馬丹丹,王瑾瑜
(1.河南林業(yè)職業(yè)學(xué)院,河南 洛陽 471002;2.河南城建學(xué)院建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,河南 平頂山 450007)
全球氣候變暖已經(jīng)成為不容置疑的事實[1-3],到本世紀(jì)末(2100年),全球平均氣溫將升高1.8~4.0 ℃,以全球氣候變暖為主要特征的全球氣候變化已引起人們的廣泛關(guān)注[4-5].氣候變化決定著地球上物種的分布以及植被類型,而溫度是氣候條件中最重要的因素,溫度的升高對植物群落組成及物種多樣性產(chǎn)生重要的影響.增溫直接改變植物的光合能力,影響植物在光合作用中各種酶的活性,進而影響植物的生長速率,改變植物的物候和生長期[6-7].同時,溫度的增加會改變土壤含水量和土壤呼吸,導(dǎo)致植被的生長、生物量的生產(chǎn)和分配、植物群落演替方向和速度都隨之發(fā)生改變.
土壤酶系統(tǒng)在陸地生態(tài)系統(tǒng)地下生態(tài)過程中扮演著十分重要的角色[8].它是土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分及土壤生物化學(xué)過程的積極參與者,也是土壤生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)和能量流動過程中最為活躍的生物活性物質(zhì),保持了土壤生物化學(xué)的相對穩(wěn)衡狀態(tài)[9].溫度是控制土壤酶活性的一個重要環(huán)境因子,氣候變化可能對陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤酶活性產(chǎn)生深刻影響.有研究表明,土壤溫度升高能增加土壤酶活性[10].溫度升高可能通過影響土壤微生物群落的組成結(jié)構(gòu)、微生物多樣性、微生物生物量、微生物呼吸作用、土壤有機物質(zhì)的礦化率、土壤的水熱條件、有機物質(zhì)分解等因素間接影響土壤酶的活性[11-12].不同生態(tài)系統(tǒng)及不同種類的土壤酶對溫度的敏感性存在差異.如土壤蛋白酶更多受土壤水分影響而非溫度,而脲酶和酸性磷酸酶對溫度很敏感.因此,深入研究溫度條件變化對土壤酶活性的影響以及土壤酶的反饋機制,有利于我們更加深入地了解全球變化背景下營養(yǎng)元素的循環(huán)格局及其反饋機理等[13].
荒漠草原以短花針茅群落為優(yōu)勢物種,其群落多樣性和穩(wěn)定性能夠指示荒漠生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性.荒漠草原年均降雨量少,季節(jié)溫差和日溫差十分顯著,植物種類相對貧乏,土壤酶活性較低,嚴(yán)酷的生態(tài)環(huán)境使得荒漠草原的生態(tài)系統(tǒng)十分脆弱.具有發(fā)生退化的潛質(zhì),一旦遭到破壞,非常難以恢復(fù)[14].前人關(guān)于短花針茅群落物種豐富度、多樣性、穩(wěn)定性土壤養(yǎng)分、酶活性等進行了大量的研究[15-16],然而短花針茅群落結(jié)構(gòu)和土壤性質(zhì)對氣候變化(增溫)響應(yīng)的研究尚不多見.因此,研究模擬增溫下荒漠草原物種產(chǎn)生的反應(yīng)或適應(yīng)性變化有助于理解這些物種響應(yīng)溫度升高等環(huán)境變化的內(nèi)部機制,預(yù)測其對生態(tài)系統(tǒng)群落功能、生物多樣性等的影響,以應(yīng)對未來環(huán)境變化,從而為荒漠草原的利用和生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)管理提供依據(jù).
試驗區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗王府一隊的內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院實驗基地內(nèi)(N 41°47′17″,E 111°53′46″),海拔高度1 456 m,氣候?qū)儆谥袦貛Т箨懶詺夂?,多年平均氣?.4 ℃,月平均溫度最高為6~8個月,年均氣溫分別為21.5、24.0、23.5 ℃,≥10 ℃的年積溫為2 200~2 500 ℃.多年的平均降雨量248 mm,年均蒸發(fā)量2947 mm,降水量主要集中在6~9月,占全年降水總量的70%以上.
