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半灌木扩张驱动的草地植物多样性与地上生产力特征及其关系研究

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草业学报 2023年第5期32卷 27-39页

作者：李美慧李玉华晏昕辉拓行行杨梦茹王子临李伟西北农林科技大学草业与草原学院陕西咸阳712000 宁夏云雾山国家级自然保护区管理局宁夏固原756000 西北农林科技大学水土保持研究所陕西咸阳712000

灌木/半灌木扩张能够显著改变原有植被景观及其生态学过程,但目前仍缺乏对半灌木扩张驱动下草地植物多样性、地上生产力变化特征及其二者关系的系统研究。本研究以黄土高原宁夏云雾山典型草原为研究对象,通过选择3个半灌木扩张强度草地... 详细信息

灌木/半灌木扩张能够显著改变原有植被景观及其生态学过程,但目前仍缺乏对半灌木扩张驱动下草地植物多样性、地上生产力变化特征及其二者关系的系统研究。本研究以黄土高原宁夏云雾山典型草原为研究对象,通过选择3个半灌木扩张强度草地(轻度、中度和重度),并以未扩张的天然草地作为对照,分析物种多样性、群落水平植物功能性状、功能多样性和地上生产力的变化特征及其内在关系。结果表明:1)半灌木扩张驱动下草地群落组成、结构发生了明显改变,半灌木物种白莲蒿已取代了原有的草本植物成为新的草地优势种,且导致物种多样性显著降低;2)与对照相比,半灌木扩张显著降低了群落水平叶干物质含量,但增加了群落水平比叶面积、叶碳、叶氮和叶磷含量;功能丰富度无显著性差异,而功能离散度和功能均匀度在不同扩张强度下差异显著;3)半灌木扩张显著增加了群落地上生产力和凋落物生物量,具体表现为杂草生物量显著增加,豆科生物量显著降低,而禾类草生物量在重度扩张下显著增加;4)半灌木扩张驱动下草地群落地上生产力与物种多样性、群落水平叶干物质含量及功能离散度呈负相关关系,而与群落水平叶碳、叶氮和叶磷含量呈正相关关系。随机森林模型和方差分析结果进一步显示,群落水平功能性状对地上生产力变异解释度为68.28%,其中群落水平叶氮含量和叶干物质含量为最主要的解释因子,物种多样性指数解释度为64.38%,功能多样性指数解释度为11.16%。研究表明半灌木扩张驱动下,物种向快速生长、资源获取型策略转变,且物种生态位分化程度更高;植物功能性状和物种多样性比功能多样性更能解释群落地上生产力的变异。本研究结果可为黄土高原天然草地的稳态转变理论研究和新时期灌丛化草地的适应性和可持续管理提供数据支撑。

关键词：半灌木扩张地上生产力物种多样性功能多样性植物功能性状

降水变化对藏北高寒草原化草甸降水利用效率及地上生产力的影响

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应用生态学报 2018年第6期29卷 1822-1828页

作者：王志鹏张宪洲何永涛石培礼俎佳星牛犇李猛中国科学院地理科学与资源研究所生态网络观测与模拟重点实验室拉萨高原生态试验站北京100101 中国科学院大学北京100049 中国科学院大学资源与环境学院北京100190

降水总量、分配方式及其发生时间共同决定了青藏高原植被生长的水分条件,而降水利用效率(PUE,地上生产力与降水量的比值)是评估降水与植被生产力关系的有效指标.本研究以藏北当雄高寒草原化草甸为研究对象,利用多年生物量采样数据与同... 详细信息

降水总量、分配方式及其发生时间共同决定了青藏高原植被生长的水分条件,而降水利用效率(PUE,地上生产力与降水量的比值)是评估降水与植被生产力关系的有效指标.本研究以藏北当雄高寒草原化草甸为研究对象,利用多年生物量采样数据与同期遥感EVI植被指数建立线性模型,反演了2000—2016年地上净初级生产力(ANPP),结合同时期气象数据,以生长季降水量(GSP)表征降水总体状况,改进的降水集度指标(PCI)表征生长季降水分配,降水重心(PC)表征降水集中时间,并结合生长季均温(GST),利用结构方程分析了气候因子对当雄草地降水利用效率和地上生产力的影响.结果表明:当雄草地ANPP主要受生长季降水影响,GSP与ANPP呈显著正相关,而GST与PUE、ANPP无显著相关关系;PCI与PUE呈显著正相关,表明降水集中分布有利于PUE增加;PCI与ANPP相关的间接系数大于直接系数,表明PCI通过PUE影响ANPP;降水集中时间(PC)变化则对PUE和ANPP没有显著影响.在青藏高原显著的气候变暖背景下,降水量和降水集度的变化都将会对藏北高寒草地的地上生产力产生重要影响.

