增温增水对克氏针茅sipakrylovii凋落物分解的影响

增温增水对克氏针茅sipakrylovii凋落物分解的影响

根据第五份评估报告，21世纪末世界平均气温比辛亥革命前高4.6%。地区之间的差异和季节差异是安全的。近年来,国外对凋落物的研究极为活跃,但国内相关研究大都集中在森林生态系统。草原生态系统作为陆地生态系统的重要组成部分,约占陆地总面积的30%1材料和方法1.1气候变化及降水量研究区位于内蒙古大学草地生态学研究基地(44°09′N,116°29′E,1102m)。该地属温带半干旱草原气候,冬季寒冷干燥,夏季温暖湿润。年平均气温2.6℃,最冷月(1月)平均温度-19.0℃,极端最低气温-23.8℃,最热月(7月)平均温度21.4℃,≥0℃年积温约2823℃·d,≥10℃年积温2304℃·d,无霜期约120d,草原植物平均生长期约150d。年平均降水量271mm,集中于5-9月,占全年降水量的87%左右;降水量的季节和年际变化非常大。年蒸发量为1600~1800mm,是降水量的4~5倍。土壤类型为栗钙土。植被为温带典型草原,优势种有克氏针茅(Stipakrylovii)、大针茅(Stipagrandis)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)和冷蒿(Artemisiafrigida)等。1.2增温和增水处理设计试验于2011年8月28日-2012年8月28日进行。采用被动式增温法,即将凋落物置于由聚氯乙烯塑料(透光率90%以上)制成的圆台型开顶式生长室(OTC)中进行增温处理。在样地内设置12个OTC,OTC的规格同文献[15]。试验设4个处理:(1)增温(W),即置于安有风扇可与外界进行气体循环的OTC增温室内;(2)增水(P),自然状态下人工加水;(3)增温+增水(WP),增温处理基础上增加降水;(4)对照(CK),自然状态。每个处理设3个重复,小区面积3m×3m,随机区组排列。2011年8月18日,在基地南部的试验样地上(试验样地为典型草原,以克氏针茅为建群种),选择12个3m×3m的小区,小区间隔为3m,小区中央放置OTC,OTC底面积为1.13m根据研究区气象站观测资料,计算1961-2010年植物生长季内的气温线性变化趋势,并计算50a的变化幅度,结果见表1。根据整体变化幅度情况,设定试验的温度增幅为2℃。依据研究区生长季月平均降水量,设定降水量增幅为月平均降水量的20%(表1),在每月月初和月末,选固定日期的18:00用量筒准确量取所需水量后,用喷壶进行人工增水。1.3凋落物分解袋合成系统2011年8月中旬,在试验样地分别采集克氏针茅、糙隐子草、冷蒿的地上枝叶以及该群落的混合凋落物,自然风干后,分别取部分进行研磨,并测定其C、N含量和C/N,剩余部分剪成5cm长的小段,各称取5g作为各草种的“凋落物”,分别装入编号的凋落物分解袋中(规格为10cm×10cm,网眼为0.5mm×0.5mm)。每种凋落物装36袋,共144袋。2011年8月28日,清除地表凋落物层后将分解袋分别贴地面布置在各小区内,其中增雨组直接置于小区内贴近地面,增温及增温+增雨组置于小区中的OTC内。每小区内4种凋落物各放3袋,即每小区共12袋。翌年4月28日、6月28日、8月28日分3批取样。取样时分别从12个小区中每种凋落物各取1袋带回实验室,清除凋落物表面的泥土等杂质,清水漂洗后自然晾干并称重。1.4不同物种凋落物含量的物种组成样品自然风干后,研磨过100目筛,采用CHN628碳氮氢硫元素分析仪测定其碳、氮含量(%干重),精度为0.5%。由表2可见,不同类型凋落物在C、N组成上存有明显差异,其中N含量以冷蒿最高,克氏针茅最低;而C含量以克氏针茅最高,冷蒿最低。除混合凋落物以外,其余不同物种凋落物的C含量、C/N具有冷蒿<糙隐子草<克氏针茅的规律(P<0.05),而N含量则表现为冷蒿>糙隐子草>克氏针茅(P<0.05)。凋落物剩余质量残余率R的计算方法为式中,M利用质量残留率对凋落物分解过程进行拟合,其常用的Olson负指数模型为式中,y为质量残留率,α为拟合系数,k为凋落物年分解系数(g·g凋落物分解50%的时间即半衰期(t凋落物完全分解即分解95%的时间(t1.5计与分析测试运用SPSS18.0和Excel2010进行数据统计与分析。以重复测量方差分析检验分解时间、处理、凋落物种类以及交互效应对质量残留率的显著性影响,并运用1stOpt1.0进行非线性回归分析拟合凋落物分解曲线。2结果与分析2.1增水条件下增水效果分析每种凋落物在不同条件下的质量残余率变化过程见图1。由图可见,经过364d分解后,各种凋落物在不同环境条件的质量残余率在54.5%~75.7%,其中克氏针茅的质量残留率在增温条件(W处理)下最高,对照(CK)条件下最低,而糙隐子草、冷蒿、群落凋落物均在W条件下最高,在增水条件(P处理)下最低。可见,环境条件对不同凋落物分解的影响率是不同的。