实验性升温导致当地草原植物物种的丧失

《Journal of Ecology》：Experimental warming drives local grassland plant species loss

气候变化对草地生态系统的影响及升温与干旱的交互作用。在明尼苏达州Cedar Creek进行六年实验，发现升温显著减少物种多样性和香农多样性，效应随年际气候波动变化，而干旱单独作用影响较小，但降低多样性年际波动。豆科植物对升温有积极响应，可能缓冲物种损失。研究强调长期多因素实验的重要性，以预测气候变化生态效应并为管理提供依据。

　　全球气候变化正以前所未有的速度影响着各种生态系统，其中包括草原生态系统。草原因其对人类活动带来的多重威胁（如土地利用变化、气候变化、生物入侵等）而成为当前生态系统保护的重点对象。研究表明，气候变暖和干旱是未来几十年北美草原生态系统面临的主要挑战，它们可能会对本地生物多样性产生深远影响。然而，目前关于这两个气候因素如何共同作用于草原植物群落的长期研究仍然有限。因此，本研究通过在明尼苏达州的Cedar Creek生态科学保护区开展为期六年的实验，系统地评估了变暖和干旱处理对草原植物群落结构的长期影响，同时考虑了年际间环境条件的波动。

在实验中，研究团队采用了一种全因子设计，将草原植物群落分为四个处理组：对照组、变暖组、干旱组以及变暖与干旱的组合处理组。每个处理组均在特定的实验地块内进行，每块实验地块被划分为四个子地块，以便更细致地分析不同处理对植物群落的独立和交互作用。变暖处理通过悬挂红外加热器来实现，将地表温度提高了约1.5°C；而干旱处理则通过雨量遮挡装置进行，该装置能够排除约43%的降雨量，模拟100年一遇的干旱条件。这种设计不仅能够有效模拟未来气候情景，还能帮助研究者更清晰地观察植物群落对气候变化的响应模式。

研究结果显示，变暖对植物种类丰富度（species richness）具有显著的负向影响，其作用在六年的实验周期内保持了一致性。然而，变暖对多样性（diversity）和优势度（dominance）的影响则表现出较强的年际波动。这种差异可能是由于环境条件随时间变化，以及不同物种对变暖的响应存在差异。例如，豆科植物（legumes）在变暖条件下表现出积极的响应，这可能与它们较强的固氮能力有关。固氮能力可以帮助豆科植物在高温条件下维持较高的生产力，同时增强其对环境变化的适应性，从而在一定程度上缓解变暖对生物多样性的负面影响。

相比之下，干旱对植物种类丰富度和多样性的影响较小，但显著降低了多样性响应的年际波动，表明干旱条件下植物群落的多样性更加稳定。这种稳定性可能源于干旱筛选了某些对水分敏感的物种，使得剩余物种的相对丰度更加均匀。在干旱处理的地块中，尽管部分物种的丰度可能有所下降，但它们的丰度变化幅度较小，从而降低了整体的多样性波动。这一发现与之前一些研究的结果相吻合，表明干旱虽然对植物群落的丰富度和多样性没有直接的显著影响，但可能在一定程度上维持群落的稳定性。

研究还探讨了变暖和干旱对植物功能群（functional groups）组成的潜在影响。功能群是指具有相似生理特征和生态功能的植物类群，例如C3草、C4草、非豆科杂草和豆科植物。这些功能群在应对变暖和干旱时表现出不同的响应模式。例如，C4草（如大蓝艾草，*Andropogon gerardii*）在变暖条件下表现出一定的优势，尤其是在干旱年份。然而，这种优势并非在所有年份都显著，表明其变化可能受到其他环境因素的调控。而豆科植物则在变暖条件下表现出更强的适应性，这可能与它们的固氮能力和对高温的耐受性有关。