关键词：草原化草甸降水集度降水重心降水利用效率地上生产力

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中国草地地上生产力氮素敏感性的时空变化

中国农业科学 2022年第9期55卷 1811-1821页

作者：侯将将王金洲孙平朱文琰徐靖卢昌艾河南科技大学动物科技学院中国环境科学研究院生态研究所河南科技大学园艺与植物保护学院中国农业科学院农业资源与农业区划研究所

【目的】评估中国草地地上生产力氮限制强度的时空变化，为全球环境变化背景下草地适应性管理和氮循环模拟评估提供参考。【方法】以中国草地为研究对象，系统收集了 1980—2020 年已发表的 423 组氮添加试验数据，整合分析地上生产力... 详细信息

【目的】评估中国草地地上生产力氮限制强度的时空变化，为全球环境变化背景下草地适应性管理和氮循环模拟评估提供参考。【方法】以中国草地为研究对象，系统收集了 1980—2020 年已发表的 423 组氮添加试验数据，整合分析地上生产力响应比(ln RR)和氮素敏感系数(ln RR/N，即 ln RR 与氮添加量的比值)及其影响因素。利用直线、双直线和逐步回归等方法，评估了 ln RR/N 的时空动态及其驱动因子。【结果】ln RR 随氮添加量的增加总体呈先增加后持平的趋势。当氮添加量超过(21.1±5.5)g N·m-2·a-1(平均值±95%置信区间)时，ln RR 达到最大值(0.60±0.08)。整合分析结果显示，ln RR/N总体平均为 0.043±0.004，即单位氮添加量(1 g N·m-2·a-1)可提高地上生产力(4.36±0.38)%，且因草地类型、氮添加量、试验持续年限和年代而异。时间尺度上，过去 40 年来 ln RR/N 呈显著降低趋势，且在相对湿润(年降水量 MAP>450 mm)和温暖区(年均温 MAT>4.5℃)的下降速率是相对干旱(MAP≤450 mm)和寒冷区(MAT≤4.5℃)的 1.5—1.7 倍。空间尺度上，降水量和土壤养分是 ln RR/N 变化的主要影响因子。其中，ln RR/N 随着 MAP 的增加而增加，随着土壤氮含量的增加而降低。在相对湿润区，ln RR/N 的变化由土壤氮含量和 MAP 共同占主导，而在相对干旱和温暖区则分别由 MAP 和 MAT 占主导。【结论】中国草地地上生产力仍受氮限制，但在全球环境变化背景下生产力氮限制强度或氮素敏感性持续减弱，尤其以相对湿润区和温暖区最为明显。要准确评估草地生态系统对全球环境变化的响应，需更多关注生产力关键限制因子及其限制强度的时空变化。

关键词：草地地上生产力氮添加氮素敏感性全球环境变化

氮素添加对青藏高原高寒草甸植物群落物种丰富度及其与地上生产力关系的影响

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植物生态学报 2010年第10期34卷 1125-1131页

作者：张杰琦李奇任正炜杨雪王刚兰州大学干旱与草地生态教育部重点实验室兰州730000

植物种群对有限资源的竞争是决定植物群落物种组成、多样性和生产力等群落结构和功能的主要因素。该文以青藏高原高寒草甸为研究对象,研究了短期内不同水平的氮素添加对高寒草甸植物群落的影响。结果表明:1)氮素添加提高了土壤中NO3–-... 详细信息

