放牧对松嫩草地植物多样性、生产力的作用及机制

发布时间：2017-12-18 16:37

  本文关键词：放牧对松嫩草地植物多样性、生产力的作用及机制

  更多相关文章： 草地生态系统 大型草食动物 植物多样性 植物生产力 植物群落结构 多样性与生产力关系 稳定性

【摘要】：在草地生态系统(grassland ecosystem)中,草食动物(herbivore)对植物群落有着强烈的影响,常常改变植物群落物种组成、生物多样性和群落生产力。因此,理解草食动物的调节过程就不可避免的联系到草食动物是如何影响草地生态系统功能及其稳定性的。尽管动植物之间的相互作用(plant-herbivore interactions)使草食动物对植物群落的影响过程变得更加复杂,然而,植物群落物种多样性可能扮演了系统缓冲器(buffer)的作用来缓解草食动物对植物群落的强烈影响,调节草地植物群落对草食动物放牧干扰的响应。此外,草食动物与植物的组成和群落特征能够影响放牧对植物的作用。因此,理解草食动物特征与植物群落特征之间的相互关系,对预测放牧干扰下草地植物群落动态变化规律具有重要的理论和应用价值。以往的研究中虽然分别分析了不同的草食动物或是植物种类组成对植物群落特征的影响。然而,在天然草地中动物与植物的群落特征却是密切相关、互相影响的。是否植物多样性背景条件能够改变不同大型草食动物对植物群落的影响还没有被研究。因此,本研究在高、低植物多样性背景下,比较大型草食家畜——牛和绵羊的单一种群放牧与混合放牧对松嫩草地植物群落多样性、生产力影响的差异,探讨大型草食动物与植物群落物种多样性之间相互作用的过程和机制,为放牧生态系统管理和草地可持续发展提供实验证据。这一研究不仅能够提高我们对放牧生态系统运行规律的认知,而且有助于理解动植物相互关系对于维持草地生物多样性(biodiversity)、生态系统功能(ecosystem function)和稳定性(stability)等方面的重要理论价值和实践意义。本研究是在位于欧亚草原带东缘的天然草甸草原开展的。我们通过一系列受控放牧实验方法,严格控制草食动物组成和植物群落物种多样性背景条件,来研究放牧对松嫩草地植物群落物种多样性、生产力的作用及机制,并最终获得了以下重要研究成果:(1)首先,草食动物的体型大小(body size)和采食策略(foraging strategies)决定了不同种类的草食动物对植物资源有着不同的需求,当草食动物采食植物群落中不同植物种类时,它们对植物群落会产生不同的影响。其次,大型草食动物放牧对植物群落物种多样性的影响与放牧前的植物多样性水平紧密相关。植物多样性会调节草食动物的采食行为,当草食动物面对不同的植物多样性背景时,食性选择模式会发生改变,导致其对植物群落的影响不同。最后,草食动物混合放牧能够提高草地植物群落物种多样性,并且它们的影响不依赖于植物多样性背景条件。草食动物混合放牧时,动物之间的相互作用又会对植物群落产生累加或者补偿效应。在低植物多样性草地中,草食动物的食谱重叠较高,牛和绵羊混牧导致其对植物群落中的优势禾草的过度利用,而使其它物种未被充分利用。相反的在高植物多样性草地中,牛和羊分别利用不同的植物资源。与牛或绵羊单一种群放牧相比,牛和绵羊混和放牧使植物群落的所有物种被更均匀的利用。植物群落多样性背景条件与草食动物的食性选择互补程度对混合放牧的作用效果有着重要的影响。因此,本研究结果表明,草食动物混合放牧更有利于维持或提高草地植物物种多样性,而草地生态系统中物种多样性的丧失,在一定程度上与野生动物种类数量减少以及管理草地中动物种类单一化有一定关系。(2)在不同植物多样性草地中,牛或绵羊单一种群放牧以及牛羊混合放牧对植物群落生产力的影响都不同。而牛和绵羊不同的采食模式是影响其放牧效果的决定因素。在低植物多样性草地中,牛显著降低植物群落地上生物量,而绵羊放牧对植物群落生物量没有显著影响。与牛单一放牧相比,混合放牧增加了动物对优势禾草的影响,因此对植物地上生物量的降低是通过潜在的累加效应对优势植物的影响而引起的。通常,在植物群落物种多样性较低时,植物群落特征的动态变化更依赖于群落中优势种群特征的改变。结果显示,在低植物多样性草地,牛对优势禾草生物量的变化有显著作用,牛放牧使禾草的地上生物量下降了20%。食性选择较低的牛更喜食营养含量较低而生物量较高禾草。由于植物群落物种丰富度较低,牛和绵羊倾向于共同采食羊草(Leymus chinensis)和芦苇(Phragmites australis)等优势禾草。