短期增温对修复过程中藏北高寒退化草地生产力的初期影响

doi:10.11686/cyxb2023484

草业学报 ›› 2024, Vol. 33 ›› Issue (11): 30-45.DOI: 10.11686/cyxb2023484

短期增温对修复过程中藏北高寒退化草地生产力的初期影响

石昊¹(), 杨彩红¹(), 夏菲³(), 王军强²^,³, 魏巍³, 王敬龙³, 薛云尹², 郑晒坤¹, 吴皓阳², 冉林灵², 严双², 姜晓敏¹

^1.甘肃农业大学林学院，甘肃兰州 730070
^2.西华师范大学生态研究院，四川南充 637002
^3.西藏自治区农牧科学院草业科学研究所，西藏拉萨 850000

收稿日期:2023-12-18 修回日期:2024-01-03 出版日期:2024-11-20 发布日期:2024-09-09
通讯作者: 杨彩红,夏菲
作者简介:414677849@qq.com
E-mail： yangch@gsau.edu.cn
石昊（2000-），男，甘肃金昌人，在读硕士。E-mail： shihao@st.gsau.edu.cn
基金资助:
甘肃农业大学青年导师基金项目(GAU-QDFC-2021-12);西藏自治区重点研发与转化项目(XZ202201ZY0005N)

Initial effects of short-term warming on the productivity of alpine degraded grassland in northern Tibet during the restoration process

Hao SHI¹(), Cai-hong YANG¹(), Fei XIA³(), Jun-qiang WANG²^,³, Wei WEI³, Jing-long WANG³, Yun-yin XUE², Shai-kun ZHENG¹, Hao-yang WU², Lin-ling RAN², Shuang YAN², Xiao-min JIANG¹

^1.College of Forestry，Gansu Agricultural University，Lanzhou 730070，China
^2.Institute of Ecology，China West Normal University，Nanchong 637002，China
^3.Institute of Pratacultural Science，Tibet Academy of Agricultural and Animal Husbandry Sciences，Lhasa 850000，China

Received:2023-12-18 Revised:2024-01-03 Online:2024-11-20 Published:2024-09-09
Contact: Cai-hong YANG,Fei XIA

摘要/Abstract

摘要：

为了探讨气候变暖对修复过程中藏北高寒草地生产力的影响，以藏北地区自然恢复草地（NR）、免耕补播草地（S）和翻耕补播草地（TS）为研究对象，原生重度退化草地为对照（CK），采用被动式增温法—开顶式气室法（OTC）进行模拟增温，探究植物群落特征、生物量和物种多样性对短期增温的响应。结果表明：1）增温使表层土壤温度平均上升1.34 ℃，土壤湿度平均下降4.18%。2）经短期增温后，植物群落盖度显著增加（P<0.05），高度显著降低（P<0.05）；原生重度退化草地生物量向地下部分转移，自然恢复草地、免耕补播草地和翻耕补播草地生物量向地上部分转移；翻耕补播草地地上生物量显著降低（P<0.05）。3）短期增温使禾草的地上生物量和重要值降低（P<0.05），杂草的地上生物量和重要值增加（P<0.05）。4）增温使原生重度退化草地的物种丰富度指数、Shannon-Wiener指数和Simpson指数显著增加了17.65%、18.54%、11.52%（P<0.05），S处理Pielou指数显著降低（P<0.05）。5）短期增温后，地上生物量与物种多样性指数呈极显著负相关（P<0.01）；地下生物量与物种多样性指数、群落特征无显著相关性。综上所述，短期增温对藏北原生重度退化草地物种多样性的恢复具有一定积极作用，并使自然恢复草地和免耕补播草地的生产力有所恢复，而抑制并降低了翻耕补播草地的生产力。

关键词: 模拟增温, 高寒草地, 生产力, 生物量, 物种多样性

Abstract:

