葛怡情 ，王學(xué)霞，閆玉龍，干珠扎布，胡國錚，王子欣，李巖， 水宏偉，楊劼，高清竹*

1. 內(nèi)蒙古大學(xué)生態(tài)與環(huán)境學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展研究所，北京 100081； 3. 北京農(nóng)林科學(xué)院，北京 100081；4. 安徽師范大學(xué)地理與旅游學(xué)院，安徽 蕪湖 241000

IPCC 第五次評估報(bào)告結(jié)果表明，由于溫室氣體排放量增加導(dǎo)致的氣候變暖問題日益嚴(yán)重，尤其是高緯度和高海拔地區(qū)更為明顯（Pachauri et al.，2014）。隨著工業(yè)化水平的提高、含氮肥料的大量生產(chǎn)和使用，導(dǎo)致了排向大氣中的含氮化合物激增（Liu et al.，2016），中國已經(jīng)成為繼歐洲、美國之后的世界第三大氣氮沉降集中區(qū)（顧雪峰等，2016）。青藏高原是中國重要的生態(tài)安全屏障和戰(zhàn)略資源儲備基地（楊元合，2018），因其海拔高度平均在4 000 m 以上，生態(tài)系統(tǒng)脆弱性顯著。目前青藏高原溫度升高趨勢明顯（Gao et al.，2013），自1960 年以來，該區(qū)域溫度每10 年增加0.2 ℃（Chen et al.，2013），預(yù)計(jì)到2049 年，溫度將升高1.5 ℃，到2099 年時(shí)，溫度將增加2.9 ℃（Liu et al.，2009）。同時(shí)由于南亞地區(qū)工業(yè)和交通排放的活性氮，加上印度季風(fēng)的傳輸，使得青藏高原的氮沉降量逐年增加（Liu et al.，2013；Pei et al.，2009）。

溫度升高一方面通過影響光合、呼吸等生理過程來影響植被的生長發(fā)育，另一方面通過影響土壤水分含量來改變其生長及生物量的分配，從而改變植被群落特征（Yang et al.，2011；Melillo，2002；Ganjurjav et al.，2016）。在青藏高原東北部增溫實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，短期增溫使高海拔地區(qū)物種多樣性急劇下降（Klein et al.，2004），由于高寒地區(qū)植物生長高度較低，凋落物分解的緩慢與積累，抵擋了到達(dá)植物的光合輻射，從而抑制植物的生長，減少物種多樣性。氮素是限制陸地生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要元素之一（Gross et al.，1998；Tilman，1993），研究表明，不同功能群植物應(yīng)對外源氮輸入的響應(yīng)也不同（Bai et al.，2010）。氮添加使禾本科植物生物量顯著增加，而雜類草和豆科植物的生物量卻隨著氮添加水平的增加而減少，群落的物種豐富度顯著降低（張杰琦等，2010）。交互作用下植被高度、生物量均顯著高于對照處理，并表明交互作用有助于植物生長；增溫處理下，植物物種多樣性增加，土壤濕度降低（郭紅玉等，2015）。溫度升高在一定程度上能滿足植物對熱量的需求（Harte et al.，1995；周興民等，2000），有利于植物的生長發(fā)育。而氮添加主要有銨態(tài)氮、硝態(tài)氮兩種形式，研究發(fā)現(xiàn)，這兩種氮素均能夠促進(jìn)植物生長（周國英等，2004），因此認(rèn)為其交互作用有利于植物生長（宗寧等，2014）。而在內(nèi)蒙古荒漠草原的研究中發(fā)現(xiàn)，對于植物的蓋度，增溫呈負(fù)效應(yīng)，增氮呈正效應(yīng)，兩者交互作用相互抵消，所以交互作用對于其蓋度無顯著影響（李元恒，2014）。

