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        黃河源區(qū)建植17年栽培草地退化響應(yīng)因子分析

        2019-06-04 09:27:26孫華方李希來金立群
        草業(yè)科學(xué) 2019年5期
        關(guān)鍵詞:植物

        孫華方,李希來,2,金立群,張 靜

        (1. 青海大學(xué)農(nóng)牧學(xué)院,青海 西寧 810016;2. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所 /青海省寒區(qū)恢復(fù)生態(tài)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,青海 西寧 810008)

        近年來,由于全球氣候變化和頻繁的人類活動(dòng)干擾,草原生態(tài)系統(tǒng)不斷退化,中度退化草地約占青藏高原草地面積的55.4%[1]。草地退化已嚴(yán)重影響青藏高原生態(tài)平衡及我國(guó)大部分區(qū)域的生態(tài)安全。黃河源地區(qū)處青藏高原腹地,環(huán)境惡劣,生境脆弱,該地區(qū)草地同樣面臨著嚴(yán)峻的退化現(xiàn)象。目前退化草地的恢復(fù)措施有多種,主要可分為兩種,一是充分依靠原有植被,進(jìn)行人工干預(yù),通過補(bǔ)播改良措施、圍欄封育等形式建立半栽培草地;二是通過農(nóng)藝耕作措施,進(jìn)行翻耕建立栽培草地[2-4]。建立栽培草地、半栽培草地等恢復(fù)措施能夠明顯改善土壤理化性質(zhì),增加表層土壤養(yǎng)分[5-7],提高地上生物量與草地生產(chǎn)力[8],是恢復(fù)退化天然草地的有效途徑[9]。栽培草地與天然草地不同,其生態(tài)結(jié)構(gòu)單一,系統(tǒng)穩(wěn)定性差,極易發(fā)生退化,再次形成“黑土灘”[10],所以研究與分析栽培草地的退化現(xiàn)象十分重要。

        黃河源區(qū)栽培草地的利用方式多為放牧利用,放牧的頻率與強(qiáng)度決定草地的演替方向。適宜的放牧強(qiáng)度下,栽培草地逐漸趨于正向演替,不合理的利用栽培草地極易發(fā)生退化。本研究栽培草地利用方式為冬季放牧,由于利用比較合理,栽培草地得以維持,其生態(tài)系統(tǒng)逐漸穩(wěn)定。通過對(duì)栽培草地群落結(jié)構(gòu)及土壤理化性質(zhì)的調(diào)查研究,能夠及時(shí)掌握栽培草地演替的動(dòng)態(tài)變化,對(duì)退化栽培草地適時(shí)人工干預(yù),能夠有效地促進(jìn)栽培草地健康發(fā)展,促使其逐漸恢復(fù)形成天然草地。目前,已有學(xué)者對(duì)三江源退化栽培草地植物群落結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)等方面[11-12]進(jìn)行研究,但大部分栽培草地由于建植年限較短,草地植物群落結(jié)構(gòu)、土壤理化性質(zhì)不穩(wěn)定,栽培草地容易發(fā)生退化。對(duì)于建植時(shí)間較長(zhǎng)、穩(wěn)定性較強(qiáng)的栽培草地是否會(huì)出現(xiàn)退化,退化狀況與關(guān)鍵因子分析鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。本研究選取黃河源區(qū)果洛州瑪沁縣大武灘上建植17年且局部已經(jīng)發(fā)生不同程度退化的單播垂穗披堿草(Elymus nutans)栽培草地為研究對(duì)象,通過對(duì)該栽培草地不同退化程度區(qū)域地上植被與土壤養(yǎng)分的調(diào)查研究,分析不同退化程度植被與土壤養(yǎng)分變化規(guī)律,為退化栽培草地的治理提供參考依據(jù)。

        1 研究區(qū)域概況及研究方法

        1.1 研究區(qū)域概況

        栽培草地位于果洛州大武鎮(zhèn)(34°28.28′ N,100°13.57′ E),海拔 3 752 m。年平均氣溫-0.6 ℃,最高氣溫26.6 ℃,最低氣溫-34.9 ℃。最大溫差22.4 ℃,屬高原大陸性氣候。年均降水量443 mm,平均蒸發(fā)量 1 462.4 mm,最大凍土深度 246 cm,土壤為高山草甸土。