植物种群对有限资源的竞争是决定植物群落物种组成、多样性和生产力等群落结构和功能的主要因素。该文以青藏高原高寒草甸为研究对象,研究了短期内不同水平的氮素添加对高寒草甸植物群落的影响。结果表明:1)氮素添加提高了土壤中NO3–-N等可利用资源的含量,增加了植物群落植被的盖度,减小了植被的透光率,随着施氮量的增加,群落中物种丰富度显著降低(p地上生产力(p地上生产力呈先增加后降低的变化趋势,各功能群中禾草生物量显著增加,而杂类草和豆科植物生物量随施氮量的增加逐渐减少;3)物种多样性与植被透光率呈线性正相关(p地上生产力与土壤NO3–-N含量呈线性正相关(p地上生产力之间呈负相关关系。这说明短期内氮素添加通过改变土壤中NO3–-N等可利用资源的含量而对植物群落物种组成和地上生产力产生影响。

关键词：地上生产力氮素添加土壤NO3^–-N含量物种丰富度植被透光率

物种多样性驱动高寒草甸地上生产力对养分添加的响应

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生态学报 2024年

作者：潘珍珍王瑞兵陈欢赵维蚌绍豪任正炜周小龙新疆大学生态与环境学院绿洲生态教育部重点实验室兰州大学生态学院

为进一步了解养分添加下草地物种多样性如何驱动地上生产力变化，在青藏高原高寒草甸开展养分添加实验，通过调查植物群落和测定功能性状，基于功能性状和物种多样性两种途径解析养分添加对高寒草甸地上生产力的驱动机制。结果表明：（... 详细信息

为进一步了解养分添加下草地物种多样性如何驱动地上生产力变化，在青藏高原高寒草甸开展养分添加实验，通过调查植物群落和测定功能性状，基于功能性状和物种多样性两种途径解析养分添加对高寒草甸地上生产力的驱动机制。结果表明：（1）氮和氮磷混合添加显著增加了群落地上生产力，分别增加67%和49.1%，其中氮是高寒草甸植物群落地上生产力的主要限制性养分。（2）氮和氮磷混合添加显著降低物种丰富度、香农维纳指数和功能丰富度；（3）植株高度在氮和氮磷混合添加后显著增加，分别增加24.2%和29.6%；比叶面积在磷和氮磷混合添加后显著增加，分别增加22.1%和34.6%；而叶片干物质含量仅在氮添加下显著增加10.1%，叶绿素含量仅在磷添加下显著降低5.5%。（4）地上生产力与功能多样性之间不存在显著的线性回归关系，但与物种多样性和叶片干物质含量之间分别存在显著负线性回归和正线性回归关系。（5）功能多样性和功能性状对群落地上生产力解释非常有限，然而物种多样性可以很好解释地上生产力的变化；这与质量比假说的预测相一致。综上，本研究表明中期养分添加条件下高寒草甸群落地上生产力的增加主要是由优势种的功能性状所驱动，且物种多样性比功能多样性更好解释高寒草甸地上生产力变化。

关键词：物种多样性功能多样性功能性状地上生产力养分添加高寒草甸

内蒙古东部区草原植物多样性和地上生产力与环境因子的关系

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内蒙古农业大学学报（自然科学版） 2024年第2期45卷 23-32页

作者：王顼王志利安娜杜月徐鹏懿王嵋内蒙古大学生态与环境学院呼和浩特010021 内蒙古自然博物馆呼和浩特010010

探究内蒙古东部区草原生态系统植物多样性对环境因子的响应及其与地上生产力的关系,对于该地区生物多样性的保护和生态系统功能的维持具有重要意义。本文基于内蒙古东乌珠穆沁旗草原系统的采样调查,分析了环境因子与植物多样性和地上生... 详细信息

探究内蒙古东部区草原生态系统植物多样性对环境因子的响应及其与地上生产力的关系,对于该地区生物多样性的保护和生态系统功能的维持具有重要意义。本文基于内蒙古东乌珠穆沁旗草原系统的采样调查,分析了环境因子与植物多样性和地上生产力间的关系,揭示了影响群落地上生产力的主要因素。结果表明:(1)物种多样性、功能多样性和地上生物量与环境因子均呈现一定的线性关系,具体为物种多样性指数、功能多样性指数中的功能丰富度、功能均匀度、功能离散度和群落加权性状值均与年均降水量呈线性正相关,均与年均气温呈线性负相关,而功能多样性指数中的功能趋异度与年均降水量呈线性负相关,与年均气温呈线性正相关;(2)物种多样性指数、功能多样性指数中的功能丰富度和功能均匀度及群落加权性状值与地上生物量呈线性正相关,而功能趋异度则与地上生物量呈线性负相关,功能离散度与地上生物量关系不显著;(3)年均气温、物种丰富度和群落加权性状值3个因子对内蒙古东部区草原地上生产力变化的解释率较高。本研究将为应对全球环境变化、保护和恢复草原生态系统提供科学指导和策略。

