一种精确模拟草地土壤种子库对土壤增温响应的方法

摘要

一种精确模拟草地土壤种子库对土壤增温响应的方法，涉及一种模拟土壤种子库对土壤增温响应的方法。是要解决传统的加热管方法土壤温度变化不均匀，不容易稳定，不能够精确定量增温幅度的问题。方法：一、土壤种子库的取样；二、萌发器皿打孔；三、萌发器皿孔的保护；四、碳纤维发热电缆的布设；五、培养基质的装入；六、温度探头的埋置；七、发热电缆和温度探头的连接；八、增温幅度的设置；九、土壤种子库样品的铺开；十、常规浇水管理。本发明工具简单、操作方便、效果显著，能够精确地增加土壤温度幅度，达到温度后自动断电。本发明用于模拟土壤种子库对土壤增温响应。

说明书

技术领域

本发明涉及一种模拟土壤种子库对土壤增温响应的方法。

背景技术

全球变化的研究已经成为带动地球科学以及相关学科研究的学科前沿论题，一直受到 学术界的高度关注。IPCC报告(2013)指出，近150年全球气温平均上升了0.76℃，并以每 10年上升0.2℃的速度变化。目前开展的生态系统对全球变化的响应与适应的研究，多是基 于《哥本哈根协议》提出的气温2℃增温阈值，但多注重气温的变化的影响，对土壤增温与 气温增温的幅度存在着差异研究不够。美国境内292个地点的研究结果表明，气温每10年上 升0.11℃，10cm处地温每10年上升0.32℃。我们对大安碱地生态试验站的十多年的气象数据 表明，最高地温和最高气温的关系为y＝0.7536x-2.7626，R²＝0.9677，即最高气温每升高1℃， 地温将会增加1.33℃。目前，气候变化下草地生态系统恢复和管理研究，多基于草地地上 植物对全球变化的响应特征开展，但气候变化下土壤种子库的响应及对植被重建的反馈作 用被忽视。

土壤种子库是指存在于土壤上层凋落物和土壤中全部活的种子，种子库时期是植物 种群生活史的重要阶段，是植物群落更新演替、濒危物种遗传多样性保护及植被恢复的 重要手段。土壤种子库受气候变暖影响最为显著的部分；对保持种群和群落稳定性具有 重要作用，其休眠和萌发对植被动态的影响至关重要。温度不仅会影响休眠种子的休眠 水平和萌发速度，而且可能会影响子代种子的成熟时间和幼苗的建成。休眠减少和萌发 增加之间的关系为未来气温增加对土壤种子库动态影响提供了潜在的基础；直接影响种 子库的持久性和植被组成。因此，开展全球变化下草地土壤种子库响应机制研究，对评 估气候变化下草原生态系统植被演替方向，预测未来植被更新趋势和灭绝风险，提高草 地系统全球变化下的适应性恢复管理具有重要的意义。但目前增温对土壤种子库的研究 还未全面开展，仅限于零星的研究，尤其缺少能够精确控制土壤增温幅度温度的方法。

发明内容

本发明是要解决传统的加热管方法土壤温度变化不均匀，不容易稳定，不能够精确定 量增温幅度的问题，提供一种精确模拟草地土壤种子库对土壤增温响应的方法，为全球气 温升高对草地生态系统土壤种子库的影响的科学研究提供基础。

本发明精确模拟草地土壤种子库对土壤增温响应的方法，按照以下步骤进行：

一、土壤种子库的取样：在选定的草地样地内，根据实验目的选择采样点，使用直径 为3-10cm的根钻或者用土壤铲挖取边长为5-20cm、深度为5-30cm的土体，或者挖取直 径为5-20cm、深度为5-30cm的土柱，将3-20个土柱或者土体充分混合，作为一次重复， 共取5-10次重复，并对土壤样品进行清理；

二、萌发器皿打孔：选取圆柱形花盆或者圆台形花盆，在距离花盆上端口7cm处用 记号笔标记为第一点，距第一点水平距离3cm处标记第二点，在花盆上与第一点和第二 点对称的另一侧，于对称位置标记第三点和第四点，分别用电钻或者螺丝刀在四个点打孔， 孔径为0.5cm；