        調(diào)查樣地為單播垂穗披堿草栽培草地,建植時(shí)間為2000年5月,建植面積約為2.5 hm2,試驗(yàn)調(diào)查面積為 100 m × 100 m,栽培草地建植之前屬于典型“黑土灘”退化草地,原生植被不足10%,且優(yōu)勢(shì)種莎草科(Cyperaceae)植物被毒雜草取代,主要有鐵棒槌 (Aconitum szechenyianum)、鵝絨委陵菜(Potentilla anserina)、細(xì)葉亞菊 (Ajania tenuifolia)、黃帚橐吾(Ligularia virgaurea)、甘肅馬先蒿(Pedicularis kansuensis)等。栽培草地所用草種由當(dāng)?shù)夭葑逊敝硤?chǎng)提供,垂穗披堿草播量為45 kg·hm-2,施肥量為45 kg·hm-2磷酸二銨復(fù)合肥。農(nóng)藝措施為:深翻-耙平-施肥-撒種-覆土-鎮(zhèn)壓-圍欄封育,并使用C-型肉毒素控制高原鼠兔(Ochotona curzoniae)種群密度,詳見馬玉壽等[13]報(bào)道。該栽培草地利用方式為冬季放牧(每年12月至次年4月),生長(zhǎng)季圍欄封育,完全禁牧。

        1.2 研究方法

        1.2.1 樣方調(diào)查及植物多樣性計(jì)算方法

        2017年8月在樣地上采用樣線樣方調(diào)查法獲取數(shù)據(jù)。栽培草地退化等級(jí)的判斷參照《天然草地退化、沙化、鹽漬化的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》(GB19377-2003)[14];確定樣地內(nèi)未退化 (no degradation,ND)區(qū)域、中度退化(moderate degradation,MD)區(qū)域、重度退化(severe degradation,SD)區(qū)域,調(diào)查區(qū)各退化面積分別約為0.77、0.06、0.17 hm2。以未退化栽培草地區(qū)域?yàn)橹行?,設(shè)置長(zhǎng)30 m樣線,確保樣線經(jīng)過中度退化區(qū)和重度退化區(qū),分別在不同退化區(qū)域中部,距離樣線0.5 m處設(shè)置1個(gè)0.5 m ×0.5 m的樣方調(diào)查,樣線重復(fù)6次,每個(gè)退化區(qū)各取6個(gè)樣方,共18個(gè)樣方。地上植被特征指標(biāo)包括植被總蓋度,不同功能類群(禾本科、莎草科、雜類草)分蓋度、高度、生殖枝數(shù)量,生物土壤結(jié)皮 (biological soil crusts, BSCs)蓋度及厚度。

        植物多樣性計(jì)算:

        重要值Pi= (ni/N+ci/C+hi/H) / 3;

        Shannon-Wiener指數(shù):H′= -∑Pi× lnPi;

        Pielous均勻度指數(shù):J′=H′/ lnS;

        Simpson 指數(shù):D= 1 - ∑Pi2。

        式中:Pi,第i種植物的重要值;ni,第i種植物個(gè)體數(shù);ci,第i種植物蓋度;hi,第i種植物高度;N,樣方內(nèi)總個(gè)體數(shù);C,樣方總蓋度;H,樣方內(nèi)植物高度;H′,多樣性指數(shù);J′,均勻度指數(shù);S,群落中植物的種數(shù);D,生態(tài)優(yōu)勢(shì)度指數(shù)。

        1.2.2 土壤采集及化學(xué)性質(zhì)測(cè)定方法

        在調(diào)查植被后,用小鏟隨機(jī)挖取同一樣方內(nèi)3個(gè)位置的0-10 cm土樣混合,自封袋封裝,記號(hào)筆標(biāo)記帶至實(shí)驗(yàn)室分析。野外采取土樣時(shí)注意去除所調(diào)查樣方內(nèi)取土位置的地表覆蓋植被(包括生物土壤結(jié)皮)以及凋落物。測(cè)定所采集土壤的全氮(total nitrogen, TN)、全磷 (total phosphorus, TP)、全鉀(total potassium, TK)、速效氮 (available nitrogen, AN)、速效磷 (available phosphorus, AP)、速效鉀 (available otassium, AK)、有機(jī)質(zhì) (soil organic matter, SOM)、pH等指標(biāo)。

