干旱—半干旱区草地与灌丛群落谱系结构研究 ——以蒙古高原为例

论文摘要

群落中物种的共存及其与非生物环境的相互作用机制一直是生态学研究的热点领域。目前解释维持群落构建机制的主要理论包括生境过滤、相似性限制以及中性作用。基于群落谱系结构的研究强调群落内共存物种间的系统发育关系与其表现性状和生态位之间的联系。由于亲缘关系较近的物种往往有更相似的生态位,对资源的竞争也更加激烈。因此可以通过分析群落内物种间谱系关系的相对远近判断物种间相互作用的强度及其与非生物环境之间的关系,从而揭示群落的构建过程和群落内物种间的相互作用机制。但目前对干旱与半干旱区群落构建与物种共存的机制仍缺乏深入的了解。本研究以蒙古高原草地和灌丛生态系统为研究对象,使用净亲缘指数（Net Relatedness Index,NRI）和谱系β多样性作为核心指标,对干旱与半干旱地区群落谱系结构进行了研究。利用控制实验研究了尺度效应和物种库对草地生态系统群落谱系结构的影响;分析了不同放牧压力对群落谱系结构的作用;将控制实验与区域尺度下的群落调查相结合,分析了干旱与半干旱区草地和灌丛生态系统的群落构建机制及其影响因素。本研究主要结果与结论如下:1)尺度因素和物种库对群落谱系结构有较大影响。不考虑丰度（以相对质量表示）权重时群落谱系结构(NRIpr)随研究尺度增加发散趋势逐渐增加;考虑丰度权重时尺度对群落谱系结构(NRIab)影响较小。当物种库由局域尺度扩大到区域尺度时,群落谱系聚集程度增加,表明跨区域的物种迁徙对局域群落构建有重要作用。2)不考虑丰度权重的净亲缘关系指数(NRIpr)更能反映群落谱系结构的基底值,且不易受干扰影响;考虑丰度权重的NRI(NRIab)对外界环境的变化敏感。3)不同放牧压力均会增加群落谱系聚集的趋势,但在轻度放牧压力下谱系聚集程度最高,而随着放牧压力的增加谱系聚集的程度又有所回落。这种变化趋势与家畜的选择性采食改变了禾本科植物在群落中的相对竞争优势有关。4)蒙古高原植物功能性状检测出了显著的系统发育信号,其中草地植物叶长和灌丛植物叶宽性状表现出较为明显的系统发育保守性,即亲缘关系较近的物种有更相似的功能性状。5)蒙古高原草地生态系统群落谱系结构整体表现为发散的NRIpr,表明群落构建的驱动因素为相似性限制（生态位分化）。考虑丰度权重（相对质量）时群落谱系发散程度有所降低,但没有表现出明显的谱系结构。禾本科相对质量和区域因素对NRIab有重要影响,表明人为干扰对区域群落谱系发散趋势的降低有重要作用;功能性状NRI(NRIfun)显著聚集,同时受环境过滤和干扰等作用的影响。6)蒙古高原西部灌丛群落也表现出谱系发散的趋势,但不同生境有所差别。其中,典型荒漠和沙地灌丛群落谱系发散,但草原化荒漠灌丛群落谱系有转向聚集的趋势。蒙古高原灌丛的群落谱系结构受低温以及草本植物竞争的限制而在草原—荒漠过渡区趋向聚集。末次冰期以来最干季度温度（MTD）（即冬季低温）的增加有利于灌丛群落谱系发散。未来气候变暖可能增加灌木入侵草地的能力。7)跨区域的物种迁徙对群落物种库组建有重要作用,距离限制不构成蒙古高原群落谱系结构和物种迁徙的主要限制因素。气候因子限制群落谱系的β多样性,表明区域尺度上生境过滤是影响群落谱系结构的重要因素,但在局域尺度上,种间的相似性限制则是决定蒙古高原群落构建的主要因素。本文研究结果表明:生境过滤不是蒙古高原草地与灌丛群落构建的主要驱动因素;气候因子对群落谱系结构影响较小;扩散限制不构成区域群落结构差异的主要限制因素,相反,跨区域的物种迁徙对群落物种组配起到重要作用。基于以上,本研究认为至少在一定程度范围内的气候变化不会对蒙古高原主要生态系统的群落构建造成严重冲击,而过度的人为干扰（如长期超载放牧）是造成干旱与半干旱区群落结构变化的主要原因。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究意义

