短期增温对若尔盖高原木里薹草沼泽生态系统呼吸的影响_刘宏强.pdf

收稿日期:20220516修回日期:20220722基金项目:国家自然科学基金项目(41101097);云南省院士专家工作站项目(2019IC012);云南省基础研究专项(202001AT070132);云南省教育厅基金项目(2018JS346、2019J0184);国家科技基础资源调查专项(2019FY100603)作者简介:刘宏强(1994)，男研究方向:湿地生态学Email:liu320960 163com通信作者张昆(1981)，男，讲师，博士研究方向:湿地碳循环关键过程Email:zhangkun swfueducn短期增温对若尔盖高原木里薹草沼泽生态系统呼吸的影响刘宏强1，张元姝2，言迫2，熊银洪1，董李勤3，4，张昆1(1西南林业大学国家高原湿地研究中心/湿地学院，云南 昆明 650224;2四川若尔盖湿地国家级自然保护区管理局，四川 阿坝 624500;3西南林业大学地理与生态旅游学院，云南 昆明 650224;4国家林业和草原局西南生态文明研究中心，云南 昆明 650224)摘要:为探讨全球气候变暖对高寒沼泽生态系统呼吸的影响，以若尔盖高原木里薹草(Carex muliensis)沼泽生态系统为研究对象，采用开顶式增温室模拟气候变暖(增温效果为 12)，研究其生态系统呼吸对气候变暖的响应机理结果表明:增温处理后木里薹草株高增长了 709%(P005)，群落密度降低 1229%(P005)增温处理后生长季中后期(79 月)木里薹草群落生物量降低 944%(P005);增温处理后木里薹草沼泽生态系统呼吸速率显著降低 2633%(P005)，而土壤呼吸速率无显著变化研究发现，短期增温后生长季中后期地上生物量减少是生态系统呼吸速率降低的主要原因开放科学(资源服务)标识码(OSID)关键词:生态系统呼吸;薹草沼泽;群落密度;增温中图分类号:S7185文献标识码:A文章编号:1671-5470(2023)03-0375-08DOI:1013323/jcnkijfafu(natsci)202303013Impact of short-term warming on the respiration of Carex muliensismarsh ecosystem in uoergai PlateauLIU Hongqiang1，ZHANG Yuanshu2，YAN Po2，XIONG Yinhong1，DONG Liqin3，4，ZHANG Kun1(1National Plateau Wetland esearch Center/Wetland College，Southwest Forestry University，Kunming，Yunnan 650224，China;2Sichuan uoergai National Wetland Nature eserve Administration，Aba，Sichuan 624500，China;3School of Geographyand Ecotourism，Southwest Forestry University，Kunming，Yunnan 650224，China;4Southwest esearch Center forEco-civilization，National Forestry and Grassland Administration，Kunming，Yunnan 650224，China)Abstract:In order to explore the impact of climate warming on the respiration of alpine marsh ecosystem，open-top chamber(OTC)was set up in Carex muliensis marsh on uoergai Plateau，then the response of the respiration of marsh ecosystem to temperature in-crease(by 12)was investigated The results showed that warming treatment significantly increased the height of C muliensismarsh by 709%(P005)，but significantly decreased its community density by 1229%(P005)，thus resulting in a signifi-cantly decreased aboveground biomass by 944%(P005)in the middle and late growing season Warming treatment significantlydecreased the ecosystem respiration by 2633%，whereas had no significant effect on soil respiration In conclusion，decreased respi-ration of C muliensis marsh ecosystem arising from climate warming was mainly due to the decrease of aboveground biomass whichdirectly resulted from the decrease of community density in the middle and late growing seasonKey words:ecosystem respiration;Carex marsh;community density;warming自工业革命以来，全球平均温度不断上升，IPCC 