贝加尔针茅草原植物多样性与地上生物量及其关系对刈割的响应

郭明英， 卫智军， 吴艳玲， 闫瑞瑞， 乌仁其其格

(1. 呼伦贝尔市草原工作站， 内蒙古 呼伦贝尔021008； 2. 内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特010019；3. 内蒙古师范大学生命科学与技术学院， 内蒙古 呼和浩特010022； 4. 呼伦贝尔草原生态系统国家野外科学观测研究站/农业部资源遥感与数字农业重点开放实验室/中国农业科学院农业资源与农业区划研究所，北京100081；5. 呼伦贝尔学院生命科学与化学学院，内蒙古 呼伦贝尔021008)

贝加尔针茅(Stipabaicalensis)草原是欧亚草原区、亚洲中部草原亚区东部特有的一种原生草原类型，是草甸草原的代表类型之一和重要的天然放牧场和割草场资源，在呼伦贝尔畜牧业生产中占有重要的地位。本研究以呼伦贝尔贝加尔针茅草甸草原为研究对象，分析不同刈割方式对天然割草地植物多样性和地上生物量的影响及其相互关系，为贝加尔针茅草甸草原割草地的合理利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区自然概况

研究区位于呼伦贝尔市陈巴尔虎旗呼和诺尔镇，地理位置49°49.547′ N，119°71.053′ E，是呼伦贝尔草原中心地带，海拔576.6 m。该地区属于中温带半干旱大陆性气候，年均气温-1.6℃，极端最高气温41.6℃，极端最低气温-48.0℃，年均降雨量为320.7 mm，无霜期116 d，2014，2015，2016年气象资料从陈巴尔虎旗气象局获取，研究区降雨量及温度如图1所示。植物群落类型为温性草甸草原，属于贝加尔针茅群落，主要优势种有贝加尔针茅、羊草(Leymuschinensis)、糙隐子草(Cleistogenes.squarrosa)、双齿葱(Alliumbidentatum)、扁蓿豆(Melilotoidesruthenica)、寸草苔(Carexduriuscula)、丝叶苦荬菜(Lxerischinensis)等，并伴以其他杂类草。

图1 研究区域气温和降雨量变化Fig.1 changes of temperature and rainfall in experimental region

1.2 研究方法

1.2.1试验设计 试验分别于2014—2016年进行，试验地贝加尔针茅草原割草地，采用随机区组设计，4个留茬高度3个刈割时间，留茬高度分别为对照(CK)、留茬2 cm(A)、留茬5 cm(B)和留茬8 cm(C)，刈割时间分别为8月1日、8月15日和8月30日，每个处理3次重复。

1.2.2取样与分析 分别于2014—2016年的不同刈割时间对植物种类组成、高度、多度和盖度等特征值进行测定，根据不同留茬高度将植物地上部分带回实验室烘干至恒重。

以物种多样性和重要值作为研究某个种在群落中的地位和作用的综合数量指标。本文采用相对多度、相对高度及相对盖度作为重要值的计算依据。多样性选用丰富度指数、Shannon-Wiener多样性指数、Simpson优势度指数、Pielou均匀度指数。采用Excel 2003软件进行数据整理制图，SAS 9.0软件进行数据统计分析。

2 结果与分析

2.1 刈割方式对植物多样性的影响

群落丰富度指数(Ma)、多样性指数(H`)、优势度指数(D)和均匀度指数(Jsw)在8月15日最高，8月1日次之，8月30日为最低，且D和Jsw于8月1日和8月15日显著高于8月30日(P<0.05)。留茬高度对群落多样性均有显著性差异(P<0.05)。

年份变化Ma和H′呈现为2014年和2016年显著高于2015年(P<0.05)；优势度指数(D)2016年显著高于2014年和2015年(P<0.05)；Jsw无显著差异。

2.2 刈割方式对地上生物量的影响

留茬高度和年份变化对地上生物量的影响均达极显著水平(P<0.001)，2014年显著高于2015年和2016年(P<0.05)，对照区显著高于其他3种留茬高度(P<0.05)。刈割时间对地上生物量的影响差异不显著(P>0.05)；2因子交互作用对地上生物量均存在显著影响(P<0.05)，而3因子交互作用对地上生物量影响不显著(P>0.05)。