Climate warming is expected to affect the productivity of alpine grassland in northern Tibet， and this may affect the grassland restoration process. The aim of this study， therefore， was to determine the effects of a short-term temperature increase on the productivity of alpine grassland during restoration. Natural restored grassland （NR）， no-tillage replanted grassland （S）， and tilled replanted grassland （TS）， with native heavily degraded grassland as the control （CK）， were subjected to a warming treatment using the open top chamber method. The changes in the plant community， biomass， and species diversity in response to this short-term temperature increase were determined. The results showed that： 1） Warming increased the surface soil temperature by an average of 1.34 ℃ and decreased the soil moisture content by an average of 4.18%. 2） After short-term warming， the plant community cover increased significantly （P<0.05） and the height of plant community decreased significantly （P<0.05）； the biomass of vegetation in CK transferred to the underground plant parts， the biomass of vegetation in NR， S， and TS shifted to the aboveground plant parts； and the aboveground biomass decreased significantly in TS （P<0.05）. 3） Short-term warming decreased the aboveground biomass and importance value of grasses （P<0.05） but increased the aboveground biomass and importance value of forbs （P<0.05）. 4） In CK， warming significantly increased the species richness index， Shannon-Wiener index， and Simpson index by 17.65%， 18.54%， and 11.52%， respectively （P<0.05）. In S， the warming treatment resulted in a significant decrease in the Pielou index （P<0.05）. 5） After short-term warming， the above-ground biomass showed a highly significant negative correlation with the species diversity index （P<0.01）； however， the below-ground biomass showed no significant correlation with the species diversity index or community characteristics. In conclusion， short-term warming had a certain positive effect on the recovery of the species diversity in native heavily degraded grassland in northern Tibet. Short-term warming restored the productivity of naturally restored grassland and no-tillage replanted grassland， but suppressed the growth and reduced the productivity of tilled replanted grassland.

Key words: simulated warming, alpine grassland, productivity, biomass, species diversity

石昊, 杨彩红, 夏菲, 王军强, 魏巍, 王敬龙, 薛云尹, 郑晒坤, 吴皓阳, 冉林灵, 严双, 姜晓敏. 短期增温对修复过程中藏北高寒退化草地生产力的初期影响[J]. 草业学报, 2024, 33(11): 30-45.

Hao SHI, Cai-hong YANG, Fei XIA, Jun-qiang WANG, Wei WEI, Jing-long WANG, Yun-yin XUE, Shai-kun ZHENG, Hao-yang WU, Lin-ling RAN, Shuang YAN, Xiao-min JIANG. Initial effects of short-term warming on the productivity of alpine degraded grassland in northern Tibet during the restoration process[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2024, 33(11): 30-45.

图/表 15

图1 研究区位置（a）、增温样地照片（b）和试验区设计（c）CK：对照； NR：自然恢复； S：免耕补播； TS：翻耕补播； OTC：增温； NO-OTC：不增温，下同。CK： Control； NR： Natural recovery； S： No-tillage replanting； TS： Tillage replanting； OTC： Warming； NO-OTC： No warming， the same below.

Fig.1 Location of the study area （a）， photograph of the warming plot （b） and the design of experimental plots （c）

图2 植物生育期降水和气温分布

Fig.2 Distribution of precipitation and air temperature during the reproductive period of plants

图3 不同处理下植物生长季节（5-9月）土壤温度的变化

Fig.3 Variation of soil temperature during plant growing season （May-September） under different treatments

表1 不同处理下植物生长季节（5-9月）土壤湿度的变化

Table 1 Changes in soil moisture during plant growing season （May-September） under different treatments （%）

月份 Month	CK		NR		S		TS
月份 Month	不增温NO-OTC	增温OTC	不增温NO-OTC	增温OTC	不增温NO-OTC	增温OTC	不增温NO-OTC	增温OTC
4	9.75	4.34	12.67	7.67	10.42	5.21	10.40	7.47
5	10.23	4.35	12.26	6.79	9.90	3.45	10.63	8.33
6	12.15	6.63	13.46	7.16	11.16	6.22	11.61	5.36
7	11.93	6.59	14.11	6.77	12.76	5.41	11.36	5.96
8	17.53	13.88	13.37	11.59	10.55	9.60	10.58	10.00
9	15.92	14.30	13.63	11.10	11.01	9.67	11.30	10.52
平均值Mean	12.92	8.35	13.25	8.51	10.97	6.59	10.98	7.94

表2 短期增温后不同处理植物种群与特征值的变化

Table 2 Changes in plant populations and eigenvalues in different treatments after short-term warming