基于前人對于青藏高原草地生態(tài)系統(tǒng)的研究，發(fā)現(xiàn)溫度升高與氮沉降量的增加，使土壤含水量及養(yǎng)分含量發(fā)生變化，溫度升高，土壤含水量會下降，氮素增加，有時(shí)會超過植物群落生產(chǎn)的飽和閾值，進(jìn)而發(fā)揮不了它應(yīng)有的效果；也有因?yàn)榈氐妮斎?，促進(jìn)了礦化作用，為植被生長提供更多的氮素需求。為了解在未來溫度升高、氮沉降增加的趨勢下，高寒草甸植物群落結(jié)構(gòu)與多樣性的變化趨勢，本研究選取西藏自治區(qū)那曲市典型高寒草甸進(jìn)行增溫增氮實(shí)驗(yàn)，探討增溫和氮沉降對高寒草甸生產(chǎn)力、物種多樣性的影響，有助于明確未來增溫與氮沉降對高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)功能與結(jié)構(gòu)的變化。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗(yàn)區(qū)位于藏北地區(qū)那曲市那曲鎮(zhèn)（31.441°N，92.017°E），海拔4 500 m 左右，位于唐古拉山脈、念青唐古拉山脈和岡底斯山脈之間。氣候?qū)儆诘湫偷膩喓畮夂?。該地區(qū)雨熱同季，月平均溫度在5-9 月高于0 ℃，其中90%以上的降水集中在該時(shí)段。樣地主要以小嵩草（Kobresia pygmaea）和青藏苔草（Carex moorcroftii）為建群種；早熟禾（Poapratensis）為主要的禾本科植物；主要的雜草包括釘柱委陵菜（Potentilla saundersiana）、紫花棘豆（Oxytropis subfalcata）等。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 樣地設(shè)置

樣地內(nèi)共設(shè)4 個處理，對照（CK）、增氮（N，40 kg·hm-2·a-1）、增溫（W）、增溫+增氮（WN），每個處理4 個重復(fù)，共16 個小區(qū)，每個樣方大小為2 m×2 m，相鄰樣方之間設(shè)置2 m 的緩沖隔離帶。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)處理方法

（1）對照（CK）：自然樣地，4 個實(shí)驗(yàn)小區(qū)，大小為2 m×2 m，相鄰樣方之間設(shè)置2 m 的緩沖隔離帶。

（2）增溫（W）：2014 年5 月采用開頂式生長室（open top chamber，OTC）模擬增溫。

（3）增氮（N）：氮素添加劑量參照中國氮沉降分布的格局（張杰琦等，2010），西藏地區(qū)的干濕沉降率為7 kg·hm-2·a-1，所以本試驗(yàn)添加濃度是模擬自然沉降量的6 倍，到2050 年的沉降量約為40 kg·hm-2·a-1。使用NH4NO3模擬大氣氮沉降，于2014 年5 月開始，在每年的5、6、7、8 月中旬以溶液的形式給樣地噴灑，將26 gNH4NO3溶解在5 L水中，均勻噴灑在樣地中，然后再用5 L 清水沖洗殘留在葉片上的氮素，此外對照與增溫處理噴施同樣劑量的水以避免外加的水造成的影響（每年每個小區(qū)總用水量40 L，相當(dāng)于年降雨量的1%（閆玉龍，2019）。

（4）增溫+增氮（WN）：在增溫的基礎(chǔ)上，加入增氮處理。

1.3 測定項(xiàng)目與方法

1.3.1 生物量測定

地上植物按其功能群分為禾本科（Gramineae）、莎草科（Cyperaceae）、豆科（Leguminous）、雜類草（Forbs）。采用無損測量法測定每個樣方的地上生物量（Yan et al.，2018）。于2017-2018 年每年8 月中旬植被生長季盛期，在每個小區(qū)內(nèi)選取0.5 m×0.5 m 的樣方，調(diào)查不同植物功能群種類組成、高度和蓋度等。在試驗(yàn)樣地外選取20 個相同規(guī)格的校正樣方，調(diào)查功能群植物種類組成、高度和蓋度等，齊地面收集地上植物，分功能群裝入信封中，帶回實(shí)驗(yàn)室，置于105 ℃烘箱中殺青0.5 h，65 ℃下烘干至恒重，測定干重。建立校正樣方中每種功能群植物高度、蓋度以及生物量回歸方程，利用該方程計(jì)算各小區(qū)中每種功能群植物的生物量。

