科尔沁沙质草地植物群落对增温的响应

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00073

摘要/Abstract

摘要：

全球变暖对植物群落结构及其功能有重要影响。草地生态系统的植物群落对变暖响应极为敏感，但其响应却表现出极大的不确定性。本文通过开顶式气室（Open top chamber，OTC）模拟增温实验，系统研究了科尔沁沙质草地植物群落对增温的响应。结果表明：（1）增温使黄蒿（Artemisia scoparia）和糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）的比重分别显著增加了0.04和0.14，使狗尾草（Setaria viridis）的比重显著降低了0.12，改变了植物群落组成；（2）增温显著降低沙质草地植物物种丰富度、Simpson指数、Shannon-Wiener指数，且使植物群落、一年生和多年生草本植物的地上生物量分别显著减少22.71%、26.37%和20.10%；（3）增温改变沙质草地的关键类群和主要植物种间关系，使主要科植物间的相互作用减弱、连通性增加，导致植物群落结构稳定性下降；（4）沙质草地植物物种丰富度、Shannon-Wiener指数、生物量与土壤温度呈显著负相关，与土壤湿度呈显著正相关。总之，沙质草地植物群落对增温响应十分敏感，增温驱动的土壤水分及温度变化不仅降低了植物多样性，导致生物量下降，还会加剧沙质草地退化及其生态功能的下降。

关键词: 科尔沁沙质草地, 增温, 植物多样性, 生物量, 网络分析

Abstract:

Climate warming has important implications for plant community structure and function. Sandy grasslands are particularly vulnerable to global warming in arid and semi-arid regions. Here， we investigated the effects of experimental warming on plant communities in Horqin Sandy Land of Inner Mongolia， northern China. The results showed that experimental warming had significant impacts on plant community composition. Experimental warming caused a rapid increase in the proportion of Artemisia annua and Cleistogenes squarrosa， but a decrease in that of Setaria viridis. The warming significantly reduced species richness， Shannon-Wiener diversity index and Simpson diversity index， as well as the aboveground biomass of entire plant communities， annual and perennial herbs by 22.71%， 26.37% and 20.10%， respectively. Network complexity of plant communities decreased under warmed conditions. In conclusion， plant communities are very sensitive to global warming in Horqin sandy land. The declines in plant diversity and vegetation biomass caused by climate warming likely exacerbate the degradation of sandy grassland and the decline of ecological functions.

Key words: Horqin Sandy Land, warming, plant diversity, biomass, network analysis

中图分类号:

Q945

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图/表 9

图1 试验样地［22］和增温装置图

Fig.1 Diagram of the experimental design［22］ and passive open-top chamber （OTC）

表1 增温和对照处理下表层10 cm处的土壤温度和湿度

Table 1 Soil temperature and moisture at the surface 10 cm in open-top chamber （OTC）

处理	土壤温度/℃	土壤湿度/%
对照	14.59±0.31	1.62±0.06
增温	15.38±0.30	1.49±0.03

表2 增温（W）和对照（CK）处理下沙质草地植物群落物种重要值的变化

Table 2 Changes of important values of species at warming and control treatments of Horqin Sandy Land

科	种	生活型	重要值
科	种	生活型	对照	增温
菊科	黄蒿(Artemisia scoparia)	多年生草本	0.20±0.05	0.24±0.05^*
	大籽蒿(Artemisia sieversiana)	多年生草本	0.15±0.05	0.06±0.03
	艾蒿(Artemisia argyi)	多年生草本	—	0.02±0.01
禾本科	糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)	多年生草本	0.01±0.01	0.15±0.07^*
	狗尾草(Setaria viridis)	一年生草本	0.40±0.06	0.28±0.06^*
	白草(Pennisetum centrasiaticum)	多年生草本	0.02±0.01	0.02±0.01
	画眉(Eragrostis pilosa)	一年生草本	0.01±0.01	—
	芦苇(Phragmites australis)	多年生草本	0.08±0.05	—
藜科	雾冰藜(Bassia dasyphylla)	一年生草本	0.01±0.01	—
	猪毛菜(Salsola collina)	一年生草本	0.05±0.02	0.05±0.02
	虫实(Corispermum hyssopifolium)	一年生草本	—	0.03±0.02
蒺藜科	蒺藜(Tribulus terrester)	一年生草本	0.04±0.01	0.13±0.05
紫草科	砂引草(Tournefortia sibirica)	多年生草本	0.02±0.01	0.02±0.01
苋科	反枝苋(Amaranthus retroflexus)	一年生草本	0.01±0.01	—
马齿苋科	马齿苋(Portulaca oleracea)	一年生草本	0.01±0.01	—

图2 增温和对照处理下沙质草地植物群落非度量多维尺度排序（NMDS）

Fig.2 Non-metric multidimensional scaling （NMDS） plot indicating 2-dimensional of aboveground biomass of plant communities at warming and control treatments of Horqin Sandy Land

图3 增温和对照处理下沙质草地植物群落Simpson指数、Shannon-Wiener指数、物种丰富度指数和Pielou指数比较注：不同小写字母表示差异显著，P<0.05

Fig.3 The changes of Simpson's index， Shannon-Wiener index， species richness index and Pielou's index of plant community at warming and control treatments of Horqin Sandy Land

图4 增温和对照处理下沙质草地植物群落、主要科及不同生活型植物地上生物量比较注：不同小写字母表示差异显著，P<0.05

Fig.4 The plant biomass of community， major families and different life forms at warming and control treatments of Horqin Sandy Land

表3 增温和对照处理下沙质草地植物群落物种互作网络的拓扑性质

Table 3 Topological properties of species interaction networks at warming and control treatments of Horqin Sandy Land

处理	节点数	总连接数	平均连接度	聚集系数	连通性	模块化指数
对照	13	72	5.538	0.913	0.900	0.185
增温	10	44	4.400	0.978	1.002	0.056

图5 增温和对照处理下沙质草地植物群落共现模式的响应网络注：蓝线表示负相关关系，红线表示正相关关系；每个节点代表一个种，节点不同颜色代表不同科；节点大小按加权度的大小赋值，高值的点大，低值的点小；关键物种的节点已圈出；A SC-黄蒿(Artemisia scoparia)；A SI-大籽蒿(Artemisia sieversiana)；A AR-艾草(Artemisia argyi)；C SQ-糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)；S VI-狗尾草(Setaria viridis)；P FL-白草(Pennisetum centrasiaticum)；E PI-画眉(Eragrostis pilosa)；P AU-芦苇(Phragmites australis)；G DA-雾冰藜(Bassia dasyphylla)；K CO-猪毛菜(Salsola collina)；C HY-虫实(Corispermum hyssopifolium)；T TE-蒺藜(Tribulus terrester)；T SI-砂引草(Tournefortia sibirica)；A RE-反枝苋(Amaranthus retroflexus)；P OL-马齿苋(Portulaca oleracea)

Fig.5 Networks of plant communities' co-occurrence pattern at warming and control treatments of Horqin Sandy Land

图6 沙质草地植物物种丰富度、Simpson指数、Shannon-Wiener指数、Pielou指数和地上生物量与土壤温湿度的关系

Fig.6 Relationships between species richness， Simpson index， Shannon-Wiener index， Pielou index and aboveground biomass of plant community and soil temperature， moisture

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