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黄河流域河南段不同环境梯度下的植物多样性及其动态研究

作　者: 廖秉华
导　师: 丁圣彦
学　校: 河南大学
专　业: 植物学
关键词: 植物多样性动态环境梯度黄河流域河南段
分类号: Q948
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

国际地圈—生物圈计划IGBP（International Geosphere-Biosphere Program）的一个长期目标是建立动态全球植被模型DGVM（Dynamic Global Vegetation Model）。在中国植被分区上，黄河流域河南段地处南北气候带，该地区植物多样性的动态过程是历史上自然变迁和人类活动双重作用的结果。因此，该地区在保存全球性生物多样性和维护地球生态系统中具有重要的作用。近30年来，该地区的人们对自然资源进行大量的开发，导致该地区流域生态系统结构发生了显著性的变化，同时，也意味随着土地利用、栖息地、生物多样性，以及生态系统稳定性发生显著性的变化，对该地区流域生态系统的功能产生了深刻的影响。理解植物多样性的这些动态变化及其产生的原因，对于未来研究该地区生态系统功能、生物多样性保护的可持续性发展的目标来说有重要的理论意义。前人研究表明生物多样性与干扰相互联系（中度干扰假说），并且表明对于生物多样性的保护来说，干扰（的频率和强度）是研究的一个重要目标。这项研究中，分析了黄河流域河南段群落多样性、植物物种多样性动态及其与环境梯度之间的关系。本文应用群落生态学的方法，在黄河流域河南段环境梯度上，调查研究了环境因子如何影响植物多样性的动态。这项研究是在不同景观类型（山地、丘陵、平原）中，以草本植物为主要的研究对象，于2009年至2011年进行了野外调查，通过不同环境梯度下植物物种分布格局、物种流动特征等，总结草本物种多样性沿着环境梯度的分布格局。研究结果表明：1.黄河流域河南段垂直于河岸50Km范围内，共有50个植物群落类型。山地、丘陵、平原的植物群落均体现出：随着海拔梯度的增加，Jaccard指数（相似性指数）和Simpson指数均为增加的趋势，Code指数（物种替代速率指数）为减少的趋势；Jaccard指数、Simpson指数、Code指数和海拔梯度之间存在显著或极显著的相关关系（P<0.05或P<0.01）。植物群落Simpson指数总的趋势是：山地>丘陵>平原。2009年~2011年黄河流域河南段的植物种类可分为54个科，159个属，241个种。2.由于不同季节的干扰的种类和强度发生变化，因此，随着不同景观类型中受到干扰的样地数目的增加，Simpson多样性指数持续减小。（1）由于四季（春季、夏季、秋季、冬季）里农田中使用除草剂的样地数目大小排序为：平原>丘陵>山地，因此，沿着山地、丘陵、平原不同环境（经度、海拔和干扰）梯度的变化，农田生态系统草本物种在四季（春季、夏季、秋季、冬季）的Simpson多样性指数均为持续减小的趋势。（2）由于春季和秋季放牧样地数目大小排序为：平原>丘陵>山地，草本物种的Simpson多样性指数沿着山地、丘陵、平原不同环境（经度、海拔和干扰）梯度的变化，均为逐渐减小的趋势。由于夏季河滩被水淹没的样地数目为山地>丘陵>平原，因此，草本物种的Simpson多样性指数沿着山地、丘陵、平原不同环境梯度（经度、海拔和干扰）的变化，为逐渐增加的趋势。由于冬季河滩冰封的样地数目为山地>丘陵>平原，因此，草本物种的Simpson多样性指数从山地经丘陵到平原不同环境（经度、海拔和干扰）梯度的变化，为逐渐增加的趋势。（3）由于人工林和撂荒地放牧的样地数目的排序为：平原>丘陵>山地，因此，沿着山地、丘陵、平原不同环境（经度、海拔和干扰）梯度的变化，在春季、夏季和秋季的草本物种Simpson多样性指数均表现为下降的趋势；由于冬季人工林和撂荒地火烧后的样地数目的排序为山地>丘陵>平原，因此，沿着山地、丘陵、平原不同环境（经度、海拔和干扰）梯度的变化，人工林和撂荒地生态系统中草本物种的Simpson多样性指数为逐渐增加的趋势。