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题名	科尔沁沙地退化植被恢复过程的分异规律及其机制
作者	左小安
学位类别	博士
答辩日期	2008-04-30
授予单位	中国科学院寒区旱区环境与工程研究所
授予地点	寒区旱区环境与工程研究所
导师	赵哈林
关键词	沙漠化 景观格局 尺度 植被恢复 土壤特性 分异机制 CCA
其他题名	The Heterogeneity and Mechanism on the Restoration Process of Degraded Vegetation in Horqin Sand Land
学位专业	生态学
中文摘要	随着全球气候变化和人类对资源利用强度的加深，植被退化与土地沙漠化问题日益引起人们的重视，进行有关干旱、半干旱地区植被恢复格局-过程-尺度的关系及其恢复规律和关键机理的研究，对于退化生态系统恢复和管理具有重要的指导意义。本研究以北方半干旱农牧交错带的典型代表区—科尔沁沙地为研究区域，围绕沙地退化植被恢复这一主题，通过30年来科尔沁沙地大尺度研究区（20×45km）、中尺度研究区（含两个村落，5.5×20km）和小尺度研究区（一个以牧业为主的村落和一个以农业为主的村落，2×7km）中的沙丘景观格局、植被与土壤演变及其时空格局参数的测定，应用定量化分析方法综合研究了退化植被恢复过程中群落组成结构、物种多样性、土壤种子库、灌木的种源和肥岛作用、演替格局、分布格局和环境因子的变化特征以及植被与环境关系，分析探讨了科尔沁沙地植被恢复过程的分异规律及其机制。结论如下： （1）科尔沁沙地30年来的景观格局分析表明，沙丘是研究区最主要的景观类型。大尺度研究区从1975到1995年流动沙丘面积、斑块数、景观面积俜直群妥畲蟀呖橹甘鸾ピ黾樱潭ㄉ城鹈婊跣。?从1995到2005年流动和半流动沙丘面积减小，半固定沙丘和固定沙丘面积增加。中尺度和小尺度研究区从1975到1985年流动沙丘面积、斑块数增加，1985年后流沙面积减小、固定沙丘面积增加。沙地不同尺度上的沙丘景观格局变化具有明显的差异性，显示出景观空间格局变化存在尺度效应。 （2）在过去的30年里，大尺度研究区沙漠化经历了发展（1975到1995年）－逆转（1995到2005年）的过程；中、小尺度的沙漠化经历了发展（1975到1985年）－逆转（1985到2005年）的过程。科尔沁沙地景观结构演变主要决定于人类生产活动引起的不同沙丘斑块和面积的变化，其中，流动沙丘斑块和面积的变化对景观结构变化的影响最大。 （3）随着沙丘的固定和封育年限的增加，由封育0年的流动沙丘、封育11年的沙丘（流动、半流动和半固定沙丘）到封育20年的沙丘（流动、半流动、半固定和固定沙丘），植被丰富度、盖度和物种多样性逐渐增加，优势度逐渐减小。植被特征和群落与物种关系的CA分析表明，封育11年流动沙丘的发育程度为半流动沙丘；封育20年的流动沙丘和半流动沙丘的发育程度接近于半固定沙丘；封育11年的半固定沙丘和封育20年半固定沙丘进一步向固定沙丘演替。沙地退化植被恢复演替模式为：先锋植物沙蓬为主的一年生植物群落（流动沙丘阶段）→ 灌木差巴嘎蒿和一、二年生草本植物为主的群落（半流动和半固定沙丘阶段）→ 一、二年生草本和多年生草本为主的杂草群落（固定沙丘阶段）。固定沙丘植被建立后逐渐向榆树疏林草地演替。沙丘植被恢复过程中，禾本科植物和多年生草本逐渐增加，植物群落结构趋于复杂、草本质量明显改善。 （4）沙丘植被恢复过程中除封育20年的半流动沙丘的差巴嘎蒿种群的空间分布格局为均匀分布，其它沙丘群落中的种群均呈聚集分布。随着沙丘植被恢复演替而增长的种群其K值增加明显、聚集程度下降；随进展演替衰退的种群K值减小、聚集度加强；植被聚集强度的变化影响植物群落结构。沙丘封育固定过程中，环境资源的变化导致了群落、种群生态过程的空间非同步性变化，促进了沙蓬、虫实和白草等种群的聚集和斑块性分布。流动沙丘先锋植物沙蓬表现出由沙丘顶部向底部逐渐减弱的分布规律，并且随着沙丘封育年限的增加，在丘顶的分布斑块逐渐缩小；灌木差巴嘎蒿种群建立过程中，表现出沿主风方向从沙丘底部向顶部逐渐蔓延的分布规律；在半固定沙丘阶段，多年生草本白草占居了沙丘的顶部。 （5）流动沙丘植被恢复过程中，植被盖度、丰富度和多样性指数的空间自相关范围均未超出我们的研究尺度50 m，表现出不同大小的斑块形式分布的小尺度分布格局。植被特征空间自相关范围和破碎化程度表现出先增加（封育0年到封育11年）后减小（封育11年到封育20年）的趋势，植被特征空间异质性表现出先增加后减小的规律。在流动沙丘植被恢复过程中，物种分布存在从沙丘底部逐渐向丘顶的散布和蔓延过程。 （6）由流动、半流动、半固定、固定沙丘到疏林草地，土壤种子库、幼苗库和定植库物种数和种子密度逐渐增加，物种总科属、总属数均逐渐增加，禾本科植物和一、二年生草本以及多年生草本物种数均逐渐增加，群落组成趋向于复杂化和多样化。CA分析表明植被恢复的前期物种种子库的种源作用非常突出，在流动沙丘和半流动沙丘阶段土壤种子库为地被植物的发育提供了大量的种源，随着沙质草地恢复的中后期向顶级群落演替，土壤种子库提供种源的作用有所减弱，导致土壤种子库、幼苗库和定植库群落间的相似性有所减小。