外源元素添加對(duì)金沙江干熱河谷植物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性的影響

樊博　閆幫國(guó)　史亮濤　潘志賢　岳學(xué)文　王春雪　李建查

摘 要 由于干熱河谷地區(qū)生態(tài)環(huán)境相當(dāng)脆弱，為了解元素添加對(duì)干熱河谷植被群落結(jié)構(gòu)的影響，試驗(yàn)選取了元謀干熱河谷地段來研究元素添加對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)及物種多樣性的影響。研究結(jié)果表明，添加不同元素后對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生了不同影響。不同元素添加后降低了雙子葉植物群落多樣性，而添加不同元素增加了單子葉植物的多樣性，尤其是添加了K元素對(duì)單子葉植物群落的Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度、McIntosh指數(shù)起到了促進(jìn)作用，與CK相比分別提高了2.28%、2.41%、2.37%、3.73%。24個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的單子葉植物地上生物量>雙子葉植物生物量；同時(shí)養(yǎng)分添加與植物多樣性之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。本研究可以用來調(diào)控植物多樣性，更好的為生態(tài)恢復(fù)方面提供技術(shù)指導(dǎo)。

關(guān)鍵字 干熱河谷 ；生物量 ；植物群落結(jié)構(gòu) ；物種多樣性 ；相關(guān)性

中圖分類號(hào) Q948.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A Doi：10.12008/j.issn.1009-2196.2016.10.022

Abstract The ecological environment in the dry-hot valley area was very vulnerable. Dry-hot valley in Yuanmou was selected to observe the effects of additional elements on the vegetation community structure to understand effects of exogenous elements on vegetation community structure in dry-hot valleys. The results showed that different elements had different effects on plant community structure parameters. The diversity of dicotyledon community decreased and the diversity of monocotyledon increased after different elements were added. K element promoted the Simpson index， Shannon-Wiener index， Pielou evenness， and McIntosh index of the monocotyledon community by 2.28%， 2.41%， 2.37% and 3.73%， respectively， as compared to the CK. The aboveground biomass of the monocotyledon was greater than that of the dicotyledon in 24 experimental plots. Meanwhile， the relationship between nutrient addition and plant diversity was negatively correlated. This study can be used to control plant diversity and provide technical guidance for ecological restoration.

Keywords Dry-hot valley ； biomass ； plant community structure ； species diversity ； correlation

干熱河谷生態(tài)系統(tǒng)退化導(dǎo)致植物群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)生態(tài)功能逐漸喪失與穩(wěn)定性不斷下降，這些退化特征皆有可能與系統(tǒng)生物量結(jié)構(gòu)和生物地球化學(xué)循環(huán)有密切的聯(lián)系。群落植物結(jié)構(gòu)及多樣性與養(yǎng)分之間的關(guān)系一直被國(guó)外生態(tài)學(xué)家們所關(guān)注，并有很多有關(guān)這方面的研究[1-2]。在植物群落系統(tǒng)中，土壤作為重要的水分及養(yǎng)分資源的提供者，通過調(diào)節(jié)資源的供給與分配影響生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物種組成和群落動(dòng)態(tài)，制約著生態(tài)系統(tǒng)的演替過程和對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)[3]。有些研究認(rèn)為，土壤養(yǎng)分的增加會(huì)引起植物多樣性的增加，施氮后物種豐富度比對(duì)照提高42.9%[4]。施肥增加了土壤的有效資源，改變了植物地上和地下部分的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，也會(huì)引起植物群落多樣性格局的變化[5]。近年來，隨著社會(huì)的發(fā)展，工業(yè)化的發(fā)展，造成大氣中元素的沉降對(duì)植物群落產(chǎn)生深刻影響。所以，研究元素添加對(duì)干熱河谷的植物群落的影響對(duì)于闡明干熱河谷的生態(tài)恢復(fù)方面具有重要的指導(dǎo)意義。