2.3 不同刈割方式下植物多样性与地上生物量的关系

回归分析表明，3年的群落地上生物量均随着植物多样性的增加而随之增加，且植物多样性和地上生物量均表现为显著的正相关，其中2014年表现为极显著的正相关关系(图3)。

表2 贝加尔针茅割草地植物多样性指数Tab.2 Plant diversity index of Stipa baicalensis mowing grassland

注：同列不同字母表示差异显著(P<0.05)；A为留茬2 cm，B为留茬5 cm，C为留茬8 cm，CK为对照

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

图2 不同刈割年份及留茬高度对草地生物量的影响Fig.2 Effect of different mowing years and stubble heights on grassland Biomass

表3 贝加尔针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

变异来源Source自由度DF平方和SS均方MSF统计量F Value显著性检验Pr>F模型Model35309 884.888 853.8529.47<.0001年份NF2220 798.78110 399.39367.47<.0001刈割时间YF2933.61466.801.550.2185留茬高度LG359 009.4519 669.8265.47<.0001年份×刈割时间NF×YF47 242.211 810.556.030.0003年份×留茬高度NF×LG610 597.741 766.295.88<.0001刈割时间×留茬高度YF×LG64 544.73757.452.520.0285年份×刈割时间×留茬高度NF×YF×LG126 758.36563.201.870.0521误差Error7221 631.07300.43总变异Total107331 515.95

3 讨论

3.1 刈割对植物多样性的影响

刈割干扰是草地多样性变化的主要影响因素之一，研究表明8月15日呈现为草地群落物种丰富、多样性高、均匀程度高和优势种地位高的特点，8月1日次之，8月30日最低，这与杨尚明等刈割对呼伦贝尔割草地群落特征的影响[1]，张宏一对羊草草地刈割时间的研究结果一致[2]。尽管多样性受生物因子、环境因子、群落演替的阶段、自然干扰和人为干扰等多种因素的综合影响，但环境因子对植物多样性的形成具有非常重要的作用。本研究结果显示，刈割人为干扰对草地植物多样性有一定的影响，但是由于不同试验年份的气候因素不同，致使对草地植物多样性影响较大，这与已有[3-4]的研究结果一致。

图3 不同年份贝加尔针茅割草地植物多样性与地上生物量的关系Fig.3 The relationship between plant diversity and aboveground biomass of the Stipa baicalensismowing grassland in different years

3.2 刈割对植物地上生物量的影响

天然牧草的整个生命过程都在自然环境中进行的，其产量的形成与高低很大程度上受制于区域气候、土壤和牧草本身机能等因素的影响。本研究不同刈割时间对草地群落地上生物量无显著影响，留茬高度和年份变化对地上生物量有显著影响，呈现出对照区生物量最高，且2014年地上生物量显著高于2015年和2016年，主要由于2015年和2016年呼伦贝尔草原牧区出现不同程度干旱(由图1可知)，说明降雨量显著影响植物地上生物量，这符合赵慧颖等[5]对呼伦贝尔草地天然牧草生物量预报模式研究和白永飞等[6]关于降雨量是决定群落生物量高低的限制因素的研究结果。

3.3 植被多样性与地上生物量的关系

已有的研究从不同角度和不同地域环境探讨了植物生产力与多样性之间的关系，而多样性与生物量的关系不是一成不变的，而受研究的生物类型、环境类型和时间尺度的制约。研究表明多样性与地上生物量的存在多种模式，其中Tilman[7]研究表明，随着多样性的增加，生态系统生产力显著增加，Kassen[8]研究发现植物多样性与生产力呈正相关。这与本研究结果一致，即3个试验年度植物多样性与地上生物量存在显著的线性关系，呈“正相关”单峰关系。植物群落生产力与物种多样性之间关系是十分复杂的，生产力与物种多样性之间可能具有多重因果关系[9-10]。因所研究的植物群落类型或地域的不同而显著不同，今后应更加关注物种多样性与生产力形成机制的研究。

4 结论

本研究采用不同刈割方式对贝加尔针茅草甸草原植物多样性和地上生物量的影响及其相互关系进行研究，结果表明：随着留茬高度的增加，地上生物量显著下降；刈割时间对群落地上生物量影响不明显，但对物种优势度指数和均匀度指数影响显著，而留茬高度对植物多样性影响均不显著；植物多样性和地上生物量呈现出显著正相关关系。