        電位法測(cè)定土壤pH;重鉻酸鉀-H2SO4氧化-(油浴)外加熱法測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì);半微量凱氏定氮法測(cè)定全氮;“堿解-鉬銻抗比色法”測(cè)定土壤全磷;“堿熔-火焰光度”法測(cè)定土壤全鉀;“堿解-擴(kuò)散”法測(cè)定土壤速效氮;“鹽酸-硫酸浸提法”測(cè)定土壤速效磷;“中性 1 mol·L-1乙酸銨浸提-火焰光度法”測(cè)定土壤速效鉀,具體參照張萬儒[15]的《森林土壤分析法》。

        1.2.3 統(tǒng)計(jì)分析

        運(yùn)用SPSS 19.0進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA),使用R語言調(diào)用隨機(jī)森林程序分析各個(gè)響應(yīng)因子對(duì)栽培草地退化的敏感性。

        隨機(jī)森林分析法:隨機(jī)森林(random forest,RF),是由 Leo Breiman 和 Adele Cutler最早提出的一種利用隨機(jī)抽樣進(jìn)行決策樹構(gòu)建的集成算法[16],該分析方法可以定量分析自變量與因變量之間的相互關(guān)系,一般評(píng)價(jià)指標(biāo)為平均準(zhǔn)確率降低度與平均基尼指數(shù)遞減度。隨機(jī)森林法能同時(shí)處理大量數(shù)據(jù),并且在數(shù)據(jù)缺失的情況下還能保持高的準(zhǔn)確度,而且該方法簡(jiǎn)單易學(xué),故廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

        2 結(jié)果與分析

        2.1 退化栽培草地土壤及植被的調(diào)查

        未退化、中度退化、重度退化栽培草地表層(0-10 cm)土壤養(yǎng)分無顯著差異 (P> 0.05)(表1)。全氮、全磷、速效鉀隨著退化分別從4.45 g·kg-1、1.43 g·kg-1、 257.5 mg·kg-1降 低 至 4.21 g·kg-1、1.29 g·kg-1、205.00 mg·kg-1,全鉀、速效氮、有機(jī)質(zhì)、速效磷含量隨著退化呈“V”字型分布。土壤pH隨著退化逐漸接近7??傮w趨勢(shì)來看,未退化區(qū)的土壤養(yǎng)分含量略高于其他退化的土壤養(yǎng)分含量。

        不同退化程度區(qū)域植物群落特征調(diào)查發(fā)現(xiàn)(表2),未退化區(qū)和中度退化區(qū)的地上植被總蓋度無顯著差異(P> 0.05),但未退化區(qū)顯著高于重度退化區(qū)的總蓋度(P< 0.05)。隨著草地的退化,植物多樣性增加。各退化區(qū)的禾本科蓋度隨著退化加劇迅速下降,且差異極顯著(P< 0.01)。未退化區(qū)的禾本科植物蓋度高達(dá)80%以上,中度退化區(qū)的禾本科蓋度降為未退化區(qū)的一半,而重度退化區(qū)的禾本科蓋度僅有6%。莎草科植物主要分布在

        有退化現(xiàn)象的區(qū)域,但蓋度很低,僅有10%左右。隨退化程度加劇,雜類草迅速增加,重度退化區(qū)雜草蓋度高達(dá)73.17%,是未退化區(qū)域的3.7倍(P< 0.01)。草地退化對(duì)生物土壤結(jié)皮蓋度沒有顯著影響。

        表1 不同退化程度土壤養(yǎng)分調(diào)查結(jié)果Table 1 Effect of different degrees of degradationonsoil nutrients

        表2 不同退化程度植物群落特征調(diào)查結(jié)果Table 2Investigation of plant communitycharacteristics under different degrees of degradation

        2.2 栽培草地退化響應(yīng)因子敏感度分析

        18個(gè)土壤養(yǎng)分與植物群落特征響應(yīng)因子敏感度排列順序如圖1所示。結(jié)果表明,禾本科蓋度、生殖枝數(shù)量、垂穗披堿草蓋度、雜類草蓋度等因子敏感度較大。而土壤養(yǎng)分如土壤有機(jī)質(zhì)、土壤氮素等因子對(duì)退化的響應(yīng)不敏感。這說明建植17年栽培草地地上植物群落特征相對(duì)于土壤養(yǎng)分含量對(duì)退化比較敏感,而土壤養(yǎng)分含量對(duì)退化的敏感度較小,這也說明建植17年栽培草地土壤化學(xué)特征基本趨于穩(wěn)定。

