去除優(yōu)勢種后高寒針茅化草甸群落對增溫增雨及其協(xié)同作用的響應(yīng)

史雅楠，鐘夢瑩，李晶晶，索南加，尕藏太，邵新慶

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，北京 100093；2.青海貴南縣草原站，青海 貴南 813100)

去除優(yōu)勢種后高寒針茅化草甸群落對增溫增雨及其協(xié)同作用的響應(yīng)

史雅楠1，鐘夢瑩1，李晶晶1，索南加2，尕藏太2，邵新慶1

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動物科技學(xué)院，北京 100093；2.青海貴南縣草原站，青海 貴南 813100)

2015年6～8月在青海省海北州高寒針茅化草甸草原進(jìn)行了模擬氣候變化及去除優(yōu)勢種紫花針茅(Stipapurpurea)野外控制試驗。通過設(shè)置增溫2℃，增加降雨量20%，研究植物優(yōu)勢種喪失后氣候因素對物種多樣性和群落穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：去除紫花針茅后，增溫，增雨及兩者的交互作用對植物高度、蓋度及地上生物量均沒有顯著影響；增溫處理下Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)均與對照差異顯著(P<0.05)，說明增溫可以提高植物群落的豐富度和均勻度，增雨處理下3個多樣性指數(shù)均為最高值；去除優(yōu)勢植物紫花針茅后，植物物種數(shù)與植物蓋度，植物蓋度及優(yōu)勢度指數(shù)均呈顯著正相關(guān)。

優(yōu)勢種去除；增溫；增雨；生物量；多樣性

物種多樣性對于維系生態(tài)系統(tǒng)多功能性有著極其重要的作用，一直是生態(tài)學(xué)領(lǐng)域研究的重點(diǎn)內(nèi)容[1]。在人類活動干擾和氣候變化的影響下，我國北方高寒草原生態(tài)系統(tǒng)發(fā)生了不同程度的退化，生態(tài)環(huán)境惡化，第一性生產(chǎn)力降低，草地群落結(jié)構(gòu)單一，物種多樣性下降[2-3]。近些年全球氣候變化對草地生態(tài)系統(tǒng)的影響呈逐漸加強(qiáng)的趨勢[4]。IPCC第5次評估報告(AR5)指出，到21世紀(jì)末，全球溫度增幅可達(dá)到2℃以上，中國青藏高原區(qū)的降水量將提高10%～20%，這種趨勢必對草地生態(tài)環(huán)境和物種多樣性產(chǎn)生深刻的影響。另一方面，超載過牧以及家畜選擇性采食，在一定程度上會加劇群落內(nèi)一些次優(yōu)勢種和伴生種的喪失，導(dǎo)致群落穩(wěn)定性下降[5]。

青藏高原高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)因其脆弱的生態(tài)環(huán)境而對氣候變化和放牧干擾的響應(yīng)極為敏感[6]。近年來，該系統(tǒng)區(qū)域氣候發(fā)生了明顯的變化，生長季溫度平均每年增加0.071℃，高于全國的0.046℃。同時受到全球降水格局變化的影響，降水量呈現(xiàn)升高的趨勢[7]。隨著降水格局變化和溫度升高，高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)在初級生產(chǎn)力、群落物種組成以及多樣性等方面均產(chǎn)生了改變[8-11]。諸多的學(xué)者通過模擬試驗，研究了氣候變化對植物生理生態(tài)[12]，土壤理化性質(zhì)及CN循環(huán)生態(tài)過程的影響[13-15]。模擬放牧家畜選擇性采食研究多用去除試驗，研究集中在去除功能群后對群落結(jié)構(gòu)以及穩(wěn)定性的影響[16-17]。但就全球氣候變化及放牧對高寒草甸草原穩(wěn)定性和多樣性的研究仍不夠系統(tǒng)和完善，筆者通過設(shè)置增溫增雨模擬試驗，同時去除優(yōu)勢植物紫花針茅模擬放牧家畜選擇性采食，以期探討高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)植物生產(chǎn)力和物種多樣性的變化趨勢，為未來高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)的適應(yīng)性管理提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1試驗地概況

