吉使阿微， 趙文學， 肖 穎， 周青平,2， 田莉華,2*

(1.西南民族大學青藏高原研究院， 四川 成都 610041； 2.四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站，四川 成都 610041)

青藏高原分布有我國面積最大的高寒草地，也是全球生物多樣性保護的重點區(qū)域，對氣候變化響應十分敏感。高寒草甸是青藏高原主要的草地類型，總面積約8.2×107hm2，占青藏高原草地面積的50%[1-2]。氣候變暖將對全球生物多樣性產生重要影響，會顯著改變陸地生態(tài)系統(tǒng)的結構和功能[3-4]。近年來，青藏高原氣候變化呈變暖變濕趨勢，這將顯著影響高寒草甸的植被群落結構特征[5-6]。同時，植物葉片大小、比葉面積、葉氮和葉磷含量等性狀也會隨氣候變暖而產生一系列響應，進而影響高寒草甸不同植物的生存策略和競爭能力[7]。

在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)中，植物群落會通過自身調節(jié)來抵御環(huán)境增溫對其的影響[8]。植物群落的高度和生物量會隨著溫度升高而增加[9]，但增溫幅度過大會降低植物群落蓋度及地上生物量[10-13]。不同功能群物種對增溫的響應程度不同[14]。增溫顯著增加雜類草的蓋度，降低禾本科和莎草科植物的蓋度[5]。然而，也有研究發(fā)現(xiàn)增溫后禾本科和莎草科植物的生物量顯著增加[5]，而雜類草植物的生物量有所減少[15]。植物群落蓋度、高度、多樣性和生物量對增溫呈現(xiàn)出不同程度的響應，反映了植物群落中不同物種對空間資源的競爭及養(yǎng)分的獲取能力的差異[16-17]。

植物葉片性狀作為植物個體的關鍵性狀之一，能直觀指示植物對外界環(huán)境變化的響應和適應策略[18]。溫度對植物的生長發(fā)育具有十分重要的作用，而葉片性狀會隨著溫度變化而發(fā)生不同程度的改變[19]。研究發(fā)現(xiàn)，植物可通過調節(jié)葉片大小來適應環(huán)境變化[20-21]。在高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中，增溫后矮嵩草(Kobresiahumili)和風毛菊(AussureaJaponica)的葉長顯著增加，而藏嵩草(KobresiatibeticaMaxim)和高山嵩草(Kobresiapygmaea)的葉長呈降低趨勢[6]。溫度升高，植物葉面積會呈增加趨勢，進而以提高其光合作用和蒸騰速率。植物葉片較高的比葉面積可以增加其養(yǎng)分保持的能力，較低的比葉面積可以增強其對干旱和貧瘠環(huán)境的適應能力[22]。韓文軒等[23]研究發(fā)現(xiàn)，葉氮和葉磷含量隨著溫度升高而增加。然而，關于氣候變暖背景下，植物葉氮和葉磷含量的變化趨勢，尚無一致的結論[24-25]。

本文以位于青藏高原東緣的川西北高寒草甸為研究對象，采用被動式開頂箱(Passive open-top chamber,OTC)模擬增溫，研究短期增溫處理對高寒草甸植物群落結構以及7種常見物種葉片性狀的影響，以期揭示川西北高寒草甸植物群落和葉片性狀對增溫的響應規(guī)律。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究在四川若爾蓋高寒濕地生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站(102°58′E，32°83′N，3 504 m)開展。該地區(qū)屬大陸性高原寒溫帶半濕潤季風氣候，春秋短促、冬季漫長、無夏且植被生長季短。年均氣溫為1.5℃，年均降水量約為749 mm，且全年80%降雨集中在5—9月[15]。主要植被類型為高寒草甸，莎草科和禾本科植物為優(yōu)勢種，雜類草為伴生種，豆科植物較少。主要優(yōu)勢種為四川嵩草(KobresiasetschwanensisHand.-Mazz.)、無脈薹草(CarexenervisC. A. Mey.)和垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)，伴生種為蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)、藍玉簪龍膽(GentianaveitchiorumHemsl.)、小花草玉梅(AnemonerivularisBuch.-Ham. var. flore-minore Maxim.)和鵝絨委陵菜(PotentillaanserinaL.)等[26]。