本文選取金沙江干熱河谷元謀段一典型小流域開展試驗(yàn)，旨在研究外源添加元素對(duì)干熱河谷植物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性產(chǎn)生的影響，為以后開展小流域治理水土流失提供了技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)域位于金沙江干熱河谷元謀段一典型區(qū)域。金沙江干熱河谷是我國(guó)西南地區(qū)最為干旱的地區(qū)之一，水熱矛盾突出，平均年蒸發(fā)量約為平均年降雨量的6倍左右，年溫差大于20℃，存在明顯的干濕季之分，其中雨季（6～10月）降水量占90%以上[6]，干季 （11月～次年5月）降水量?jī)H為全年的 10.0%～22.2%，降水極少[7]。金沙江干熱河谷元謀地段（東經(jīng)101°35′～102°06、北緯25°23′～26°06′），在海拔1 000 m的薩瓦納草地上隨機(jī)設(shè)置 24個(gè)5 m×10 m 樣方。所有的試驗(yàn)樣方均位于山坡上的臺(tái)地上。典型植被為薩瓦納草地，常見植物為禾本科的扭黃茅（Heteropogon contortus）、擬金茅（Eulaliopsis binata）、 孔穎草（Bothriochloa pertusa）和橘草（Cymbopogon goeringii）等[8]，土壤類型主要為燥紅土、變性土、紫色土以及少部分薄層土[9]。

1.2 方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在金沙江干熱河谷元謀段云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱區(qū)生態(tài)農(nóng)業(yè)研究所試驗(yàn)基地開展試驗(yàn)，試驗(yàn)選擇較為平坦的區(qū)域作為樣地。共選擇了24個(gè)4 m×5 m樣地，每個(gè)樣地之間有足夠的隔離帶（設(shè)置水泥板），以避免小區(qū)之間養(yǎng)分和水分的橫向運(yùn)輸。2014年5月15日播種，每個(gè)樣方（4 m×5 m）播種扭黃茅、孔穎草（Bothriochloa pertusa）、橘草種子各24 g；擬金茅（Eulaliopsis binata）、雙花草（Dichanthium annulatum）各12 g；蔓草蟲豆（Cajanus scarabaeoides）3 g，其中，蔓草蟲豆為雙子葉植物，孔穎草、扭黃茅、橘草、雙花草、擬金茅為單子葉植物；2014年6月10日對(duì)試驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行元素添加，本試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了6個(gè)處理，即對(duì)照組（CK）、N添加（0.35 mol/m2 NH4NO3）、P添加（0.05 mol/m2 NaH2PO4）、K添加（0.1 mol/m2 K2SO4）、Mg添加（0.07 mol/m2 MgSO4·7H2O）、Mn添加（0.007 mol/m2 MnSO4），每種處理4個(gè)重復(fù)。具體試驗(yàn)設(shè)置示意圖見圖1。

1.2.2 樣品采集、測(cè)定項(xiàng)目及分析

于2014年9月16日，采集24個(gè)樣方中的植物，在每個(gè)小區(qū)中隨機(jī)設(shè)置1 m×1 m的取樣樣方，距地表1 cm左右刈割地上部分采集莖葉，同時(shí)填寫采樣調(diào)查表，具體每小區(qū)采樣種類如表1，其中雙子葉植物、單子葉植物各12種。采集的植物樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后，其中地上部分刈割后帶回實(shí)驗(yàn)室70℃烘干，烘干后地上部分稱重計(jì)入地上部分生物量，隨后分離莖和葉片，并保存在尼龍網(wǎng)袋中，貼標(biāo)簽備用。將植物樣品粉碎后測(cè)定N、P、K、Ca、Mg含量。采用德國(guó)元素分析儀測(cè)定土壤和植株中的全量氮、碳、氫、硫元素，其它元素采用電感耦合等離子發(fā)射光譜儀NY/T 1653-2008測(cè)定。

1.2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

數(shù)據(jù)處理采用Excel2003、DPS7.05、SPSS19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行分析。其中，元素添加對(duì)植物地上部分生物量、土壤理化性質(zhì)含量采用SPSS19.0進(jìn)行方差分析，用鄧肯多重比較（Duncans multiple range test） 檢驗(yàn)在方差分析中有差異的變量間的差異顯著性；用SPSS19.0分析植物地上部分生物量、植物群落多樣性與土壤因子的相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加不同元素后對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)影響

