论文部分内容阅读
以气候系统变暖和降水格局（降水量、降水间隔、降水季节分布和降水年际变异）变化为主要特征的全球气候变化已经成为国际公认的事实。其中,降水量变化对生态系统结构、功能与过程的影响一直是全球变化生态学研究的热点问题。刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.）人工林作为黄土高原主要植被类型,在调节生态系统碳循环和气候变化中发挥着重要的作用。林下植被是刺槐人工林的重要组分,具有涵养水源、保持水土、维护物种多样性、贡献生产力和促进养分循环等重要功能。目前,人们对于黄土高原刺槐人工林林下植被对降水量变化的响应仍缺乏了解。本研究以黄土高原刺槐人工林林下植物群落为研究对象,通过野外降水控制试验,观测了9种降水处理（减少80%、60%、40%、20%和增加20%、40%、60%、80%的穿透雨及对照）对土壤含水量、群落结构和物种多样性、净初级生产力和化学计量特征的影响,揭示刺槐人工林一些关键生态过程和功能对降水量变化的响应与适应规律,以期为气候变化背景下的黄土高原植被建设和生态恢复提供理论依据。本研究取得的主要结果如下:（1）降水处理明显改变黄土高原刺槐人工林土壤含水量。随着处理后降水量的增加,土壤含水量呈增加趋势。降水处理对土壤表层0–20 cm的含水量有显著影响,随着土层加深,降水处理对土壤含水量的影响下降。降水处理对降水偏少的2016年土壤含水量的影响大于降水丰沛的2017年。（2）刺槐人工林林下灌草层的分层现象不明显,林下植被主要由蔷薇科、豆科、菊科和禾本科植物构成,植物水分生态类型以中生、中旱生植物占主要优势。降水变化改变了黄土高原刺槐人工林林下植物群落物种组成和结构,降水减少或增加都提高了蔷薇科和杂类草物种的重要值,但降低了豆科和禾本科物种的重要值,降水量的增加也提高了菊科物种的重要值。物种多样性指数、均匀度指数随降水处理表现出基本一致的变化趋势,降水减少处理降低了群落物种多样性和均匀度,并且随着降水减少程度的增加呈下降趋势,减雨80%、减雨60%处理影响达显著水平。随着降水增加程度的增加,群落物种多样性和均匀度呈单峰型变化趋势,峰值为增雨20%处理,增雨60%、增雨80处理显著降低了群落物种多样性和均匀度。群落物种丰富度、多样性和均匀度指数与0–20 cm土层土壤含水量呈显著正相关,Simpson指数与20–40 cm土层土壤含水量呈显著正相关。（3）随着处理后降水量的增加,刺槐人工林林下植被地上净初级生产力（ANPP）呈先增加后减少趋势。2016年ANPP与生长季降水量的相关性强于2017年。2016年,随着处理后降水量的增加,刺槐人工林地下净初级生产力（BNPP）呈先增加后减少趋势。2017年,随着降水减少程度的增加,BNPP降低,除增雨20%处理外,降水增加处理降低了BNPP。2016年BNPP与生长季降水量呈显著正相关,2017年BNPP与生长季降水量相关性不显著。降水处理的两年间,BNPP随土层增加而减少,并且随着处理后降水量的减少,0–20 cm土层BNPP占0–60 cm土层BNPP的比例下降。刺槐人工林林下植被地下/地上净初级生产力比（BNPP/ANPP）对降水变化的响应规律总体表现为随着处理后降水量的增加,BNPP/ANPP减小,但不同降水处理间差异不显著。2017年BNPP/ANPP与生长季降水量呈显著负相关,2016年BNPP/ANPP与生长季降水量的相关性不显著。简化主轴回归分析表明,降水处理的两年间,刺槐人工林BNPP与ANPP呈极显著正相关,二者的关系式为log10（ANPP）=-0.338+1.063×log10（BNPP）。异速生长指数b为1.063,并与1.0差异不显著,即BNPP与ANPP呈等速生长关系。（4）降水处理对刺槐人工林土壤碳（C）、氮（N）、磷（P）、C/N没有显著影响。土壤C/P、N/P与土壤含水量呈显著正相关。降水处理对刺槐人工林根系N、P、N/P没有显著影响。根系C、C/N、C/P与土壤含水量呈显著负相关。降水处理对刺槐人工林林下植被叶片P、C/N、C/P没有显著影响。叶片C、N、N/P与土壤含水量呈显著正相关。叶片C与N含量具有显著异速生长关系（b=0.598）,根系和叶片中的其他元素无异速生长关系。本研究表明,降水变化能显著改变渭北黄土高原刺槐人工林土壤含水量。刺槐林下植被群落结构和物种多样性易受到降水变化的影响,极端干旱（4–8月降水量<159.1 mm）和极端降水（4–8月降水量>494.1 mm）不仅显著降低物种多样性,并可以导致优势种更替。一定程度的降水量增加有利于提高林下植被地上、地下净初级生产力,极端干旱显著降低地上、地下净初级生产力,但是降水变化没有改变生产力的分配模式。降水变化对不同元素化学计量特征的影响大小和方向存在差异,长期降水变化可能导致黄土高原刺槐人工林C-N-P解耦联。本研究量化了不同降水量情境下的黄土高原刺槐人工林林下植被群落结构和功能以及养分特征,对气候变化背景下的黄土高原植被建设和生态恢复具有重要的参考价值。