        基于各響應(yīng)因子敏感度排序結(jié)果(圖1)選取禾本科蓋度、生殖枝數(shù)、垂穗披堿草蓋度等6個(gè)響應(yīng)因子單獨(dú)進(jìn)行分析(圖2),結(jié)果表明禾本科蓋度、生殖枝數(shù)量和群落總蓋度數(shù)值越大對(duì)退化的響應(yīng)越大。當(dāng)禾本科植物蓋度小于64.4%時(shí),對(duì)草地退化不敏感,故禾本科植物蓋度小于65%以下時(shí)不能作為監(jiān)測(cè)栽培草地是否發(fā)生退化的指標(biāo);當(dāng)禾本科蓋度為73.6%時(shí),其響應(yīng)達(dá)到最大。就生殖枝而言,當(dāng)其數(shù)量在486個(gè)·m-2時(shí),該因子對(duì)草地退化敏感性最大。垂穗披堿草的敏感度變化趨勢(shì)是先降低再升高,在蓋度為50.13%時(shí)達(dá)到最大。雜類草的變化趨勢(shì)與Shannon-Wiener指數(shù)相似,都呈下降趨勢(shì)??偵w度對(duì)草地退化的響應(yīng)程度的大小呈現(xiàn)急速上升的趨勢(shì)。

        3 討論

        3.1 不同退化栽培草地土壤與植被特征變化

        由于本研究栽培草地利用方式為冬季放牧,放牧活動(dòng)對(duì)草地影響較小,有利于土壤養(yǎng)分的積累。栽培草地退化區(qū)雖說植被覆蓋度低,但地表生物土壤結(jié)皮覆蓋較大,對(duì)防止風(fēng)蝕、水蝕的發(fā)生以及土壤養(yǎng)分的積累有十分重要的作用,所以不同退化程度栽培草地土壤養(yǎng)分含量差異不大。栽培草地植被群落特征的變化規(guī)律與土壤養(yǎng)分不同,隨著栽培草地退化的發(fā)生,地上植被分布具有明顯差異。禾本科植物多生長(zhǎng)在未退化區(qū)域,退化的栽培草地禾本科植物蓋度迅速降低,由未退化區(qū)的84.3%下降到6%。有研究表明,隨著栽培草地的退化,土壤含水量降低[16],而毒雜草的生長(zhǎng)趨向于干燥的地方[17],這與本研究結(jié)果毒雜草大多分布在退化區(qū)域一致。在退化區(qū)局部地方生長(zhǎng)著少量的嵩草屬(Kobresia)植物,這是由建植初期機(jī)械作業(yè)翻耕未打碎所遺留在地表的原生草皮上的嵩草逐漸繁殖而成。隨著栽培草地的退化,植物多樣性增加,該結(jié)果與陳莉敏等[18]的研究結(jié)果基本一致。引起該結(jié)果的原因可能是該樣地未退化區(qū)主要以垂穗披堿草為優(yōu)勢(shì)種,限制了其他物種入侵,降低了植物多樣性。伴隨著退化情況的發(fā)生,披堿草單一種群的生態(tài)優(yōu)勢(shì)度逐漸降低,物種的入侵,使物種組成及群落結(jié)構(gòu)多樣化、復(fù)雜化,增加了物種多樣性。

        圖1 不同退化栽培草地響應(yīng)因子的重要性排序Figure 1 Rank of response factors affecting different degraded pasture

        圖2 不同因子對(duì)栽培草地退化的敏感性Figure 2 Sensitivity of different response factors on pasture degradation

        3.2 栽培草地退化響應(yīng)因子敏感性分析

        栽培草地的建立與后續(xù)演替受到諸多方面的影響,如氣候、生態(tài)因子以及人為活動(dòng)(如過度放牧活動(dòng)等)等。有研究表明氣候變化對(duì)草地退化影響很大,貢獻(xiàn)率為45.51%[19],也有學(xué)者提出在小尺度范圍內(nèi),生態(tài)因子起主要重要作用[20]。目前,分析退化栽培草地的方法大多集中在傳統(tǒng)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析上,而生態(tài)因子交互性強(qiáng),彼此之間相互影響,使傳統(tǒng)方法處理結(jié)果準(zhǔn)確性降低。本研究利用的隨機(jī)森林分析法具有交互作用不敏感的優(yōu)點(diǎn),能夠快速準(zhǔn)確分析各個(gè)因子的重要性[21]。

