高寒草甸对植物多样性短期丧失的响应

田红，李文金，张玉珍

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州　730070；2.兰州大学生命科学学院草地农业生态系统

国家重点实验室，甘肃 兰州　730000)



高寒草甸对植物多样性短期丧失的响应

田红1，李文金2，张玉珍1

(1.甘肃农业大学林学院，甘肃 兰州730070；2.兰州大学生命科学学院草地农业生态系统

国家重点实验室，甘肃 兰州730000)

摘要：采用人工剔除高寒草甸不同植物功能群模拟植物多样性丧失，添加氮肥模拟氮沉降，研究不同植物功能群丧失和氮沉降对高寒草甸植物和土壤群落结构和功能的影响.结果表明:随着植物多样性的丧失，植物生物量、物种丰富度及植被盖度都显著降低(P<0.05)，土壤线虫数量也随之大幅减少，细菌多样性有明显差别.其中土壤线虫数量与植物生物量呈显著正相关(P<0.05)，与土壤硝态氮和土壤有机碳呈显著负相关(P<0.05).土壤氨态氮与植物生物量、物种丰富度及植被盖度呈显著正相关(P<0.05).

关键词：高寒草甸；去除实验；土壤线虫；植物多样性

甘南地区位于甘肃省南部，属青藏高原东部边缘地带，该区牧草茂密，植被覆盖度高，是甘肃省天然草场中耐放牧性最强的草场.甘南气候属典型的高原大陆性气候，高寒阴湿，可利用草地面积249.50×104hm，占总草地面积的95.86%[1].草地类型有高寒草甸、山地草甸、高寒草原、温性草原、高寒荒漠、低地草甸等[2].

生物多样性和生态系统功能关系的研究是生态学研究的热点之一.当植物多样性急剧下降时,草地稳定性和生产力也急剧下降.生物多样性的下降将导致土壤氮水平、水分利用和病虫害等生态过程的不稳定[3].同样，植物多样性的丧失会引起土壤生物区系结构和功能的改变.由于地上生态系统与地下生态系统是不可分割的整体[8]，所以研究植物多样性丧失对生态系统的影响，不仅要研究植物多样性丧失对地上植物群落结构功能的影响，还应研究植物多样性丧失对地下生态系统的影响.然而，多年来很多研究仅关注地上生态系统的研究，而忽略地下生态系统.土壤微生物和土壤动物是响应干扰和环境变化最敏感的指标之一.在土壤中土壤线虫是仅次于昆虫的第2大类动物，是土壤生态系统的重要功能组分[6-7].土壤线虫对土壤各阶段的生态过程反应灵敏，在有机质分解、养分矿化等生态过程中起着关键作用[11]，可以评价土壤环境压力及生态过程的变化[9-10]，综合分析植物多样性丧失对土壤的影响.目前，线虫的分离方法主要有贝曼漏斗法、蔗糖离心法、漂浮-过筛法、半自动淘洗器法等[12].国际通用的常规分离土壤线虫的方法是蔗糖离心法，该方法较贝曼漏斗等方法能从土壤中分离出更多的线虫，是若干方法中最为快速、有效的一种[4-5].

本试验拟以物种丰富的高寒草甸为研究对象，通过去除不同的植物功能群，以植物生物量、物种丰富度以及植被盖度作为衡量地上植物群落结构的指标，研究高寒草甸植物群落对短期植物多样性丧失的响应；比较不同植物功能群丧失对土壤理化性质(养分、水分)的影响和对土壤线虫与细菌多样性的影响，以及植物功能群丧失后各指标的相关性，以期阐明植物多样性丧失对生态系统功能的影响，为生物多样性保护和退化草地的恢复提供理论基础.

1材料和方法

1.1研究区概况

试验区位于青藏高原东部地区(甘肃省合作市市郊)，地理位置N 34°58′～35°02′，E 102°53′～102°55′，海拔2 900～3 000 m左右；气候条件为寒温湿润的高原气候，年平均降水量约为540 mm，其中大约85%的降水集中在6～9月之间，年平均温度是2.4 ℃，从1月的-9.9 ℃到7月的12.8 ℃，最冷月是12月和来年1～2月，其平均温度是-8.9 ℃；最热月是6～8月，其平均温度是11.5 ℃.土壤类型为亚高寒草甸土，其质地是含有砾石的沙壤土、微碱性[13].