1.2 試驗設計

在2018年5月初，選擇若爾蓋站內地勢平坦且植物群落較為均一的典型高寒草甸作為研究對象。在該試驗樣地內，采用被動式開頂箱(Passive open-top chamber,OTC)設置了增溫處理(W)，以不增溫處理作為對照(CK)。OTC采用聚碳酸酯板(透光率>95%)制作，頂部口徑尺寸為100 cm，底部口徑150 cm，高度48 cm。在本試驗開展的2021年生長季，樣地內的地表溫度為17.21℃，土壤表層(0～10 cm)溫度為10.09℃，土壤濕度為10.41%。增溫樣地內生長季地表溫度較對照樣地平均增溫幅度為(1.31±0.3)℃，土壤表層溫度平均升高了(0.55±0.2)℃[27]。每個小區(qū)面積為4 m2(2 m×2 m)，小區(qū)間間距2 m。采用隨機區(qū)組設計，增溫處理和對照分別設10個重復，共計20個試驗小區(qū)。

1.3 植被群落調查和分析

2021年8月，采用樣方法進行植物群落調查，在每個試驗小區(qū)，使用50 cm×50 cm的樣方框，記錄樣方內的物種名稱(精確到種)，測定群落總蓋度及各物種分蓋度；然后用直尺測量3～5植株的自然高度，計算得到植物群落的重要值、豐富度、均勻度和多樣性指數。

植物群落調查完成后，剪除地面全部植物，裝入信封袋，65℃烘干至恒重，得到地上生物量。在去除地上植物的樣方內，用內徑3.5 cm的土鉆分別在樣方的四角鉆取0～10 cm土芯，揀去石塊、雜物，用流水沖掉附著物過篩后得到根系，65℃下烘干至恒重，獲得地下生物量。

植物群落物種重要值IV、豐富度指數R、均勻度指數E、多樣性指數H的計算公式如下：

Patrick豐富度指數：R=S

式中，IV為重要值，rh為相對高度，rc為相對蓋度；R為豐富度指數；H為多樣性Shannon-Wiener指數；E為均勻度Pielou指數；i為樣方框內的植物物種；Pi為第i個物種的重要值;S為樣方框內的物種數。

1.4 葉片性狀采樣和測定

每個處理內分別選擇7個植物物種進行葉片性狀的測定，分別為禾本科(Poaceae)的垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)；莎草科(Cyperaceae)的四川嵩草(KobresiasetschwanensisHand.-Mazz.)和無脈薹草(CarexenervisC. A. Mey.)；以及其他科屬的蒲公英(TaraxacummongolicumHand.-Mazz.)、藍玉簪龍膽(GentianaveitchiorumHemsl.)、小花草玉梅(AnemonerivularisBuch.-Ham. var. flore-minore Maxim.)和鵝絨委陵菜(PotentillaanserinaL.)。每個試驗小區(qū)內分別選取7個物種的5～7株完成營養(yǎng)生長的植物，分別裝入保鮮袋冷藏保存，盡快帶回實驗室。

將植物樣品清洗干凈后，將葉片從葉柄摘下，使用掃描儀(Epson STD 4800Q)進行葉片圖像掃描，葉面積分析軟件(WinFOLIA Pro 2020)進行葉面積分析，得到葉寬、葉長、葉周長、葉面積和長寬比，掃描完成后放入信封袋，65℃烘干至恒重，測定干重，計算比葉面積(Specific leaf area，SLA)。將烘干后的葉片樣品研磨后過2 mm篩，采用凱氏定氮法測定葉片氮含量，鉬銻抗比色法測定葉片磷含量，然后計算葉片氮磷比(N∶P)。

比葉面積(SLA)計算公式如下：

SLA(cm2·g-1)=La/Ld

式中，La為葉面積(cm2)，Ld為葉片干重(g)。

1.5 統(tǒng)計分析

采用T檢驗分析增溫處理與對照的植物群落特征和葉屬性的差異性。雙因素方差分析增溫、物種及其交互作用對葉屬性的影響。統(tǒng)計分析采用SPSS 26.0軟件(SPSS Inc.,Chicago,Illinois,USA)進行，采用OinginLab 2021進行圖形繪制。

2 結果與分析

2.1 增溫對高寒草甸植物群落結構和生物量的影響

與對照相比，增溫處理后豐富度指數顯著降低了25.45%(P<0.05)，而群落高度、蓋度、多樣性指數和均勻度指數均同對照無顯著差異(表1)。增溫處理后，植被地上生物量和地下生物量有增加趨勢，但尚未達到統(tǒng)計顯著水平。

表1 增溫對高寒草甸植物群落特征的影響Table 1 Warming effects on plant community characteristics in alpine meadow

2.2 增溫對高寒草甸植物功能群的影響

增溫處理后，禾本科植物的蓋度和重要值均較對照組分別顯著增加了329.56%和119.20%(P<0.05)。增溫處理下，莎草科和雜類草兩個功能群植物的高度、蓋度和重要值與對照均無顯著差異(表2)。雙因素分析結果表明，功能群和增溫對植物蓋度和重要值均無顯著影響，但二者的交互作用會顯著影響植物蓋度和重要值(P<0.05)(表3)。