此外，研究发现，植物群落对变暖和干旱的响应在不同年份之间存在显著差异。例如，在某些年份，变暖对多样性的影响较为显著，而在其他年份则较弱。这种年际差异可能与当年的气候条件密切相关，尤其是在干旱年份，变暖对多样性的影响可能更加明显。因此，变暖与干旱的交互作用在某些年份可能比单独作用更为显著，但并非在所有情况下都如此。这提示我们，在评估气候变化对植物群落的影响时，必须充分考虑年际气候波动的复杂性。

从生态系统的角度来看，变暖对植物群落结构的影响可能比干旱更为显著。变暖不仅减少了植物种类的丰富度，还可能通过改变物种间的竞争关系，导致优势物种的扩张和多样性下降。而干旱虽然对物种丰富度和多样性没有显著影响，但可能通过稳定群落结构，减少物种间的竞争强度，从而在一定程度上缓解气候变化带来的压力。这种差异表明，变暖和干旱在草原生态系统中扮演着不同的角色，变暖更倾向于改变群落的组成，而干旱则可能通过筛选物种，维持群落的稳定性。

研究还发现，植物群落对气候变化的响应在不同功能群之间存在显著差异。例如，豆科植物在变暖条件下表现出积极的响应，而其他功能群如C3草、非豆科杂草和C4草则没有明显的响应。这种差异可能与不同功能群的生理特征有关，如豆科植物较强的固氮能力和对高温的适应性。而C3草和非豆科杂草则可能在高温和干旱条件下更容易受到胁迫，从而导致其丰度下降。因此，植物群落对气候变化的响应不仅取决于气候因素本身，还受到植物功能群特性的影响。

在生态系统管理方面，研究结果强调了长期实验的重要性。由于气候变化的复杂性和不确定性，单年的实验可能无法全面反映其对植物群落的长期影响。因此，未来的研究应更加注重长期数据的收集和分析，以便更好地预测草原生态系统在不同气候条件下的响应模式。同时，研究还指出，豆科植物在变暖条件下的积极响应可能为草原生态系统提供一定的缓冲作用，有助于维持生物多样性。这提示我们在草原恢复和保护过程中，应考虑引入更多具有固氮能力的豆科植物，以增强生态系统对气候变化的适应能力。

此外，研究还发现，植物群落的稳定性可能受到干旱的积极影响。干旱条件下，尽管某些物种的丰度可能下降，但群落整体的多样性波动较小，表明干旱可能有助于维持群落的结构稳定。这种稳定性可能源于干旱筛选了对水分敏感的物种，使得剩余物种的相对丰度更加均匀。因此，在干旱条件下，植物群落可能表现出更强的抗干扰能力，从而减少极端气候事件对生态系统的影响。

研究还指出，植物群落对气候变化的响应受到多种因素的共同作用，包括环境条件、物种特性以及功能群之间的相互作用。因此，未来的研究应更加关注这些因素之间的交互作用，以更全面地理解草原生态系统对气候变化的适应机制。同时，研究还强调了功能性冗余（functional redundancy）在维持生态系统稳定性和功能方面的重要性。功能性冗余是指不同物种在执行相同生态功能时具有相似的生理和生态特征，从而在环境压力下形成一定的缓冲效应。豆科植物的固氮能力和C4草的高效水分利用能力是功能性冗余的典型例子，它们在一定程度上缓解了气候变化对草原生态系统的影响。

总体而言，本研究揭示了变暖和干旱对草原生态系统的影响机制，为未来的生态系统管理和保护策略提供了重要的科学依据。研究结果表明，变暖对草原植物群落的丰富度和多样性具有显著的负面影响，而干旱则可能通过稳定群落结构，减少多样性波动。因此，在应对气候变化的过程中，应采取适应性管理措施，优先引入具有较强适应能力的物种，如豆科植物和C4草，以增强草原生态系统的稳定性。同时，长期的气候实验和监测对于理解气候变化对生态系统的影响至关重要，它们能够提供更全面的数据支持，帮助制定更有效的保护和管理策略。此外，研究还强调了功能性冗余在维持生态系统功能方面的重要性，未来的研究应进一步探索不同功能群的响应机制，以更好地预测和应对气候变化带来的生态挑战。