1.3.2 土壤溫度與土壤含水量測定

試驗(yàn)期間，用EM 50 數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)（Decagon Devices，Inc.，NE，USA）記錄樣方地下5 cm 土壤溫度和土壤含水量數(shù)據(jù)，每隔30 min 記錄1 次數(shù)據(jù)。

1.3.3 數(shù)據(jù)計(jì)算

在測定群落高度和蓋度之后，用某種植物高度與群落中所有植物高度之和的比值代表該種植物的相對高度，用某種植物分蓋度與群落中所有植物分蓋度之和的比值代表該物種相對蓋度。用每種植物相對高度和相對蓋度計(jì)算其重要值（Importance value，IV），并通過IV 計(jì)算物種多樣性（Yan et al.，2018）。物種多樣性采用Shannon-Weiner 指數(shù)（H）、Simpson 指數(shù)（D）和E. Pielou 均勻度指數(shù)（J）表示（干珠扎布等，2015），計(jì)算公式如下：

Shannon-Weiner 指數(shù)（H）：

Simpson 指數(shù)（D）：

E. Pielou 均勻度指數(shù)（J）：

式中，IV 為重要值；S 為0.5 cm×0.5 的樣方內(nèi)出現(xiàn)的物種數(shù)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

高寒草甸地上生物量、功能群生物量、物種豐富度、物種多樣性指數(shù)在增溫、增氮處理間的差異采用三因素方差分析。采用回歸分析方法對生物量、物種豐富度和土壤溫度、土壤含水量進(jìn)行相關(guān)性分析。統(tǒng)計(jì)分析均于SPSS 24.0（SPSS.Chicago，USA）中實(shí)現(xiàn)，統(tǒng)計(jì)圖形在Excel 2010 中繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 增溫增氮對土壤溫度和土壤含水量的影響

土壤地下5 cm 溫度與含水量有明顯的年際變化，W、WN 處理下，土壤溫度均顯著增加，土壤含水量均顯著下降（P＜0.05）。2017 年，W、WN處理土壤溫度分別增加0.46 ℃和0.53 ℃，2018 年W、WN 處理土壤溫度分別增加0.81 ℃和0.88 ℃；2017 年，W、WN 處理土壤含水量分別下降7.02%和6.74%，2018 年，W、WN 處理土壤含水量分別下降6.90%和5.97%（表1）。

2.2 增溫增氮對各功能群地上生物量的影響

高寒草甸生物量存在顯著的年際變化（圖1），CK 樣地從2017 年的40.76 g·m-2上升至2018 年的65.56 g·m-2。相比于2017 年，2018 年N 處理下生物量增加25.3%，總生物量升高17.9%。在不同處理間，N、W、WN 處理均顯著高于CK（P＜0.05）。除總生物量呈年際變化外，各功能群的生物量也有顯著的年際變化。2017 年W 處理下莎草科、禾本科、雜類草的生物量均顯著增加，2018 年莎草科生物量在N 處理下生物量顯著增加，豆科的生物量在2017 年和2018 年的WN 處理下均顯著增加，分別增加了15.06 g·m-2和50.54 g·m-2。相關(guān)分析表明，豆科生物量與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)（P=0.043，R2=0.1497），即土壤含水量下降，高寒草甸豆科生物量增加。

圖1 增溫增氮對各功能群生物量及總生物量的影響 Fig. 1 Effects of warming and nitrogen addition on biomass and total biomass of functional groups

表1 增溫增氮對土壤溫度和土壤含水量的影響 Table 1 Effects of warming and nitrogen addition on soil temperature and soil water content

