第24卷Vo1.24 第4期 No.4 草 地 学 报 ACTA AGRESTIA SINICA 2016年 Ju1. 7月 2016 doi:10.11733/j.issn.1007—0435.2016.04.031 羊草草甸草原刈割、施氮对物种多样性与 生产力关系的影响 陈积山 ,张 强 ,朱瑞芬 ,高 超 ,董 妍 ,邓 波。 (1.黑龙江省农业科学院草业研究所,黑龙江哈尔滨150086; 2.黑龙江出入境检疫局,黑龙江哈尔滨150001;3.中国农业大学动物科技学院,北京100193) 摘要:本文通过控制试验研究了刈割次数与施氮梯度上羊草草甸草原群落中所有物种、响应物种、作用物种和共有 物种的多样性变化与群落地上净初级生产力的关系。研究表明,刈割能增加物种多样性,并降低净初级生产力,而 施氮的作用与前者相反。群落中全部物种的多样性变化受刈割影响较大,而作用物种的多样性变化受施氮影响较 大;地上净初级生产力主要由少数影响生产力的响应物种和作用物种的多样性决定,而与大量共有物种的多样性 无关。 关键词:羊草草甸;刈割;施氮;初级生产力;物种多样性 中图分类号:¥812.8 文献标识码:A 文章编号:1007—0435(2016)04—091O—O5 Effects of Clipping and Fertilizing N on the Relationship between Diversity and Productivity of Leymus Chinensis Meadow CHEN ji—shan ,ZHANG Qiang ,ZHU Rui—fen ,GAO Chao ,DONG Yan ,DENG Bo。 (1.Institute of Pratacultural Science,Heilongjiang Academy of Agricultural Science,Harbin,Heilongjiang Province 150086,China 2.Immigration and Quarantine Bureau of Heilongjiang,Harbin,Heilongjiang Province 150001,China; 3.China Agricultural Universty,Beijing 100193,China) Abstract:Experiment was conducted in Leymus chinensis meadow using a split—plot design with clipping treatment as main plot and N fertilization as subplot.We observed that clipping and fertilization had oppo— site effects on species diversity,aboveground net primary productivity(ANPP),i.e.,the former in— creased species diversity and decreased ANPP,while fertilization had opposite effects on them.0ur re— sults suggested that AN P P was mainly affected by the diversity of response species and effect species,and had no relationship with common species. Key words:Leymus chinensis meadow;Clipping;Fertilizing N;Primary productivity;Species diversity 物种多样性对生态系统功能的影响是当前生态 学领域中最为重大的科学问题l1]。生态系统生产力 水平是生态系统功能的重要表现形式,而植物群落 的生产力则是生态系统生产力的基础Ⅲ2]。因此研究 植物群落物种多样性与生产力的关系,对于阐明植 物多样性对生态系统功能的作用具有重要意义Ⅲ3]。 与物种多样性本身无关的取样效应(sampling effect)口 ]。因此,物种多样性与生产力关系格局的 看法和解释至今仍存在着很大的争议。生态位互补 效应在自然生态系统中是否还具有重要作用尚属未 知_4],解释该种关系格局形成的自然背景和机制仍 需在更广泛的领域开展研究。近期王海东等 在植 物群落研究中,通过区分群落物种“身份(identity)” 的方法,分别对环境或扰动因素的变化表现响应的 物种称为响应物种(response species,RS),对此无 响应的物种称为中立物种(neutral species,NS),对 当前群落初级生产力与物种多样性的关系普遍存在 2种解释。一方认为群落初级生产力与物种多样性 有关,该种效应具体体现为超产、异步性和投资组合 的生态位互补(niche complementarity)效应。另一 观点认为,群落初级生产力将由群落优势种控制,而 稳定存在于群落中且其重要值并无明显变化的物种 收稿日期:2014—07—16;修回日期:2015-01 23 基金项目:国家公益性行业(农业)科研专项(201303060);黑龙江省农科院科技创新工程重点基金项目(ZD015)资助 作者简介:陈积山(1979一),男,甘肃古浪人,博士研究生,主要从事牧草栽培及草地管理,E—mail:gscjs2008@aliyun.cn 第4期 陈积山等:羊草草甸草原刈割、施氮对物种多样性与生产力关系的影响 911 称为共有物种(common species,CS),以及最终影响 生态系统功能的作用物种(effect species,ES)共同 为研究生物多样性的生态系统功能效应提供了新思 路,揭示了物种多样性的生态系统功能效应与机制。 