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摘要：全球气候变化引起的降水格局变化对草地生态系统的结构和功能有着深刻的影响。然而，不同草原类型的植物多样性与生态系统功能之间的关系，特别是那些具有不同植物组成和优势物种的草原，仍然没有得到充分的理解。为了解决这一知识差距，在内蒙古荒漠草原的草本和灌木群落中进行了一项为期五年的降水实验操作。研究发现，降水增加显著提高了草本和灌木群落的地上生物量 （AGB）、地下生物量（BGB）和群落总生物量（CTB）。在草本群落中，降水增加导致地上和地下生物量不成比例地增加，支持最优分配假设。结构方程模型（SEM）进一步阐明了降水通过草本群落的物种丰富度和功能性状调节 AGB 和 CTB。在灌木群落中，降水通过影响物种丰富度和土壤含水量来影响 AGB、BGB 和 CTB。本研究强调了降水在塑造内蒙古荒漠草原草本和灌木群落生物量动力学和分配策略中的关键作用。这些发现为荒漠草原生态系统对持续气候变化的潜在反应提供了重要见解。
关键词：气候变化、群落生物量、生物量分配、草本和灌木群落、植物多样性
文 章 信 息
译名：降水诱导内蒙古草本和灌木群落生物量增加和差异分配
发表时间：2024年9月24日
期刊影响因子：8.2（2023）
第一单位: 中国科学院西北生态环境与资源研究所干旱区生态安全与可持续发展重点实验室
通讯单位: 中国科学院西北生态环境与资源研究所乌拉特荒漠草原研究站干旱区生态安全与可持续发展重点实验室
文 章 亮 点
1.降水增加显著提高了草本和灌木群落的地上生物量 （AGB）、地下生物量（BGB）和群落总生物量（CTB）
2.在草本群落中，降水增加导致地上和地下生物量不成比例地增加，支持最优分配假设。结构方程模型（SEM）进一步阐明了降水通过草本群落的物种丰富度和功能性状调节 AGB 和 CTB。
3.在灌木群落中，降水通过影响物种丰富度和土壤含水量来影响 AGB、BGB 和 CTB。
文 章 简 介
1.研究意义
全球气候变化导致的降水格局变化加剧了荒漠草原植被退化和灌木侵蚀，对区域生态系统功能和可持续发展构成严重威胁。然而，不同草原类型的植物多样性与生态系统功能之间的关系没有得到充分的理解。因此，在内蒙古自治区荒漠草原的草本和灌木群落中进行了为期五年的降水实验操作，为持续气候变化下这些生态系统的管理和保护提供了有价值的见解。2.研究方法
2.1试验地概括
在内蒙古西部乌拉特荒漠草原研究站(纬度106 ◦58′E，经度41 ◦ 25′N，海拔1720 m)进行了长期降水调节试验，研究其对群落结构 和功能的影响。研究区包括两个相邻的植物群落，相距600 m。草 本群落以针茅为主，全部由禾本科植物组成。灌木群落以红砂草为主，既有禾草也有灌木，只有红砂草是唯一的灌木。 研究区土壤按中国土壤分类体系划分为棕色和灰棕色荒漠土，含沙 11.6%，容重1.2 g/cm3。此外，自2010年以来，该地区已被排除在 放牧之外。年平均气温5.3 ◦C，年平均降水量145 mm, 70%发生在7 月和8月。2.2试验设计
2015年8月，开始了草本和灌木群落的人工降水实验。选择了两个相距600 m的群落，采用随机区组设计，6个重复，7个处理，每个群落共42个地块。处理包括增加和减少20%、40%和60%(- 20%、- 40%、- 60%、+ 20%、+ 40%、+ 60%)的降水，以及一个对照。样地间隔0.6 m，块间间隔4 m，每个样地占地16 m 2 (4 m×4m)， 在一个地点进行试验可以最大限度地减少潜在的混杂变量，如小气 候和当地生态因子。从2017年到2021年的每年8月，对草本和灌木群落进行植物调查和采样。在草本群落中，在每个样地内建立了1 ×1 m样方。在这些样方中，记录了 每种植物的个体数量，在60 ◦C下干燥48 h，并称重以估计AGB。随后，使用直径8厘米的土壤螺旋钻从每个样方中心0-20厘米深度提取根系样本，测量BGB。在灌木群落中，既有灌木也有禾本科植物，分别对每一种植物进行了评估。在没有灌木的地区，采用与草本群 落相同的方法调查草本植物的AGB和BGB。对于灌木，在每个 样地内建立4个×4 m样方，并利用基于灌木冠层面积和体积的模型估算AGB和BGB。3.研究结果
3.1降水变化对荒漠草原植物群落生物量的影响
从2019年到2021年，在灌木群落中观察到降水量与BGB之间存在显著的正相关关系（图1b）。2017年、2019年和2021年，在灌木群落中观察到降水量与CTB之间存在显著的正相关关系（图1c）。2017年、2019年、2020年和2021年，在草本植物群落中也观察到降水量与BGB和CTB之间的正相关关系（图1b和c）。对荒漠草原草本和灌木群落中AGB和BGB的关系分析表明，不同群落间AGB和BGB的关系存在显著差异。草本植物群落中AGB和BGB之间的相关斜率为0.038，95%置信区间为0.0766至0.153。相比之下，灌木群落的斜率为0.244，95%置信区间为0.134至0.354（图2）。这表明一个明显的偏离等离子体假设，这表明在荒漠草原AGB和BGB之间的权衡。在草本植物群落中，BGB与AGB的比值随着降水量的增加而显著降低。2017年、2019年、2020年和2021年也出现了这种负相关（图3）。这表明随着降水量的增加，草本植物群落倾向于将更多的资源分配给地上生物量，支持最优分配假说。相反，虽然灌木群落中BGB与AGB的比例也显示出随着降水量增加而下降的趋势，但这种关系并不显著（图3）。3.2降水变化对荒漠草原植物多样性和土壤特性的影响