处理 Treatment	植物种类名称 Species name	相对高度 Relative height		相对密度 Relative density		相对盖度 Relative coverage		相对地上生物量 Relative aboveground biomass
处理 Treatment	植物种类名称 Species name	不增温 NO-OTC	增温 OTC	不增温 NO-OTC	增温 OTC	不增温 NO-OTC	增温 OTC	不增温 NO-OTC	增温 OTC
CK	丝颖针茅 Stipa capillacea	0.20	/	0.02	/	0.15	/	0.25	/
	二裂委陵菜 P. bifurca	0.04	0.05	0.15	0.20	0.15	0.15	0.11	0.16
	藏豆 S. tibetica	0.07	0.05	0.21	0.17	0.25	0.29	0.26	0.33
	早熟禾 P. annua	0.19	0.10	0.04	0.10	0.05	0.22	0.07	0.15
	火绒草 L. leontopodioides	0.01	0.03	0.84	0.38	0.60	0.27	0.46	0.29
	洽草 K. macrantha	0.09	0.03	0.29	0.04	0.30	0.08	0.28	0.03
	香藜 D. botrys	0.02	0.03	0.01	0.21	0.01	0.04	0.12	0.03
	披碱草 E. dahuricus	/	0.10	/	0.04	/	0.09	/	0.13
	紫花针茅 S. purpurea	0.22	0.01	0.01	0.02	0.05	0.01	0.02	0.01
	肉果草 L. tibetica	0.02	0.01	0.04	0.06	0.02	0.08	0.02	0.06
	藏蒿草 Carex tibetikobresia	/	0.03	/	0.03	/	0.03	/	0.03
NR	洽草 K. macrantha	0.05	0.16	0.16	0.24	0.08	0.19	0.12	0.55
	早熟禾 P. annua	0.10	0.09	0.13	0.22	0.07	0.14	0.24	0.22
	藏三毛 Trisetum spicatum subsp. tibeticum	0.16	0.10	0.28	0.26	0.24	0.30	0.27	0.39
	肉果草 L. tibetica	0.01	0.01	0.24	0.06	0.19	0.08	0.10	0.02
	二裂委陵菜 P. bifurca	0.02	0.04	0.01	0.09	0.04	0.09	0.02	0.11
	火绒草 L. leontopodioides	0.02	0.02	0.03	0.04	0.05	0.05	0.02	0.01
	狗娃花 A. hispidus	0.03	0.05	1.00	0.09	0.02	0.26	0.01	0.08
	藏豆 S. tibetica	0.03	0.05	0.27	0.34	0.41	0.28	0.37	0.29
	马先蒿 Pedicularis tibetica	0.00	/	0.03	/	0.02	/	0.00	/
	青藏苔草 C. thibetica	0.04	0.06	0.03	0.12	0.01	0.16	0.04	0.09
	香藜 D. botrys	0.01	/	0.03	/	0.07	/	0.01	/
S	披碱草 E. dahuricus	0.20	0.16	0.43	0.20	0.56	0.20	0.48	0.32
	藏豆 S. tibetica	0.02	0.03	0.25	0.08	0.09	0.11	0.04	0.05
	早熟禾 P. annua	0.12	0.14	0.32	0.62	0.35	0.51	0.37	0.52
	藏三毛 T. spicatum subsp. tibeticum	0.05	/	0.25	/	0.10	/	0.39	/
	二裂委陵菜 P. bifurca	/	0.02	/	0.20	/	0.32	/	0.19
TS	披碱草 E. dahuricus	0.33	0.33	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00

表2 短期增温后不同处理植物种群与特征值的变化

Table 2 Changes in plant populations and eigenvalues in different treatments after short-term warming