通过区分群落物种“身份(identity)”的方法为研究 生物多样性的生态系统功能效应提供了新思路。 在连年刈割利用,盐碱化程度不断加重的现实 情景下,羊草草甸草原呈现持续退化的趋势 。为 此增强土壤有效养分资源的获得性,解除养分限制, 提高群落初级生产力成为草甸草原稳产及可持续利 用的有效途径l7]。然而当土壤养分资源获得性和刈 割强度同时变化时,羊草草甸草原群落生产力究竟 受控于哪类“身份”物种(全部物种、响应物种、作用 物种和共有物种)的多样性变化,物种多样性效应与 羊草草甸草原生态系统功能之间的关系均不明确, 亦未见报道。因此,本文通过控制试验研究了刈割 次数与施氮梯度上羊草草甸草原群落中所有物种、 响应物种、作用物种和共有物种的多样性变化与群 落地上净初级生产力的关系,以期丰富植物群落物 种多样性与生产力的关系。 1材料与方法 1.1研究区概况 研究区位于黑龙江省兰西县远大乡(E 125。28 24”,N 46。32 17 ),属于大陆性季风气候,以羊草 (Leymus chinensis)为建群种。研究区全年禁牧。 1.2研究方法 试验设计为裂区试验,主区为刈割次数,2个水 平,每年刈割1次(C1)和刈割2次(C2)。裂区为施 氮量(尿素),4个水平,NO(0 g・m ・a ),N1 (3.26 g・m ・a ),N2(6.51 g・m ・a ),N3 (13.032 g・m ・a )。每年在返青后10 cm深处 土壤的5 d滑动温度稳定在5℃以上时,进行氮肥施 入。第1次施氮用量为全年的60 ,第2次施氮在 第1次刈割后施人,用量为全年的4O 。全年灌溉 1次,仅在第1次施氮时灌溉,灌溉量为40 mm。为 了更好地检验氮肥效应,各个处理均施用7.5 kg・ha 纯磷,结合灌水同氮素一起施人。第1次 刈割在羊草进入抽穗期或株高达到40 cm时进行, 第2次刈割在当年10月2日进行,2次刈割留茬高 度5 em。主区面积为10 m×10 m,副区面积为5 m×5 m。将2次刈割的生物量相加作为该样方地 上净初级生产力(ANPP,kg・m )的估计。 2结果与分析 2.1群落物种组成变化 在调查的样地内,羊草草甸共出现54种植物 (略),其中,响应物种、作用物种和共有物种数分别 为18,7和36个,分别占全部物种数的34%,13 和67 ,作用物种占响应物种数的39 。在刈割次 数、施氮梯度以及刈割次数×施氮梯度处理中,发生 响应的物种数分别占全部物种数的15 ,23%和 12 (表1)。与不施氮相比,施氮显著降低了群落 物种数及响应物种和作用物种的比例,增加了共有 物种的比例(图1)。无论施氮与否,响应物种、作用 物种和共有物种的比例在刈割2次的群落中最高, 而全部物种数在刈割1次或2次的群落中均无显著 差异(图2)。 25 2O 15 罨lO 8 : a a c b 5。 0 NO}N1 l N2 l N3 NO l N1 l N2 l N3 』I睾I_1 r1inn no 1 m If睾¨’, r1inn no’tlmo 图1不同施氦梯度对4类物种 所占比例的影响 Fig.1 Effects of fertilizing on percentage of each species type in total species 响应作物 作用物种 共有物种 全部物种数 Response Effect Common No.oftotal species species species species 图2不同刈割次数对4类物种 所占比例的影响 Fig.2 Effects of clipping times on percentage of each species type in total species 8 5 /2 912 草 地 学 报 表1 物种重要值的方差分析及其与群落地上净初级生产力的回归分析 第24卷 Table 1 Variance analysis of important values of species and regression analysis of the important value and AN P P 注:B区组;C刈割;N施氮;×交互作用;RS响应物种;ES作用物种;*P<0.05;**P d0.01 Note:B block;C clipping;N fertilizing;×interaction;RS response species;ES effect species;*P%0.05;**P%0.01 2.2系统生产力的变化 刈割、施氮及刈割与施氮的交互作用对群落地 均群落初级生产力分别增加35.6 和43.9 ,并引 起初级生产力在刈割1次和刈割2次群落间的差异 消失(图3)。回归分析表明(表2),4类物种的密度 上净初级生产力有显著影响(刈割:F(1,2)一 5.536,P<0.05;施氮:F(3,13)一71.335,P< 0.001;刈割×施氮:F(3,12)===5.054,P<0.05)。 对群落初级生产力的影响各异,其中,共有物种的密 度对群落初级生产力影响最显著,Y一7.163—0. 