三、萌发器皿孔的保护：在萌发器皿的第一点和第二点的正上方和正下方分别粘上宽 1cm长5cm的塑料胶带，防止穿电缆时塑料器皿撕裂，在第三点和第四点的上下也进行 同样的处理；

四、碳纤维发热电缆的布设：将两根碳纤维发热电缆分别从萌发器皿的两侧对称的孔 内穿出，即一根电缆横穿第一点和第三点，另一根电缆横穿第二点和第四点，依次串联 10-40个萌发器皿，在温室或者实验室内将所有串联的萌发器皿一字排开，或者并列为等 长的两排放置，作为第一增温处理组；同样的方法串联另外的10-40个萌发器皿，作为第 二增温处理组；每个增温处理组均设不增温对照组，即不增温对照组不布设发热电缆，不 增温对照组的萌发器皿个数与增温处理组相同；

五、培养基质的装入：以河沙或河沙与蛭石组成的混合物作为培养基质，将河沙或混 合物装入每个萌发器皿中，河沙或混合物的高度不超过萌发器皿上孔的高度；

六、温度探头的埋置：取两个温度探头，将一个放在第一增温处理组的萌发器皿的沙 上面，另一个放入不增温对照组的萌发器皿的沙上面；同样，再取两个温度探头，将一个 放在第二增温处理组的萌发器皿的沙上面，另一个放入不增温对照组的萌发器皿的沙上 面；

七、发热电缆和温度探头的连接：将发热电缆的一端接入到温差控制器设备，另外一 端连接220V的交流电源，并将温度探头的电线接入温差控制器；

八、增温幅度的设置：第一增温处理组的温度比不增温对照组增温2-3℃，第二增温 处理组的温度比不增温对照组增温3-5℃；

九、土壤种子库样品的铺开：将步骤一得到的土壤种子库的土壤样品平铺在每个萌发 器皿的表面，土壤样品的厚度为1-2cm；

十、常规浇水管理：对所有萌发器皿进行常规浇水管理，培养3-5个月，记录出苗的 物种和幼苗的个数，测定生理指标，比较两种增温幅度对土壤种子库的物种组成和未来植 被变化的影响。

步骤一中对土壤样品进行清理是将土壤样品中的植物根茎、石块等杂质去除。

步骤二中圆柱形花盆的尺寸为：直径20-25cm，高18-20cm。

步骤二中圆台形花盆的尺寸为：上端口直径20-25cm，底端直径15-20cm，高18-20cm。

步骤五中河沙在使用前需要烘干，河沙的烘干方法为：将河沙过1cm的筛子，自来 水冲洗5-8遍，然后用蒸馏水润洗两遍，再在100℃烘箱内烘干48小时，备用。

本发明的有益效果：

本发明有效避免了传统的加热管方法持续对空气温度加热，土壤温度变化不均匀，不 容易稳定，且不能够精确定量增温幅度的弊端。本发明工具简单、操作方便、效果显著， 能够精确地增加土壤温度幅度，达到温度后自动断电。极好地模拟了全球增温对土壤种子 库影响，为更好的预测全球变化对未来植被的影响提供了准确的数据。

附图说明

图1为实施例1中打孔后的圆台形花盆示意图；

图2为图1中打孔部位的局部放大图；

图3为实施例1中萌发器皿的摆放方式示意图；其中1为圆台形花盆，2为发热电缆。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任 意组合。

具体实施方式一：本实施方式精确模拟草地土壤种子库对土壤增温响应的方法，按照 以下步骤进行：

一、土壤种子库的取样：在选定的草地样地内，选择采样点，挖取边长为5-20cm、 深度为5-30cm的土体，或者挖取直径为5-20cm、深度为5-30cm的土柱，将3-20个土柱 或者土体充分混合，作为一次重复，共取5-10次重复，并对土壤样品进行清理；