對不同處理?xiàng)l件下藏北高寒草甸生物量進(jìn)行顯著性分析（表2），發(fā)現(xiàn)生物量在年際間、增溫、增氮、增溫與增氮的交互作用均有顯著性差異（P＜0.05）；而年與增溫、年與增氮、年與增溫增氮間均無明顯的交互影響（P＞0.05）。

表2 不同處理下高寒草甸生物量年際變化顯著性 Table 2 Significance of internal variation of alpine meadow biomass under different treatments

2.3 增溫增氮對群落高度和蓋度的影響

各處理對藏北高寒草甸各功能群的高度和蓋度具有明顯的影響（圖2），2017 年和2018 年在W 處理下禾本科高度均顯著增加，增幅分別為55%和54%。W、N 處理下雜類草的高度顯著增加，2017年W、N 處理高度增幅為112%和106%；2018 年增幅為101%和131%。2018 年WN 處理下豆科高度顯著增加，增幅分達(dá)270%。2017 年和2018 年莎草科植物蓋度在N 處理下均顯著增加，增幅分別達(dá)到148%和138%；豆科植物蓋度在WN 處理下顯著增加，增幅分別達(dá)366%和617%。2017 年雜類草的蓋度在N 處理下蓋度顯著增加，增幅為61.4%（P＜0.05）。

2.4 增溫增氮對物種多樣性的影響

藏北高寒草甸物種多樣性對不同處理的反應(yīng)不同。 2017 年各處理對 Simpson 指數(shù)、Shannon-weiner 指數(shù)、E. pielou 均勻度指數(shù)均無顯著影響。2018 年WN 處理下Simpson 指數(shù)顯著降低（P＜0.05）。2018 年N 處理使莎草科植物物種豐富度顯著增加（P＜0.05），WN 處理下莎草科植物物種豐富度顯著減少，減少66%（表3）。相關(guān)分析表明，Shannon- weiner 指數(shù)（P=0.025）、Simpson指數(shù)（P=0.040）、E. pielou 均勻度指數(shù)（P=0.020）均與莎草科蓋度呈顯著負(fù)相關(guān)（表4）。

3 討論

圖2 模擬增溫增氮對群落高度和蓋度的影響 Fig. 2 Effects of warming and nitrogen addition on height and cover

表3 增溫增氮對物種多樣性的影響 Table 3 Effects of warming and nitrogen addition on species diversity

表4 物種多樣性指數(shù)與莎草科蓋度相關(guān)性分析 Table 4 Analysis of correlation between species diversity and cyperaceous cover

由于青藏高原處于長期低溫環(huán)境，土壤有機(jī)質(zhì)礦化速率較慢，使植物和微生物都長期處于貧氮的土壤環(huán)境中。有研究認(rèn)為，大尺度的氮素輸入會使生物量顯著增加（Lebauer et al.，2008），在植物群落中，有些物種對氮素有明顯的偏好，土壤中氮素含量的增加，會明顯增加其優(yōu)勢度，加強(qiáng)其對其他物種的競爭力，從而導(dǎo)致群落特征發(fā)生變化。草地的物種組成也會使植物的生物量發(fā)生改變，由于對有效資源的競爭排斥，尤其是光照、空間、土壤資源的競爭而引起的物種組成的變化，使其生物量發(fā)生變化。不同功能群植物的群落特征對氮沉降的反應(yīng)也不盡相同。本研究發(fā)現(xiàn)，氮沉降使總地上生物量、莎草科植物的蓋度和地上生物量顯著增加，這與許慶民等（2017）和龐曉瑜等（2006）研究結(jié)果一致，而沈振西等（2002）研究發(fā)現(xiàn)在未來氮沉降的情況下，莎草科植物生物量將會保持較穩(wěn)定的狀態(tài)。在交互作用中因增溫導(dǎo)致土壤水分含量下降，對莎草科植物的蓋度、高度和生物量均無顯著影響，但莎草科物種豐富度顯著減少66%（P＜0.05），而氮沉降使莎草科植物物種豐富度顯著增加。相關(guān)性分析表明，莎草科植物物種豐富度與土壤含水量呈顯著正相關(guān)（王長庭等，2017），由此可知，土壤含水量是控制莎草科植物物種豐富度關(guān)鍵因素。研究發(fā)現(xiàn)增氮處理使雜草的高度顯著增加，對其他群落特征無顯著影響，由于氮沉降解除了氮素的營養(yǎng)限制，地上生物量顯著提高，同時(shí)由于氮素的輸入導(dǎo)致資源供應(yīng)的不對稱，改變地上地下的競爭，引起植物組成的變化（Wu et al.，2011）。