312X(R ===0.283,F一6.22,P<0.05,Y一初级生 不施氮时,刈割2次的群落初级生产力比刈割1次 的降低26.7 ,施氮后,刈割1次和刈割2次的平 产力,X一共有物种密度)。 第4期 陈积山等:羊草草甸草原刈割、施氮对物种多样性与生产力关系的影响 913 全部物 种数 Numbers 2.50 2.1 0.08—2.5 2.12 0.05—3.0 2.2 0.07—3.5 2.62 0.06—0.65 2.32 0.06 053 .2.32 0.O1 oftotal species 响应 物种 1.51 Response species 1.32 0.06—1.63 1.21 0.09—1.96 1.76 0.n 2.63 2.16 0.14—1.5 8.52“0.20 0.73 2.02 0.08 作用 物种 Effect species 0.06 0.01 0 —0.06 0.01 0 —0.58 0.01 0 —0.96 0.08 0 —0.66 0.33 0.12—0.06 0.01 0 共有 物种 奠5 Common species S o2. S—S.t0 0.6 . S—s. 0 0.£ . 一s. 0.rt—s.t£ 0. u2. 髓 S 《0 £ 一s 0 样方数 Numbers of plot 24 24 24 24 12 12 连续刈割在引起群落全部物种和响应物种的物 种多样性增加的同时降低了净初级生产力。这与中 垂 罨 薹 刈割1次Clipping l time 刈割2次Clipping 2 times 图3刈割和施氮对初级生产力的影响 Fig.3 Effects of clipping and fertilizing on primary productivity 度扰动假说以及Tilmanl8 的研究一致。上述效应与 4类物种的响应差异有关,这说明直接影响净初级生 产力的少数作用物种的多样性受土壤施氮的影响较 大,而其他物种的多样性受刈割扰动的影响更大l_g]。 但本研究还表明,尽管施氮后刈割2次群落的生产力 增加更多,但刈割2次群落的生产力仍略低于刈割1 次的群落生产力。说明施氮后羊草草甸的补偿生长 能力尚不足以抵消长期刈割2次的负效应,这与周晓 松等[1 0]关于该群落补偿生长的研究结果一致。 结合本研究中群落物种多样性、净初级生产力在 加倍刈割和施氮梯度上的变化结果,可以得出:维持羊 草草甸生态系统较高净初级生产力和物种多样性并保 持长期稳定的首要前提是在6.51至13.032 g・m ・ 3讨论与结论 不同类型的物种对群落多样性和初级生产力具 有不同的效应,即少数物种(响应物种和作用物种) 的多样性变化影响着净初级生产力,且为负效应_5], 全部物种以及占67 的共有物种的多样性变化对 a 的施氮量下进行每年刈割2次的控制利用。本研 究只是短期研究,长期系统的研究尚需继续进行。 参考文献 [-13张全国,张大勇.生物多样性与生态系统功能:最新的进展与 动向EJ].生物多样性,2003,11(5):351-363 [2]江小雷,张卫国,严林,等.植物群落物种多样性对生态系统生 净初级生产力无影响,而占34 9,6和13 9/6的响应物种 和作用物种的多样性与生产力呈负相关,但其解释 能力最高仅为20 。这也说明群落物种多样性变 化对净初级生产力的贡献是不同物种执行着不同的 生态系统功能,这与王海东等_6 研究结果一致。 产力的影响EJ3.草业学报,2004,13(6):8-13 914 草 地 学 报 第24卷 嘲 嘲 嘲 Ⅲ 杨利民,周广胜,李建东.松嫩平原草地群落物种多样性与生 产力关系的研究[J].植物生态学报,2002,26(5):589—593 Grace J B,Anderson T M,Smith M D,et a1.Does species di— -I8]Tilman D,Reich P B,Knops J M H.Biodiversity and ecosys— tem stability in a decade—long grassland experiment[J].Na— ture,2006,441:629—632 versity limit productivity in natural grassland communities[J]. Ecology Letters,2007,10:680—689 [9] Grman E,Lau J A,Schoolmaster D R,et a1.Mechanisms con— tributing to stability in ecosystem function depend on the environ— 王海东,张璐璐,朱志红.刈割、施肥对高寒草甸物种多样性与 mental context[-J].Ecology Letters,2010,13:1400—1410 [1O]周晓松,朱志红,李英年,等.刈割、施氮和浇水对高寒草甸物 生态系统功能关系的影响及群落稳定性机制[J].植物生态学 报,2013,37(4):279-295 种多样性、功能多样性与初级生产力关系的影响[J].兰州大 学学报(自然科学版),2011,47:50—57 周道玮,李强,宋彦涛,等.松嫩平原羊草草地盐碱化过程[J]. 植物生态学报,2011,22(6):1423—1430 李晓刚,朱志红,周晓松,等.刈割、施氮和浇水对高寒草甸物 种多样性、功能多样性与初级生产力关系的影响EJ].植物生 态学报,2011,35:1136 1147 (责任编辑 位晓婷)