楊 暢,朱文琰,許明圓,王婭琳,徐世曉,孫 平
(1. 河南科技大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院, 河南 洛陽(yáng) 471003;2. 河南科技大學(xué)園藝與植物保護(hù)學(xué)院, 河南 洛陽(yáng) 471003;3. 中國(guó)科學(xué)院西北高原生物研究所, 青海 西寧 810008)
青藏高原是亞洲內(nèi)陸高原,也是世界上平均海拔最高、面積最大的高原,是我國(guó)重要的生態(tài)屏障區(qū)和草牧業(yè)生產(chǎn)區(qū)[1-2]。其中生態(tài)草牧業(yè)是高寒地區(qū)農(nóng)牧民的重要支柱產(chǎn)業(yè),更是我國(guó)高原牧區(qū)可持續(xù)發(fā)展中不可忽視的部分[3]。然而氣候變化[4]、過(guò)度放牧[5]等自然和人類(lèi)活動(dòng)已對(duì)高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生了嚴(yán)重影響。不合理的放牧方式會(huì)使高寒草甸地表覆蓋度降低,導(dǎo)致草地承載力下降,而且家畜的踐踏作用會(huì)破壞草地植被,出現(xiàn)裸地現(xiàn)象,導(dǎo)致草原荒漠化的風(fēng)險(xiǎn)增加[6-7]。由于青藏高原平均海拔在4 000 m 以上,常年低溫環(huán)境會(huì)使植物的生長(zhǎng)時(shí)間縮短,導(dǎo)致高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性[8],因此高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)容易受到氣候變暖和人類(lèi)活動(dòng)的雙重影響[9]。
草地生態(tài)系統(tǒng)具有自我修復(fù)的能力。當(dāng)草地生態(tài)系統(tǒng)受到損害時(shí),及時(shí)進(jìn)行人工干預(yù),采用圍欄封育或合理的放牧方式,降低放牧對(duì)草地的影響,受損草地便可通過(guò)植物自然更新(譬如無(wú)性繁殖和有性繁殖)和群落演替等途徑恢復(fù)到穩(wěn)定的草地生態(tài)系統(tǒng)[10]。有性繁殖是草地生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要途徑之一,它保證了種群的延續(xù),有利于維持群落組成和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,在生物多樣性的保護(hù)方面發(fā)揮著重要作用[11-12]。其中實(shí)生苗建植是草地植被有性繁殖的關(guān)鍵階段之一。在尚未完全退化的草地群落中,通過(guò)種子庫(kù)的萌發(fā)與幼苗生長(zhǎng),擴(kuò)大優(yōu)勢(shì)種的區(qū)域分布,能夠引導(dǎo)草地群落結(jié)構(gòu)演替的方向[13]。但幼苗期也是植物生命周期中最脆弱的時(shí)期[14-15],實(shí)生苗需要一定的條件才能成功建植和生長(zhǎng)發(fā)育[16],因此草地的環(huán)境條件和種間競(jìng)爭(zhēng)對(duì)實(shí)生苗的影響更全面[17]。又因?yàn)楦吆莸樯鷳B(tài)系統(tǒng)長(zhǎng)期位于高寒高海拔的特殊環(huán)境,生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性較差,因此高寒草甸實(shí)生苗的補(bǔ)充與更新對(duì)維持草地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要意義[18-19]。
