貝加爾針茅草原植物多樣性與地上生物量及其關系對刈割的響應

郭明英， 衛智軍， 吳艷玲， 閆瑞瑞， 烏仁其其格

(1. 呼倫貝爾市草原工作站， 內蒙古 呼倫貝爾021008； 2. 內蒙古農業大學草原與資源環境學院， 內蒙古 呼和浩特010019；3. 內蒙古師范大學生命科學與技術學院， 內蒙古 呼和浩特010022； 4. 呼倫貝爾草原生態系統國家野外科學觀測研究站/農業部資源遙感與數字農業重點開放實驗室/中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京100081；5. 呼倫貝爾學院生命科學與化學學院，內蒙古 呼倫貝爾021008)

貝加爾針茅(Stipabaicalensis)草原是歐亞草原區、亞洲中部草原亞區東部特有的一種原生草原類型，是草甸草原的代表類型之一和重要的天然放牧場和割草場資源，在呼倫貝爾畜牧業生產中占有重要的地位。本研究以呼倫貝爾貝加爾針茅草甸草原為研究對象，分析不同刈割方式對天然割草地植物多樣性和地上生物量的影響及其相互關系，為貝加爾針茅草甸草原割草地的合理利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區自然概況

研究區位于呼倫貝爾市陳巴爾虎旗呼和諾爾鎮，地理位置49°49.547′ N，119°71.053′ E，是呼倫貝爾草原中心地帶，海拔576.6 m。該地區屬于中溫帶半干旱大陸性氣候，年均氣溫-1.6℃，極端最高氣溫41.6℃，極端最低氣溫-48.0℃，年均降雨量為320.7 mm，無霜期116 d，2014，2015，2016年氣象資料從陳巴爾虎旗氣象局獲取，研究區降雨量及溫度如圖1所示。植物群落類型為溫性草甸草原，屬于貝加爾針茅群落，主要優勢種有貝加爾針茅、羊草(Leymuschinensis)、糙隱子草(Cleistogenes.squarrosa)、雙齒蔥(Alliumbidentatum)、扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)、寸草苔(Carexduriuscula)、絲葉苦荬菜(Lxerischinensis)等，并伴以其他雜類草。

圖1 研究區域氣溫和降雨量變化Fig.1 changes of temperature and rainfall in experimental region

1.2 研究方法

1.2.1試驗設計 試驗分別于2014—2016年進行，試驗地貝加爾針茅草原割草地，采用隨機區組設計，4個留茬高度3個刈割時間，留茬高度分別為對照(CK)、留茬2 cm(A)、留茬5 cm(B)和留茬8 cm(C)，刈割時間分別為8月1日、8月15日和8月30日，每個處理3次重復。

1.2.2取樣與分析 分別于2014—2016年的不同刈割時間對植物種類組成、高度、多度和蓋度等特征值進行測定，根據不同留茬高度將植物地上部分帶回實驗室烘干至恒重。

以物種多樣性和重要值作為研究某個種在群落中的地位和作用的綜合數量指標。本文采用相對多度、相對高度及相對蓋度作為重要值的計算依據。多樣性選用豐富度指數、Shannon-Wiener多樣性指數、Simpson優勢度指數、Pielou均勻度指數。采用Excel 2003軟件進行數據整理制圖，SAS 9.0軟件進行數據統計分析。

2 結果與分析

2.1 刈割方式對植物多樣性的影響

群落豐富度指數(Ma)、多樣性指數(H`)、優勢度指數(D)和均勻度指數(Jsw)在8月15日最高，8月1日次之，8月30日為最低，且D和Jsw于8月1日和8月15日顯著高于8月30日(P<0.05)。留茬高度對群落多樣性均有顯著性差異(P<0.05)。

年份變化Ma和H′呈現為2014年和2016年顯著高于2015年(P<0.05)；優勢度指數(D)2016年顯著高于2014年和2015年(P<0.05)；Jsw無顯著差異。

2.2 刈割方式對地上生物量的影響

留茬高度和年份變化對地上生物量的影響均達極顯著水平(P<0.001)，2014年顯著高于2015年和2016年(P<0.05)，對照區顯著高于其他3種留茬高度(P<0.05)。刈割時間對地上生物量的影響差異不顯著(P>0.05)；2因子交互作用對地上生物量均存在顯著影響(P<0.05)，而3因子交互作用對地上生物量影響不顯著(P>0.05)。

2.3 不同刈割方式下植物多樣性與地上生物量的關系

回歸分析表明，3年的群落地上生物量均隨著植物多樣性的增加而隨之增加，且植物多樣性和地上生物量均表現為顯著的正相關，其中2014年表現為極顯著的正相關關系(圖3)。