從表2中可以看出，添加不同元素后對(duì)植物群落結(jié)構(gòu)參數(shù)產(chǎn)生了不同影響。不同元素添加后降低了雙子葉植物群落多樣性，而增加了單子葉植物的多樣性，尤其是添加了K元素對(duì)單子葉植物群落的Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度、McIntosh指數(shù)起到了促進(jìn)作用，與CK相比，Simpson指數(shù)提高了2.28%，Shannon-Wiener指數(shù)提高到了2.41%，Pielou均勻度提高到了2.37%，McIntosh指數(shù)提高到了3.73%。P、Mg、N元素添加，降低了雙子葉植物的多樣性指數(shù)，而K、Mn元素添加，增大了雙子葉植物和單子葉植物的多樣性指數(shù)。這與趙新風(fēng)等[13]研究者研究養(yǎng)分與水分添加對(duì)荒漠草地植物群落結(jié)構(gòu)和物種多樣性的影響結(jié)果是相一致的，N添加、P添加顯著降低了物種豐富度指數(shù)。

2.2 添加不同元素后對(duì)植物地上生物量的方差分析

從表3可以看出，試驗(yàn)小區(qū)樣方里的單子葉植物地上生物量均高于雙子葉植物，可見樣方中單子葉植物占有優(yōu)勢(shì)地位。雙子葉植物添加P、Mg、K、Mn元素后都增加了地上部分的生物量，而添加N元素降低了雙子葉植物地上部分生物量，這可能是因?yàn)樘砑恿薔之后改變了土壤養(yǎng)分含量，改變了植物的個(gè)體數(shù)量及大小，元素添加提高土壤肥力的同時(shí)，也降低了植物的生態(tài)位數(shù)，從而導(dǎo)致物種之間的競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，降低了植物的生物量。單子葉植物添加P、Mg、N都增加了地上部分生物量，而添加K、Mn元素降低了單子葉植物地上部分生物量。雙子葉植物添加P元素與CK、N存在顯著差異性（p<0.05），單子葉植物添加P元素后地上部分生物量與CK、K、Mn存在顯著差異性（p<0.05）。

2.3 添加不同元素后對(duì)土壤理化指標(biāo)的方差分析

從表4可以看出，添加不同元素后對(duì)土壤理化性質(zhì)造成影響，從而影響了植物地上部分生物量和群落結(jié)構(gòu)。其中，（1）土壤碳含量：添加N>Mn>K>Mg>P。添加氮元素后，土壤中的C含量最大，其值為0.036 2%，比Mn、K、Mg、P添加后的土壤全碳含量分別高15.65%、20.67%、21.48%、31.64%，添加N與添加P后的土壤碳含量呈顯著差異性；（2）土壤氮含量：添加Mn>N>CK>K>Mg>P。添加Mn元素后，土壤中的N含量最高，其值為0.354 3%，比N、K、Mg、P添加后土壤全氮含量分別高12.98%、24.40%、25.86%、33.85%；（3） 土壤氫含量：添加元素Mn>K>N>Mg>CK>P。添加Mn元素后，土壤中H含量最大，其值為0.414 1%，比K、N、Mg、P添加后的土壤H含量分別高1.27%、7.00%、7.17%、13.86%；（4） 土壤硫含量：添加K>Mg>Mn>CK>N>P。添加K元素后，土壤中的全硫含量最大，其值為0.009 8%，比Mg、Mn、N、P添加后的土壤全硫含量分別高11.36%、24.05%、32.43%、60.66%，添加K元素與P元素后的土壤S含量呈顯著差異性?？傊?，不同元素添加后影響了土壤中C、N、H、S的含量， N、Mn添加增加了C、N、H的含量，P處理下，C、N、H、S含量低于CK對(duì)照組的含量。施氮對(duì)土壤的影響大量研究發(fā)現(xiàn)氮素的添加將影響到土壤的品質(zhì)，氮素是陸地生態(tài)系統(tǒng)的植物生長(zhǎng)所需要最多的營(yíng)養(yǎng)元素之一，氮素可增加土壤礦質(zhì)養(yǎng)分，并能使碳氮比等指標(biāo)產(chǎn)生改變[14-16]，與本研究結(jié)果是相一致。

2.4 單、雙子葉植物地上部分生物量、植物群落多樣性與土壤因子的相關(guān)性分析

從表5中可以看出，添加元素后土壤因子與雙子葉植物地上部分生物量成呈負(fù)相關(guān)性，土壤全碳與Brillouin指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)性，土壤全硫含量與Pielou均勻度、McIntosh指數(shù)呈顯著正相關(guān)性。

從表6中可以看出，添加元素后土壤因子與單子葉植物地上部分生物量成呈負(fù)相關(guān)性，尤其是全氫含量與單子葉植物生物量呈極顯著負(fù)相關(guān)性。養(yǎng)分添加與植物多樣性之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，這與很多研究者的結(jié)果一致[17-23]。