放牧對(duì)草地植物物種組成的影響有多種方式,除了會(huì)減少地上生物量以及影響植物的開(kāi)花和種子生產(chǎn)之外,放牧還會(huì)嚴(yán)重影響幼苗的萌發(fā)與生長(zhǎng)[20]。因此,放牧效應(yīng)是草地生態(tài)學(xué)研究最多的因素之一[21-23]。研究普遍認(rèn)為,放牧?xí)@著影響高寒草甸成年植株的群落結(jié)構(gòu)及演替方向,其中重度放牧影響最大,且長(zhǎng)期重度放牧?xí)?dǎo)致草地發(fā)生退化現(xiàn)象[24-27]。但是放牧是否也會(huì)改變草地實(shí)生苗的群落結(jié)構(gòu)及演替方向,相關(guān)的研究卻很少。為探究這一問(wèn)題,本研究針對(duì)青藏高原高寒草甸環(huán)境的特殊性和代表性,采用圍欄封育和不同強(qiáng)度的放牧模式,探討放牧效應(yīng)對(duì)草地實(shí)生苗更新和功能群等的影響,從繁殖策略的角度揭示實(shí)生苗的動(dòng)態(tài)分布和變化規(guī)律,為放牧草地的群落演替動(dòng)態(tài)預(yù)測(cè)和草地生態(tài)恢復(fù)提供一定的理論依據(jù),有助于維持高寒草甸的物種多樣性及合理利用草地資源。
本研究區(qū)位于青海省東北部的貴南縣(100°13′~101°33′ E,35°09′~36°08′ N),總面積為6 649.7 hm2,年平均氣溫為2.3 ℃,年均降水量為403.8 mm,年均日照時(shí)數(shù)為2 907.8 h,年均蒸發(fā)量為1 378.5 mm,屬典型的高原大陸性氣候。草地類(lèi)型為高寒草甸,主要建群種有矮生嵩草(Kobresia humilis)、冷地早熟禾(Poa crymophila)、異針茅(Stipa aliena)、垂穗披堿草(Elymus nutans)等。
試驗(yàn)區(qū)天然草地的利用方式以家畜放牧為主。按照當(dāng)?shù)啬撩竦姆拍练绞?,選擇地形一致、氣候條件相同的天然草地(圖1),制定3 種放牧強(qiáng)度,分別為輕度放牧(light grazing, LG)、中度放牧(moderate grazing, MG)和重度放牧(heavy grazing, HG),并在周?chē)x擇一處樣地進(jìn)行圍欄作為封育樣地(enclosed grassland, EG),每個(gè)研究樣地面積均為3 hm2。放牧樣地自2013 年8 月開(kāi)始實(shí)行全年放牧,其放牧強(qiáng)度分別為每公頃0.33、0.68 和2.14 頭牛。封育樣地自2013 年8 月開(kāi)始進(jìn)行圍欄封育。
圖1 研究樣地位置圖Figure 1 Location map of sample plots
2020 年8 月初,當(dāng)植被達(dá)到生長(zhǎng)高峰期時(shí),在4 個(gè)樣地中(每個(gè)樣地隨機(jī)選取5 個(gè)重復(fù)樣方,樣方大小為50 cm × 50 cm)進(jìn)行群落調(diào)查。根據(jù)中國(guó)植物志,認(rèn)真鑒定并詳細(xì)記錄各樣方內(nèi)草地實(shí)生苗的物種組成和密度。本研究中根據(jù)生活型將草地植物分為一年生、二年生和多年生植物3 種類(lèi)型,并根據(jù)植物科屬進(jìn)行功能群分類(lèi),分為禾本科、菊科、豆科和雜類(lèi)草4 種類(lèi)型。
在完成群落調(diào)查之后,用土鉆采集每個(gè)樣方的表層(0-10 cm)土壤,并將其帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行處理與測(cè)定。土壤經(jīng)過(guò)風(fēng)干后,過(guò)0.3 mm 的篩網(wǎng)并測(cè)定土壤的總碳含量(total carbon, TC)、總氮含量(total nitrogen, TN)和總磷含量(total phosphorous, TP),元素含量單位均為(g·kg-1),再計(jì)算得出碳氮比(carbonnitrogen ratio, C/N)、碳磷比(carbon-phosphorous ratio,C/P)和氮磷比(nitrogen-phosphorous ratio, N/P)。碳元素和氮元素采用Vario MACRO cube CHNS 元素分析儀測(cè)定,磷元素采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定,再通過(guò)計(jì)算得出C/N、C/P 和N/P。
1.3.1實(shí)生苗α 多樣性指數(shù)計(jì)算