1.1.1 系统发育学与群落构建

1.1.2 研究意义

1.2 研究进展

1.2.1 群落构建机制与谱系结构研究进展

1.2.2 干旱—半干旱区群落谱系结构研究

1.2.3 研究的不足

1.3 研究内容与研究目标

1.3.1 研究内容与研究目标

1.3.2 拟解决关键科学问题

第二章研究区概况与实验设计

2.1 蒙古高原概况

2.1.1 地貌与地质历史

2.1.2 气候

2.1.3 植被概况

2.2 实验设计与技术路线图

第三章尺度效应和物种库对干旱对半干旱区群落谱系结构的影响——以典型草原为例

3.1 引言

3.2 研究方法

3.2.1 研究区概况

3.2.2 实验设计

3.2.3 样方数据与谱系计算

3.2.4 物种库的组成

3.2.5 统计分析

3.3 结果与分析

3.3.1 群落谱系结构与尺度因素的关系

3.3.2 群落谱系结构与物种库的关系

3.4 讨论

3.4.1 草地生态系统群落谱系结构的尺度依赖性

3.4.2 群落谱系结构与物种库的关系

3.5 小结

第四章放牧干扰对干旱与半干旱区群落谱系结构的影响——以典型草原为例

4.1 引言

4.2 研究方法

4.2.1 研究区概况

4.2.2 实验设计

4.2.3 样地调查

4.2.4 群落谱系结构

4.3 结果与分析

4.2.1 不同放牧压力对群落物种组配和群落谱系结构的影响

4.2.2 优势种的相对优势度对群落谱系结构的影响

4.4 讨论

4.5 小结

第五章蒙古高原草地生态系统群落谱系结构

5.1 引言

5.2 研究方法

5.2.1 研究区概况

5.2.2 样点布设与群落调查

5.2.3 环境数据

5.2.4 性状数据

5.2.5 群落谱系结构

5.2.6 数据分析

5.3 结果与分析

5.3.1 群落组成

5.3.2 蒙古高原草地生态系统性状谱系信号检验

5.3.3 蒙古高原草地生态系统群落谱系结构

5.3.4 气候及干扰对蒙古高原草地生态系统群落谱系结构

5.3.5 气候差异、地理距离与蒙古高原草地生态系统谱系距离相关性

5.4 讨论

5.4.1 蒙古高原草地生态系统谱系信号检验

5.4.2 蒙古高原草地生态系统群落谱系结构

5.4.3 气候与干扰对蒙古高原草地生态系统群落谱系结构的影响

5.4.4 气候差异与扩散限制对蒙古高原草地生态系统群落谱系β多样性的影响

5.5 小结

第六章蒙古高原灌丛生态系统群落谱系结构

6.1 引言

6.2 研究方法

6.2.1 研究区概况

6.2.2 群落调查

6.2.3 性状数据

6.2.4 群落谱系结构

6.2.5 环境数据

6.2.6 数据分析

6.3 结果与分析

6.3.1 蒙古高原灌丛生态系统谱系信号检验

6.3.2 蒙古高原灌丛生态系统群落谱系结构

6.3.3 气候因子与蒙古高原灌丛生态系统群落谱系结构的相关性

6.3.4 气候差异、地理距离与蒙古高原灌丛生态系统谱系距离相关性

6.3.5 古气候变异与蒙古高原灌丛生态系统群落谱系相关性

6.4 讨论

6.4.1 蒙古高原灌木与半灌木叶片性状谱系信号

6.4.2 不同生境条件下灌木与半灌木群落谱系结构特征及其形成机制

6.4.3 气候差异与地理距离对蒙古高原灌木与半灌木群落谱系距离的影响

6.4.4 古气候变化对蒙古高原群落谱系结构的影响

6.4.5 气候变化与生态系统的稳定和适应演替

6.5 小结

第七章结论与展望

7.1 主要结论

7.2 创新、不足与展望

7.2.1 创新

7.2.2 不足与展望

参考文献

附表

附图

致谢

攻读博士研究生期间发表的学术论文

论文选题来源

文章来源

类型: 博士论文

作者: 董雷

导师: 梁存柱

关键词: 群落构建,相似性限制,尺度效应,物种库,干扰,物种迁移

来源: 内蒙古大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 生物学

单位: 内蒙古大学

基金: 国家重点研发计划“荒漠化退化草地治理技术及示范”第3课题“干草原区退化草地修复与可持续利用技术研发与示范”(2016YFC0500503),内蒙古自治区科技厅科技计划项目:蒙古高原草地生态系统模式与过程(201503001),内蒙古自治区科技厅科技计划项目:内蒙古荒漠生态系统保护与利用规范(20140409)

分类号: Q948

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