實驗區(qū)主要由旱生型的禾草組成,屬于短花針茅建群的荒漠草原地帶性植被,草地類型為短花針茅(Stipabreviflora)+冷蒿(Artemisia frigida)+無芒隱子草(Cleistogenessongorica),植被高度低矮,平均高度為8 cm,且植被較稀疏,蓋度為17%~20%,種類組成貧乏,植物群落主要由20 多種植物物種組成.建群種為短花針茅,優(yōu)勢種為無芒隱子草和冷蒿.主要伴生種有阿氏旋花、櫛葉蒿(Neopallasiapectinata)、木地膚(Kochiaprostrata)、細(xì)葉蔥(Alliumtenuissimum)、蒙古蔥(Alliummongolicum)、狹葉錦雞兒(Caraganastenophylla)、豬毛菜(Salsolacollina)和小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)等.
采用國際凍原計劃(ITEX)模擬增溫的方法,建造增溫室,試驗地周圍用網(wǎng)圍欄封育,禁止放牧[17].每個增溫室高2 m,基面積為4 m2、頂面積為4 m2,通過不封頂和封頂實現(xiàn)不同的增溫梯度控制,同時每個增溫室旁邊設(shè)置相同面積的對照,每個處理3次重復(fù).為了滿足與自然控制和開頂式增溫室相似的自然條件,封頂式增溫室通過定期的開門來保持與外界通風(fēng),并不間斷的灑水來保持與外界一致的降水條件.增溫區(qū)內(nèi)各安裝一個遠紅外線輻射器進行加熱,該裝置是通過懸掛在樣地中央上方、可以散發(fā)遠紅外線輻射的燈管來實現(xiàn)模擬氣候變暖,是目前國際上公認(rèn)的增溫措施.遠紅外線輻射器由美國伯利恒Kalglo電子公司生產(chǎn),型號MSR-2420,規(guī)格165 cm×15 cm,輻射器距地面2.25 m,安放于3 m×4 m小區(qū)的中間部位,燈的最大功率是2 000 W,使用時調(diào)至8檔.同時,在每個處理小區(qū)內(nèi)隨機安裝一組測定土壤溫度的探頭,同時采用Omega 公司生產(chǎn)的型號為HH-25TCSensors 手持溫度計與之連接測定10、20、30、40 cm不同土層的土壤溫度.同時采用ONSET 電腦公司生產(chǎn)的其型號為S-SMA-M003的土壤濕度探頭對0~40 cm土層中每10 cm土壤濕度進行測定.測定數(shù)據(jù)采用HOBO軟件進行記錄數(shù)據(jù),每隔30 min采集1次.
2013年7月,完成增溫室的安裝,開始對空氣和土壤增溫(增溫2 ℃).在模擬增溫1 a后,于2014年8月中旬,分別在對照樣地和每個OTC內(nèi)隨機選取樣方9 個(25 cm×25 cm),對各群落中各物種的高度、密度、蓋度和頻度進行統(tǒng)計調(diào)查,然后借助樣方框(由25個面積為5 cm×5 cm 的方格網(wǎng)組成),目測群落的總蓋度和分蓋度;連續(xù)6 a觀測調(diào)查.
同年9月份齊地面剪草,收割地上生物量,將活體、立枯和凋落物分開保存,地下生物量用直徑5 cm的土鉆分層取樣,每個樣地重復(fù)5 次,并立即用網(wǎng)孔為1 mm的濾網(wǎng)洗盡土壤.將地上和地下樣品帶回實驗室,在65℃下烘干至恒質(zhì)量并稱質(zhì)量.
Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)、McIntosh均勻度指數(shù)(JP)、Margalef豐富度指數(shù)(S)、Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)計算[13]:
H=-∑(PilnPi)
JP=H/lnS
S=(N-1)/lnN
D=1-∑(Pi)2
重要值Pi=100×(相對蓋度+相對高度+相對密度)/3[18]
式中,N為植物總數(shù);Pi為第i種的植物個體數(shù)量(ni)在總個體數(shù)量(N)中的比例.
有機碳采用重鉻酸鉀外加熱法,全氮和有效氮采用半微量凱氏定氮法,全磷和有效磷采用鉬銻抗比色法,全鉀和有效鉀采用火焰分光光度計法[19].
過氧化氫酶活性的測定采用高錳酸鉀滴定法,活性單位以1 g土樣消耗的0.1 mol/L KMnO4溶液的毫升數(shù)表示;蔗糖酶活性的測定采用3,5-二硝基水楊酸比色法,活性單位以1 g土樣在37 ℃條件下,經(jīng)過24 h反應(yīng)后水解生成的葡萄糖的毫克數(shù)表示;蛋白酶用偶氮酪素比色法,以24 h后1 g土壤中氨基氮的毫克數(shù)表示;脲酶活性的測定采用比色法,活性單位以1 g土樣在37 ℃ 條件下,經(jīng)過24 h反應(yīng)后水解生成的氨基氮的毫克數(shù)表示;堿性磷酸酶活性測定采用磷酸苯二鈉比色法測定,以24 h后100 g土壤中P2O5的毫克數(shù)表示.
