高山砾石化通过植被丧失与土壤养分耗竭损害生态系统多功能性

本研究揭示了高山草甸砾石化（地表砾石积累）对生态系统多功能性（EMF）的负面影响。通过植被丧失（物种丰富度、生物量下降）和土壤退化（养分、水分减少，容重增加），砾石覆盖直接并间接（通过土壤养分和植物多样性）削弱EMF。研究识别出22%砾石覆盖为生态阈值，为高寒草地保护与恢复提供了关键预警指标（AEMF、BEMF、GAMs、piecewiseSEM）。

　　

Highlight

Changes in plant community and structure among gravelization

我们首先研究了增加的砾石覆盖如何影响植物群落结构和多样性。科和属水平上的分类单元数量在不同砾石覆盖水平下显示出微小变化。然而，植物群落内的总物种丰富度随着砾石覆盖的增加发生了显著变化，从无砾石覆盖（NGC）样地的55种下降到高砾石覆盖（HGC）样地的46种，下降了16%。植物功能群丰富度的变化呈现出清晰的模式：禾本科（Poaceae）和莎草科（Cyperaceae）物种的丰富度随着砾石覆盖的增加而显著下降，而杂类草（forbs）的丰富度则显示出增加的趋势。在群落水平上，地上生物量（AGB）和地下生物量（BGB）均随着砾石覆盖的增加而显著下降，其中BGB的下降幅度（55.6%）比AGB（36.8%）更为显著。植物群落的香农多样性指数（Shannon diversity index）和辛普森多样性指数（Simpson diversity index）在砾石覆盖梯度上未显示出显著差异，但Pielou均匀度指数（Pielou's evenness index）在中等砾石覆盖（MGC）样地中最高。非度量多维标度（NMDS）分析表明，植物群落组成在不同砾石覆盖水平下发生了显著变化，从NGC样地的莎草科（主要是高山蒿草Kobresia pygmaea）主导转变为HGC样地的杂类草（如兰盆花属Scabiosa spp.）主导。

Effects of gravelization on plant community structure and composition

高山砾石化已成为青藏高原高寒草地面临的一个关键生态挑战，地表砾石积累导致生境变暖和干燥，耗竭土壤养分和水分，降低植物和微生物多样性，最终削弱群落稳定性和生态系统多功能性（EMF）。随着环境条件恶化，物种倾向于调整其生长策略以应对日益增加的胁迫。在我们的研究中，我们观察到随着砾石覆盖增加，植物群落组成发生了显著变化，从由耐寒、簇生莎草（如高山蒿草）主导转变为由更耐旱、深根系的杂类草（如兰盆花属）主导。这种转变可能与莎草科植物对水分胁迫和土壤物理结构变化的敏感性更高有关，而杂类草可能通过其更深根系获取深层土壤水分和养分，从而在砾石化的干旱化生境中获得竞争优势。此外，砾石覆盖导致的土壤表层微环境变化，如温度波动加剧和水分可利用性降低，可能进一步筛选物种，有利于具有特定功能性状（如较高的比叶面积SLA、较深的根系）的物种。这些群落组成的改变可能导致关键生态系统功能（如初级生产力和养分循环）的变化，因为不同功能群对生态系统过程的贡献不同。

Conclusions

本研究表明，高山砾石化深刻地改变了草地生态系统的生物和非生物组成部分，最终损害了生态系统多功能性（EMF）。增加的砾石覆盖驱动植被从莎草科主导的群落转变为先锋杂类草群落，并伴随着地下生物量的减少。土壤肥力和结构完整性也恶化，表现为水分含量、孔隙度、有机碳、氮和有效养分的下降。这些变化导致生态系统多功能性（EMF）以及地上（AEMF）和地下（BEMF）生态系统功能指数的显著降低，其中BEMF表现出更敏感的响应。关键阈值被确定在22%的砾石覆盖率，超过此阈值EMF急剧下降。我们的研究结果强调了通过维持植物-土壤系统的完整性来保护高寒草地生态系统功能的重要性，并为基于阈值的生态系统管理提供了定量指标。