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Response of litter quality to warming in the alpine meadow on the Tibetan Plateau

增温对高寒草甸群落凋落物质量动态变化的影响



全 文 :广 西 植 物 Guihaia 31(6):770— 774 2011年 I1月
DOI:10.3969/j.issn.1000—3142.2011.06.012
增温对高寒草甸群落凋落物质量动态变化的影响
林巧燕1,4,徐广平 ,苏爱玲1,段吉闯1,4,张振华 一,罗彩云1,4,汪诗平0
(1.中国科学院西北高原生物研究所高原适应与进化重点实验室,西宁81008;2. 譬广西植物
研究所,广西 桂林 541006;3.中国科学院 青藏高原研究所高寒生态学和生物多样性
实验室 ,北京 100085;4.中国科学院 研究生院,北京 100049)
摘 要:为了解未来增温条件下,青藏高原高寒草甸凋落物质量如何变化,将有助于增强对高寒草甸生态系
统碳源/汇效应的认识。该文通过定位可控的增温试验平台,动态监测了凋落物生物量及其质量的变化。结
果表明:增温显著地促进了凋落物的分解速率(F一35.757,PN 比,但提高了凋落物中的 P含量 ;随着生长季的推移,增温显著增加了木质素含量及木质素/N的 比例 。说
明未来增温条件下,高寒草甸生态系统的C、N循环过程将可能加快。
关键词:增温;凋落物;碳含量;氮含量;磷含量;纤维素;木质素
中图分类号 :Q948.11 文献标识码:A 文章编号:1000—3142(2011)06—0770—05
Response of litter quality to warming in the
alpine meadow on the Tibetan Plateau
LIN Qiao-一YanI一,XU Guang-Ping:z,SU Ai-Ling1,DUAN Ji-Chuang 1,4,
ZHANG Zhen-HuaI一,LU0 Cai-Yun1”,Ⅵ rG Shi-Ping3
(1.Key Laboratory of Adaptation and Evolution of Plateau t~ota,Ha~be~Alpine Meadow Ecosystem Research Station,
Northwest Institute of Plateau Biology,ChineseAcademy of Sciences,Xining 810008,China;2.Guangxi
Institute of Botany,Guangxi Zhuang Autonomous Region and the Chinese Academy of Sciences,Guilin
541006,China;3.Institute of Tibetan Plateau Research,Chinese Academy of Sciences,Bering 100085,
China;4.GraduateUniversity,ChineseAcadem y ofSciences,Be ing100049,China)
Abstract:Understanding how the response of litter quality to warming will increase our ability to predict the change
of carbon sink/source of alpine meadow ecosystem under future warming condition.We found that warming(about
1.5℃ enhancement)signifcantly increased litter decomposition and phosphors concentration.whereas decreased COlT~
centrafions of carbon and nitrogen,and their ratio in remaining fitters.From June to October in 2009,four fields
measured results showed that warming significantly promoted the fitter decomposition rate(F一35.757,P<0.001).
These results suggested that warming would increase carb0n/nitrogen cycling processes in the alpine region,.
Key words:warming;litter;carbon;nitrogen;phosphorus;celulose;fignin