試驗地位于青海省海北藏族自治州海晏縣海北高原現(xiàn)代生態(tài)畜牧業(yè)科技示范試驗示范園，地處青藏高原東北部青海湖東岸，地理位置E 100°57′，N 36°55′，海拔3 029 m。屬高原大陸性季風(fēng)氣候，年均溫1.5℃，年均降水量580 mm，降水主要集中在7～9月。土壤類型為高山草甸土，土層較薄，植被類型為高寒針茅化草甸草植被，植被總蓋度80%，建群種為紫花針茅(Stipapurpurea)，草地早熟禾(Poapratensis)，冷地早熟禾(Poacrymophila)，披堿草(Elymusdahuaricus)，線葉嵩草(Kobresiacapillifolia)等。

1.2試驗設(shè)計

樣地始建于2014年6月，樣地內(nèi)設(shè)16個小區(qū)，設(shè)計增溫(W)、增雨(P)，增溫增雨(WP)及對照(CK)4個處理，每個處理重復(fù)4次，采用4×4拉丁方設(shè)計。每個小區(qū)為直徑2.2 m圓形，小區(qū)與小區(qū)間隔3 m。增溫采用圓底式開頂箱增溫裝置(OTC)增溫2℃，并設(shè)計了自動控溫系統(tǒng)和抽氣式風(fēng)扇，當(dāng)OTC內(nèi)外空氣溫度差值超過2℃時，風(fēng)扇自動啟動，保證增溫不超過設(shè)定值，維持溫度穩(wěn)定性。OTC永久性安裝于樣地里，規(guī)格是底部直徑為2.2 m，頂部直徑1.5 m，高度0.7 m。增雨采用人工增加，即每次降雨后在原降雨水平下，用噴壺增加20%的水量。在16個小區(qū)內(nèi)分別設(shè)置一個25 cm×25 cm的樣方，于2015年6月進(jìn)行紫花針茅剔除控制試驗，將紫花針茅齊地面刈割，每1周剔除1次，同年8月進(jìn)行樣方調(diào)查和材料收集。

1.3測定指標(biāo)

多度測定：將樣方框用細(xì)線均分為100個小格，嚴(yán)格統(tǒng)計記錄每個物種的個數(shù)。

株高測定：在樣方內(nèi)每種植株隨機(jī)選取10株，用鋼卷尺測量從地面到植株自然高度的最高點(diǎn)，求平均值。

蓋度測定：將樣方框用細(xì)線均分為100個小格，嚴(yán)格記錄樣方中植物的蓋度。

植物生物量測定：將所有物種齊地面刈割，裝入自封袋中，立即帶回實驗室，稱量植物鮮重，記錄數(shù)據(jù)后，在65℃恒溫干燥箱干燥48 h至恒重，將干燥后的植物樣本稱重，得到樣方內(nèi)所有植物種的地上生物量數(shù)據(jù)。

多樣性指數(shù)：植被群落多樣性指數(shù)采用Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou均勻度指數(shù)進(jìn)行分析，并用公式計算[18]。

重要值=

(1)

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)

H=-ΣPilnPi

(2)

式中：Pi=Ni/N；Ni其中為樣方中第i種植物的重要值；N為樣方植物重要值總和。

Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)

D=1-ΣPi2

(3)

Pielou 均勻度指數(shù)

E1=H/lnS

(4)

E2=(1-ΣPi2)/(1-1/S)

(5)

式中：H為Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)；S為植物物種數(shù)。

1.4數(shù)據(jù)處理

采用Excel和Sigma Plot 10.0制作圖表，使用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析。通過SPSS軟件的LSD多重比較的方法分析在不同處理下植物生長及多樣性的差異(one-way ANOVA,SPSS 17.0)。使用GLM 雙因素分析檢驗去除紫花針茅，增溫、增雨、增溫增雨對植物生長等指標(biāo)的影響(two-way ANOVA,SPSS 17.0)。

