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青藏高原东部发育着我国面积最大的高寒沼泽湿地生态系统，是地球上最大的碳库之一，也是黄河重要水源补给区，提供着多种生态系统服务。然而，由于过度放牧和全球气候变化，大面积的高寒沼泽经历了严重退化，如何修复退化的生态系统是备受关注的问题。
在外部环境压力和系统内部的正反馈共同推动下会使生态系统跨越临界点，转变为另一种很难逆转的状态，这种现象可以用系统多稳态理论（Alternative stable states）来解释。数学模型强调，系统自我强化的正反馈对维持生态系统多稳态至关重要。越来越多的证据表明，许多生态系统都会呈现出多个稳态，然而，多稳态的识别和正反馈的量化是前沿且尚未解答的科学问题。 植物水分利用效率是土壤水分和二氧化碳交换的预测因子，它直接反映了植物对土壤水分的吸收。土壤水分的变化也会通过蒸汽压差和气孔导度影响植物水分利用效率。尽管植物水分利用效率在改变土壤水分环境中起着重要作用，但其与土壤水分之间的反馈作为解释生态系统稳态维持和转变的关键机制却鲜有提及。
基于以上科学问题，兰州大学马妙君课题组在青藏高原东部高寒沼泽湿地生态系统进行了大尺度野外取样（156 个样点），包括植物群落、气候因子、土壤环境因子，以及植物生理特征，旨在回答青藏高原东部高寒沼泽生态系统是否表现出多种稳态，维持多稳态的潜在正反馈机制是什么
研究者首先通过频度分析，发现高寒沼泽湿地植物群落组成呈三峰分布，根据其特征确定了三种不同的潜在状态：高寒沼泽、退化状态1和2（图1）。系统状态的多峰分布可以由多峰的环境驱动因素（如降水、土壤水分和土壤pH）引起，但即使在去除环境驱动力的影响后，三个稳态仍然存在（图1c）。研究者进一步通过势分析（稳定景观，图2）和N维超体积分析（图3），同时发现在青藏高原东部的高寒沼泽生态系统中存在高寒沼泽，退化状态1和退化状态2三个稳态，他们在一定的环境梯度上可以两两共存或同时存在。基于以上多种数据分析方法，研究者充分证明了青藏高原东部的高寒沼泽湿地生态系统中多稳态的存在。
图1. 植物群落物种组成的频度分布与分段回归模型
图2. 环境胁迫空间下植物群落组成的稳定景观
图3. 高寒沼泽生态系统三个稳态的环境超体积（图中给出了环境胁迫空间的三个轴）
图4. 三个稳态植物群落水平的水分利用效率(WUE的CWM)，及群落水平的水分利用效率，碳同化速率和蒸腾速率的分段回归
图5. 非递归结构方程模型描述土壤水分、湿生植物相对丰度、植物群落组成，以及群落水平水分利用效率之间反馈机制
图6. 高寒沼泽退化梯度上植物-土壤水分正反馈维持生态系统多稳态的示意图
该研究结果揭示了高寒沼泽生湿地态系统维持多稳态的正反馈机制，并强调了植物在稳态转换中的驱动作用。研究提出，选择性地增加高水分利用效率植物的丰度有助于降低高寒沼泽灾难性转变的风险，并打破/逆转维持退化状态系统稳定的反馈环路。该研究对人类活动和全球变化背景下的沼泽生态系统保护和修复具有重要科学意义。
以上研究结果以“Plant-soil moisture positive feedback maintaining alternativestable states in the alpine marsh ecosystem”为题，于2024年10月2日在线发表在国际著名生态学期刊 Ecology Letters 上。
该研究依托甘肃甘南草原生态系统国家野外科学观测研究站开展，兰州大学生态学院、草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室马妙君教授为该论文通讯作者，兰州大学生态学院2021级博士胡国瑞为该论文的第一作者，实验室白浩楠，赵赟鹏，兰州大学陈宁教授，青海大学李宏林副教授，实验室毛赫、郭增鹏、盛雄杰、张辉、安航、张盘红、张振宽，及孙胤光为该论文的共同作者。
该研究工作获得国家自然科学基金项目（32171681，31922062），甘肃省基础研究创新群体项目（22JR5RA390），以及中央高校基本科研业务费专项资金(lzujbky-2024-oy07)的资助。
内容来源：甘南草原国家站