表2 貝加爾針茅割草地植物多樣性指數Tab.2 Plant diversity index of Stipa baicalensis mowing grassland

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)；A為留茬2 cm，B為留茬5 cm，C為留茬8 cm，CK為對照

Note：Different lowercase letters in same column indicate significant difference at the 0.05 level;A:2 cm stubble,B:5 cm stubble,C:8 cm stubble,CK:control

圖2 不同刈割年份及留茬高度對草地生物量的影響Fig.2 Effect of different mowing years and stubble heights on grassland Biomass

表3 貝加爾針茅割草地地上生物量的方差分析Tab.3 Variance analysis of aboveground biomass in Stipa baicalensis mowing grassland

變異來源Source自由度DF平方和SS均方MSF統計量F Value顯著性檢驗Pr>F模型Model35309 884.888 853.8529.47<.0001年份NF2220 798.78110 399.39367.47<.0001刈割時間YF2933.61466.801.550.2185留茬高度LG359 009.4519 669.8265.47<.0001年份×刈割時間NF×YF47 242.211 810.556.030.0003年份×留茬高度NF×LG610 597.741 766.295.88<.0001刈割時間×留茬高度YF×LG64 544.73757.452.520.0285年份×刈割時間×留茬高度NF×YF×LG126 758.36563.201.870.0521誤差Error7221 631.07300.43總變異Total107331 515.95

3 討論

3.1 刈割對植物多樣性的影響

刈割干擾是草地多樣性變化的主要影響因素之一，研究表明8月15日呈現為草地群落物種豐富、多樣性高、均勻程度高和優勢種地位高的特點，8月1日次之，8月30日最低，這與楊尚明等刈割對呼倫貝爾割草地群落特征的影響[1]，張宏一對羊草草地刈割時間的研究結果一致[2]。盡管多樣性受生物因子、環境因子、群落演替的階段、自然干擾和人為干擾等多種因素的綜合影響，但環境因子對植物多樣性的形成具有非常重要的作用。本研究結果顯示，刈割人為干擾對草地植物多樣性有一定的影響，但是由于不同試驗年份的氣候因素不同，致使對草地植物多樣性影響較大，這與已有[3-4]的研究結果一致。

圖3 不同年份貝加爾針茅割草地植物多樣性與地上生物量的關系Fig.3 The relationship between plant diversity and aboveground biomass of the Stipa baicalensismowing grassland in different years

3.2 刈割對植物地上生物量的影響

天然牧草的整個生命過程都在自然環境中進行的，其產量的形成與高低很大程度上受制于區域氣候、土壤和牧草本身機能等因素的影響。本研究不同刈割時間對草地群落地上生物量無顯著影響，留茬高度和年份變化對地上生物量有顯著影響，呈現出對照區生物量最高，且2014年地上生物量顯著高于2015年和2016年，主要由于2015年和2016年呼倫貝爾草原牧區出現不同程度干旱(由圖1可知)，說明降雨量顯著影響植物地上生物量，這符合趙慧穎等[5]對呼倫貝爾草地天然牧草生物量預報模式研究和白永飛等[6]關于降雨量是決定群落生物量高低的限制因素的研究結果。

3.3 植被多樣性與地上生物量的關系

已有的研究從不同角度和不同地域環境探討了植物生產力與多樣性之間的關系，而多樣性與生物量的關系不是一成不變的，而受研究的生物類型、環境類型和時間尺度的制約。研究表明多樣性與地上生物量的存在多種模式，其中Tilman[7]研究表明，隨著多樣性的增加，生態系統生產力顯著增加，Kassen[8]研究發現植物多樣性與生產力呈正相關。這與本研究結果一致，即3個試驗年度植物多樣性與地上生物量存在顯著的線性關系，呈“正相關”單峰關系。植物群落生產力與物種多樣性之間關系是十分復雜的，生產力與物種多樣性之間可能具有多重因果關系[9-10]。因所研究的植物群落類型或地域的不同而顯著不同，今后應更加關注物種多樣性與生產力形成機制的研究。

4 結論

本研究采用不同刈割方式對貝加爾針茅草甸草原植物多樣性和地上生物量的影響及其相互關系進行研究，結果表明：隨著留茬高度的增加，地上生物量顯著下降；刈割時間對群落地上生物量影響不明顯，但對物種優勢度指數和均勻度指數影響顯著，而留茬高度對植物多樣性影響均不顯著；植物多樣性和地上生物量呈現出顯著正相關關系。