处理 Treatment	植物种类名称 Species name	相对高度 Relative height		相对密度 Relative density		相对盖度 Relative coverage		相对地上生物量 Relative aboveground biomass
处理 Treatment	植物种类名称 Species name	不增温 NO-OTC	增温 OTC	不增温 NO-OTC	增温 OTC	不增温 NO-OTC	增温 OTC	不增温 NO-OTC	增温 OTC
CK	丝颖针茅 Stipa capillacea	0.20	/	0.02	/	0.15	/	0.25	/
	二裂委陵菜 P. bifurca	0.04	0.05	0.15	0.20	0.15	0.15	0.11	0.16
	藏豆 S. tibetica	0.07	0.05	0.21	0.17	0.25	0.29	0.26	0.33
	早熟禾 P. annua	0.19	0.10	0.04	0.10	0.05	0.22	0.07	0.15
	火绒草 L. leontopodioides	0.01	0.03	0.84	0.38	0.60	0.27	0.46	0.29
	洽草 K. macrantha	0.09	0.03	0.29	0.04	0.30	0.08	0.28	0.03
	香藜 D. botrys	0.02	0.03	0.01	0.21	0.01	0.04	0.12	0.03
	披碱草 E. dahuricus	/	0.10	/	0.04	/	0.09	/	0.13
	紫花针茅 S. purpurea	0.22	0.01	0.01	0.02	0.05	0.01	0.02	0.01
	肉果草 L. tibetica	0.02	0.01	0.04	0.06	0.02	0.08	0.02	0.06
	藏蒿草 Carex tibetikobresia	/	0.03	/	0.03	/	0.03	/	0.03
NR	洽草 K. macrantha	0.05	0.16	0.16	0.24	0.08	0.19	0.12	0.55
	早熟禾 P. annua	0.10	0.09	0.13	0.22	0.07	0.14	0.24	0.22
	藏三毛 Trisetum spicatum subsp. tibeticum	0.16	0.10	0.28	0.26	0.24	0.30	0.27	0.39
	肉果草 L. tibetica	0.01	0.01	0.24	0.06	0.19	0.08	0.10	0.02
	二裂委陵菜 P. bifurca	0.02	0.04	0.01	0.09	0.04	0.09	0.02	0.11
	火绒草 L. leontopodioides	0.02	0.02	0.03	0.04	0.05	0.05	0.02	0.01
	狗娃花 A. hispidus	0.03	0.05	1.00	0.09	0.02	0.26	0.01	0.08
	藏豆 S. tibetica	0.03	0.05	0.27	0.34	0.41	0.28	0.37	0.29
	马先蒿 Pedicularis tibetica	0.00	/	0.03	/	0.02	/	0.00	/
	青藏苔草 C. thibetica	0.04	0.06	0.03	0.12	0.01	0.16	0.04	0.09
	香藜 D. botrys	0.01	/	0.03	/	0.07	/	0.01	/
S	披碱草 E. dahuricus	0.20	0.16	0.43	0.20	0.56	0.20	0.48	0.32
	藏豆 S. tibetica	0.02	0.03	0.25	0.08	0.09	0.11	0.04	0.05
	早熟禾 P. annua	0.12	0.14	0.32	0.62	0.35	0.51	0.37	0.52
	藏三毛 T. spicatum subsp. tibeticum	0.05	/	0.25	/	0.10	/	0.39	/
	二裂委陵菜 P. bifurca	/	0.02	/	0.20	/	0.32	/	0.19
TS	披碱草 E. dahuricus	0.33	0.33	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00	1.00

图4 短期增温后不同处理下植物盖度、高度的变化ns表示同一修复措施的不增温和增温之间无显著性差异； *表示同一修复措施的不增温和增温之间有显著性差异（P<0.05）；不同小写字母表示在不增温处理下的不同修复措施之间存在显著性差异（P<0.05）；不同大写字母表示在增温处理下的不同修复措施之间存在显著性差异（P<0.05），下同。ns indicates that there is no significant difference between non-warming and warming of the same restoration measure； * indicates that there is a significant difference （P<0.05） between non-warming and warming of the same restoration measure； Different lower-case letters indicate that there is a significant difference （P<0.05） among different restoration measures under the non-warming treatment； Different upper-case letters indicate that there is a significant different （P<0.05） among different restoration measures under the warming treatment， the same below.