2 結(jié)果與分析

2.1剔除紫花針茅后不同處理對物種數(shù)和地上生物量的影響

地上生物量是草地生態(tài)系統(tǒng)基本的數(shù)量特征，試驗中的地上生物量是在植物生長季達(dá)到最高峰時進(jìn)行的采集和稱量，因此，地上生物量實際上是植物的凈初級生產(chǎn)力。分析發(fā)現(xiàn)，在剔除紫花針茅的前提下，增溫，增雨及增溫增雨交互處理下植物物種數(shù)和地上生物量均無顯著影響(P>0.05)，處理之間也沒有表現(xiàn)出差異(表1)。增溫處理和增溫增雨交互處理的物種數(shù)與對照相比物種多樣性減少，分別減少了6.8%和13.6%，增雨處理使物種多樣性增加了4.5%，均未達(dá)到顯著水平(P>0.05)，可以看出，只是單純的剔除一個物種對群落的多樣性影響不大。3種處理(W,P和WP)下地上生物量與對照相比都減少了，并且交互作用(WP)下達(dá)到最低值，但差異均不顯著(P>0.05)。氣候變化對植物物種數(shù)的影響程度表現(xiàn)為P>CK>W>WP，對地上生物量的影響表現(xiàn)為P>W>WP>CK，在不同處理下生物量與物種數(shù)的變化并不一致。增雨處理下物種數(shù)和地上生物量都呈增加趨勢，但未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。

表1 剔除紫花針茅后不同處理下物種數(shù)和地上生物量

注：同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

2.2剔除紫花針茅后不同處理對群落蓋度和高度的影響

在4種處理下剔除紫花針茅后植物蓋度和平均高度并沒有發(fā)生顯著變化(圖1，2)。氣候因素對植物蓋度的影響程度表現(xiàn)為P>CK>WP>W，在高度上的則表現(xiàn)為WP>W>P>CK。與對照比，增溫使植物蓋度降低了13.2%，增溫增雨的交互作用導(dǎo)致蓋度降低了17.2%，而增雨增加了植物蓋度，增加了2.6%，但三者處理都未達(dá)到顯著水平(P>0.05)。與對照相比，3種處理都使植株高度有所增加，分別增加了22.4%，8.0%和28.4%，但差異不顯著(P>0.05)。

圖1 植物高度Fig.1 Plant height

圖2 植物蓋度Fig.2 Plant coverage

2.3剔除紫花針茅后不同處理對植物多樣性的影響

Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)、Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)、Pielou 均勻度指數(shù)顯著性對比分析顯示(圖3)，4個多樣性指數(shù)在不同處理下的變化趨勢一致，均表現(xiàn)為P>CK>WP>W。分析Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)，增雨處理顯著高于增溫處理(P<0.05)，其他處理間無顯著性差異。在Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)上，增雨處理與對照和增溫處理差異顯著(P<0.05)，且數(shù)值最小。Pielou 均勻度指數(shù)E1和E2的變化規(guī)律一致，增溫處理顯著低于其他3個處理(P<0.05)。與對照相比，增溫使得群落優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)降低，其他處理(P，WP)無顯著影響。

2.4增溫和增雨的互作效應(yīng)分析

通過雙因素方差分析可知，增溫對植物Simpson指數(shù)和Pielou指數(shù)有極顯著影響作用(P<0.001)，對Shannon-Wiener多樣性指數(shù)有顯著影響(P<0.01)，但是對植物的生物量、物種數(shù)，高度和蓋度無顯著作用(P>0.05)。增雨處理對植物生產(chǎn)力無顯著影響，但是對均勻度指數(shù)(E2)有顯著提高的作用(P<0.001)。增溫和增雨的交互處理對Pielou均勻度指數(shù)-E1有顯著作用(P<0.01)，但對植物蓋度、高度、物種數(shù)、多樣性指數(shù)、生態(tài)優(yōu)勢指數(shù)和均勻度指數(shù)E2并無顯著影響(表2)。

表2 增溫和增雨處理對剔除針茅后植物各指標(biāo)影響的雙因素方差分析

注：“*”表示P<0.05，“**”表示P<0.01，“***”表示P<0.001，“ns”表示無顯著

2.5相關(guān)性分析

圖3 針茅化草甸草原去除紫花針茅后植物功能多樣性指數(shù)±s)Fig.3 The diversity indices and uniformity indices of plants after removal of Stipa purpurea.