表2 增溫對植物功能群特征的影響Table 2 Warming effects on plant functional groups characteristics

表3 功能群與增溫對植物群落特征影響的雙因素分析Table 3 Two-way analysis of variance (ANOVA) on the effects of functional groups and warming on the vegetation characteristics

2.3 增溫處理對高寒草甸常見植物葉片性狀的影響

如圖1所示，與對照相比，小花草玉梅和鵝絨委陵菜的葉長分別顯著增加25.20%和28.10%(P<0.05)；蒲公英和鵝絨委陵菜的葉寬分別顯著增加47.30%和44.82%；蒲公英、鵝絨委陵菜的長寬比分別顯著增加26.70%和11.62%；鵝絨委陵菜的葉面積顯著增加了48.40%(P<0.05)。增溫后垂穗披堿草、蒲公英、小花草玉梅和鵝絨委陵菜的葉面積較對照分別顯著增加了36.83%，45.14%，30.55%和47.92%；垂穗披堿草、四川嵩草、藍玉簪龍膽、小花草玉梅和鵝絨委陵菜的比葉面積較對照分別顯著增加38.83%，50.20%，11.30%，26.80%和32.14%(P<0.05)。與對照相比，增溫處理后的小花草玉梅的長寬比顯著降低了21.88%(P<0.05)；垂穗披堿草、四川嵩草和無脈薹草的葉長、葉寬、長寬比和葉面積在增溫后變化不顯著；無脈薹草和蒲公英的比葉面積在增溫處理后亦無顯著變化。

圖1 試驗樣地的設置和增溫裝置圖Fig.1 Diagram of the experimental design and passive open-top chamber (OTC)

增溫處理后，垂穗披堿草和無脈薹草的葉氮含量較對照顯著增加了13.72%和17.21%；蒲公英和藍玉簪龍膽葉磷含量較對照均顯著增加了88.63%和94.82%；垂穗披堿草、無脈薹草和鵝絨委陵菜的N∶P較對照亦顯著增加(P<0.05)(圖2)。增溫處理后，四川嵩草、蒲公英、藍玉簪龍膽、小花草玉梅和鵝絨委陵菜葉氮含量同對照差異不顯著；無脈薹草、小花草玉梅和鵝絨委陵菜的葉磷含量同對照無顯著差異；四川嵩草和鵝絨委陵菜的N∶P同對照亦無顯著差異。與對照相比，增溫處理后的垂穗披堿草和四川嵩草的葉磷含量較對照顯著降低59.40%和33.70%；增溫處理后的蒲公英和藍玉簪龍膽的N∶P較對照顯著降低(P<0.05)(圖2)。

圖2 不同植物葉片性狀對增溫的響應Fig.2 The responses of different plant leaf traits to experimental warmimg注：A,垂穗披堿草Elymus nutans；B,四川嵩草Kobresia setchwanensis；C,無脈薹草Carex evervis；D,蒲公英Taraxacum mongolicum；E,藍玉簪龍膽Gentiana veitchiorum；F,小花草玉梅Anemone rivularis；G,鵝絨委陵菜Potentilla anserina。圖中的誤差線表示均值±標準誤。下同Note：A, Elymus nutans;B,Kobresia setchwanensis;C, Carex evervis;D, Taraxacum mongolicum;E,Gentiana veitchiorum;F,Anemone rivularis;G, Potentilla anserina. Mean±SE is shown in error bars. The same as below

雙因素分析發(fā)現(xiàn)，物種對葉寬、葉長、長寬比、周長、葉面積、比葉面積、葉氮含量、葉磷含量和N∶P的影響達到顯著水平，增溫對葉寬、葉長、周長、葉面積和比葉面積亦有顯著影響(P<0.05)，對長寬比和葉氮、葉磷和N∶P則無顯著影響。物種與增溫處理的交互作用對葉片長寬比、葉面積、葉磷和N∶P影響顯著(P<0.05)，對葉寬、葉長、周長、比葉面積和葉磷含量則無顯著影響(表4)。

圖3 增溫對葉氮含量、磷含量和氮磷比的影響Fig.3 Effects of experimental warming on leaf nitrogen content,leaf phosphorus content and leaf nitrogen phosphorus ratio

表4 物種與增溫對植物葉片性狀影響的雙因素分析Table 4 Two-way variance analysis of the species and warming on plant leaf traits