采用Excel 2003.0和SPSS 18.0數(shù)據(jù)統(tǒng)計和單因素方差分析(One-way ANOVA),所有值采用2014~2019年的平均數(shù)據(jù),LSD多重比較法檢驗各處理間差異顯著.
由表1可知,在整個生長季,增溫樣地0~10、10~20、20~30、30~40 cm土壤平均溫度均高于對照樣地,從3月到11月,OTC和CK樣地土壤平均
溫度呈一致的變化趨勢,均呈先增加后降低趨勢,在7月達到最大.OTC和CK樣地土壤平均溫度隨著土壤深度的增加而逐漸降低趨勢,在表層OTC和CK土壤平均溫度相差較大,在30~40 cm,OTC和CK土壤平均溫度基本一致,說明荒漠草原增溫試驗?zāi)軌蚋淖兺寥罍囟?,主要集中在表層土?在整個生長季,增溫樣地0~10、10~20、20~30 cm土壤平均含水量均低于對照樣地,從3月到11月,OTC和CK樣地土壤平均含水量呈一致的變化趨勢,均呈先增加后降低趨勢,在7月達到最大.OTC和CK樣地土壤平均含水量隨著土壤深度的增加而逐漸降低趨勢,在表層OTC和CK土壤平均含水量相差較大,在30~40 cm,OTC和CK土壤平均含水量基本一致,說明荒漠草原增溫試驗?zāi)軌蚋淖兺寥篮浚饕性诒韺油寥?總的來說,荒漠草原增溫試驗改變了土壤不同層次的溫度與土壤含水量.
經(jīng)過增溫處理后,增溫樣地和對照樣地群落物種組成基本相同,增溫樣地和對照樣地共有10個物種(表2),說明增溫作用沒有改變試驗樣地內(nèi)植物群落組成.但是增溫改變了各物種的重要值,在增溫樣地內(nèi)物種重要值均高于對照樣地.由表還可以看出,溫度升高使群落的高度整體上有所增加,蓋度、頻度和密度也呈增加趨勢.增溫的處理改變了物種的密度、高度、蓋度和頻度,進而改變了物種的重要值.
表1 溫度升高對土壤溫度和濕度的影響
表2 溫度升高對植物群落組成和特征值的影響
增溫后,增溫樣地內(nèi)的地上生物量和凋落物均顯著高于對照樣地(P<0.05),與對照樣地相比,地上生物量顯著增加了8.94%,凋落物顯著增加了7.03%(圖1).從0~40 cm地下生物量分析,增溫樣地地下生物量大于對照樣地,增溫試驗使樣地內(nèi)地下生物量增加了89 g/m2.從0~10、10~20、20~30、30~40 cm土層的地下生物量分布來看,增溫樣地和對照樣地的地下生物量主要分布在0~10 cm土層中.但從增溫和對照樣地內(nèi)的分配比例上分析,各對應(yīng)土層的分配比例存在差異.增溫樣地0~10 cm土層地下生物量為606 g/m2,高于對照樣地的563 g/m2;20~30 cm和30~40 cm增溫樣地生物量與對照沒有顯著差異(P>0.05).
*和**代表增溫和對的差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01).* and ** represent significant difference (P<0.05) and extremely significant difference (P<0.01) of warming and pair,the same as below.圖1 溫度升高對植物群落生物量分配的影響Figure 1 Effects of enhanced temperature on biomass distribution of plant communities
由表3可知,增溫樣地內(nèi)Margalef 豐富度指數(shù)、Shnnon-Winener指數(shù)、Sinpson指數(shù)均高于對照樣地,而Pielou指數(shù)差異并不顯著(P>0.05).物種豐富度指數(shù)與特定群落的物種總數(shù)呈正比,說明增溫使物種的數(shù)量明顯增加.在試驗進行前,通過對樣地的調(diào)查顯示,樣地的本底相同.本底相同的樣地在經(jīng)過增溫處理后,相似性指數(shù)較低,物種替代和消失的現(xiàn)象比較明顯,對溫度優(yōu)勢的物種逐漸變得優(yōu)勢更大,而對溫度劣勢的物種逐漸被淘汰,物種趨向于單一化.