        草地退化是生態(tài)系統(tǒng)受到嚴(yán)重破壞而不能自我調(diào)節(jié)[22-23],結(jié)構(gòu)、功能喪失后,草地生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生的一系列變化,植被分布特點(diǎn)發(fā)生改變,土壤養(yǎng)分含量發(fā)生變化等,但各不同響應(yīng)因子的響應(yīng)程度不同。通過運(yùn)用隨機(jī)森林法分析各響應(yīng)因子的敏感性發(fā)現(xiàn)(圖1),植物群落特征在草地發(fā)生退化時(shí)響應(yīng)較土壤迅速,這是因?yàn)橹参镒鳛榈乇砀采w物首先受到外界不良條件的影響,一定程度上植被可抵御外界對(duì)土壤的直接傷害,減緩了土壤性質(zhì)的變化速度。通過進(jìn)一步分析不同植被特征的敏感性發(fā)現(xiàn),禾草類蓋度、生殖枝數(shù)、垂穗披堿草蓋度以及雜類草蓋度等因子對(duì)栽培草地退化非常敏感。該栽培草地的主要利用方式為冬季放牧,禾草類植物作為主要優(yōu)勢(shì)種群,同時(shí)也作為適口性較好的優(yōu)良牧草,在草場(chǎng)利用時(shí),局部過重的放牧活動(dòng)導(dǎo)致禾草類植物蓋度降低,引發(fā)嚙齒動(dòng)物大量增多,引起草地退化,而隨著草地退化,原優(yōu)勢(shì)種禾草類植物優(yōu)勢(shì)度消失,土壤水分降低,對(duì)水分敏感的雜類草迅速取代禾草類植物成為退化區(qū)的優(yōu)勢(shì)種植物。本研究中生殖枝多為禾草類植物的生殖枝,故其變化與禾草類蓋度變化趨勢(shì)相似。優(yōu)勢(shì)種的變化代表植被向自然草甸或退化草地的演替,但植被的正向演替是一個(gè)十分漫長(zhǎng)的過程,有時(shí)甚至需要上百年,而草地退化速度則可以很快。與之相比,建植17 a的栽培草地向天然高寒草甸演替還需要很長(zhǎng)時(shí)間。所以,人工草地中若優(yōu)勢(shì)植物短時(shí)間內(nèi)有減少趨勢(shì)時(shí),該栽培草地可能會(huì)發(fā)生退化,補(bǔ)播禾草、施加肥料[24-25]等方法可以預(yù)防栽培草地退化。

        栽培草地退化區(qū)地上禾草類植物已被大量雜草取代,并有大面積禿斑地,雖說不同退化程度土壤養(yǎng)分含量差異不明顯,但依然呈減少趨勢(shì),該結(jié)果與伍星等[12]、Ren等[26]的研究結(jié)果趨勢(shì)一致。本研究栽培草地原生植被優(yōu)勢(shì)種嵩草屬植物比較少,且土壤養(yǎng)分含量與原生高寒草甸養(yǎng)分含量相差較大[15, 27],所以在栽培草地治理的過程中不僅要關(guān)注禾本科蓋度、總蓋度等退化敏感指標(biāo),還要施加有機(jī)肥等土壤改良措施來促進(jìn)退化栽培草地恢復(fù)。

        4 結(jié)論

        建植17年栽培草地重度退化、中度退化、與不退化區(qū)域之間土壤養(yǎng)分含量無顯著變化,土壤pH 7.06~7.26,總體呈中性;與此相反,植物群落特征如禾本科蓋度、生殖枝數(shù)量在未退化、中度退化及重度退化區(qū)具有明顯差異性(P< 0.05),植物群落特征在栽培草地發(fā)生退化時(shí)響應(yīng)較土壤養(yǎng)分迅速;對(duì)比各退化響應(yīng)因子發(fā)現(xiàn),禾本科蓋度、生殖枝數(shù)量等因子對(duì)草地退化最敏感,故在監(jiān)測(cè)調(diào)查栽培草地退化時(shí),禾本科蓋度(> 65%)可作為重要的評(píng)價(jià)依據(jù),在治理退化栽培草地時(shí)應(yīng)該從增加植被覆蓋度尤其是禾本科植物蓋度以及增加土壤養(yǎng)分含量如施加有機(jī)肥兩方面同時(shí)進(jìn)行。

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