對剔除紫花針茅后的處理數(shù)據(jù)進(jìn)行Person相關(guān)性分析后可知(表3)，物種數(shù)分別與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(r=0.88,P<0.01)及Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)(r=0.74,P<0.01)呈顯著正相關(guān)；植物蓋度與物種數(shù)(r=0.77，P<0.01)、Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(r=0.84,P<0.01)和Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)(r=0.72,P<0.01)均呈顯著正相關(guān)；對于植物多樣性指數(shù)之間的關(guān)系而言，Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)與優(yōu)勢度指數(shù)(r=0.94,P<0.01)、Pielou 均勻度指數(shù)-E1(r=0.53,P<0.05)、Pielou 均勻度指數(shù)-E2(r=0.64,P<0.01)呈顯著正相關(guān)；優(yōu)勢度指數(shù)與均與度指數(shù)E1(r=0.66,P<0.01)和E2(r=0.83,P<0.01)均呈顯著正相關(guān)。

植物物種數(shù)與Shannon-Wiener 多樣性指數(shù)(圖4a)，Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)(圖4b)及植物蓋度(圖4c)均呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。植物蓋度分別與Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(圖4d)，Simpson 優(yōu)勢度指數(shù)(圖4e)呈顯著正相關(guān)(P<0.01)。

表3 剔除紫花針茅后地上植物功能與多樣性的相關(guān)性

注：“*”表示P<0.05，“**”表示P<0.01，“***”表示P<0.001，“ns”表示無顯著

圖4 物種數(shù)/蓋度與物種多樣性指數(shù)，優(yōu)勢度指數(shù)的回歸分析Fig.4 Regression analysis between plant species diversity and coverage indices,and between coverage indices and dominance indices

3 討論

3.1去除優(yōu)勢種對植物群落的影響

草地系統(tǒng)的平衡穩(wěn)定在很大程度上依賴于群落多樣性，而放牧影響著植物多樣性。有研究結(jié)果表明，家畜采食優(yōu)勢物種可以增加植物多樣性[20]或通過采食喜食物種導(dǎo)致植物多樣性的減少或無顯著影響[20-22]。試驗通過去除紫花針茅這一優(yōu)勢物種來模擬家畜對草原上層優(yōu)勢牧草的采食，研究對群落其他物種的影響。研究結(jié)果表明，去除優(yōu)勢種后植物群落維持相對穩(wěn)定，對群落生物量無顯著影響，這與楊中領(lǐng)等[23]的研究結(jié)果相吻合。優(yōu)勢植物去除后，植物物種數(shù)與物種多樣性指數(shù)及優(yōu)勢度指數(shù)均成正相關(guān)，這代表短期的物種喪失并不會破壞群落穩(wěn)定。Wardle等[24]的模擬試驗結(jié)果顯示，物種的去除促進(jìn)了保留種的生長，功能群間的競爭關(guān)系通過補(bǔ)償生長進(jìn)而維持穩(wěn)定。優(yōu)勢種的去除，必然導(dǎo)致群落性質(zhì)的改變，因此，適當(dāng)?shù)姆拍粒梢允怪参锶郝湄S富度增加，維持植物群落的穩(wěn)定，從而有利于提高群落的生產(chǎn)力[25]。

3.2氣候變化對植物群落的影響

溫度作為影響植物生長的關(guān)鍵因子之一，其變化會影響植物的生長。增溫2℃使得植物物種數(shù)和植物蓋度有下降的趨勢，這與Bai[5]在青藏高原草甸的增溫試驗及Wang等[26]在高寒草原的增溫試驗結(jié)果一致，發(fā)現(xiàn)增溫使得物種豐富度下降。在增溫對生物量影響的研究中，李英年等[27]認(rèn)為長期增溫會導(dǎo)致草地生物量降低，試驗結(jié)果與之相反，可能是因為優(yōu)勢種的去除減少了對其他物種的競爭作用，而短期增溫促進(jìn)了植物的生長。優(yōu)勢種的去除加上溫度的共同作用使得群落多樣性也發(fā)生了改變，其中生態(tài)優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)顯著降低(P<0.05)，去除優(yōu)勢種使得其他物種獲得更多生長資源，分布逐漸均勻。

溫度變化常伴隨降雨的改變，降水可以改變植物對水分的利用情況，從而影響植物生長。試驗結(jié)果表明增加降雨量對植物群落并沒有顯著影響，而王長庭等[28]通過模擬降雨試驗研究發(fā)現(xiàn)在植物生長期間增加水量可增加群落物種多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)。但也有研究發(fā)現(xiàn)增加降雨能使優(yōu)勢種比例增加，從而導(dǎo)致群落物種均勻度下降[29]。研究結(jié)果中，增加降雨量使得植物生物量和蓋度有少量的增加，但并不明顯，而植物多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度及均勻度都沒有過大的改變。這可能與生長季內(nèi)降雨量的浮動或土壤類型、團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)不同有關(guān)系，這些因素影響植物對水分的利用，從而導(dǎo)致研究結(jié)果不一致。