关键词：草原生态系统植物多样性环境因子地上生产力

养分添加对羊草草地地上生产力、群落组成和功能性状影响的研究

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养分添加对羊草草地地上生产力、群落组成和功能性状影响的研究

作者：李文晶东北师范大学

学位级别：硕士

草地生态系统是我国最大的陆地生态系统,由于过度放牧、农业开垦等人为活动的干扰,草地面临大面积退化。因此,采取有效管理和恢复措施对于草地的可持续发展有十分重要的意义。施肥作为一种有效的草地管理措施,对产量有极大的影响。为探... 详细信息

草地生态系统是我国最大的陆地生态系统,由于过度放牧、农业开垦等人为活动的干扰,草地面临大面积退化。因此,采取有效管理和恢复措施对于草地的可持续发展有十分重要的意义。施肥作为一种有效的草地管理措施,对产量有极大的影响。为探究草地生产力对养分添加的响应过程,本论文以羊草草地为研究对象,采用三因素嵌套实验设计,设置了氮(N:对照、纯氮100 kg·ha·year)、磷(P:对照、纯磷100 kg·ha·year)、钾(K:对照、纯钾100 kg·ha·year)添加实验。探讨了不同养分添加对地上生产力、群落组成及植物功能性状的影响。结果发现:1)与对照(CK)相比,N素添加能够显著地增加地上总生物量。NPK配合添加对地上总生物量的影响最大,比对照处理CK显著增加99.2%。其次为N和NP添加,地上生物量比CK处理分别显著增加74.8%和53.4%。添加N、NP和NPK能够显著提高草地地上生物量。P、K和PK添加时,对地上生物量没有明显影响。禾本科物种的生物量在N、NK和NPK添加下显著增加,分别比CK处理显著增加104.9%、139.9%和118.4%。豆科物种的生物量在N、NP、NK和NPK添加以及PK添加下分别比CK处理显著降低72.3%、82.9%、55.6%、46.2%和50.1%,NP对豆科物种的生物量影响最大。杂草类生物量在NP添加下最多,其次为NPK和N添加,分别比CK处理显著增加了136.8%、109.3%和88.3%。枯落物对于不同养分的响应趋势与地上总生物量的变化一致。N、NP和NPK添加分别使枯落物显著增加74.8%、74.4%和90.8%。2)与CK相比较,NPK、NK、NP和N添加导致草地群落物种丰富度显著降低,比CK处理显著降低了48.3%、44.8%、48.3%和51.7%,PK、P和K添加对物种丰富度无显著影响。NPK添加时的群落总盖度最大,N次之,分别比CK处理显著增加30.33%和28.83%。在N和NK添加下,禾本科盖度显著增加26.88%和21.66%,豆科盖度则显著下降13.13%和14.63%,草地禾本科盖度与豆科盖度对养分添加的响应呈负相关,杂类草盖度只在N添加下有显著影响,比CK显著增加15.08%。K添加时,草地地上生物量与豆科盖度显著正相关,PK添加时地上生物量与禾本科盖度显著正相关,NPK添加时地上生物量与杂类草盖度极显著正相关。地上生物量与物种丰富度之间没有显著的相关关系。3)养分添加对植物功能性状的影响,主要从以下几个方面体现:(1)NPK添加时植物高度群落加权平均值(CWM)达到最大值,比CK处理显著增加了112.94%,其次为NP和N添加,分别比CK处理显著增加100.96%和80.83%。(2)植物叶面积CWM、叶片厚度CWM和叶绿素含量CWM在N、NP、NK、PK、NPK的添加下均显著增加,当单独P添加或K添加时对这三种叶性状没有明显影响。叶干物质含量CWM在NPK添加时最大,比CK处理显著增加33.68%,其余养分添加对其没有明显影响。综上所述,N添加和N素组合(即NP、NK和NPK)添加有利于草地地上生产力的提高,尤其N、NP和NPK这三种养分添加方式对于提高草地地上生产力更加明显。N添加和N素组合(即NP、NK和NPK)添加改变了物种丰富度和群落组成,体现在物种多样性降低,但由于物种多样性与地上生物量不存在相关关系,所以多样性的降低对草地生产力的变化没有明显影响;N和NPK添加有助于提高群落覆盖度,群落盖度与地上生物量呈正相关,所以盖度的提高有助于生产力的提高。养分添加使植物功能性状改变:NPK的添加增加了叶干物质含量,对叶片单位面积结构上的投入增加进而促使叶寿命增加;N、NP和NPK的添加提高了植株高度,使叶面积、叶绿素含量和植株叶片厚度显著增加,增强了草地植物在光源方面的竞争能力以及植物叶片的光合作用能力,进而大大提高了草地植物地上生产力。通过本研究,明确养分添加对草地地上生产力、物种多样性、群落组成和植物功能性状的作用,为退化草地的恢复和建立科学的草地管理措施提供理论依据。