全球变暖已是不争的事实,政府间气候变化专
门委员会(IPCC)预测,2100年全球气温估计将上升
1.4~5.8℃,仪器观测记录表明,全球平均地表温
度一直在增加,1906~2005年近 100年全球地表温
收稿 日期 :
基金项目:
作者简介:
通讯作者:
度的线性趋势为 0.74-t-0.18℃,特别是 1950年前
后(Bradley,2001;IPCC,2001,2007)。在全球变化
的背景下,地面凋落物积累被看作是一个重要的碳
汇,分解快慢影响到陆地与大气间的碳分配(Ange一
201I-103—27 修回日期 :2011—08—16
国家“973”项目(2010CB833502)[Supported by the National Basic Research Program of Chin~l(2010CB8335o2)]
林巧燕(1984一),女,浙江温岭人,硕士研究生 ,主要从事草地生态学研究,(E—mail)lilianag~fin@yahoo-corn-cn。
汪诗平,男,Ig~,研究员,博士生导师,(E—mail)wangship2o08@yah00·CD。
6期 林巧燕等:增温对高寒草甸群落凋落物质量动态变化的影响 771
lis等,2000)。凋落物包括枯立木、倒朽木、枯草、地
表凋落物和地下枯死生物量等,是陆地生态系统的
重要组成部分,凋落物在维系生态系统结构和功能
中具有不可替代的作用(韩兴国等,1999)。陆地生态
系统凋落物分解是全球碳收支的一个重要组成部分,
主要受气候条件和凋落物质量等因素的综合控制。
全球气候变化所诱发的凋落物分解速率的变化
可能对陆地生态系统碳储量产生更深远的影响,可
能直接对 目前由于大气 CO 浓度升高引起的全球
气候变化造成一个正反馈,而凋落物分解对全球气
候变化的反馈作用主要取决于凋落物积累和分解之
间的平衡(Cornelissen等,2007)。草地凋落物是草
地土壤有机质的主要物质源库,是维持土壤肥力的
基础,凋落物通过分解向土壤释放营养元素,是维持
草地植被生长所需营养物质的重要来源,也是植物体
将营养物质归还的重要途径(Ogee&Brun,2002)。
根据中国区域气候模式,在假定大气 C02浓度
继续增加的各种情况下,预测未来 5O年我国西北地
区气温可能上升 1.9~2.3 oC,青藏高原可能升高2.2
~ 2.6℃(丁一汇,2002)。青藏高原被称为全球的“气
象灶”和全球气候变化的预警区(郑度和姚檀栋,
2004),青藏高原脆弱而具有敏感性的生态系统能对
气候变化做出迅速的响应(赵新全,2009)。因此,基
于野外模拟增温试验平台,我们提出以下问题:(1)增
温是否加快了高寒草甸群落凋落物的分解?(2)增温
对高寒草甸群落凋落物养分含量的影响如何?为深
入研究高寒草甸群落物质营养循环、高寒草甸的碳汇
效应和合理利用提供科学依据及理论指导。
1 材料与方法
1.1试验区的概况
本研究在中国科学院海北高寒草甸生态系统定
位站进行,海北站地处青藏高原东北隅的青海省海
北藏族自治州门源县境内,在祁连山北支冷龙岭东
段南麓坡地的大通河河谷西段,地理位置为 37。29
~ 37。45 N,101:12 ~101。23 E。该地区位于亚洲
大陆腹地,具有明显的高原大陆性气候,东南季风及
西南季风微弱。受高海拔条件的制约,气温极低,按
气候四季的标准划分,这里全年皆冬,无明显四季之
分,仅有冷暖二季之别,干湿季分明。海北站多年平
均气温为一1.6。C,降水量约 560 mm,年日照时间可
达 2 467.7 h,水面蒸发 1 238 mm,平均风速较低,
年平均仅为 1.7 m·s一,空气相对湿度为67 ,平均
气压为 691 hPa。年内无绝对无霜期,相对无霜期
约为 2O d,在最热的 7月仍可出现霜冻、结冰、降雪
(雨夹雪)等冬季的天气现象。表现出冷季寒冷、干
燥、漫长,暖季凉爽、湿润、短暂。本研究选择长期适
应于高寒生态环境下形成的由耐寒中生植物组成的
高寒矮嵩草(Kobresia humilis)群落为研究对象。
增温试验样地在试验开展前为冬季放牧样地,
围栏 10 m外为气象观测站。增温装置系统安装好
后,样地外围安装网围栏防止家畜进入。
1.2试验设计
本试验采用自由空气增温方法。以正六边形各
顶点悬挂红外陶瓷加热器,形成一个直径为 3 m的
圆形均匀的加热增温区。红外陶瓷加热器悬挂方式
与地面形成 45。夹角,面向圆形的中心,悬挂高度
1.2 m。增温幅度可实现全天自动控制:增温小区
与对照小区通过红外传感器同时测定冠层温度;数
据传至数据采集器,根据增温小区与对照小区冠层
温度差值,通过 PID控制程序控制,电源电压输出
模块输出O~10 V电源信号(0V为完全关闭加热
器,1O V为满功率工作);0410V信号传至 Dimmer
(LCEI)-2484,Kalglo),输出0~220 V交流电电压,
控制陶瓷加热器的输出功率;然后红外加热器在测
定冠层温度进行重复反馈控制陶瓷加热器的输出功
率。根据对气候变化过程中冬天比夏天增温明显和
