干旱区乔-草群落乔木层对草本层空间格局及形态特征的影响

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在干旱区,由于降水的不均匀分配和营养元素的缺乏,往往导致群落盖度的下降,形成由相对连续的草本层和不连续的乔木层、灌木层组成的植物群落。干旱区植物群落由于最容易因受气候影响而产生动态变化,从而引起了众多学者的关注。 本文选择位于宁夏中部干旱区的典型乔草群落—沙枣—芨芨草群落为研究对象,利用小波分析及缓冲区分析技术,结合群落地下生物量、土壤含水量、含盐量、有机质含量等数据,对草本层的空间格局与形态特征的影响进行了分析,目的在于检测乔木层对草本层的空间格局、形态特征的影响并分析其原因,从而揭示群落内不同生活型植物彼此间复杂的功能关系及其对极端环境的适应对策。 在群落中设一个50m×50m的样方,调查样方内所有乔木及草本植物的种类、多度、丛径(草本)、胸径(乔木)、高度、冠幅,并记录每株(丛)植物的中心点坐标。群落调查的结果表明,沙枣平均树高7.9m,平均冠幅6.5m,平均胸径29cm,群落冠层投影盖度为38.5%,林下草本层主要由芨芨草组成,约占群落总多度的97.8%。 在群落中挖土壤剖面1条,分别在土壤剖面的0~10cm、10~30cm、30~60cm、60~100cm四个层次取样,测定各层次土壤的理化指标。土壤理化指标测定结果表明,样地浅层土壤含水量仅4.67%,深层含水量有所增加,30~100cm深处土壤含水量差别不大。但60~100cm深处土壤含盐量最高,其电导率达11.1mS/cm,该群落土壤中出现了下层水势低于上层的逆水势层,反映了根系较深的乔木层主要从土壤较深层次吸收水分,并影响林下植物的生长。 在样地内设定冠层投影区的3条24m×1m的样带及相对空旷区域(非冠层投影区)地段的2条32m×1m样带,对样带内芨芨草的数目做一维Morlet小波分析。小波分析结果表明,上层林木冠层投影区芨芨草的空间格局明显有别于非投影区,小波分析检测出冠层投影区存在与乔木冠幅相对应的特征尺度,而非投影区芨芨草的分布则存在与平均树高及1.5倍平均树高相对应的特征尺度。 以沙枣坐标为中心点,沙枣的胸高断面为扩展边缘,冠幅半径的20%为单位做缓冲区向四周扩展,生成了由15个环带组成的冠幅梯度带(Z1~Z15)。分别统计各冠幅梯度带内芨芨草的密度及形态特征。缓冲区分析的结果表明从Z6开始,芨芨草的平均丛径、冠幅、高度增加;在Z10~Z13平均丛径增加,而在Z14~Z15则减小。结果表明芨芨草的平均丛径、冠幅、高度等形态特征在离树干约1.5倍树高处的变化趋势明显有别于其它区域,表明林下植物的格局与形态特征不止受冠层荫蔽作用影响。 在群落中以冠幅半径的40%为间距挖土壤剖面,分别在表土以及土壤剖面的0~10 cm、10~30cm、30~60cm、60~100cm、100~150cm五个层次采集土壤样品及地下生物量。结果显示:植物群落的地下生物量的空间分布具有不均匀性,水平方向主要分布在Z1~Z5区域,垂直方向主要分布在10~100cm土壤层次中。不同类型的植物的地下生物量在水平与垂直方向地下生物量的分布有异,沙枣与芨芨草的地下生物量的分布在垂直梯度上的差异性大于水平梯度。沙枣和芨芨草的地下生物量在水平方向都集中于Z1区域,垂直方向沙枣集中在10~100cm层次而芨芨草则集中在0~10cm层次,并呈现明显的“T”字型分布。同一植物的粗根与细根生物量在水平与垂直格局的分布有异。沙枣的粗根占总质量的大部分,而细根则有较大的分布范围。 植物细根分布对土壤水盐有显著影响,细根集中分布区域土壤含水量较低,含盐量较高,存在明显的吸水聚盐效应,土壤有机质在乔木周围的土壤表层富集最明显,与芨芨草根系生物量的分布规律一致。群落的地下生物量的分布特征及与土壤条件的关系是植物长期适宜干旱区生境条件的结果。 群落的地下生物量,特别是乔木细根的生物量与草本层的形态特征密切相关,且乔木地下部分对草本的影响作用的范围远大于地上部分荫蔽作用的范围。
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