3 討論

3.1 增溫對植物群落結構和生物量的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，增溫處理顯著降低了植物群落豐富度指數，物種多樣性指數和均勻度指數亦呈降低趨勢，而植物群落高度、蓋度、地上和地下生物量呈增加趨勢。短期增溫可以降低高寒草甸物種豐富度指數，長期增溫更有利于優(yōu)勢物種的生長，但對群落的蓋度、物種多樣性指數和群落的組成的影響不明顯[9,17,28]。本研究發(fā)現(xiàn)，增溫后禾本科植物群落的蓋度和重要值顯著增加，而莎草科和雜類草植物的蓋度和重要值呈下降趨勢，表明增溫對不同功能群物種的影響存在顯著差異。在云頂山亞高山草甸開展的研究亦發(fā)現(xiàn)增溫處理下禾本科植物的重要值呈增加趨勢[29]，說明短期增溫有利于禾本科植物的生長[19]，這與本研究的結果一致。增溫普遍提高了禾本科植物的蓋度，說明禾本科植物對增溫更加敏感，在短時間氣候變暖環(huán)境條件下可以更占優(yōu)勢[30-31]。

禾本科植物對暖干氣候有較強的耐受性，增溫處理下禾本科牧草具有更好的適應性[32]。增溫后地表蒸散增高，禾本科植物的光合速率和分蘗能力增強，進而導致其蓋度和優(yōu)勢度增加[33]。與禾本科植物相比，嵩草是高寒草甸中占有明顯優(yōu)勢的莎草科植物，其根系主要分布在土壤表層，干熱環(huán)境不利于其生長[17]。前人研究發(fā)現(xiàn)，增溫對高寒草甸生物量的影響主要受水分條件的限制[34]。在濕潤和半濕潤區(qū)的草地生態(tài)系統(tǒng)中，增溫可顯著提高植物生物量；反之，在干旱的草地生態(tài)系統(tǒng)中，增溫將加劇植物生長的水分限制，進而顯著降低植物生物量[35-36]。本研究所處的川西北高寒草甸受高原寒溫帶半濕潤季風氣候調控，水分條件不是草地植物生長的限制因子，因而增溫后植被地上、地下生物量均呈增加趨勢。

3.2 增溫對高寒草甸常見植物葉片性狀的影響

在高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)，土壤可利用性氮、磷含量是草地植被生長的限制因子。溫度是調控植物生長和發(fā)育的重要環(huán)境因子，植物葉片對溫度變化的響應極為敏感[37]。對比高寒草甸7種植物葉片對增溫的響應，發(fā)現(xiàn)植物葉片性狀對增溫的響應存在明顯種間差異[38]。增溫后禾本科及莎草科植物葉片大小整體呈增加趨勢，而雜類草的葉片大小無一致的響應趨勢。本研究中，增溫增加了垂穗披堿草、四川嵩草、無脈薹草、藍玉簪龍膽、小花草玉梅和鵝絨委陵菜的比葉面積。前人研究亦表明，植物比葉面積會隨著溫度升高而逐漸增大[39]，較高的比葉面積利于提高光合速率[40]，進而適應增溫環(huán)境。雙因素分析發(fā)現(xiàn)，增溫對植物葉寬、葉長、周長、比葉面積有顯著影響；物種和增溫處理的交互作用對長寬比、葉磷含量、N∶P影響顯著，這說明增溫和物種均會對植物葉片性狀產生顯著影響。

植物葉片N∶P的大小可以指示植物生長的氮磷限制因子[41]。增溫后，垂穗披堿草、無脈薹草、藍玉簪龍膽和小花草玉梅葉片N∶P顯著升高，而蒲公英和藍玉簪龍膽葉片N∶P顯著降低，這表明增溫可能會增加垂穗披堿草、無脈薹草和小花草玉梅生長的磷限制，而增加蒲公英和藍玉簪龍膽生長的氮限制。本研究的植物普遍受到了單一資源磷的強烈限制，而增溫加劇了這些物種的磷限制，導致了群落物種豐富度減少，符合“資源平衡假說”[42]。整體而言，同一生境的不同植物葉屬性對增溫處理表現(xiàn)出了不同的響應[24]，證實了植物通過改變葉片性狀來適應環(huán)境的規(guī)律[43]。

4 結論

增溫顯著降低了高寒草甸植物群落豐富度指數，顯著增加了禾本科植物的蓋度和重要值，但未顯著改變其群落高度、蓋度、多樣性指數和均勻度指數。增溫后，高寒草甸7種常見植物的葉寬、葉長和葉周長和比葉面積總體呈增加趨勢，而葉片長寬比無顯著變化。增溫導致植物的葉磷含量呈降低趨勢，而葉氮含量和氮磷比對增溫的響應則因物種而異，表明高寒草甸植物對短期增溫表現(xiàn)出了不同的適應策略。