但高植物多样性则降低了牛和绵羊对喜食物种的过度采食,促进它们更均一的利用植物资源,草食动物单一种群放牧和混合放牧都没有显著改变植物群落地上生物量。因此,本研究结果表明,在高植物多样性水平下的混合放牧可能是最佳的放牧管理模式,因其既有利于植物多样性的提高,又能够维持植物群落具有较高的生产力。(3)牛和绵羊单一种群放牧对植物群落组成和群落结构影响相似,但与牛和绵羊混合放牧对植物群落结构的影响有明显差异。并且,草食动物对植物群落的组成和群落结构的影响受到放牧前的植物群落多样性背景条件的限制。首先,低植物多样性草地中,优势植物在很大程度上决定植物群落的动态变化,植物群落Whittaker’s相似性指数相对较高。而高植物多样性草地的物种组成丰富,植物种间竞争相对较强,各物种种群比例相对较低,群落组成易发生变化。其次,植物群落多样性水平在很大程度上决定了草食动物对植物群落结构的影响,较大体型的草食动物在低植物多样性草地主要影响群落中生产力较高、植株高度较高的优势植物种类,使植物群落结构发生改变。而在高植物多样性草地中,植物之间的复杂关系与草食动物食性选择模式产生联合效应(net-effect),草食动物倾向于采食更多的植物种类。并且,丰富的植物种类组成也可以迅速补充由于草食动物采食所释放的生态空间。因此,草食动物对植物群落结构的影响更加均衡,植物群落结构不会发生显著变化。最后,不同种类草食动物混合放牧的组合效应对植物群落的影响不等同于单一种群作用效果的简单叠加。混合放牧在高植物多样性草地能够促进植物群落密度的提高,这是由于动物的采食促进了植物群落的补偿生长,更多幼小植株的出现提高了植物群落单位面积的植株数量。因此,混合放牧在不影响植物群落结构的同时,却能够显著提高植物群落密度,促进植物群落更新,加快物质循环和能量流动。由此可知,在高植物多样性背景下,草食动物放牧更有利于维持草地群落结构和生态系统功能。(4)在众多的生态系统中,理论和实验研究都强调了草食动物都能够调节植物群落结构以及多样性和生产力的关系。本实验的研究结果表明,在低植物多样性草地中,大型草食动物放牧能够调节多样性和生产力关系,通过降低植物地上生物量而使植物物种丰富度提高。大型草食动物大量采食优势禾草,缓解了非优势种受到的竞争压力,促进了豆科植物和杂类草种群的扩展。牛放牧使禾草的相对生物量降低了38%,而使杂类草的相对生物量提高了33%。然而,在高植物多样性草地中,草食动物对植物群落生物量的影响被削弱,随着草食动物对植物地上生物量的影响的降低,植物群落物种丰富度随之升高。混合放牧使植物生物量的变异只有14%,但却使植物群落物种丰富度变异达到68%。由于混合放牧使植物群落密度显著提高,植物群落生产力也相应提高。因此,草食动物放牧使植物多样性与生产力关系发生改变,大型草食动物能够调节甚至反转植物多样性与生产力关系的方向,表现为在低植物多样性草地中,多样性与生产力呈负相关关系,而在高多样性草地呈正相关关系。本研究基于植物群落物种多样性水平与草食动物组合之间的联合作用对植物群落影响的分析,获得了对相邻营养级(adjacent trophic)多样性关系的进一步理解和认识。研究结果表明,大型草食动物种类组成与植物群落物种多样性可以调节放牧对草地植物群落的影响。不同种类的草食动物运用它们独特(基于不同的体型大小和采食策略)或者交互的作用来影响草地植物群落。然而,动物对植物群落的影响在不同的植物多样性水平上并不完全一致。草食动物放牧在高植物多样性水平上比在低植物多样性水平上更有利于保持草地植物群落结构和生态系统功能。此外,在高植物多样性的草地中,多物种草食动物混合放牧制度可能是最佳的放牧管理模式。这种综合的相邻营养级的相互作用可能比以前认为的更为复杂和普遍,并且需要在广泛时间和空间尺度上得到关注。因此,在区域尺度的草地生态系统中,更需要结合食草动物行为生态学、植物群落特征及其它相邻营养级的之间的相互影响作用来深入研究。从生物多样性保护的角度来看,在欧亚草原带东缘的天然草甸草原中,维持动物与植物物种多样性应该作为放牧和草地管理中优先考虑的目标。
【学位授予单位】：东北师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：Q948

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本文编号：1304884