地带性植被类型为线叶嵩草(Kobresiacapillifolia)+禾草类+杂类草群系[14].样地群落是以莎草科(Cyperaceae)的嵩草属(Kobresia)、禾本科(Gramineae)的早熟禾属(Poa)的一些种和菊科(Compositae)的蒿属(Artemisia)、风毛菊(Saussurea)等若干属和毛茛科(Ranunculaceae)的银莲花属(Anemone)一些种为优势种并伴以其它杂草组成.从植物区系群成和水热特征来看,这里应属典型的高寒草甸[17-19].

1.2试验设计

1.2.1样方布设试验选择在青藏高原东部高寒草甸合作野外定位研究站的天然草甸进行.在试验区随机布设0.5 m×0.5 m的60个固定样方，样方间的间距为1 m，布设时，选择所有的样方尽可能的保持一致的群落组成.完成布设后，在每个样方边缘取0～10 cm表层土，带回实验室进行基础土壤理化性质的测定；另外，由于高寒草甸大多数植物具有克隆繁殖能力，因此在所有样方边缘外使用铁铲挖一个25 cm宽的小槽，以减小样方外植物克隆繁殖的影响.设置好样方后，取土壤测定基质养分.

1.2.2样方的试验设计采用5×2交互因素设计，4个处理和1个对照，即：去除豆科(remove leguminosae，RL)、去除禾本科(remove Gramineae，RG)和去除杂类草植物(remove forb，RF))以及去除全部植物(remove all plant，RAP)，1个对照，即不干扰的天然草甸(natural meadow，NM)；再将5个处理分别进行施肥与不施肥处理，施肥为1，不施肥为0；10个处理的每一个处理重复6次，共60个样方.

1.2.3样方处理去除处理：根据上述设计采用去除实验常用的除草剂：草甘膦(Round-up glyphosate)进行去除处理.每年的5月，用小刷子谨慎的涂刷草甘膦到所要去除的目标功能群/种的叶子和茎上，每隔4～7 d检查所要去除的植物是否变黄，对没有变黄的植物再次涂刷草甘膦，直到这些植物叶子和茎全部变黄，之后齐地表剪掉.样方处理是在2013年5月，同年8月进行数据测定，计划在随后的5～8 a内每年的5月重复上述去除工作.

施肥处理：每年去除处理完成之后，11个不同处理进行施肥处理、不施肥处理，对于施肥处理的样方施N肥量为5.0 g/m2.

1.3测定指标和方法

8月份记录了每个固定样方内物种数(包括苔藓和地衣)，物种分盖度、群落总盖度等植物功能特征；同时收集地面枯落物，并采用收获法测定生物量，分种齐地面剪割称鲜质量后在65 ℃烘干称干质量.

采集0～10 cm土壤，一部分测定土壤速效氮、土壤有机质等，一部分用来测定土壤线虫数量.土壤含水量测定采用土壤称质量法测定，土壤速效氮测定采用半微量凯氏定氮法，有机质采用重铬酸钾硫酸外加热法，采用DGGE法测定土壤微生物细菌(北京博友新创生物技术有限公司测定).

土壤线虫测定采用淘洗-过筛-蔗糖梯度密度离心方法.将称好100 g的土倒入水盆中加水搅匀静置之后震荡分样过筛，重复3次.然后冲洗网筛中线虫悬液至烧杯中并静置，保留静置烧杯中下层水、线虫和泥浆的混合物，将混合物离心(离心机的转速2 000 r/min，离心时间为4 min)，保留离心管内的土层.之后在离心管中分别注入比重为1.18 g/mL的蔗糖溶液，调衡、摇匀放入离心机中进行第2次离

心.离心后，把离心管内的上层液过筛，冲掉蔗糖液，得到线虫液.把线虫液转入试管中，静置24 h以上，使线虫沉淀.在解剖镜下观察计数，然后依据测得的土壤水分将土壤线虫种群折算成100 g干土中含有的线虫条数.

1.4数据处理

数据经过Excel整理后，利用SPSS软件进行单因素方差分析与相关性分析.