關(guān)于溫度和水分的交互作用，有研究發(fā)現(xiàn)在限制性增溫和增雨條件下，可以增加植物生物量和平均高度[30]。在內(nèi)蒙古克氏針茅草原上增溫增雨試驗增加了植物群落的高度，但對群落的物種多樣性和均勻度指數(shù)均沒有顯著影響[14]。在此次試驗中，雙因素方差分析得出增溫增雨的交互作用只對植物生物量和物種均勻度有顯著影響，在兩者交互作用下植物生物量和高度有所增加，此結(jié)論與試驗結(jié)果相符。而試驗結(jié)果效果不顯著與去除優(yōu)勢種試驗只進(jìn)行2個月有關(guān)，需要今后試驗進(jìn)一步探討。試驗表明適當(dāng)增加溫度和降雨有助于植物生長和群落的溫度。

3.3綜合效應(yīng)

在青藏高原半干旱地區(qū)，增溫和降水量的增加將有利于該地區(qū)的植物生長，而草原植物作為當(dāng)?shù)貧夂蜷L期協(xié)同進(jìn)化的產(chǎn)物，由于不同植物或植物功能群對氣候變化的響應(yīng)不同，也導(dǎo)致群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變異[31]。有研究認(rèn)為去除優(yōu)勢種會導(dǎo)致其他物種間存在競爭作用，可能會影響植物的均勻分布[32]。綜合分析，本研究結(jié)果在去除高寒草甸上的優(yōu)勢植物后，首先為其他物種的生長提供了有益環(huán)境，其次在溫度和降雨的影響下，植物多樣性發(fā)生了改變，尤其是增加溫度處理作用顯著，減少了物種優(yōu)勢度。

4 結(jié)論

研究通過去除群落優(yōu)勢種紫花針茅，并結(jié)合氣候變化探討高寒針茅化草甸群落特征的變化。增溫顯著增加了物種多樣性指數(shù)，優(yōu)勢度指數(shù)和均勻度指數(shù)，增溫條件下植物高度有增加的趨勢。增雨和增溫增雨交互作用，則對植物群落無顯著影響。因此，在青藏高原草原中，由于其平均氣溫較低，溫度對植物生長的影響較大，升高溫度會對其生長產(chǎn)生積極影響。在相關(guān)性和回歸分析結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)隨著物種數(shù)增多植物蓋度，多樣性指數(shù)和物種優(yōu)勢度指數(shù)都呈上升趨勢，證明去除紫花針茅后其他物種的貢獻(xiàn)效應(yīng)較為明顯，增加植物多樣性有助于提高群落穩(wěn)定性。

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ResponseofAlpineStipapurpureaMeadowcommunitytocombinationincreaseoftemperatureandrainfallafterremovalofdominantspecies

SHI Ya-nan1,ZHONG Meng-ying1,LI Jing-jing1,SUO Nan-jia2, GA Zang-tai2,SHAO Xin-qing1

(1.CollegeofAnimalScienceandTechnology,ChinaAgriculturalUniversity,Beijing100093,China; 2.QinghaiGuinanCountygrasslandstation,Guinan813100,China)

Simulated experiment on climate changing was conducted in Haibei Prefecture,Qinghai Province,from June to August 2015.Effects of increase of air temperature (2℃) and precipitation (20%) on species diversity and community stability of Stipa purpurea was studied after removal of dominant species in the Alpine Meadow .The results showed that increase of air temperature and precipitation,and their interaction had no significant effect on plant height,coverage and aboveground biomass.Increase of air temperature significantly increased the diversity indices of Shannon-Wiener,uniformity indices of Simpson and dominance indices of Pielou.Increase of precipitation significantly increased the diversity indices of Shannon-Wiener,Simpson and Pielou.There was a positive correlation between coverage indices and plant species diversity,and between coverage indices and dominance indices.

dominate species removal;increase of precipitation;increase of air temperature;biomass;diversity

2017-04-25；

：2017-05-15

國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目(2016YFC0501902)資助

史雅楠(1992- )，女，山西沁源人，碩士研究生。 E-mail：shiyanan818@126.com 邵新慶為通訊作者。

S 812

：A

：1009-5500(2017)04-0054-07