原文以Drought- and heat-induced shifts in vegetation composition impact biomass production and water use of alpine grasslands 為標題發(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
氣候模型預測，高山草原生態(tài)系統的干旱事件將會(huì )更加頻發(fā)。降水格局的改變和全球變暖所導致的蒸散量增加是其主要原因。
預計，該生態(tài)系統的群落組成將會(huì )根據土壤水分含量和潛在蒸發(fā)散的變化而進(jìn)行調整。植物在生理策略方面的差異和種間競爭關(guān)系可能會(huì )優(yōu)化整個(gè)生態(tài)系統的水分利用效率。
主要發(fā)現
● 干旱的影響力僅在土壤水勢接近PWP時(shí)才得以體現；
● 嚴重干旱后，豆類(lèi)和草類(lèi)植物對再潤濕的生理響應不同；
● 群落物種組成的轉變提高了高山草原生態(tài)系統的水分利用效率。
干旱和增溫控制實(shí)驗表明，僅在最強等級的干旱處理條件下，例如，當土壤水勢達到永久枯萎點(diǎn)時(shí)，生態(tài)系統蒸發(fā)散和生物量才會(huì )減少。
在植物功能組水平上，葉片氣孔計的測量數據表明，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，但在再濕潤階段，它們之間存在明顯差異。
豆類(lèi)植物在再濕潤階段恢復速度慢，而草類(lèi)植物則能很快復原，蒸騰作用顯著(zhù)提高，生物量甚至可以超過(guò)沒(méi)有經(jīng)歷干旱的實(shí)驗處理。物種之間的這種差異導致了群落組成發(fā)生了變化：從豆類(lèi)向草類(lèi)植物的轉變。
干旱所引發(fā)的高山草原生態(tài)系統物種組成的此消彼長(cháng)，提高了該生態(tài)系統的水分利用效率。
在該項研究中，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)系統對干旱和高溫的響應。
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”的土壤水勢控制系統
傳統蒸滲儀內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(zhù)差異，這影響了采集數據的代表性和可靠性。METER公司的這款“智慧型”蒸滲儀，由原德國UMS公司研發(fā)，具“雙向泵”組件，可精準調控蒸滲儀內外的土壤水勢保持一致。
這一系統由以下三部分構成：（1）蒸滲儀底部水勢測量組件；（2）同水平自然土壤水勢測量組件；（3）“雙向泵”控制組件。
該系統會(huì )定時(shí)對比蒸滲儀底部和同深度自然土壤的水勢數據：如果蒸滲儀內部土壤水勢高，“雙向泵”系統會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)抽水，使得蒸滲儀內部的土壤水勢下降；反之“雙向泵”系統會(huì )自動(dòng)啟動(dòng)供水，目標是確保蒸滲儀內部土壤水勢始終和和自然土壤的保持一致。研究表明，這顯著(zhù)提高了蒸滲儀的數據質(zhì)量（Conall Ruth等，2017）。
圖2 具“雙向泵”的土壤水勢控制系統
“智能”排水功能
智慧型蒸滲儀的結構分內外兩層。在雨季，內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(zhù)，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(xiàn)，
所有數據電纜匯成一根
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)深度的土壤水勢傳感器TEROS21、蒸滲儀底部土壤水勢傳感器、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(xiàn)盒上，最終僅通過(guò)一根數據線(xiàn)纜和數采連接，盡可能減少了對測量稱(chēng)重的影響。
圖6 所有傳感器都匯聚在Distribution Box集線(xiàn)盒上
“一拖四”：一個(gè)數采控制四臺蒸滲儀
為了增強數據的代表性，實(shí)驗往往需要設置重復。智慧型蒸滲儀可通過(guò)一個(gè)數采，同時(shí)連接、控制四臺蒸滲儀，接口即插即用，無(wú)需編程。
圖7 “一拖四”的設計
“云數據”：野外數據隨時(shí)查看
智慧型蒸滲儀配備無(wú)線(xiàn)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，查看和下載數據。
圖8 Data Taker數據管理界面
P.S. 最近，在青海玉樹(shù)，力高泰技術(shù)部協(xié)助中國農業(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。這將幫助研究者深入了解該生態(tài)系統的水分利用效率。