关键词：养分添加地上生产力物种丰富度群落组成植物功能性状

草牧场防护林对草地地上生产力和地下生物量的影响

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中国草地学报 2008年第5期30卷 85-89页

作者：李永华杨文斌卢琦王利兵王学全中国林业科学研究院林业研究所／国家林业局林木培育重点实验室北京100091 中国防治荒漠化研究与发展中心北京100091 内蒙古林业科学研究院内蒙古呼和浩特010010

通过对内蒙古四子王旗20世纪70年代营造的人工白榆草牧场防护林及其林下和周边草地的研究表明,草地优势种羊草和克氏针茅的地上生产力组成比例,背风面一侧(62.4±5.7%)>林内(36.1%)>迎风面一侧(28.0±7.4%)。地上生产力平均值(林内生产... 详细信息

通过对内蒙古四子王旗20世纪70年代营造的人工白榆草牧场防护林及其林下和周边草地的研究表明,草地优势种羊草和克氏针茅的地上生产力组成比例,背风面一侧(62.4±5.7%)>林内(36.1%)>迎风面一侧(28.0±7.4%)。地上生产力平均值(林内生产力为林木与草地生产力之和),林内(3873kg/hm2)>背风面一侧(1769±177kg/hm2)>迎风面一侧(1588±47kg/hm2)。回归分析表明,背风面一侧群落的地上生产力随离开防护林距离的增加而增加(R2=0.97,P地上生产力与离开防护林的距离没有呈现明显的规律性。对地下生物量的研究表明,草地地下生物量主要分布在距离地表10cm土层中(约86%),随离开防护林距离的增加根系垂直分布有向地表聚集的倾向。

关键词：四子王旗草牧场防护林地上生产力地下生物量

时间尺度上黄土高原典型草原物种多样性和地上生产力的关系研究

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时间尺度上黄土高原典型草原物种多样性和地上生产力的关系研究

作者：杨雪西北农林科技大学

学位级别：硕士

物种多样性与地上生产力的关系一直是群落生态学研究的前沿和核心,前期的研究表明在空间尺度上“单峰”关系是最普遍的模式,但很少关注时间尺度上二者的关系及可能的机制。此外,理论和实验研究只用物种丰富度作为物种多样性的替代指标,... 详细信息