2结果与分析

2.1植物群落对不同植物功能群丧失的响应

由图1可见不同植物功能群去除下，群落生物量、物种丰富度及植被盖度都呈显著差异(P<0.05).去除处理对生物量、物种丰富度及植被覆盖度的影响程度均为RAP>RF>RG>RL>MN.与2组对照组去除全部植物处理(RAP)和天然草甸(MN)比较分析得出，去除非禾草处理(RF)受试验影响最大；去除豆科处理(RL)受影响最小.在物种丰富度上，去除非禾草处理(RF)与其他4组处理有显著差异，天然草甸(MN)则受施肥处理影响与不施肥处理呈显著差异.在植物生物量上，去除豆科处理(RL)与天然草甸(MN)其他4种呈显著差异.在植被盖度上，去除全部植物处理(RAP)与其他4组处理有显著差异，但受施肥与否的影响，去除豆科处理(RL)之间有显著差异，施肥的盖度明显大于不施肥的盖度.

图1　不同功能群丧失的植物群落的植被盖度、物种丰富度及生物量

2.2土壤养分对不同植物功能群丧失的响应

通过图2可以看出，施肥处理对土壤硝态氮影响显著，含量最大的是未施肥的RAP.含水量最大的为未施肥的RAP，最小的为施肥的MN.土壤有机碳含量和氨态氮含量最小的为施肥的RF.土壤有机碳含量最大的为施肥的RAP，氨态氮含量最大的为施肥的MN.

图2　不同功能群丧失的植物群落的土壤理化性质

2.3土壤线虫和土壤细菌对不同植物功能群丧失的响应

由于各样方去除处理和施肥的不同，土壤内线虫数量差异显著，按数量的多少依次为NM>RAP>RL>RF>RG.另外，通过图3可看出：受施肥与否的影响，线虫数量各处理组内差异显著.各样方间土壤细菌的群落组成也存在着显著差异性(P<0.05).土壤细菌多样性分布为RF>RL>RAP>NM>RG，其中RL0的细菌多样性指数为2.83，RG1的细菌多样性指数为1.76.样方RG内土壤线虫和细菌多样性指数均为最低.土壤动物，特别是土壤线虫，对土壤环境变化十分敏感，可作为土壤内生态系统变化的指示生物.综合线虫和细菌的数据分析，RG1即去除禾本科样方中的施肥处理是所有样方处理中植被和土壤环境条件相对较差；RL去除豆科处理和RAP去除全部植物处理的土壤环境条件中等，但RAP内无植物，这样的环境条件限制了一些土壤线虫和细菌的进入和生存，仅仅适合某个类群的生存和繁衍.

图3　不同功能群丧失的植物群落的土壤线虫数和土壤细菌多样性指数

2.4不同去除处理植被的生物量、物种数及土壤理化性质与线虫数量、细菌多样性的相关分析

由表1可知，物种丰富度与植被盖度、植物生物量呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤氨态氮呈显著正相关(P<0.05).植物生物量与植被盖度呈极显著正相关(P<0.01)，与土壤线虫数量呈显著正相关(P<0.05).植被盖度与土壤氨态氮呈显著正相关(P<0.05).土壤线虫数量与土壤硝态氮呈显著负相关(P<0.05).

表1　高寒草甸不同去除处理植被的各指标相关性分析

*显著相关(P<0.05)，**极显著相关(P<0.01).

3讨论与结论

土壤是植物、土壤动物、微生物等生存的最基本的基质.土壤因子主要包括各种元素含量、有机质、腐殖质等，这些成分在很大程度上会影响土壤区系中动物和微生物的数量和分布.通过对10种处理中的地上植物群落指标(植物盖度、生物量及物种丰富度)、线虫数量、细菌多样性和土壤环境因子进行相关性分析，结果发现：细菌多样性与土壤因子和地上植物群落指标没有显著地相关关系，而土壤线虫数量与植物生物量呈极显著正相关(P<0.05)，与土壤有机碳呈显著负相关(P<0.01)，与土壤硝态氮呈极显著负相关(P<0.05)，与土壤氨态氮没有显著相关，这些说明了土壤线虫比土壤微生物对干扰和环境变化的响应更敏感.