各种凋落物的质量残余率在W条件下均高于CK,其中克氏针茅、糙隐子草和群落凋落物的残余率分别高于CK21.2、17.2、9.1个百分点,差异显著(P<0.05);冷蒿各处理与CK的差异不明显。说明温度升高减缓了除冷蒿以外其它3种凋落物的分解过程。克氏针茅凋落物在P条件下的质量残余率高于CK,而糙隐子草、冷蒿、群落凋落物的质量残余率低于CK,但均未达到显著水平。表明降水增加对凋落物的分解无显著影响。各种凋落物在降水和气温同时增加的条件下(WP处理)其残余率变化过程与W处理一致,克氏针茅、糙隐子草和群落凋落物残留率分别高于CK14.3、13.9、7.4个百分点(P<0.05),但其升高幅度均较W处理下低,说明基于增温条件下的增水有助于促进凋落物的分解。2.1.2不同凋落物分解残余率由图2a可见,在CK条件下,4种凋落物的分解进程存在差异,分解242d时糙隐子草的分解量较小,其分解残余物明显高于其它3种,但303d后糙隐子草的分解残余率最低,说明其前期分解较慢,后期分解加快;冷蒿的表现正相反,前期分解相对较快,后期则明显减缓。试验结束时(364d后)各类凋落物分解残余率差距加大,表现为冷蒿>群落>糙隐子草>克氏针茅。图2b显示,增温处理(W)下4种凋落物分解进程的差异不明显,虽然从数值上看,303d和364d后的质量残余率有差异,但差异不显著。而增水(P)处理下(图2c)不同种类凋落物的分解进程明显不同,增水对糙隐子草的影响最大,其分解速率最高,最终的分解残余率最低;其次为冷蒿和群落凋落物,但后期分解残余率差异不大,试验结束时各草种间残余率的差异不显著。图2d显示,增温+增水处理对冷蒿的分解影响最大,其分解的进程明显加快,在242d和303d后的残余率均显著低于其它种类(P<0.05),但最终(364d后)各草种间残余率的差异不显著。2.2不同种类凋落物分解影响的交互作用对残余率的变化动态的方差分析结果显示(表3),在凋落物分解过程中,各影响因素(分解时间、处理、分解时间与处理、处理与凋落物种类的交互作用)对各种凋落物的质量残留率产生了显著影响(P<0.05),而凋落物种类、分解时间×凋落物种类、分解时间×凋落物种类×处理三者的交互作用并没有显著影响凋落物的分解。处理(W、P、WP)对凋落物分解的影响均表现为显著,由图1可知,各种凋落物在不同处理条件下具有不同的分解动态过程,且最终的分解残留率也具有较大差异。凋落物的分解率还受凋落物种类以及分解时间的制约,因此即使在同一处理条件下,不同种类凋落物或同一种凋落物不同分解时间的分解变化动态也不同,如P处理显著促进了糙隐子草的分解进程,而WP处理则对冷蒿的影响较大。此外,分解时间对凋落物分解也有重要影响,如图2a所示,在无任何处理的对照组,随着时间的推移,各种凋落物残留率显著减小。从以上分析可知,增温增水处理对凋落物分解的影响主要与凋落物种类以及分解时间有关。2.3增温和增水对凋落物分解的影响凋落物的分解过程是一个十分复杂的动态过程,为了进一步验证凋落物分解时质量损失的变化过程,采用Olson负指数模型进行模拟描述。根据凋落物剩余质量模拟得到不同条件下不同种类凋落物残留率随时间变化的指数方程,结果见表4。表中方程的分解系数k值可用来表征凋落物分解速率的快慢,k值越大分解速率越快。由表4可见,克氏针茅的分解速率最快,其k值变化范围为0.543~1.306,糙隐子草为0.525~1.353,冷蒿为0.673~0.849,群落凋落物为0.746~0.965。增温(W)条件下,除冷蒿外,克氏针茅、糙隐子草和群落凋落物的k值均低于CK,说明增温减缓了凋落物的分解速率。增水(P)条件下,克氏针茅和糙隐子草的k值低于对照,而冷蒿和群落凋落物的k值高于对照,说明增水对凋落物分解的影响可能受不同种类凋落物本身的性质,如基质质量影响较大。WP处理条件下,不同类型凋落物k值的变化与W处理一致,但整体上WP处理下凋落物的k值高于W处理,即同时增温增水较单独增温加快了凋落物的分解。利用各种凋落物在不同处理条件下模拟出的k值,进一步计算得到相应的凋落物分解50%和分解95%所需的时间,结果见表4。由表中可见,CK条件下,各种凋落物分解50%所用的时间为0.51~1.06a,其中除冷蒿的分解时间较长外,其余分解时间均较短。增温明显增加了除冷蒿外各种凋落物的分解时间,其中克氏针茅和糙隐子草的分解时间增加了2倍以上。P条件下,克氏针茅和糙隐子草的分解时间较对照长,而冷蒿和群落凋落物的分解时间较对照短,但变化幅度均不大。WP条件下,各类型凋落物分解时间的变化规律与W一致,且表现为WP条件下凋落物分解时间较W条件下短。各处理条件对凋落物分解95%所用时间的影响与分解50%的影响规律一致,但分解95%的时间远长于分解50%所用时间的2倍,表明整体上凋落物分解均表现为先快后慢。3增温和增水处理对凋落物分解速率的影响通常认为温度与凋落物分解速率呈正相关关系降水是干旱-半干旱地区凋落物分解的主要驱动因素凋落