在草本和灌木群落中，物种丰富度随着降水量的增加而显著增加（图4a）。然而，在2019年、2021年和总体上，随着降水量的增加，红砂在灌木群落中的优势度显著下降（图4b）。草本群落的SLA在2017年，2020年和2021年随着降水量的增加而显著下降（图4c）。从2017年到2021年，草本植物群落的LDMC随着降水量的增加而显著增加（图4d）。然而，当考虑所有年份时，没有观察到这种显著的正相关关系（图4d）。在草本和灌木群落中，LCC与降水量之间存在显著的正相关关系（图4e）。LNC和降水量之间存在显著的负相关，无论是总体还是个别年份（图4f）。3.3荒漠草原植物多样性与土壤特性及群落生物量的关系
SEM分析（图5）显示，降水增加通过促进物种丰富度来增强草本植物群落的AGB。此外，降水通过LNC间接增加AGB。此外，降水也直接增加了草本植物群落的BGB。AGB和BGB都对草本群落中的CTB有显著贡献，BGB的贡献更大（图5，表S6）。在灌木群落中，降水直接增加物种丰富度，并通过改善土壤含水量间接提高物种丰富度。物种丰富度的增加促进了灌木群落中AGB和BGB的积累。像她的草本群落一样，AGB和BGB对灌木群落中的CTB有显著贡献，BGB的贡献更大（图5）。4.讨论
在本研究中，发现随着降水的增加，荒漠草原草本和灌木群落的AGB都呈现出明显的上升趋势(图1a)。根系在连接地上和地下生态过程中起着至关重要的作用。虽然地下器官在生态系统功能中发挥着重要作用，但很少有研究探讨BGB与环境因子的关系。本研究的一个关键发现是，随着降水的增加，荒漠草原草本和灌木群落的BGB和CTB均显著增加(图1b和c)。这一发现凸显了荒漠草原的水资源有限性。生物量分配是指植物响应环境线索对有限资源的分配，最大限度地提高生长、维持和繁殖的效益。水已被证明是生态系统中AGB和BGB分配模式的关键决定因素。研究发现，降水增加显著降低了草本群落的BGB/ AGB。这表明，随着降水量的变化，草本群落中AGB和BGB的积累并不同步。随着降水量的增加，草本群落倾向于将更多的生物量分配给地上部分，支持最优分配假说。灌木群落BGB/AGB比值与降水量的相关性不显著。这可能是由于采用了固定生物量方程来预测基于冠层面积或材积的灌木AGB和BGB，从而在预测的AGB和BGB之间引入了共线性，导致了相对稳定的BGB/AGB比值。这种方法可能掩盖了降水对灌木群落生物量分配的真实影响。草本群落和灌木群落土壤含水量、土壤碳含量和土壤氮含量均随降水量的增加而显著增加。灌木群落的土壤水分、碳氮含量均高于草本群落。这可能与灌木群落中独特的“肥岛效应”有关，灌木捕捉风吹土壤细颗粒和灰尘，并通过径流和降雨入渗，使有机质、养分和水分进入土壤，增加土壤养分含量。在不同降水量下，草本和灌木群落中，AGB与物种丰富度呈正相关。降水量的增加促进了物种的丰富度，通过互补效应增强了草本和灌木群落中的AGB。尽管草本和灌木群落的土壤含水量与CTB均呈正相关，但草本群落的SEM中未包含土壤含水量。相比之下，土壤含水量在降水量对灌木群落生物量的影响中起调节作用，尽管其影响仍小于物种丰富度的调节作用（图5 b）。这可能是由于荒漠草原植物多样性对生物量的影响比土壤性质的影响更大。功能性状在生物量调控中起着至关重要的作用。在草本群落中，降水量的增加通过降低LNC来增强AGB。这一结果支持质量比假说，即优势种的性状对生物量具有显著影响。这些结果还强调了某些性状可以作为生态系统功能的良好预测因子。此外，作为功能多样性的一部分，功能性状的群落加权平均值介导生物量对不同降水量的响应，证明了一种选择效应。5.结论
本研究探讨了降水对内蒙古荒漠草原草本和灌木群落生物量动态和分配策略的影响，研究结果表明，增加降水量显着提高AGB，BGB，和CTB在草本和灌木群落，反映了这些生态系统的水资源有限的性质。植被类型影响生物量的分布，在草本群落中，降水增加导致生物量的非同步积累，并有分配更多AGB的趋势，支持最优分配理论。降水对草本植物群落生物量的影响受物种丰富度和LNC的调节，而降水对灌木植物群落生物量的影响受物种丰富度和土壤含水量的调节。这些发现强调了降水在干旱环境中塑造生态系统结构和功能的关键作用，并为持续气候变化下这些生态系统的管理和保护提供了有价值的见解。Reference：
Li X ,Hu Y,Song
Z, et al.Precipitation-induced biomass enhancement and differential allocation
in Inner Mongolia's herbaceous and shrub communities.[J].The Science of the
total environment,2024,954176483.
https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.176483
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生秦江美
