温带草地恢复中功能性状对冬季积雪变化与管理火干扰的响应机制

本文通过7年田间实验，探讨管理方式（春季火烧、秋季火烧、秋季割草、未管理）与冬季积雪调控（减雪、对照、增雪）对恢复温带草地植物群落的交互影响。研究发现群落变化主要受管理方式驱动，积雪干预影响微弱；低土壤保温条件下胁迫耐受型物种更易定殖，但功能性状与群落周转关联性较弱。研究为气候变化下草地管理策略（抵抗-接受-引导框架）提供了科学依据，表明当前草地群落对冬季积雪减少具有短期韧性。

　　

引言背景

气候变化对生态系统的深刻影响在冬季尤为显著。温带地区冬季气候变暖速度高于其他季节，导致降水形式由雪转雨，积雪减少使土壤失去保温层。尽管冬季气温升高，但积雪减少反而可能降低土壤温度，这对以地下芽和根系越冬的多年生植物为主的温带草地构成严重威胁。火干扰作为温带草地的历史性扰动因素，其管理时机（春季或秋季）通过改变凋落物层厚度影响冬季土壤保温效果。秋季火烧或割草移除凋落物会加剧植物受冻风险，而春季火烧保留的凋落物可起到保温作用。理解管理方式与冬季积雪的交互作用对制定草地保育策略至关重要。

实验设计与方法

研究在美国威斯康星州芒兹维尤草地恢复区开展为期7年的田间实验，采用完全区组设计。实验设置四种管理处理（未管理对照、春季火烧、秋季火烧、秋季割草）与三种积雪处理（减雪、对照、增雪）的嵌套组合，共192个样方。每年监测土壤温度，并在生长季末期记录植物群落盖度、高度和物种组成。测定7项功能性状：株高、叶面积、比叶面积（SLA）、叶片干物质含量（LDMC）、叶片氮含量（N）、叶片半致死温度（LT₅₀）和传播体质量。通过主成分分析将性状归纳为胁迫耐受-资源获取策略轴（PC2），并分析其与群落变化（生物量、丰富度、多样性）、定殖与灭绝事件的关联。

主要结果

1. 1.
   管理方式主导群落变化：春季与秋季火烧显著提升物种丰富度，但积雪处理对多数指标无显著影响。生物量在未管理+减雪处理中增加最显著，而春季火烧+减雪组合反而抑制生物量积累。
2. 2.
   功能性状的有限作用：资源获取型物种（高PC2值）在全实验范围内定殖概率更高；胁迫耐受型物种（低PC2值）在春季火烧中丰度增加，在秋季火烧+减雪条件下定殖优势明显。但性状对群落周转的整体解释力较弱。
3. 3.
   环境耐受阈值：群落中叶片LT₅₀范围为-10.0°C至-6.5°C，而实际最低土壤温度仅52%的观测值低于最不耐冻物种的阈值，表明积雪调控未突破多数物种的生理耐受极限。

讨论与启示

火烧管理通过清除凋落物促进物种定殖，但优势种（如须芒草）仍主导群落结构。积雪处理的微弱影响可能源于实验时长不足或环境变异性掩盖长期效应。功能性状响应不显著的原因包括：（1）植物通过表型可塑性适应环境波动；（2）所选性状未能完全捕捉地下器官抗逆机制（如芽库大小、根系深度）；（3）年轻恢复草地更利于资源获取型物种 colonization。研究支持"接受"策略的可行性，即当前管理方式可维持草地韧性，但长期积雪减少可能需要转向"抵抗"策略，如采用春季火烧兼顾扰动与保温。

管理建议

春季火烧作为平衡生物多样性维护与冬季保温的有效措施，适用于气候变化下的温带草地管理。对于新建恢复草地，应重点保障植物建植阶段的生存条件，而成熟草地的功能冗余性可能增强长期韧性。未来研究需整合芽库动态、碳水化合物储存等地下性状，以更全面评估群落应对气候变化的潜力。