采用群落結(jié)構(gòu)指數(shù)中的Margalef 豐富度指數(shù)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和Pielou 均勻度指數(shù)來(lái)分析樣方內(nèi)實(shí)生苗群落的α 多樣性。具體按下列公式計(jì)算:
Margalef 豐富度指數(shù) (Ma):
式中:S為樣方內(nèi)實(shí)生苗的總物種數(shù);N為樣方內(nèi)實(shí)生苗所有物種的總株叢數(shù);Pi為物種i的實(shí)生苗密度占樣方內(nèi)實(shí)生苗總密度的比值。
1.3.2數(shù)據(jù)分析
用Excel 2019 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,并用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS 26.0 進(jìn)行單因素方差(One-way ANOVA)分析,顯著性水平設(shè)為P< 0.05,數(shù)據(jù)結(jié)果用“平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差”表示。利用R 3.6.1 編程軟件對(duì)實(shí)生苗群落數(shù)據(jù)和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行Pearson 相關(guān)性分析,顯著水平為P< 0.05,極顯著水平為P< 0.01。使用GraphPad Prism 8 繪制柱狀圖及百分比堆積圖。
實(shí)生苗密度及物種組成對(duì)不同放牧強(qiáng)度的響應(yīng)不同(表1),在所有樣地中共出現(xiàn)31 種實(shí)生苗物種,所屬18 個(gè)科,其中EG 樣地僅出現(xiàn)10 種,放牧樣地出現(xiàn)31 種。隨著放牧強(qiáng)度的增加,狗娃花(Aster hispidus)、風(fēng)毛菊(Saussurea japonica)、青海龍 蒿(Artemisia dracunculus)、 蒲 公 英(Taraxacum mongolicum)、狼毒(Stellera chamaejasme)等菊科和雜草的實(shí)生苗物種開(kāi)始出現(xiàn),并逐漸增多,成為優(yōu)勢(shì)物種。在4 個(gè)樣地中,大多數(shù)植物的實(shí)生苗密度呈增加趨勢(shì),其中家畜喜食的常見(jiàn)牧草顯著增加(P< 0.05),如垂穗披堿草(Elymus nutans)、冷地早熟禾(Poa crymophila)、花苜蓿(Medicago ruthenica)等;且家畜不喜食的菊科植物和毒雜草也顯著增加(P<0.05),其中毒雜草毛茛(Ranunculus japonicus)的增勢(shì)最大,且在MG 樣地中數(shù)量最多,為205 株·m-2。隨著放牧強(qiáng)度的增加,草地實(shí)生苗總密度也隨之變化,總體呈先升高后降低的趨勢(shì),在MG 樣地達(dá)到最大值,為614 株·m-2,顯著高于其他樣地(P< 0.05),其中EG 樣地實(shí)生苗總密度最少,為147 株·m-2,顯著低于其他樣地(P< 0.05)。
表1 不同放牧強(qiáng)度下高寒草甸植物實(shí)生苗密度Table 1 Plant seedling density in alpine meadow under different grazing intensities
與EG 樣地相比,放牧極大地改變了實(shí)生苗功能群的群落組成(圖2)。隨著放牧強(qiáng)度的增加,禾本科和豆科的實(shí)生苗占比呈現(xiàn)明顯的先下降后上升的趨勢(shì)(P< 0.05),而菊科和雜草實(shí)生苗占比呈明顯的先上升后下降的趨勢(shì)(P< 0.05)。其中雜草實(shí)生苗在MG 樣地中占比最大,為63.3%,顯著高于其他樣地(P< 0.05)。
圖2 不同放牧強(qiáng)度下實(shí)生苗功能群落的密度Figure 2 Density of functional communities of seedlings under different grazing intensities
