原文以Drought- and heat-induced shifts in vegetation composition impact biomass production and water use of alpine grasslands 為標(biāo)題發(fā)表在2020年的《Environmental and Experimental Botany》上。
作者 | Elena Tello-García等
翻譯 | 子毅、祝介東、王軍
氣候模型預(yù)測(cè)，高山草原生態(tài)系統(tǒng)的干旱事件將會(huì)更加頻發(fā)。降水格局的改變和全球變暖所導(dǎo)致的蒸散量增加是其主要原因。
預(yù)計(jì)，該生態(tài)系統(tǒng)的群落組成將會(huì)根據(jù)土壤水分含量和潛在蒸發(fā)散的變化而進(jìn)行調(diào)整。植物在生理策略方面的差異和種間競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系可能會(huì)優(yōu)化整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率。
主要發(fā)現(xiàn)
● 干旱的影響力僅在土壤水勢(shì)接近PWP時(shí)才得以體現(xiàn)；
● 嚴(yán)重干旱后，豆類(lèi)和草類(lèi)植物對(duì)再潤(rùn)濕的生理響應(yīng)不同；
● 群落物種組成的轉(zhuǎn)變提高了高山草原生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率。
干旱和增溫控制實(shí)驗(yàn)表明，僅在最強(qiáng)等級(jí)的干旱處理?xiàng)l件下，例如，當(dāng)土壤水勢(shì)達(dá)到永久枯萎點(diǎn)時(shí)，生態(tài)系統(tǒng)蒸發(fā)散和生物量才會(huì)減少。
在植物功能組水平上，葉片氣孔計(jì)的測(cè)量數(shù)據(jù)表明，在干旱事件中，豆類(lèi)和草類(lèi)植物的蒸騰作用下降程度類(lèi)似，但在再濕潤(rùn)階段，它們之間存在明顯差異。
豆類(lèi)植物在再濕潤(rùn)階段恢復(fù)速度慢，而草類(lèi)植物則能很快復(fù)原，蒸騰作用顯著提高，生物量甚至可以超過(guò)沒(méi)有經(jīng)歷干旱的實(shí)驗(yàn)處理。物種之間的這種差異導(dǎo)致了群落組成發(fā)生了變化：從豆類(lèi)向草類(lèi)植物的轉(zhuǎn)變。
干旱所引發(fā)的高山草原生態(tài)系統(tǒng)物種組成的此消彼長(zhǎng)，提高了該生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率。
在該項(xiàng)研究中，科學(xué)家們使用METER公司制造的“智慧型”高精度蒸滲儀Smart Field Lysimeter，在群落以及植物功能組水平上，研究了高山草原生態(tài)系統(tǒng)對(duì)干旱和高溫的響應(yīng)。
圖1 智慧型高精度蒸滲儀Smart Field Lysimeter
該新型蒸滲儀具備以下特點(diǎn)：
具“雙向泵”的土壤水勢(shì)控制系統(tǒng)
傳統(tǒng)蒸滲儀內(nèi)部土壤很容易積水或變干，從而和自然狀態(tài)下土壤的水分狀況存在顯著差異，這影響了采集數(shù)據(jù)的代表性和可靠性。METER公司的這款“智慧型”蒸滲儀，由原德國(guó)UMS公司研發(fā)，具“雙向泵”組件，可精準(zhǔn)調(diào)控蒸滲儀內(nèi)外的土壤水勢(shì)保持一致。
這一系統(tǒng)由以下三部分構(gòu)成：（1）蒸滲儀底部水勢(shì)測(cè)量組件；（2）同水平自然土壤水勢(shì)測(cè)量組件；（3）“雙向泵”控制組件。
該系統(tǒng)會(huì)定時(shí)對(duì)比蒸滲儀底部和同深度自然土壤的水勢(shì)數(shù)據(jù)：如果蒸滲儀內(nèi)部土壤水勢(shì)高，“雙向泵”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)抽水，使得蒸滲儀內(nèi)部的土壤水勢(shì)下降；反之“雙向泵”系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)供水，目標(biāo)是確保蒸滲儀內(nèi)部土壤水勢(shì)始終和和自然土壤的保持一致。研究表明，這顯著提高了蒸滲儀的數(shù)據(jù)質(zhì)量（Conall Ruth等，2017）。
圖2 具“雙向泵”的土壤水勢(shì)控制系統(tǒng)
“智能”排水功能
智慧型蒸滲儀的結(jié)構(gòu)分內(nèi)外兩層。在雨季，內(nèi)外桶之間夾層有可能存在積水，傳感器、精密天平等均處于內(nèi)外層之間，因此，確保該夾層中沒(méi)有積水至關(guān)重要。智慧型蒸滲儀自帶感應(yīng)模塊，一旦發(fā)生積水，外置泵立即自動(dòng)啟動(dòng)，將夾層中的積水排出。
圖3 帶“智能”排水功能的蒸滲儀
0.3g精度天平
智慧型蒸滲儀還配有Meter制造的高精度天平，以PL-50為例，精度為0.3g。這意味著，如果一滴雨的質(zhì)量是0.05g，那么6滴雨點(diǎn)落到蒸滲儀上所產(chǎn)生的質(zhì)量變化，智慧型蒸滲儀就可以把它測(cè)出來(lái)。
圖4 雨滴的下落
圖5 PL-50高精度（0.3g精度）天平
RS485通訊總線，
所有數(shù)據(jù)電纜匯成一根
雖然智慧型蒸滲儀配備多個(gè)傳感器：3個(gè)深度的土壤水分傳感器5TE、3個(gè)深度的土壤水勢(shì)傳感器TEROS21、蒸滲儀底部土壤水勢(shì)傳感器、夾層水分感知傳感器、高精天平傳感器等，但所有傳感器都匯聚在Distribution Box集線盒上，最終僅通過(guò)一根數(shù)據(jù)線纜和數(shù)采連接，盡可能減少了對(duì)測(cè)量稱(chēng)重的影響。
圖6 所有傳感器都匯聚在Distribution Box集線盒上
“一拖四”：一個(gè)數(shù)采控制四臺(tái)蒸滲儀
為了增強(qiáng)數(shù)據(jù)的代表性，實(shí)驗(yàn)往往需要設(shè)置重復(fù)。智慧型蒸滲儀可通過(guò)一個(gè)數(shù)采，同時(shí)連接、控制四臺(tái)蒸滲儀，接口即插即用，無(wú)需編程。
圖7 “一拖四”的設(shè)計(jì)
“云數(shù)據(jù)”：野外數(shù)據(jù)隨時(shí)查看
智慧型蒸滲儀配備無(wú)線通訊模塊，您可以隨時(shí)隨地登錄云端，查看儀器狀態(tài)、更改配置，查看和下載數(shù)據(jù)。
圖8 Data Taker數(shù)據(jù)管理界面
P.S. 最近，在青海玉樹(shù)，力高泰技術(shù)部協(xié)助中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院草原研究所的學(xué)者安裝了兩套智慧型高精度蒸滲儀SFL。這里是高寒草甸生態(tài)系統(tǒng)。這將幫助研究者深入了解該生態(tài)系統(tǒng)的水分利用效率。
