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施肥导致高寒草甸物种多样性丧失机制研究

作　者: 李伟
导　师: 杜国祯
学　校: 兰州大学
专　业: 草业科学
关键词: 青藏高原高寒草甸施肥刈割遮阴植物性状群落构建生态位理论中性理论
分类号: S812
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

由于人类活动所带来的土地利用方式的转变、生境的破碎、以及富营养化使地球的生态和环境面临着严峻的威胁,特别是物种多样性的急剧降低,已引起众多生态学家对物种多样性丧失机制的关注。关于植物群落物种多样性的形成与维持机制一直是生态学家研究的核心内容。植物群落构建理论传统上被分为两种,一种是以竞争等确定因素为基础的生态位理论,另一种是以扩散等随机因素为基础的中性理论。但是,一些生态学家认为,植物群落生态学的发展并不是完善的,这两种理论中的任何一种都不能全面的解释植物群落的构建。近几年来,大多数生态学家更倾向于认为,生态位理论和中性理论并不是对立的,将二者有机的整合可以更有效的解释群落的构建。关于群落物种多样性的维持机制起源于对生产力和多样性之间关系的探讨。生产力和多样性的关系一直是生态学家关注的焦点,但观察到的模式不尽相同。在自然的生产力梯度上,多样性一般随着生产力增加表现为降低或单峰模式；在人工的生产力梯度上,这种关系比较一致,多样性总是随着生产力的增加而降低。许多假说被提出来解释施肥后物种多样性的丧失的现象,但任何一个假说都没有很好的得到野外数据的支持,因此理解这个机制仍然保持着巨大的挑战。此外,大多数解释施肥后物种多样性的丧失的理论都是基于两个分离的轴：生产力轴和干扰轴,而没有考虑这两者的相互作用。最近几年,生态学家开始关注从植物的功能性状来理解群落的构建。基于功能性状的方法能够为我们提供一个更为迅速的理解群落组成和结构的工具。然而,很少有以植物功能性状响应来揭示从个体到群落结构各层次对环境变化响应机理的实验研究。在本论文研究中,我们选择三个关键的植物功能性状,比叶面积,高度和种子大小来进一步探究施肥后物种多样性的丧失机制。本研究的主要目的如下：1)通过施肥,干扰以及遮阴等方式来理解群落多样性的维持机制；2)通过测定常见群落组分种的功能性状来理解施肥导致物种多样性丧失的生态学机制。本实验以青藏高原东缘高寒草甸为研究对象,通过设置四个施肥梯度,三个干扰梯度以及两个遮阴梯度,连续三年研究施肥,干扰以及遮阴对物种多样性和生产力的影响。此外,我们测定了30种常见群落组分种的三个关键功能性状对施肥的响应。我们通过单变量一般线性模型来估计施肥,干扰以及遮阴对物种多样性和生产力的影响。通过线性回归研究了植物功能性状和施肥后物种相对多度的响应之间的关系。我们得出主要结果如下：1)综合施肥和刈割两个因素,生产力和多样性之间呈显著的负相关关系；2)施肥显著地降低了物种的丰富度和多样性,且随着施肥梯度的增加,降低的程度加大；刈割显著地增加了物种的丰富度和多样性,且随着刈割次数的增加,增加的程度加大：3)个体密度和物种的丰富度和多样性呈显著的正相关关系,但把密度作为协变量时,施肥和刈割仍然对物种的丰富度和多样性有显著影响；4)从生物量来看,施肥显著地增加了地上生物量,且主要由禾草的生物量决定;刈割显著地增加了地上生物量,且主要由杂草的补偿性生长决定。5)遮阴和施肥小区的地表光合有效辐射一致,但只有施肥降低物种的丰富度和多样性,表明光竞争不能全面解释施肥后多样性的降低；遮阴小区的地下生物量和根冠比显著增大,但丰富度和多样性没有发生变化,表明根竞争不能全面解释施肥后多样性的降低；6)施肥后物种的比叶面积和高度都显著增加；各功能群间的功能性状没有显著差异；物种的比叶面积和高度与物种相对多度的响应呈显著的正相关关系。根据以上结果可以得到以下结论：1)施肥和干扰能够共同影响群落的组成和结构,随着生产力的增加,干扰可以最大化物种的丰富度和多样性;2)密度假说并不能充分解释施肥后物种多样性的降低；3)光竞争假说和根竞争假说都不能全面解释多样性的降低；地上/地下竞争的相互作用可能是施肥后多样性降低的最合理的解释；4)物种性状依赖的确定性过程是施肥导致多样性降低的重要机制；物种的比叶面积和高度可以作为施肥后物种分类的指标。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-10
第一章群落构建理论基础  10-32
  1.1 群落构建理论概述  10-29
    1.1.1 群落构建的确定性过程  10-25
    1.1.2 群落构建的随机性过程  25-26
    1.1.3 群落构建的确定性过程和随机性过程的整合  26-29
  1.2 结构方程模型在生态学中的应用  29-30
  1.3 存在的问题和研究目的  30-32
    1.3.1 存在的问题  30-31
    1.3.2 研究目的  31-32
第二章实验设计与分析  32-39
  2.1 实验设计  32-37
    2.1.1 实验地概况  32-33
    2.1.2 实验设计  33-35
    2.1.3 个体和群落特性测定  35-37
  2.2 数据分析  37-39
    2.2.1 群落对施肥刈割以及遮阴的响应  37-38
    2.2.2 施肥梯度上物种竞争强度检验  38
    2.2.3 植物功能性状对施肥的响应  38-39
第三章研究结果  39-65
  3.1 群落对施肥和刈割的响应  39-54
    3.1.1 生产力和多样性的关系  39-40
    3.1.2 总个体密度和多样性的关系  40-41
    3.1.3 排除个体密度后施肥和刈割对多样性的影响  41-42
    3.1.4 施肥和刈割对物种多样性的影响  42-47
    3.1.5 施肥和刈割对地上生物量和各功能群生物量的影响  47-49
    3.1.6 施肥和刈割对个体密度的影响  49-50
    3.1.7 施肥和刈割对幼苗丰富度和密度的影响  50-52
    3.1.8 三年数据综合分析施肥和刈割对物种多样性的影响  52-54
  3.2 施肥对物种间竞争关系的影响  54-55
  3.3 光竞争假说的检验  55-59
  3.4 植物性状和施肥后物种多样性的降低  59-65
    3.4.1 植物性状对施肥的响应  59-60
    3.4.2 不同功能群对施肥的响应  60-61
    3.4.3 植物性状和物种相对多度的关系  61-65
第四章讨论  65-74
  4.1 施肥和刈割对群落组成和结构的影响  65-69
    4.1.1 施肥和刈割对物种多样性和生产力的影响  65-66
    4.1.2 施肥和刈割对群落密度的影响  66-67
    4.1.3 施肥和刈割对幼苗多样性的影响  67-68
    4.1.4 施肥梯度上物种竞争强度的衡量  68-69
  4.2 施肥后物种多样性丧失机制的探讨  69-71
    4.2.1 光竞争并不能全面解释施肥后多样性的降低  69
    4.2.2 根竞争并不能全面解释施肥后多样性的降低  69-70
    4.2.3 地上/地下竞争的相互作用是施肥后多样性降低的最好解释  70-71
  4.3 植物性状和施肥后多样性的降低  71-74
第五章结论和展望  74-75
  5.1 结论  74
  5.2 展望  74-75
参考文献  75-88
在学期间的研究成果  88-89
致谢  89

施肥导致高寒草甸物种多样性丧失机制研究

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