隨著放牧強(qiáng)度的增加,實(shí)生苗的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)、優(yōu)勢(shì)度指數(shù)和均勻度指數(shù)均呈先增加后降低的趨勢(shì)(圖3),其中LG 樣地的α 多樣性指數(shù)均高于其他樣地。與EG 樣地相比,LG、MG 和HG樣地的豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和優(yōu)勢(shì)度指數(shù)均顯著提高(P< 0.05),但LG、MG 和HG 樣地之間的差異不顯著(P> 0.05)。
圖3 不同放牧強(qiáng)度下實(shí)生苗群落結(jié)構(gòu)的α 多樣性指數(shù)Figure 3 Alpha diversity index of seedling community structure under different grazing intensities
在不同放牧強(qiáng)度下,實(shí)生苗群落的生活型組成發(fā)生了顯著變化(P< 0.05),且在各個(gè)放牧樣地中,實(shí)生苗生活型均為多年生 > 二年生 > 一年生(圖4)。EG 樣地的實(shí)生苗植物均為多年生物種,放牧樣地中開(kāi)始出現(xiàn)一年生和二年生的草地物種。但隨著放牧強(qiáng)度的增加,放牧樣地中的一年生和二年生植物又逐漸減少甚至消失,多年生植物的優(yōu)勢(shì)逐漸增加。
圖4 不同放牧強(qiáng)度下實(shí)生苗生活型的組成Figure 4 Life form composition of seedlings under different grazing intensities
與EG 樣地相比,放牧樣地土壤的全碳、全氮和全磷等理化性質(zhì)均有所下降(圖5),且全氮和全磷含量隨著放牧強(qiáng)度的增加呈顯著下降趨勢(shì)(P<0.05)。其中MG 樣地的理化性質(zhì)相較于其他放牧樣地,數(shù)值最低,且全氮和全磷的含量顯著低于EG 樣地(P< 0.05)。隨著放牧強(qiáng)度的增加,放牧樣地的土壤C/N 和C/P 均呈先上升后下降的趨勢(shì),且顯著高于EG 樣地(P< 0.05),在MG 樣地中達(dá)到最高值;土壤N/P 呈下降趨勢(shì),其中HG 樣地顯著低于EG 樣地(P< 0.05),其余樣地之間差異不顯著(P> 0.05)。
圖5 不同放牧強(qiáng)度下樣地的土壤理化性質(zhì)Figure 5 Soil physicochemical properties under different grazing intensities
根據(jù)Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果(圖6)得知,實(shí)生苗密度和群落α 多樣性指數(shù)與土壤全氮、全磷含量呈不同程度的負(fù)相關(guān)關(guān)系,其中實(shí)生苗密度與土壤全氮、全磷含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系(P< 0.01),α 多樣性指數(shù)與土壤全氮量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;但實(shí)生苗密度和群落α 多樣性指數(shù)與土壤C/N、C/P 呈不同程度的正相關(guān),其中C/N 對(duì)實(shí)生苗密度和群落α 多樣性影響最大,呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(P< 0.01),C/P 與實(shí)生苗密度呈顯著正相關(guān)關(guān)系(P< 0.05)。
圖6 實(shí)生苗功能群α 多樣性與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性Figure 6 Correlation between α diversity of seedling functional groups and soil physicochemical properties