Fig.4 Changes in plant coverage and height under different treatments after short-term warming

表3 修复措施和增温对群落盖度、高度的双因素方差分析

Table 3 Two-factor ANOVA of the effects of restoration measures and warming on community coverage and height

影响因子

Impact factor

修复措施

Restoration measures

增温

OTC

修复措施×增温

Restoration measures×OTC

表4 短期增温后不同处理生物量的变化

Table 4 Changes in biomass of different treatments after short-term warming （g·m-2）

处理 Treatment		不同功能群地上生物量 Aboveground biomass of different functional groups		总地上生物量 Total aboveground biomass		地下生物量 Below-ground biomass
处理 Treatment		不增温NO-OTC	增温OTC	不增温NO-OTC	增温OTC	不增温NO-OTC	增温OTC
CK	禾草Grass	26.27±17.79e	19.40±12.87d	81.39±23.89c	78.72±0.87c	223.67±88.64ab	290.00±94.12a
	豆科Legume	23.09±20.51a	23.25±5.60a
	杂草Forb	32.03±3.45a	36.07±9.41a
NR	禾草Grass	41.39±4.89e	40.80±4.64de	87.37±16.46c	94.88±4.78bc	368.67±65.62a	293.67±32.72b
	豆科Legume	31.65±14.36a	32.21±4.87a
	杂草Forb	14.33±3.07b	21.87±4.73a
S	禾草Grass	110.40±7.32c	94.21±11.92cd	113.55±8.32c	113.61±17.92c	389.33±62.66a	269.00±84.50b
	豆科Legume	3.15±1.46a	3.89±1.22a
	杂草Forb	/	15.51±3.79
TS	禾草Grass	879.08±69.68a	800.81±37.40b	879.08±69.68a	800.81±37.40b	567.33±162.72c	272.33±97.09d
	豆科Legume	/	/
	杂草Forb	/	/

图5 不增温（a）、增温（b）处理群落结构的变化

Fig.5 Changes in community structure in no warming （a） and warming （b） treatments

图6 短期增温后不同处理下地下生物量/地上生物量的变化

Fig.6 Changes in below-ground biomass/above-ground biomass （B/A） under different treatments after short-term warming

表5 修复措施和增温对生物量的双因素方差分析

Table 5 Two-way ANOVA of biomass by restoration measures and warming

影响因子Impact factor	修复措施Restoration measures	增温OTC	修复措施×增温Restoration measures×OTC
总地上生物量Total aboveground biomass	29.077**	1.892*	4.047*
总地下生物量Total below-ground biomass	1.938	4.267*	2.787**
禾草地上生物量Grass aboveground biomass	106.992**	3.553*	2.566
豆科地上生物量Legume aboveground biomass	1.689	0.051	0.343
杂草地上生物量Forb aboveground biomass	17.432**	2.480	1.124*

图7 禾草（a）、豆科（b）和杂草（c）在短期增温后不同处理下重要值的变化

Fig.7 Changes in importance values of grasses （a）， legumes （b） and forbs （c） under different treatments after short-term warming

图8 短期增温后不同处理下物种多样性指数的变化

Fig.8 Changes in species diversity indices under different treatments after short-term warming

表6 修复措施和增温对物种多样性的双因素方差分析

Table 6 Two-way ANOVA of species diversity by restoration measures and warming

影响因子Impact factor	修复措施Restoration measures	增温OTC	修复措施×增温Restoration measures×OTC
物种丰富度指数Species richness index	19.320**	0.082	0.354
香农-威纳指数Shannon-Wiener index	45.297**	0.402	0.492
辛普森指数Simpson index	82.105**	0.398	0.917
Pielou指数Pielou index	64.213**	0.521	1.654*

图9 不增温（a）、增温（b）条件下群落特征、生物量、物种多样性指数的相关性分析*表示相关性显著（P<0.05）， **表示相关性极显著（P<0.01）。* denotes significant correlation （P<0.05）， ** denotes extremely significant correlation （P<0.01）. A：地上生物量Above-ground biomass； B：地下生物量Below-ground biomass； S：物种丰富度指数Species richness index； H：香农-威纳指数Shannon-Wiener index； D：辛普森指数Simpson index； EP： Pielou指数Pielou index； GV：禾草重要值Grass importance value； LV：豆科重要值Legume importance value； FV：杂草重要值Forb importance value； CC：群落盖度Community coverage； CH：群落高度Community height.

Fig.9 Correlation analysis of community characteristics， biomass， and species diversity index under no warming （a） and warming （b） conditions

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短期增温对修复过程中藏北高寒退化草地生产力的初期影响

Initial effects of short-term warming on the productivity of alpine degraded grassland in northern Tibet during the restoration process

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