二、萌发器皿打孔：选取圆柱形花盆或者圆台形花盆，在距离花盆上端口7cm处用 记号笔标记为第一点，距第一点水平距离3cm处标记第二点，在花盆上与第一点和第二 点对称的另一侧，于对称位置标记第三点和第四点，在四个点打孔；

三、萌发器皿孔的保护：在萌发器皿的第一点和第二点的正上方和正下方分别粘上宽 1cm长5cm的塑料胶带，在第三点和第四点的上下也进行同样的处理；

四、碳纤维发热电缆的布设：将两根碳纤维发热电缆分别从萌发器皿的两侧对称的孔 内穿出，即一根电缆横穿第一点和第三点，另一根电缆横穿第二点和第四点，依次串联 10-40个萌发器皿，将所有串联的萌发器皿一字排开，或者并列为等长的两排放置，作为 第一增温处理组；同样的方法串联另外的10-40个萌发器皿，作为第二增温处理组；每个 增温处理组均设不增温对照组，即不增温对照组不布设发热电缆，不增温对照组的萌发器 皿个数与增温处理组相同；

五、培养基质的装入：以河沙或河沙与蛭石组成的混合物作为培养基质，将河沙或混 合物装入每个萌发器皿中，河沙或混合物的高度不超过萌发器皿上孔的高度；

六、温度探头的埋置：取两个温度探头，将一个放在第一增温处理组的萌发器皿的沙 上面，另一个放入不增温对照组的萌发器皿的沙上面；同样，再取两个温度探头，将一个 放在第二增温处理组的萌发器皿的沙上面，另一个放入不增温对照组的萌发器皿的沙上 面；

七、发热电缆和温度探头的连接：将发热电缆的一端接入到温差控制器设备，另外一 端连接220V的交流电源，并将温度探头的电线接入温差控制器；

八、增温幅度的设置：第一增温处理组的温度比不增温对照组增温2-3℃第二增温处 理组的温度比不增温对照组增温3-5℃；

九、土壤种子库样品的铺开：将步骤一得到的土壤种子库的土壤样品平铺在每个萌发 器皿的表面；

十、常规浇水管理：对所有萌发器皿进行常规浇水管理，培养3-5个月，记录出苗的 物种和幼苗的个数，测定生理指标，比较两种增温幅度对土壤种子库的物种组成和未来植 被变化的影响。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中对土壤样品进 行清理是将土壤样品中的植物根茎和石块杂质去除。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中圆柱形花 盆的尺寸为：直径20-25cm，高18-20cm。其它与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤二中圆台形花 盆的尺寸为：上端口直径20-25cm，底端直径15-20cm，高18-20cm。其它与具体实施方 式一或二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤二中打孔 的孔径为0.5cm。其它与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤五中河沙 与蛭石组成的混合物中河沙和蛭石的质量比为1:1。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：步骤五中河沙 在使用前需要烘干，河沙的烘干方法为：将河沙过1cm的筛子，自来水冲洗5-8遍，然 后用蒸馏水润洗两遍，再在100℃烘箱内烘干48小时，备用。其它与具体实施方式一至 六之一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤九中平铺 在萌发器皿的表面土壤样品的厚度为1-2cm。其它与具体实施方式一至七之一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：步骤十中生长 指标是指物种组成、个体数量、株高、分蘖或生物量。其它与具体实施方式一至八之一相 同。

为验证本发明的有益效果进行以下试验：

实施例1：

本实施例精确模拟草地土壤种子库对土壤增温响应的方法，按照以下步骤进行：

一、于2015年5月份在松嫩平原盐碱化草地中的虎尾草群落和碱茅群落分别取了直 径为5cm深度为5cm的土柱，将同一群落的3个土柱均匀混合作为一次重复，共取5次 重复，即虎尾草群落和碱茅群落各自取15个土柱，并对土壤样品进行清理，将土壤中大 的石块和植物根茎等拣出，备用。

