摘要
过去40年间，青藏高原平均升温速率达0.52℃/10a。气温升高后根系层土壤温度、水分以及与养分密切相关的土壤酶活性等的变化必将影响青藏高原植物群落的生长，导致高原生态平衡发生变化，进而对青藏高原生态安全屏障功能产生影响，造成生物多样性减少并且破坏生态系统的稳定。本文利用开顶式增温室（Open-TopChambers，OTCs）进行模拟增温实验，研究近地表气温升高对青藏高原多年冻土区高寒草地根系层的影响。以北麓河地区三类典型高寒草地生态系统（高寒草原、高寒草甸和高寒沼泽草甸）为研究对象，分别选取植物不同生长时期（返青期、茂盛期和枯萎期），在近地表日平均温度升高3-5℃条件下，通过野外调查、取样、观测并结合室内生化测试，系统的分析了增温作用下三类草地根系层（地下0-50cm深度范围）土壤温度、水分、理化性质、酶活性、根系生物量以及植物群落特征的变化规律，并对其影响机制进行了讨论。旨在为评估全球变暖背景下青藏高原高寒草地土壤-生态系统变化提供一定的数据支持和理论依据，为预防高寒草地生态系统退化并采取相应的措施奠定理论基础。以下为本文主要的研究内容和得到的相关结论: (1)增温对根系层土壤水热状况的影响:在整个生长季（5月-9月），与自然对照样地相比，增温作用使高寒草原地下5cm、20cm、50cm处平均土壤温度分别升高了2.43℃、1.39℃和0.51℃，平均土壤水分分别降低了0.13％、0.14％和0.18％;高寒草甸地下5cm、20cm、50cm处平均土壤温度分别升高了1.30℃、1.69℃和0.62℃，平均土壤水分分别降低了2.14％、1.92％和3.61％;高寒沼泽草甸地下5cm、20cm、50cm处平均土壤温度分别升高了3.15℃、1.56℃和0.72℃，平均土壤水分分别降低了6.98％、8.35％和0.60％。 (2)增温对根系层土壤理化因子的影响:a）高寒草原，其有机质含量与土壤水分显著正相关，增温作用对其影响不显著（P＞0.05）。土壤速效磷含量受增温处理和季节的交互影响，速效钾含量受到增温处理和土壤深度的交互影响，在增温处理下两者含量均相对于对照样地显著增高（P＜0.05）。b）高寒草甸，其有机质在增温作用下变化不显著(P＞0.05)。增温作用下土壤pH值和速效磷含量的变化受季节的影响较为显著，在枯萎期0-10cm深度处增加量最大，其中速效磷含量较对照样地增加了90％(P＜0.05)。增温后速效钾含量在茂盛期0-10cm深度较对照样地显著增加了23％(P＜0.05)。c)高寒沼泽草甸，土壤pH值受增温处理和季节的交互影响，在返青期0-10cm深度处，茂盛期20-30cm、40-50cm深度处较对照样地显著增加（P＜0.05）;速效钾含量受增温、季节和土壤深度的交互影响，枯萎期增温使其在20-30cm深度比对照样地增加了43％(P＜0.05)。增温作用对其余季节和土壤深度的理化因子影响均不显著（P＞0.05）。值得注意的是，增温处理下高寒草甸和高寒沼泽草甸样地土壤有机质、速效氮、速效磷含量变化不显著，与土壤中碳、氮、磷矿化酶活性在增温下变化不显著有关。 (3)增温对根系层土壤酶活性的影响:在高寒草原，土壤蔗糖酶活性受增温、季节和土壤深度综合影响，土壤磷酸酶活性受三因素中两两交互的影响。与自然对照样地相比，增温下返青期0-10cm深度处土壤磷酸酶活性降低了66％(P＜0.05)，40-50cm深度处土壤蔗糖酶、磷酸酶活性分别增加了57％和70％(P＜0.05)。返青期0-10cm深度处和茂盛期40-50cm深度处过氧化氢酶活性在增温作用下显著降低(P＜0.05)。脲酶活性无显著变化(P＞0.05)。对于高寒草甸和高寒沼泽草甸，过氧化氢酶对高温的不适应性使其在增温处理下活性较对照样地降低（P＞0.05）;其余土壤酶活性由于受到土壤水分、根系生物量降低等因素的影响，抵消了增温的效应，变化均不显著(P＞0.05)。 (4)增温对植物群落和根系生物量的影响:增温处理使三种草地类型的优势种重要值上升，杂草类重要值下降，群落的总体高度增加，高寒草甸样地优势种发生更替，由嵩草类变为华扁穗草。增温使高寒草原样地Shannon指数、Simpson多样性指数、丰富度指数较对照样地分别降低37％、10％和50％(P＜0.05)，高寒草甸和高寒沼泽草甸样地多样性指数也有所下降(P＞0.05)。这表明增温使高寒草地生态系统物种多样性趋向单一化发展。逐步回归分析的结果发现，增温作用下植物群落丰富度降低与过氧化氢酶活性降低有关(P＜0.05)。在增温作用下，生长季各阶段高寒草原根系生产力均降低，并在返青期达到显著水平(P＜0.05);高寒草甸样地根系生物量与土壤水分显著负相关，增温使茂盛期0-30cm深度生物量较对照降低，30-50cm生物量较对照增加(P＜0.05);而增温促进了高寒沼泽草甸样地根系生产力(P＜0.05)。
NETL