不同去除处理中，土壤水分、土壤pH、有机碳没有显著性差异，这些土壤指标与其对应的植物多样性、线虫数量和细菌多样性没有显著的相关性，说明这些土壤因子是非主导性土壤因子.土壤速效氮与植物生物量、物种丰富度、植被盖度及线虫数量有显著地相关性关系，所以土壤速效氮是主导性土壤因子，影响高寒草甸动植物的数量和细菌数量.土壤氨态氮在含水量较高的土壤中易于被吸收和流失，能被线虫利用的量很少；除固氮植物和一部分可直接利用有机氮的植物之外，其它所有植物的氮素来源主要是土壤有机氮的矿化[18].而土壤动物和微生物的种类、数量和活动是氮矿化最直接的决定因素.Ferris[19]等用沙柱培养的方法比较对照了不同线虫对氮矿化的影响，认为线虫能显著增加氮矿化率.研究表明，高浓度的氮沉降对土壤线虫有消极影响，但低浓度的氮沉降却能提高生物多样性[20]；另一方面，土壤线虫对氮素的沉降又能起到削弱和缓冲作用.在本试验中土壤硝态氮则对土壤线虫的生存有关键性的抑制作用.土壤中自由生活的线虫能够促进土壤有机质降解并且线虫大部分取食细菌、真菌和微生物，而土壤有机碳是土壤微生物所需碳源的主要来源之一，所以土壤有机碳与线虫数量显著负相关.土壤氨态氮与植物盖度、生物量呈显著正相关(P<0.01)，与物种丰富度呈极显著正相关(P<0.05).理论上，土壤中的氮主要是有机质，且多半来自腐殖质，而土壤中硝化与反硝化细菌的参与是土壤氮含量变化的重要因素.在本试验中，植被盖度通过影响光照和近地表温度影响植物根部线虫和土壤细菌的活动以及土壤酶活性，共同影响了土壤中氨态氮的含量，所以土壤中氨态氮与地上植物的盖度、生物量、物种丰富度均呈显著正相关.另外，物种丰富度与植被盖度、植物生物量呈极显著正相关(P<0.01)，这个结论符合生态学规律，即种群内物种越丰富，生物量越多，植被盖度越大.

短期植物多样性的丧失不仅会导致植物生物量、物种丰富度及植被盖度显著下降，同时也会使得土壤线虫数量和细菌多样性大幅减少.这些说明了植物多样性的丧失不仅能显著的改变地上植被群落结构，还能显著地改变地下生物区系，因此，即使短期植物多样性丧失也会影响整个生态系统结构和功能.

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(责任编辑李辛)

Response of alpine meadow to the short-term loss

of plant diversity

TIAN Hong1,LI Wen-jin2,ZHANG Yu-zhen1

(1.College of Forestry,Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070,China;2.State Key Laboratory of Grassland

Agroecosystems,College of Life Sciences,Lanzhou University， Lanzhou 730000,China)

Abstract：Using artificial removal of different plant functional group in alpine meadow simulated loss of plant diversity and adding nitrogen simulated future nitrogen deposition,the aim was to study the impact of different plant functional group loss on plants and soil community structure and function in the alpine meadow.The results showed that,with the loss of plant diversity,plant biomass,species richness,vegetation coverage and soil nematode density decreased significantly (P<0.05).There were obvious differences between the bacterial diversity among the removal treatments.There was significant positive correlation between soil nematodes density and plant biomass (P<0.05).In contrast,soil nitrate nitrogen and soil organic carbon had significant negative correlation with soil nematode population (P<0.05).Plant biomass,species richness and vegetation coverage had significant positive correlation with soil ammonium nitrogen (P<0.05).

Key words：alpine meadow;removal experiment;soil nematode; plant diversity

收稿日期：2014-03-27；修回日期：2015-01-06

基金项目：国家自然科学基金(31100306，31470480)；兰州大学中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky-2014-202).

通信作者：张玉珍，女，副教授，学士，硕士生导师，主要研究方向为土壤侵蚀、水土保持方案编制.E-mali：zhangyz@gsau.edu.cn

中图分类号：Q 145

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2015)01-0093-06

第一作者：田红(1989-)，女，硕士研究生，研究方向为水土保持与荒漠化防治.E-mail:tianhong07@163.com