二、萌发器皿的选择：选取圆台形花盆，圆台形花盆的尺寸为：上端口直径21cm， 底端直径15cm，高18.5cm。

三、打孔位置的标记和保护：在距离花盆上端口7cm处用记号笔标记为第一点，距 第一点水平距离3cm处标记第二点，在花盆上与第一点和第二点对称的另一侧，于对称 位置标记第三点和第四点，用电钻在四个点打孔，孔径为0.5cm；

在萌发器皿的第一点和第二点的正上方和正下方分别粘上宽1cm长5cm的结实的塑 料胶带，防止穿电缆时塑料器皿撕裂，在第三点和第四点的上下也进行同样的处理；如图 1所示，图中1为孔，2为塑料胶带。图1中打孔部位的局部放大图如图2所示，图中1 为孔，2为塑料胶带。

四、碳纤维发热电缆的布设：将两根碳纤维发热电缆分别从萌发器皿的两侧对称的孔 内穿出，即一根电缆横穿第一点和第三点，另一根电缆横穿第二点和第四点，依次串联 20个萌发器皿，将所有串联的萌发器皿并列为等长的两排放置，如图3所示，作为第一 增温处理组；同样的方法串联另外的20个萌发器皿，作为第二增温处理组；每个增温处 理组均设不增温对照组，即不布设发热电缆的萌发器皿个数为20个；

五、培养基质的装入：以河沙作为培养基质，将河沙装入每个萌发器皿中，河沙的高 度不超过萌发器皿上孔的高度；河沙在使用前需要烘干，河沙的烘干方法为：将河沙过 1cm的筛子，自来水冲洗5遍，然后用蒸馏水润洗两遍，再在100℃烘箱内烘干48小时， 备用。

六、温度探头的埋置：取两个温度探头，将一个放在第一增温处理组的萌发器皿的沙 上面，另一个放入不增温对照组的萌发器皿的沙上面；同样，再取两个温度探头，将一个 放在第二增温处理组的萌发器皿的沙上面，另一个放入不增温对照组的萌发器皿的沙上 面；

七、发热电缆和温度探头的连接：将发热电缆的一端接入到温差控制器设备，另外一 端连接220V的交流电源，并将温度探头的电线接入温差控制器；

八、增温幅度的设置：第一增温处理组的温度比不增温对照组增温2℃，第二增温处 理组的温度比不增温对照组增温5℃；

九、土壤种子库样品的铺开：将步骤一得到的虎尾草群落土壤种子库的土壤样品平铺 在第一增温处理组及其不增温对照组的每个萌发器皿的表面；将步骤一得到的碱茅群落土 壤种子库的土壤样品平铺在第二增温处理组及其不增温对照组的每个萌发器皿的表面；平 铺在萌发器皿的表面土壤样品的厚度为1cm。

十、常规浇水管理：对所有萌发器皿进行常规浇水管理，培养5个月，记录出苗的物 种和幼苗的个数，测定生理指标，比较两种增温幅度对土壤种子库的物种组成和未来植被 变化的影响。

实验结果分析：

(1)虎尾草群落取的土壤种子库增温和不增温的差异：在不增温对照组，在虎尾草 群落取样的土壤种子库中发现了6个物种，共有植株33株；总的生物量(干重)为 31.74g/m²；发现虎尾草2株，平均株高为3.5cm。而在第一增温处理组中，发现了7个物 种，且有3个物种是对照组中没有出现的；共萌发植株20株，总的生物量为33.97g/m²； 发现虎尾草为3株，平均株高为5.1cm。

(2)碱茅群落取的土壤种子库增温和不增温的差异：在不增温对照组，在碱茅群落 取样的土壤种子库中发现了6个物种，共有植株103株；总的生物量(干重)为23.26g/m²； 发现碱茅92株，平均株高为6.0cm。而在第二增温处理组中发现了4个物种，比对照处 理少3个物种，其中1个物种是对照处理中没有出现的；共萌发植株92株，总的生物量 为11.08g/m²；发现碱茅为83株，平均株高为5.1cm。

从以上结果可以看出，增温处理之后，不同群落之间的土壤种子库中萌发的物种、 以及优势物种的出苗和株高等方面均存在着明显的差异。