第六次评估报告预测，未来 20 a 全球平均温度的上升幅度将会达到或超过 15 1 全球变暖是环境变化的主要驱动因素之一，影响着生物多样性、生态系统结构与功能，最终威胁到生态系统服务2 近年来，温度升高对陆地生态系统碳循环关键过程的影响已成为全球变化生态学研究的热点35 福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷 第 3 期Journal of Fujian Agriculture and Forestry University(Natural Science Edition)2023 年 5 月生态系统呼吸是生态系统以 CO2的形式向大气释放碳的途径，是植物叶片呼吸、根系呼吸、微生物呼吸、土壤有机质分解和动物呼吸的总和3 作为陆地最大的碳通量之一，生态系统呼吸的微小波动都可能导致大气 CO2浓度发生显著变化6，对气候变暖产生正反馈或负反馈大量研究从温度4，7、养分5，8、水分910、放牧6，11 等不同环境因子探讨了生态系统呼吸的响应模式，研究发现生态系统呼吸对温度升高的响应尤为敏感6 青藏高原植物生长最适温度全球最低，当前青藏高原生长季温度仍低于其植物生长最适温度12，加之作为气候变化的敏感地区13，其生态系统呼吸对全球变暖的响应比其他地区更为显著14 研究发现，温度升高延长生长季15，能满足植物对热量的需求，通常促使植物株高、叶面积、叶片数和群落密度的增长1617，提高植物生产力，从而提高生态系统呼吸速率5，7;也有研究发现，受植被物候加速4 和年际气候特征18 的影响，增温可能不会显著改变生态系统呼吸速率，甚至出现降低生态系统呼吸速率的情况19 普遍认为温度升高对土壤呼吸的影响主要表现在土壤温度20 和土壤水分9，19 在较为湿润地区，通过提高土壤温度、改善植物根系和提高土壤微生物活性，促进土壤呼吸对全球变暖的积极响应14;在较为干旱地区土壤温度升高造成土壤含水率降低，对土壤微生物和根系产生干旱胁迫2021，可能不会对土壤呼吸产生积极影响9，甚至抑制土壤呼吸19 土壤温度、水分、养分条件，以及植物和微生物群落特征等因素的差异，导致生态系统呼吸对增温的不同响应11，2223 高寒草本沼泽因其较高的净初级生产力而对维持青藏高原陆地生态系统碳平衡发挥着重要作用24，目前在青藏高原开展的增温试验多集中在高寒草地和沼泽化草甸生态系统，而对常年积水高寒草本沼泽的研究相对较少鉴于此，本研究在若尔盖高原纳勒乔沼泽湿地进行原位增温控制试验，选择开顶式增温箱(open-top chambers，OTC)对广泛分布的木里薹草(Carex muliensis)沼泽生态系统进行被动增温，分析增温对木里薹草生长指标(株高、叶长、群落密度和地上生物量)、木里薹草沼泽土壤呼吸和生态系统呼吸的影响，以期为全球气候变化下高寒薹草沼泽碳循环研究提供参考1材料与方法11研究区概况若尔盖湿地总面积为 1 6657 km2，是青藏高原高寒湿地生态系统的典型代表，是我国分布最为集中的高寒沼泽湿地分布区25 木里薹草是若尔盖高寒草本沼泽的主要建群种2526，在若尔盖高原分布面积最广湿地为高原浅丘沼泽地貌，丘陵断续分布，丘顶浑圆，丘间开阔，地势平坦大陆性气候特征明显，气候寒冷，四季区分不明显，年均温度 14，年均降水量 657 mm，年均蒸发量 1 232 mm湿地内土壤类型主要为沼泽土、草甸土壤、高原褐土及人工草地土壤试验样地位于若尔盖湿地国家级自然保护区纳勒乔木里薹草沼泽湿地(333052N，1023937E)，海拔 3 450 m，样地常年积水，沼泽建群种为木里薹草，伴生种为海韭菜(Triglochin maritima)、溪木贼(Equisetum fluviatile)、杉叶藻(Hippuris vulgaris)、矮泽芹(Chamaesium paradoxum)和睡菜(Menyanthes trifoliata)等试验样地土壤为厚层泥炭土，厚度为 540 m，pH值为 58063712样地设置依据典型性和代表性原则在若尔盖湿地国家级自然保护区纳勒乔木里薹草沼泽湿地建立增温控制试验平台(图 1)，样地大小为 100 m100 m，周边设置围栏围封以杜绝人为干扰2020 年 6 月，在样地内随机选取 4 m4 m 木里薹草长势一致的小区，每个小区内设置增温(W)和对照(CK)2 个配对处理，每个处理设置 5 个重复采用 OTC 进行增温试验，OTC 增温与温室效应原理相似，并能保证样地土壤物理结构的完整性16 OTC 为正六边形，由 5 mm 厚亚克力板制成，其下部由 6 块边长为 120 cm 的正方形亚克力板围成，上部由6 块上边长 86 cm、下边长120 cm、高60 cm 的梯形围成，近地面5 cm 处开有多个圆孔以保证水体自由流动OTC 增温装置全年放置在野外每个处理单元内嵌入 40 cm40 cm 的静态箱基座和直径 20cm、高 30 cm 的土壤环，分别用于生态系统呼吸和土壤呼吸的定位观测，基座和土壤环嵌入地表 5 cm13生态系统呼吸速率和土壤呼吸速率的监测于 2021 年 59 月，每月选取一个晴朗无云或少云的上午，于 9:0011:00 测量生态系统呼吸速率和土壤呼吸速率生态系统呼吸速率测量采用静态箱法静态箱为暗箱，外由隔热棉包裹，长、宽、高分别为673福建农林大学学报(自然科学版)第 52 卷图 1增温试验控制平台Fig1Control platform of temperature-increasing experiment40、40、50 cm利用 LI-6400XT 便携式光合仪对 CO2浓度进行测定，测量间隔为 10 s，持续测量 2 min测量时，静态箱内部悬挂 2 个小风扇，以混合箱内气体土壤呼吸速率测量方法与生态系统呼吸速率测量方法一致，在测量日期前一天去除每个土壤环内植物，对新生植物进行齐地面剪除，直接封闭土壤环(作为静态箱)，记录土壤环顶部到水面的距离以计算气体通量气体通