晚上比白天增温明显的预测结果,本试验在夏季(5
月 1日至 9月 2O日)白天的温差(增温区与对照区
的植被冠层温度差值)设定为 1.2℃,晚上为 1.7℃;
冬季白天和夜间分别设置为+1.5。C和+2.0℃。
本试验所采用的自由空气增温方法,具有可实
现自动增温控制和增温区域加热效果均匀的特点,
它能很好地在野外生态系统下运行,该增温装置能
满足试验预测增温变化幅度的需要 (Kimbal等,
2008;Luo等,2010;Hu等,2010)。设置了 4个处
理:增温不放牧(WNG)、不增温放牧(NWG)、不增
温不放牧(NWNG)和增温放牧(WG)4个处理。每
处理有 4次重复,采用随机区组试验设计,各小区之
间相隔 3 m,以避免增温处理的相互影响。增温 自
2006年 5月 26日起开始运行。放牧试验是在有放
牧处理的小区内圈2只绵羊,夏季放牧水平、放牧时
间视植被状况而定,总体上牧草年利用率约50 。
1.3取样和分析方法
由于放牧试验小区地上凋落物很少,所以,在本
772 广 西 植 物 31卷
文章中只讨论增温(w)小区和不增温(Nw)下凋落
物分解试验。2009年 6~9月每月下旬采用样方法
分别在增温小区(w)和不增温小区(NW)取凋落物
样品(各 4个重复),样方面积为 lO am×10 am。所
取样品按照处理分别混合均匀之后,立即称其鲜重,
然后在 6O℃下烘至恒重后称其干重,计算干鲜比。
剩余样品粉碎装瓶以备化学成分分析,c元素采用
TOC仪(岛津 5000A)测定;N、P采用 A33型连续
流动分析仪测定;纤维素、半纤维素和木质素则在饲
料纤维分析仪(ANKOM 200,Macedon,New York,
USA)上分析测定。
1.4数据分析
利用 SPSS(16.0)软件中的 Repeated—measure
统计分析方法,以增温为 Between—subject因子、以
监测13期作为 Within—subject因子进行方差分析,
探讨增温、取样13期以及他们的互作对凋落物生物
量和质量的影响,检验在 0.05水平上是否显著。
2 结果与分析
2.1单位面积凋落物现存生物量
2009年 6、7、8、9月每月下旬采用样方法分别
测定了增温(w)小区和不增温(NW)小区地上凋落
物现存生物量(表 1)。表 1结果表明,6~9月份,
Nw 小区的单位面积地上凋落物现存生物量都显著
高于 w 小 区的地上 凋落 物现存 生物量 (F==
22.735,P<0.01),每月单位面积地上凋落物现存
生物量彼此之间也存在显著的差异,最小值均出现
在 8月份,分别为 146.74 g·m 和 254.80 g·m一。
但 9月底凋落物都有快速增加,主要是当年凋落物
生产的结果。根据在该试验平台上不同处理对地上
净初级生产力的观测结果,发现与不增温相比,增温
显著增加了地上净初级生产力(Luo等,2009),因
此,依据增温小区较低的地上凋落物现存生物量,这
说明了增温促进了凋落物的分解。
2.2凋落物化学成分
凋落物化学成分含量的高低可以反映其品质的
好坏,进而会影响其分解速率。2009年6~9月,测
定了增温(W)小区和不增温(NW)小区凋落物全碳
(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)、木质素(L)、半纤维素
(HC)、纤维素(C)等化学成分的含量以及其碳氮比
(C/N)和木质素氮~t(L/N),研究结果发现,各化学
成分在 w 和 NW处理之间存在着显著的差异(F一
736.633,P物的 TC、TN、TP、L、HC、C等化学成分以及 C/N
和L/N彼此之间也存在显著的差异。总体上,增温
显著降低了凋落物中的全碳(图 1:A)、全氮(图 1:
B)含量,但显著增加了全磷含量(图 1:C),而降低了
凋落物中的C/N比(图 1:D)。增温显著降低了7、9
月份的凋落物中的纤维素含量(图2:A),但显著增
加了木质素含量(图 2:C),对半纤维素含量的影响
6月份与 7月份的正好相反(图 2:B),并显著提高
了木质素/N的比例(图 2:D)。随着生长季节的向
后推移,凋落物逐步分解,使得凋落物中的所有养分
含量均显著下降(图 1和图2)(P<0.05)。同时,还
发现凋落物中的全碳、全氮、纤维素、半纤维素和木
质素等含量还受到增温与季节间的互作影响。
表 1 增温对地上凋落物现存生物量的影响
Table 1 Effects of warming on dynamics of aboveground
biomass of litter with standing death(g/mz)
注:表中数据为平均值±标准误,同一行内不同字母间表示在 P
<0.05水平上的差异显著性。
Note:The data in the table are average value-+-_ se,different letters
mean significant differences at P< O.05 leve1.