溫度升高會顯著增加土壤的溫度及改變其他控制植物生長和微生物活性的因素。溫度升高使群落總生物量和禾本科生物量顯著增加，對其他功能群生物量無顯著影響，低溫是限制高寒草甸植物生長的關(guān)鍵因素，溫度的升高能夠促進(jìn)高寒草甸植物的生長和生物量的積累以及群落物種多樣性的增加（姜炎彬等，2017）。藏北高原的年平均溫度僅為-1.16 ℃。植物所處的環(huán)境遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其生長的最適溫度。本研究發(fā)現(xiàn)，增溫能夠顯著增加禾草和雜草的高度，而對于其他功能群的高度無顯著影響，同時(shí)能夠增加莎草科植物蓋度，相關(guān)分析表明，莎草科蓋度與土壤含水量呈顯著正相關(guān)，即在藏北高寒草甸，土壤含水量增加，莎草科蓋度增加，增溫改變了OTC 內(nèi)的微氣候，空氣溫度、土壤溫度、土壤水分、微生物活性都發(fā)生了相應(yīng)的變化，所以植物的生長也會變化。群落的高度與蓋度反映的是群落對于空間資源的利用，特別是光資源的競爭，Alward（1999）研究結(jié)果也表明，在全球變暖的大背景下，總有一些物種對于溫度變化較不敏感，從而引起種間變化，改變植物種組成。增溫與增氮處理，對豆科植物均無顯著影響，而在交互作用中，豆科植物的高度、蓋度和生物量都顯著增加，且相關(guān)分析表明，豆科生物量與土壤含水量呈顯著負(fù)相關(guān)，即在高寒草甸，土壤含水量下降，豆科生物量增加。

物種多樣性能夠促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使整個草地生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定健康發(fā)展，本研究發(fā)現(xiàn)在未來增溫、氮沉降增加的趨勢下，物種多樣性呈降低趨勢。由于OTC 內(nèi)溫度升高，空氣流動性減弱，植物的蒸騰作用增強(qiáng)，植物的生理過程發(fā)生改變，同時(shí)由于溫度的升高，土壤氮礦化速率增加，加上氮沉降的增加，導(dǎo)致氮素可利用性增加，由于不同的植物對于資源競爭力的不同，植物本身應(yīng)對環(huán)境變化的生理過程不同，從而對各物種的生長狀況的影響也不盡相同。

4 結(jié)論

增氮處理使地上總生物量顯著增加，顯著提高雜類草的高度和莎草科植物的蓋度以及莎草科植物的物種豐富度；增溫能夠顯著提高禾草和雜草的高度；增溫增氮處理顯著提高豆科植物的高度、蓋度和地上生物量、降低莎草科植物的物種豐富度，并使Simpson 多樣性指數(shù)顯著下降7.4%。綜合分析，高寒草甸在未來增溫、氮沉降增加趨勢下，總生物量呈增加趨勢，其中豆科植物生物量顯著增加，物種多樣性降低，莎草科物種豐富度顯著下降。由此說明，氮沉降的增加解除了氮素的營養(yǎng)限制，溫度的升高解除了植物生長的溫度限制，這兩者共同促進(jìn)高寒草甸植物的生長和生物量的積累。溫度升高、氮沉降增加，使植物生長可利用資源增加，由于植物對水分、氮素和光的競爭，以及對環(huán)境變化的敏感度不同，導(dǎo)致物種多樣性降低。