物种多样性与地上生产力的关系一直是群落生态学研究的前沿和核心,前期的研究表明在空间尺度上“单峰”关系是最普遍的模式,但很少关注时间尺度上二者的关系及可能的机制。此外,理论和实验研究只用物种丰富度作为物种多样性的替代指标,而忽略了其它多样性指标。基于此,本研究于1982年开始以黄土高原云雾山典型草原生态系统为研究对象,基于40年的定位观测试验,利用物种丰富度、植物多度、香农-维纳多样性指数、均匀度指数和优势度指数等作为物种多样性的多维衡量指标,地上生物量作为地上生产力的衡量指标,通过局部加权回归(locally weighted regression,Loess)、一般线性模型(general linear model,GLM)和去趋势对应分析(detrended correspondence analysis,DCA)等分析方法,检验长时间尺度上物种多样性和地上生产力的变化模式以及它们之间的关系。得出如下结果:(1)40年的定位监测表明,群落物种组成发生了显著变化。物种丰富度的变化范围为3～28种·m,平均为18种·m;物种香农-维纳多样性指数变化的范围为0.06～4.12,平均为2.78;均匀度指数变化的范围为0.03～1.40,平均为0.95;优势度指数变化的范围0.21～4.12,平均为0.86。植物多度的变化范围是10～860株·m,平均为129株·m。地上生物量的变化范围为30～690 g·m,平均为351 g·m。在40年的演替进程中共出现115种植物,分属于29科,83属,排在前5位的科分别是:禾本科(共19种)、菊科(共19种)、豆科(共11种)、蔷薇科(共10种)和唇形科(共9种),以上5科约占植物总数的60%。(2)基于物种多样性和地上生产力的变化趋势,将整个演替阶段分为演替早期(1982-1993)、演替中期(1994-2011)和演替后期(2012-2021)三个阶段。物种丰富度随时间的变化表现为:急剧上升→相对稳定→急剧下降(“单峰”状);香农-维纳多样性指数表现为:缓慢下降→急剧下降;均匀度指数表现为:缓慢下降→相对稳定→急剧下降;优势度指数表现为:相对稳定→缓慢下降;植物多度表现为:逐渐上升趋势;地上生物量随时间的变化表现为:急剧上升→平缓下降(“单峰”状)。此外,通过分析群落水平的变异系数,发现群落在演替中期较为稳定,演替早期和后期波动较大。总的来看,从1982年开始到现在,物种多样性下降,且各个多样性指数下降速率和程度不同,而物种的多度表现为增长趋势,说明物种多样性和生产力在时间尺度上是动态变化的。(3)40年的演替进程中,物种的迁入和迁出发生了显著变化。在演替的早期(1982-1993),物种主要以迁入为主,其中菊科最多,高达9种,其次为豆科,为4种,物种的迁入率为3种/年;演替中期(1994-2011),物种迁入变缓,豆科迁入最多,为2种,物种的迁入率为1种/年;演替后期(2012-2021)时,物种主要以迁出为主,菊科迁出率最高,为9种,早期迁入的半数物种在后期全部迁出,物种的迁出率为3种/年。演替早期主要以扩散能力强的一年生植物和短寿命的多年生杂草为主(r对策植物),演替后期主要以高抵抗力的多年生禾草植物为主(K对策植物)。根据草地群落中的关键物种的重要值变化趋势,可以判定演替早期、中期和后期的优势禾草物种分别为本氏针茅(Stipa bungeana),大针茅(Stipa grandis)和甘青针茅(Stipa przewalskyi)。(4)时间尺度上物种多样性和地上生物量的关系整体表现为“单峰”关系,但因演替阶段的不同而异。物种丰富度、植物多度、香农-维纳指数和地上生物量之间均表现为“单峰”关系;物种丰富度和植物多度以及均匀度指数和地上生物量之间则表现为“倒单峰”关系,优势度指数和地上生物量表现为线性正相关关系。该区域年均降水量和物种多样性以及地上生物量均无显著相关,年均温与均匀度指数、优势度指数呈现显著负相关,与地上生物量呈显著正相关。由以上结果可得出如下结论:(1)草地生态系统的演替过程是动态变化的。物种丰富度和地上生物量在演替前期(1982-1993)迅速增加,在演替中期(1994-2011)达到峰值并维持相对稳定,在演替后期(2012-2021)迅速降低。香农-维纳多样性指数、均匀度指数、优势度指数随着演替的进行则呈下降趋势。(2)演替进程中群落优势种发生了更替,具体表现为从演替前期的本氏针茅到演替中期的大针茅到演替后期的甘青针茅。演替前期主要以物种迁入为主,演替中期相对稳定,演替后期主要以物种迁出为主。(3)物种多样性与地上生物量的关系会因演替阶段的不同而发生变化,在整个时间尺度上表现为“单峰”关系,这与空间尺度上的结论相一致。物种间正相互作用(促进)和竞争之间的权衡可能

关键词：时间尺度植被演替物种多样性地上生产力