大量研究表明,青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)具有脆弱性[8],草地生態(tài)穩(wěn)定性較差,容易受到自然和人為的雙重干擾。然而草地植物可以通過(guò)資源分配[28]或繁殖更新[10]等方式進(jìn)行自我保護(hù),從而保證種群的生存和繁衍。有性繁殖是植物延續(xù)其種族最基本的行為,它既是植物種群形成、發(fā)展和進(jìn)化的核心問(wèn)題,也是生物群落和生態(tài)系統(tǒng)演替的基礎(chǔ)[29]。本研究結(jié)果表明(表1),放牧能夠顯著增加草地群落的實(shí)生苗物種數(shù)和密度(P< 0.05),且隨著放牧強(qiáng)度的增加,實(shí)生苗物種組成和密度呈先增加后減小的趨勢(shì),與陳利軍[30]研究結(jié)果一致,說(shuō)明放牧對(duì)實(shí)生苗的群落組成有顯著影響。
EG 樣地的實(shí)生苗物種數(shù)和密度最低,原因可能是EG 樣地因長(zhǎng)期禁牧,草地植被的物種組成穩(wěn)定,實(shí)生苗缺少生長(zhǎng)發(fā)育的空間[31]。且長(zhǎng)期圍欄封育積累的草地枯落物不易分解,會(huì)覆蓋土壤表層,影響種子的萌發(fā)和建植[32]。此外,實(shí)生苗相較于成年植株,對(duì)光照和空間資源競(jìng)爭(zhēng)能力較弱,所以難以存活。放牧樣地的實(shí)生苗密度和物種數(shù)遠(yuǎn)高于EG 樣地[33],原因可能是家畜放牧?xí)r會(huì)大量采食禾本科和豆科等優(yōu)勢(shì)牧草,使成年植株競(jìng)爭(zhēng)力下降。且家畜踐踏會(huì)破壞地表結(jié)皮和草絮層,為種子的萌發(fā)與生長(zhǎng)提供了生存空間[34],所以實(shí)生苗有了可以建植的“安全場(chǎng)所”[35-37],促進(jìn)了草地植物的補(bǔ)充更新。但是隨著放牧強(qiáng)度的增加,家畜的采食行為和踐踏作用加劇,破壞了土壤表層物理結(jié)構(gòu),會(huì)加快土壤水分和養(yǎng)分的流失,易形成干旱貧瘠環(huán)境[38],影響實(shí)生苗的生長(zhǎng)發(fā)育,所以HG 樣地的實(shí)生苗密度也會(huì)隨之降低。
植物功能群組成及其結(jié)構(gòu)變化對(duì)群落的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性有很大的影響[39-40],是環(huán)境因子綜合作用的反映[41]。圍欄封育或放牧等干擾都會(huì)導(dǎo)致草地群落的功能群及物種組成發(fā)生明顯的變化[42]。本研究研究結(jié)果表明(圖2),隨著放牧強(qiáng)度的增加,實(shí)生苗功能群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的變化,家畜的采食使禾本科和豆科的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)大幅下降,有性繁殖受到抑制,導(dǎo)致禾本科和豆科的種子量減少,實(shí)生苗密度和物種數(shù)也隨之降低。在放牧樣地中,家畜的采食行為減少了草地植被蓋度,這雖然增加了實(shí)生苗建植的空間,但是也極大地增加了雜草入侵的可能,從而導(dǎo)致功能群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化[13]。本研究中,放牧樣地中菊科和雜草實(shí)生苗的占比明顯增加,原因可能是家畜不喜食,且部分菊科植物和有毒雜草具有化感作用[43],競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng),能占據(jù)更多的生存空間和資源,繁殖更新能力增強(qiáng)。本研究說(shuō)明放牧可以使實(shí)生苗群落結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯變化,特別是長(zhǎng)期重度放牧可以使草地實(shí)生苗群落從以?xún)?yōu)良牧草為主的禾草群落逐漸演變?yōu)槎倦s草群落,這與王靜等[44]研究結(jié)果一致,說(shuō)明長(zhǎng)期重度放牧?xí)共莸匕l(fā)生退化。