由表3可知,增溫樣地內(nèi)0~10、10~20、20~30、30~40 cm土壤養(yǎng)分含量均高于對照樣地,OTC和CK樣地土壤養(yǎng)分含量隨著土壤深度的增加而逐漸降低趨勢,在表層OTC和CK土壤平均溫度相差較大,在30~40 cm,OTC和CK土壤養(yǎng)分含量基本一致,說明荒漠草原增溫試驗?zāi)軌蝻@著改變土壤養(yǎng)分含量,主要集中在表層土壤.
*和**代表增溫和對的差異顯著(P<0.05)和極顯著(P<0.01).* and ** represent significant difference (P<0.05) and extremely significant difference (P<0.01) of warming and pair.圖2 溫度升高對植物群落物種多樣性的影響Figure 2 Effects of enhanced temperature on plant community species diversity
表3 溫度升高對植物群落土壤養(yǎng)分的影響
由表4可知,增溫樣地內(nèi)0~10、10~20、20~30、30~40 cm土壤酶活性均高于對照樣地,OTC和CK樣地土壤酶活性隨著土壤深度的增加而逐漸降低趨勢,在表層OTC和CK土壤平均溫度相差較大,在30~40 cm,OTC和CK土壤酶活性基本一致,說明荒漠草原增溫試驗?zāi)軌蝻@著改變土壤酶活性,主要集中在表層土壤.
表4 溫度升高對植物群落土壤酶活性的影響
相關(guān)性分析可知(表5),增溫處理下地上生物量與有機碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05),枯落物量與有機碳和全氮呈顯著正相關(guān)(P<0.05);地下生物量與有機碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與全氮、全鉀、速效磷和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05);多樣性指數(shù)(H)與有機碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與全氮、全鉀、速效磷、速效氮和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05);豐富度指數(shù)(S)與有機碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與全氮、全鉀、速效磷、速效氮和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05).
對照處理下地上生物量與有機碳呈顯著正相關(guān)(P<0.05);地下生物量與有機碳呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與全氮、全鉀、速效磷和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05);多樣性指數(shù)(H)與有機碳和全氮呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與全鉀、速效磷、速效氮和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05);豐富度指數(shù)(S)與有機碳、全氮、全鉀、速效磷、速效氮和速效鉀呈顯著正相關(guān)(P<0.05).
由表6可知,增溫處理下地上生物量和枯落物量與土壤酶活性(過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶)均沒有顯著相關(guān)性(P>0.05);地下生物量與過氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05);多樣性指數(shù)(H)和豐富度指數(shù)(S)與過氧化氫酶、脲酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05);均勻度指數(shù)(JP)和優(yōu)勢度指數(shù)(D)與土壤酶活性(過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶)均沒有顯著相關(guān)性(P>0.05).
表5 植物群落多樣性與土壤養(yǎng)分的相關(guān)關(guān)系
對照處理下地上生物量和枯落物量與土壤酶活性(過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶)均沒有顯著相關(guān)性(P>0.05);地下生物量和多樣性指數(shù)(H)與過氧化氫酶、脲酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05);豐富度指數(shù)(S)與過氧化氫酶呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),與脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶呈顯著正相關(guān)(P<0.05);均勻度指數(shù)(JP)和優(yōu)勢度指數(shù)(D)與土壤酶活性(過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶和蛋白酶)均沒有顯著相關(guān)性(P>0.05).
表6 植物群落多樣性與土壤酶活性的相關(guān)關(guān)系
在野外自然條件下采用遠紅外線加熱的方法,能夠模擬氣候變暖.在本研究中,開頂式生長室(OTCs)起到了增溫的作用.開頂式增溫棚的設(shè)計,允許棚內(nèi)外空氣的自由交換流通,并盡可能減少不利的生態(tài)影響,如:低光照條件、溫度極值、非自然降水、CO2濃度聚集及濕度的影響等[20].增溫棚增溫的原理如同溫室效應(yīng),增溫棚降低了風(fēng)速,減弱了空氣湍流的強度,使得溫室內(nèi)熱量不容易散失,同時,由于太陽輻射很容易透過玻璃纖維,使得室內(nèi)溫度升高.本研究中,增溫樣地0~10、10~20、20~30、30~40 cm土壤平均溫度均高于對照樣地,從3月到11月,OTC和CK樣地土壤平均溫度呈一致的變化趨勢,均呈先增加后降低趨勢,在7月達到最大;增溫樣地土壤平均溫度隨著土壤深度的增加而逐漸降低趨勢,在表層OTC和CK土壤平均溫度相差較大,在30~40 cm,OTC和CK土壤平均溫度基本一致;而平均含水量與土壤溫度變化趨勢相反,土壤說明荒漠草原增溫試驗?zāi)軌蝻@著改變土壤溫度和含水量,主要集中在表層土壤.相對含水量的降低主要是由于增溫棚內(nèi)溫度的升高導(dǎo)致.