3 结论与讨论
目前,增温对凋落物分解影响的试验多集中于
以下 3种:(1)通过纬度形成的气温梯度,研究温度
对凋落物分解速率 的影 响(Hobbies,1996);(2)通
过海拔高度形成 的气温梯度进行研究 (Vitousek
等,1994);(3)通过辐射加热器增温样区进行研究
(Beier等,2004)。如果其它条件不变,增温会增加
凋落物的分解速率。例如,Moore等(1999)在加拿
大的一个分解试验表明,年平均气温是分解速率最
密切相关的控制因子,气温升高可使凋落物分解率
增加 4 ~7 。Pausas等(2004)对地表和不同土
壤层凋落物分解速率的研究表明,由于地表温度相
对较高,更有利于凋落物的分解。另一方面,就全球
范围而言,气候决定着草地生态系统的分布格局,控
制着凋落物质量和产量,间接地调控着凋落物的分
解动态(Wang等 ,2003)。
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图 1 增温对凋落物全碳、全氮、全磷及碳/氮比的影响
Fig.1 Effect Of warming on total carbon,total nitrogen,total phosphorus and C/N ratio in litters
不同小写字母表示差异显著(P<20.05);w,增温处理;NW 不增温处理
Different small letters mean significance at 0.05 level;W ,warming treatment;NW ,no warming treatment
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图 2 增温对凋落物纤维素、半纤维素、木质素和木质素/氮比的影响
Fig.2 Effect of warming on concentrations of cellulose,hemicellulose,lignin and lignin/N ratio in litters
草地凋落物分解是草地生态系统中有机质残体
分解转化的基本过程,是系统养分循环的关键环节,
对调节土壤养分的可利用性和维持草地生产力具有
重要作用(陈佐忠等,2000)。全球变暖以及与此相
关的环境变化在本世纪将会对北半球的大多数地区
产生 影 响,尤其 是对 北部 高纬度 地 区 (ACIA,
2005)。而青藏高原正在经历的气候变暖将远远大
于全球平均增幅(IPCC,2007)。我们以前的研究表
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774 广 西 植 物 31卷
明,增温增加了地上净初级生产力(Luo等,2009),
但该研究发现增温反而降低了地上凋落物现存生物
量,说明增温加快了凋落物的分解,这与以前的研究
结果是一致的(Luo等,2010;Xu等,2010)。
增温会加快分解速率,例如,Vitousek(1994)等
在太平洋热带岛屿(Mauna Loa)的研究表明,随海
拔升高及气温降低,凋落物的分解速率呈指数降低。
Silver和 Miya(2001)总结全球细根分解数据时发
现,年平均温度与凋落物分解速率呈线性正相关。
这些结果都有力地支持了我们的研究结果:温度升
高,凋落物分解速率加快的观点。同时,在我们的试
验中,由于增温降低了凋落物中的 N含量,表明增
温加快了凋落物中N的释放从而加快了高寒草甸
生态系统的 N循环;然而,增温却增加了凋落物中
的P固定,这表明在未来增温条件下,有可能会导
致生态系统的 P缺乏。
木质素含量高的凋落物含有大量难分解的物质
以及一小部分相对容易分解的可溶性化合物(Mur—
phy等,1998),因此其分解速率相对较慢。气候条
件通过影响植物群落物种特性和微生物活性而影响
凋落物的质量,物种特性最终会决定凋落物的质量
并且驱动其分解(Cornwel等,2008)。凋落物分解
试验的温度范围为 3~25℃(Taylor,1988),且主要
强调生长季节内的凋落物分解及其对凋落物质量和
环境因子的响应(杨万勤等,2007)。凋落物分解过
程的复杂性来自于气候条件和凋落物质量的交互作
用,在自然环境条件下很多因子的可控性差,如温度
条件和水分条件在时间和空间上变异比较大,很难
评估各因子在分解过程中的相对重要性,无法有效
的区分环境因素和枯落物自身的物理化学性质对枯
落物分解速率的影响。因此,在全球变化背景下,为
有效区分不同影响因子(如温度、湿度和凋落物质量
等)对枯落物分解特性及其温度敏感性的可能影响
及相互作用,我们通过生化培养箱,在温度、湿度梯
度可控的条件下,已开展了室内培养试验研究(苏爱
玲,2010),将在下篇文章中深入报道温度和湿度变
化对凋落物分解过程的影响。
致谢 感谢广西植物研究所李先琨和蒋巧媛老
师提 出的宝贵意见,作者谨表示衷心感谢!
参考文献:
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