3 結(jié)論與討論

（1）元素添加在一定程度上會(huì)改變植物群落結(jié)構(gòu)的多樣性。研究中發(fā)現(xiàn)，不同元素添加后降低了雙子葉植物群落多樣性，而增加了單子葉植物的多樣性，尤其是添加了K元素對(duì)單子葉植物群落的Simpson指數(shù)、Shannon-Wiener指數(shù)、Pielou均勻度、McIntosh指數(shù)起到了促進(jìn)作用。大量的研究表明，植物群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)增加、無影響、下降這三種結(jié)果[24]，究其原因可能是添加元素對(duì)植物群落的演替階段產(chǎn)生不同影響。為什么添加元素后會(huì)降低一些植物的多樣性？有研究認(rèn)為，元素添加引起了草地植物多樣性下降的原因[25-26]。在本研究中，養(yǎng)分的添加降低了雙子葉植物群落多樣性，其原因可能是由于干熱河谷地區(qū)土壤養(yǎng)分貧瘠，地上生長(zhǎng)的植被較少，添加元素后增加了土壤的有效養(yǎng)分，部分植物在競(jìng)爭(zhēng)養(yǎng)分方面處于劣勢(shì)。說明干熱河谷地區(qū)來說，元素添加會(huì)對(duì)群落結(jié)構(gòu)造成很重要的影響，對(duì)生態(tài)恢復(fù)方面的工作會(huì)起到很重要的作用。

（2）添加不同元素后對(duì)土壤理化性質(zhì)造成影響，從而影響了植物地上部分生物量和群落結(jié)構(gòu)。元素添加不但增加了土壤的有效資源，改變了植物地上、地下的競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度，而且會(huì)引起植物群落多樣性格局的變化[27]，從而影響植物地上部分生物量的多少。本研究發(fā)現(xiàn)，添加P、Mg、K、Mn元素后會(huì)增加了雙子葉植物地上部分的生物量，而添加N相反；添加P、Mg、N元素增加了單子葉植物地上部分生物量，而添加K、Mn元素則相反。以上原因可能是由于干熱河谷土壤養(yǎng)分比較貧瘠，P、Mg元素是植物亟需的養(yǎng)分，添加P、Mg、元素添加后，增加了植物的地上部分生物量。而施氮減低了雙子葉植物的地上部分的生物量，這是因?yàn)樘砑恿薔之后改變了土壤養(yǎng)分含量，改變了植物的個(gè)體數(shù)量及大小，元素添加提高土壤肥力的同時(shí)，也降低了植物的生態(tài)位數(shù)和群落空間異質(zhì)性，從而導(dǎo)致物種之間的競(jìng)爭(zhēng)加強(qiáng)，降低了植物的生物量。這對(duì)于金沙江中下游地區(qū)的生態(tài)恢復(fù)治理方面起到一定的指導(dǎo)意義。

（3）雙子葉植物添加P、Mg、K、Mn元素后都增加了地上部分的生物量，而添加N元素降低了雙子葉植物地上部分生物量；同時(shí)添加元素后土壤因子與植物地上部分生物量成呈負(fù)相關(guān)性，主要是由于干熱河谷土壤中大多數(shù)的養(yǎng)分含量難以釋放出來，植物只能利用土壤中的有效養(yǎng)分，對(duì)土壤中難利用的養(yǎng)分無法吸收。若能充分利用土壤中難溶性的養(yǎng)分含量，將難溶性養(yǎng)分變?yōu)橹参锟梢晕绽玫酿B(yǎng)分，勢(shì)必可以增加植物地上部分生物量，對(duì)于水土保持方面的研究起到重要貢獻(xiàn)。

（4）本實(shí)驗(yàn)中通過長(zhǎng)期的觀察發(fā)現(xiàn)，添加元素后改變了土壤的物理性質(zhì)，土壤團(tuán)聚體的數(shù)量也有所改變，且試驗(yàn)樣方中的土壤顏色也趨于褐色。因此，樣方中元素的添加對(duì)土壤團(tuán)聚體的影響將成為本人今后研究的重點(diǎn)。

致 謝 感謝楊繼云同事在實(shí)驗(yàn)過程中給予的大力幫助，特此謝意！

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