放牧可以通過(guò)影響草地實(shí)生苗的物種組成和密度,從而改變實(shí)生苗群落結(jié)構(gòu)和α 多樣性。本研究結(jié)果表明(圖3),高寒草甸經(jīng)過(guò)放牧之后,草地實(shí)生苗的物種數(shù)和密度都顯著增加(P< 0.05),所以實(shí)生苗群落的α 多樣性也顯著增加(P< 0.05),且LG 樣地的α 多樣性指數(shù)最高。此結(jié)果不同于Connell[45]提出的“中度干擾假說(shuō)”,是因?yàn)閷?shí)生苗群落不僅受放牧和環(huán)境的影響,也受成年植株的競(jìng)爭(zhēng)影響。在LG 樣地中,雜草群落未形成生長(zhǎng)優(yōu)勢(shì),植物之間的競(jìng)爭(zhēng)較弱,所以實(shí)生苗的α 多樣性指數(shù)達(dá)到最大值。但是隨著放牧強(qiáng)度的增加,雖然草地實(shí)生苗群落由封育樣地的多年生植物群體逐漸轉(zhuǎn)為復(fù)雜的一年生、二年生和多年生的綜合植物群體(圖4),但多年生毒雜草,如橐吾、狼毒、細(xì)葉亞菊,麻花艽等退化指示植物的實(shí)生苗的密度也顯著增加(P< 0.05),會(huì)影響其他草地植物的生存,所以草地實(shí)生苗群落的α 多樣性指數(shù)便逐漸下降。以上結(jié)果表明,輕度放牧?xí)黾硬莸貙?shí)生苗群落α 多樣性,使群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性增加,但是長(zhǎng)期重度放牧?xí)?dǎo)致高寒草甸發(fā)生逆向演替,嚴(yán)重時(shí)會(huì)使放牧樣地出現(xiàn)退化現(xiàn)象。
草地實(shí)生苗的萌發(fā)與生長(zhǎng)除了受到放牧的影響,土壤環(huán)境也是影響實(shí)生苗建植的重要因素[46-47]。本研究結(jié)果表明(圖5),隨著放牧強(qiáng)度的增加,放牧樣地表層土壤的理化性質(zhì)逐漸降低,但碳氮比、氮磷比逐漸增加,這與Pei 等[48]的研究結(jié)果一致,說(shuō)明放牧?xí)?dǎo)致土壤的化學(xué)計(jì)量特征發(fā)生改變。且通過(guò)對(duì)實(shí)生苗群落的物種數(shù)、密度、α 多樣性和土壤理化性質(zhì)進(jìn)行的Pearson 相關(guān)性分析結(jié)果中發(fā)現(xiàn)(圖6),較低的土壤全氮,全磷水平會(huì)促進(jìn)雜草實(shí)生苗的建植。其原因可能是在低養(yǎng)分的貧瘠土壤中,多年生雜草能快速產(chǎn)生深根系,并利用深層土壤和根部的養(yǎng)分儲(chǔ)備,形成競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[49],產(chǎn)生大量種子,從而增加雜草實(shí)生苗的密度。
綜上所述,放牧能顯著影響高寒草甸實(shí)生苗的群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì),其中LG 和MG 可以促進(jìn)草地實(shí)生苗的萌發(fā)與生長(zhǎng),增加實(shí)生苗的物種數(shù)和密度,使實(shí)生苗群落的α 多樣性增加,群落穩(wěn)定性增強(qiáng),使高寒草甸具有一定的耐牧性;而HG 則會(huì)顯著增加雜草實(shí)生苗的密度,使草地群落逐漸逆向演替為毒雜草群落,導(dǎo)致草地發(fā)生退化,嚴(yán)重影響草地的放牧價(jià)值。實(shí)生苗是群落結(jié)構(gòu)演替的基礎(chǔ)和初始階段,對(duì)草地的可持續(xù)利用具有重大意義,所以從生態(tài)保護(hù)和資源可持續(xù)發(fā)展角度分析,高寒草甸的放牧強(qiáng)度應(yīng)以L(fǎng)G 和MG 為主,避免長(zhǎng)期的重度放牧。對(duì)于退化嚴(yán)重的草地,應(yīng)該采取圍欄封育和補(bǔ)播優(yōu)良牧草的手段,使其逐漸恢復(fù)為以?xún)?yōu)良牧草為主的草地群落。