開頂式生長室(OTC)的增溫效果引起植物群落變化.低溫是限制荒漠草原植物生長的關(guān)鍵因素之一,OTC改善了植物群落的小氣候環(huán)境,一定程度上滿足了植物對熱量的需求,有利于植物的生長和發(fā)育,對群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的影響[21-22].與此同時,溫度的變化也將影響植物對水分和養(yǎng)分的吸收,間接影響植物的生長和生物量的積累.本研究中,增溫樣地和對照樣地群落物種組成基本相同,說明增溫作用沒有明顯的改變試驗樣地內(nèi)植物群落組成,但是增溫改變了各物種的重要值,在增溫樣地內(nèi)物種重要值均高于對照樣地.增溫樣地內(nèi)Margalef 豐富度指數(shù)、Shnnon-Winener指數(shù)、Sinpson指數(shù)均高于對照樣地,而Pielou指數(shù)差異并不顯著(P>0.05),說明溫度升高使荒漠草原植物群落的均勻度增加,但并沒有提高草地植物的物種多樣性.增溫樣地內(nèi)0~10、10~20、20~30、30~40 cm土壤養(yǎng)分含量均高于對照樣地,OTC和CK樣地土壤養(yǎng)分含量隨著土壤深度的增加而逐漸降低趨勢,在表層OTC和CK土壤平均溫度相差較大,在30~40 cm,OTC和CK土壤養(yǎng)分含量基本一致.這與增溫導(dǎo)致的土壤含水量降低有關(guān),由于增溫降低了土壤含水量,使得水分成為限制植物生長的最關(guān)鍵因子,植物為了更好的適應(yīng)環(huán)境,根系向更深的層次延伸尋求水分,地下生物量在向深層土壤轉(zhuǎn)移,與前人的研究結(jié)果相一致[23].
土壤酶催化土壤中的一切生物化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)循環(huán),其活性大小反映生物化學(xué)過程的強度和方向,與土壤肥力密切相關(guān).一般情況下,適度的增溫會明顯地提高土壤酶活性,這在很大程度上依賴于溫度升高條件下土壤微生物數(shù)量的增加和植物根際分泌速度的提高.本研究中,連續(xù)5年的增溫結(jié)果發(fā)現(xiàn):增溫樣地內(nèi)0~10、10~20、20~30、30~40 cm土壤酶活性均高于對照樣地,OTC和CK樣地土壤酶活性隨著土壤深度的增加而逐漸降低趨勢,在表層OTC和CK土壤平均溫度相差較大,在30~40 cm,OTC和CK土壤酶活性基本一致,說明荒漠草原增溫試驗?zāi)軌蝻@著改變土壤酶活性,主要集中在表層土壤,這與前人的研究結(jié)果相似[24-26].此外,土壤酶活性對升高溫度的響應(yīng)還可能受土壤理化性質(zhì)、水熱狀況、土壤代謝、植物種類及土壤生物區(qū)系、數(shù)量和生物多樣性等因子的綜合影響.
內(nèi)蒙古荒漠草原連續(xù)6 a的增溫作用沒有明顯的改變植物群落組成,其中溫度升高使荒漠草原植物群落的均勻度增加,但并沒有提高草地植物的物種多樣性.在土壤理化性質(zhì)中,土壤有機碳和土壤全氮對土壤脲酶、過氧化氫酶活性的影響最強烈,溫度升高增加了土壤有機碳,也使得微生物生物量和酶活性增加,說明土壤中的微生物和酶活性對溫度的升高有一個適應(yīng)的過程,也正是這些土壤生物通過調(diào)節(jié)自身活動帶給整個陸地生態(tài)系統(tǒng)增強或削弱全球變化所帶來的后果的可能性.相關(guān)性分析表明,豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)均與土壤養(yǎng)分和酶活性呈顯著正相關(guān),而增溫處理下的各相關(guān)系數(shù)高于對照.綜合分析表明:長期增溫并未改變荒漠草原短花針茅的群落組成,而提高了群落豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù),同時增加了土壤養(yǎng)分和酶活性,而并未改變其垂直變化規(guī)律.