（4）由于灌丛在四季（春季、夏季、秋季、冬季）中水土流失的强度大小排序为：丘陵>山地，因此，沿着山地、丘陵不同环境梯度（经度和海拔）的变化，对于不同季节（春季、夏季、秋季、冬季）灌丛下草本物种α-多样性特征的动态来说物种Simpson多样性指数的变化均为：持续降低的趋势。3.沿着黄河流域河南段整个流域环境梯度的变化，从山地经丘陵到平原，河滩地、农田、人工林、撂荒地、滩地和农田交错带在不同季节（春季、夏季、秋季、冬季）产生了相似的生态效应，β多样性指数表明，物种相似性多为抛物线的变化趋势，物种替代速率多为倒抛物线的趋势。草本种类数的季节性变化的大小排序为：夏季>春季>秋季>冬季。4.不同季节草本物种在不同生态系统中的物种相似性和替代速率的大小排序存在差异：（1）春季Jaccard指数（物种相似性指数）大小排序：林地与农田>撂荒地与农田>林地与撂荒地>林地与滩地>滩地与农田>滩地与撂荒地；Code指数（物种替代速率指数）的大小排序：滩地与撂荒地>滩地与农田>林地与滩地>林地与撂荒地>撂荒地与农田>林地与农田。（2）夏季Jaccard指数（物种相似性指数）的大小排序为：滩地与撂荒地>林地与撂荒地>林地与滩地>林地与农田>滩地与农田>撂荒地与农田；Code指数（物种替代速率指数）的大小排序为：林地与滩地>撂荒地与农田>滩地与撂荒地>林地与撂荒地>滩地与农田>林地与农田。（3）秋季Jaccard指数（物种相似性指数）的大小排序为：滩地与撂荒地>林地与滩地>滩地与农田>林地与撂荒地>撂荒地与农田>林地与农田；Code指数（物种替代速率指数）的大小排序为：林地与滩地>滩地与撂荒地>滩地与农田>林地与撂荒地>撂荒地与农田>林地与农田。（4）冬季Jaccard指数（物种相似性指数）的大小排序为：撂荒地与农田>林地与滩地>滩地与撂荒地>林地与农田>林地与撂荒地>滩地与农田；Code指数（物种替代速率指数）的大小排序为：滩地与农田>滩地与撂荒地>林地与滩地>林地与撂荒地>林地与农田>撂荒地与农田。5.沿着“滩地→林地→撂荒地→滩地和农田的交错带→农田”不同环境梯度的动态表明：不同季节草本优势种表现出不同的环境依赖型的物种流：（1）春季的朝天委陵菜（Potentilla supina）为“滩地依赖型”，荠（Capsella bursa-pastoris）和藜（Chenopodium album）为“林地依赖型”，小蓬草（Conyza canadensis）为“撂荒地依赖型”，打碗花（Calystegia hederacea）和播娘蒿（Descurainia sophia）为“农田依赖型”；（2）夏季的朝天委陵菜为“滩地依赖型”，小蓬草为“林地依赖型”，双稃草（Diplachnefusca）为“撂荒地依赖型”，金狗尾草（Setaria glauca）为“农田依赖型”；（3）秋季的芦苇（Phragmites australis）为“滩地依赖型”，小藜（C.serotinum）为“滩地和农田之间的交错带依赖型”，金狗尾草为“农田依赖型”，止血马唐（Digitariaischaemum）为“林地依赖型”、“撂荒地依赖型”和“农田依赖型”；（4）冬季的朝天委陵菜和石龙芮（Ranunculus sceleratus）为“滩地依赖型”，止血马唐为“林地依赖型”，狗牙根（Cynodon dactylon）为“撂荒地依赖型”，播娘蒿为“农田依赖型”，香丝草（C.bonariensis）为“林地依赖型”和“滩地和农田交错带依赖型”。6.从山地经丘陵到平原，在不同景观类型的同一生态系统中，以及在不同景观类型的不同生态系统中，沿着不同环境（经度、海拔和干扰）梯度的变化，草本优势种的重要值均为连续性的变化。并且，在同一景观类型内的同一生态系统内部（沿着外缘、内缘和中央的不同环境梯度的变化），以及同一景观类型内的不同生态系统之间，草本优势种的重要值沿着不同环境梯度的变化也为连续性的变化。

