	0.857^**	0.593^*	0.537^*	0.567^*	NS
土壤速效磷SAP	NS	NS	NS	NS	NS
pH	NS	NS	NS	NS	NS

图3 宁夏草原针茅属群落与生态因子的RDA分析

Fig. 3 RDA analysis of community and ecological factors of Stipa in Ningxia grassland

图4 环境因子对宁夏草原针茅属植物群落物种多样性和生产力的解释

Fig.4 Environmental factors to explain community diversity and productivity of Stipa in Ningxia grassland

表5 宁夏草原针茅属植物群落物种与生态因子RDA排序

Table 5 RDA sequence of species and ecological factors of Stipa community in Ningxia grassland

RDA排序轴

RDA ordination

非典型相关Pseudo-canonical correlation

物种数据方差累积百分比

Cumulative percentage variance of species data

图5 宁夏草原针茅属群落物种多样性与生产力的关系

Fig. 5 Relationship between community diversity and productivity of stipa in Ningxia grassland

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