群落恢复潜力度计算表明，在群落自然恢复演替过程中，流动向半流动沙丘植被恢复潜力最小，这一阶段为流动沙丘植被恢复的关键阶段。在科尔沁沙地不同类型的沙质草地土壤中，残留着植物体的数量和种类以及植被次生演替所留下的大量有性繁殖体和营养繁殖体，这些繁殖体可在生态条件改善时使潜在植被迅速演变成现实植被，从而引起沙质草地植被在其群落结构、组成和物种在空间分布上的差异性。 （7）流动、半流动、半固定和固定沙丘小叶锦鸡儿灌丛内植物的盖度、高度和密度显著高于灌丛外围，由灌丛内向灌丛外呈现出明显下降的趋势，表明灌丛的发育具有“蓄种”和“保种”作用。差巴嘎蒿、小叶锦鸡儿、冷蒿和小红柳四种灌丛内、外的理化性质研究表明，沙地灌丛的形成对灌丛下土壤有机碳、全氮、全磷、有效N和有效磷均有不同程度的富集作用，特别是对土壤有机碳和全氮有明显的富集作用，这种土壤养分的积累为草本植物在灌丛下的侵入、蓄积、生存提供了良好的条件，导致草本植物在沙丘上小尺度分布的斑块格局，从而引起沙丘植被空间分布的差异性。 （8）流动沙丘植被恢复过程中，土壤养分含量增加，土壤水分含量（0－20cm）减小；土壤养分和水分含量（0-20cm）的空间异质性在所研究的尺度上表现出先增大（封育0年到封育11年）后减小（封育11年到封育20年）的变化规律。植被恢复演替与土壤空间异质性关系的概念模型表明，从流动沙丘先锋植物定居逐步向半流动和半固定沙丘的灌木和一、二年生草本群落演替时，差巴嘎蒿灌木定居后形成的“肥岛效应”促进沙丘土壤的异质性分布，有利于草本植物在灌丛下的侵入。随着沙丘进一步的固定和生境的改善，差巴嘎蒿灌木逐渐衰退，土壤资源高度的异质性特征相对减弱，在一定的降水条件下，土壤养分在表土层相对均一的分配适合于草本植物的定居与繁殖，从而进一步的促进了沙丘植被的恢复。CCA分析表明，沙丘土壤水分含量和地形状况影响着先锋植物沙蓬的分布，土壤养分决定着植被恢复过程中草本植物的定居和分布格局。 （9）在大尺度（区域，20×45km）上，TWINSPAN分类和DCA排序分析表明该区域植被类型可以分为沼泽植被、湿草甸、干草甸、固定沙丘、半固定沙丘、半流动沙丘和流动沙丘7种主要类型；植被和环境特征存在显著差异，盖度、地上生物量、土壤有机碳、全氮和电导率依次减小；物种丰富度和多样性指数、pH、极细砂（0.1-0.05mm）、粘粉粒（<0.05mm）和土壤水分含量波动减小；海拔高度和细砂（0.25-0.1mm）波动增加。植被特征与环境因子的相关性分析表明，植被盖度与土壤水分含量、有机碳、全氮和电导率有极显著的正相关关系（P< 0.01）；生物量和物种多样性指数均与有机碳和全氮有极显著的正相关关系（P< 0.01）。CCA分析表明土壤水分和养分状况影响着该尺度上的植被分布格局。 （10）在中尺度（沙丘景观，2.5×4km）上，由流动到半流动、半固定和固定沙丘群落，群落丰富度、盖度、生物量和多样性指数逐渐增加；土壤的pH、电导率、有机碳、全氮、极细砂（0.1-0.05mm）和粉粒（0.05-0.002mm）含量随着沙丘的固定而逐渐增加。植被特征与环境因子的相关分析表明，植被盖度、生物量和多样性指数均与土壤有机碳、全氮、有效氮和有效钾呈极显著的正相关关系（P< 0.01）。CCA分析表明土壤养分和水分含量决定着不同沙丘类型的植物群落分布格局。 （11）在小尺度（沙丘群落）的半流动和半固定沙丘上，从沙丘顶部到丘底，随着取样相对高度的下降，土壤有机碳、全氮与极细砂（0.1-0.05mm）含量在增加，土壤含水量在减小。CCA分析表明，物种分布受地形和土壤因素的共同影响，地形和土壤水分是决定沙地先锋植物沙蓬群落定居和分布的主要因子，而地形影响下的土壤养分变化与大多数物种的分布有较为密切的关系，影响着草本植物在沙丘上的分布格局。 （12）沙地植被与环境因子关系的概念模型表明，植被与环境的关系具有明显的尺度依赖性，物种在小尺度环境条件决定下的植物分布格局影响着大尺度上植被的分布格局。科尔沁沙地坨甸交错的沙地地貌景观和局地良好的水资源条件导致了该区域的环境资源异质性。作为影响植物生长的最重要限制因子的土壤养分和水分资源，因其资源比率的大小和空间异质性的高低，决定着物种的斑块性分布和群落分布。
语种	中文
公开日期	2013-08-22
页码	175
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.casnw.net/handle/362004/21731]
专题	寒区旱区环境与工程研究所_研究生学位论文_学位论文
推荐引用方式 GB/T 7714	左小安. 科尔沁沙地退化植被恢复过程的分异规律及其机制[D]. 寒区旱区环境与工程研究所. 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所. 2008.

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