全文目录

摘要  3-7
ABSTRACT  7-14
1 引言  14-24
  1.1 流域生物多样性研究进展  17-18
  1.2 群落多样性研究  18-20
  1.3 物种多样性研究进展  20-21
  1.4 干扰对生物多样性的影响研究  21-24
2 研究内容、目的及意义与拟解决的关键科学问题  24-26
  2.1 研究内容  24
  2.2 目的及意义  24-25
  2.3 拟解决的关键科学问题  25-26
3 研究区概况  26-28
  3.1 地理位置  26
  3.2 地形地貌  26-27
  3.3 气象气候  27
  3.4 土壤类型  27
  3.5 水文  27
  3.6 植被  27-28
4 研究方法  28-36
  4.1 样地设置和数据采集  28-34
  4.2 数据处理  34-35
    4.2.1 群落多样性的处理方法  34
    4.2.2 物种多样性的处理方法  34-35
  4.3 技术路线  35-36
5 研究结果  36-142
  5.1 黄河流域河南段植物群落的类型  36-49
    5.1.1 黄河河岸带河南段植物群落多样性的空间分布特征  36-38
    5.1.2 黄河流域河南段植物群落类型沿着近河岸、中河岸、远河岸的分析  38-49
  5.2 黄河流域河南段植物群落类型的多样性特征  49-50
    5.2.1 植物群落类型的α多样性特征  49
    5.2.2 植物群落类型的β多样性特征  49-50
  5.3 黄河流域河南段草本物种的多样性特征  50-54
    5.3.1 农田生态系统中草本物种的α多样性特征  50-51
    5.3.2 河滩生态系统中草本物种的α多样性特征  51-52
    5.3.3 人工林生态系统中草本物种的α多样性特征  52-53
    5.3.4 撂荒地生态系统中草本物种的α多样性特征  53
    5.3.5 灌丛生态系统中草本物种的α多样性特征  53-54
  5.4 黄河流域河南段不同生态系统中草本物种相似性和替代速率的特征  54-61
    5.4.1 河滩生态系统中草本物种的β多样性特征  54-55
    5.4.2 农田生态系统中草本物种的β多样性特征  55-56
    5.4.3 撂荒地生态系统的草本物种的β多样性特征  56-58
    5.4.4 人工林生态系统中草本物种的β多样性特征  58-59
    5.4.5 灌丛地生态系统的草本物种的β多样性特征  59-60
    5.4.6 滩地和农田之间交错带生态系统中草本物种的β多样性特征  60-61
  5.5 不同生态系统之间草本物种的相似性和替代速率的大小排序  61-64
  5.6 不同环境梯度下草本物种流在不同生态系统之间转换的动态关系  64-67
  5.7 不同生态系统中草本优势种的经度空间分布格局  67-93
    5.7.1 河滩生态系统中草本层优势种的经度空间分布格局  67-72
    5.7.2 农田生态系统中草本层优势种的经度空间分布格局  72-76
    5.7.3 人工林生态系统中草本层优势种的经度空间分布格局  76-81
    5.7.4 撂荒地生态系统中草本层优势种的经度空间分布格局  81-85
    5.7.5 灌丛生态系统中草本层优势种的经度空间分布格局  85-89
    5.7.6 滩地和农田交错带生态系统中草本层优势种的经度空间分布格局  89-93
  5.8 同一生态系统类型中的草本优势种的重要值沿着经度变化的动态  93-107
    5.8.1 河滩生态系统中的草本优势种的重要值沿着经度变化的动态  93-95
    5.8.2 农田生态系统中的草本优势种的重要值沿着经度变化的动态  95-98
    5.8.3 人工林生态系统中的草本优势种的重要值沿着经度变化的动态  98-100
    5.8.4 撂荒地生态系统中的草本优势种的重要值沿着经度变化的动态  100-102
    5.8.5 灌丛生态系统中的草本优势种的重要值沿着经度变化的动态  102-104
    5.8.6 滩地和农田交错带生态系统中草本优势种的重要值沿着经度变化的动态  104-107
  5.9 同一景观类型中同一生态类型内部和不同的生态系统类型之间草本物种流的动态  107-138
    5.9.1 平原景观生态系统中同一生态类型内部和不同生态系统类型之间草本物种流的动态（以黑池乡为例）  107-116
    5.9.2 丘陵景观生态系统中的同一生态类型内部和不同的生态系统类型之间草本物种流的动态（以巩义市康店镇赵沟为例）  116-128
    5.9.3 山地景观生态系统中的同一生态类型内部和不同的生态系统类型间草本物种流的动态（以孟津县黄鹿山乡为例）  128-138
  5.10 不同季节草本优势种在不同景观类型、不同生态系统中的重要值沿着经度的动态  138-141
    5.10.1 春季草本优势种在不同景观类型、不同生态系统中的重要值沿着经度的动态  138-139
    5.10.2 夏季草本优势种在不同景观类型、不同生态系统中的重要值沿着经度的动态  139-140
    5.10.3 秋季草本优势种在不同景观类型、不同生态系统中重要值沿着经度的动态  140-141
  5.11 不同环境梯度下草本种类数的季节性变化  141-142
6 结论  142-146
7 讨论  146-156
8 创新与不足  156-158
  8.1 创新点  156-157
  8.2 研究的下一步工作  157
  8.3 研究的不足  157-158
参考文献  158-172
致谢  172

黄河流域河南段不同环境梯度下的植物多样性及其动态研究

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