升温与磷输入对本土与入侵植物及其根际土壤化学计量特征的影响机制

推荐 为应对气候变化和磷输入对植物入侵及生态系统功能的威胁，江苏大学研究人员以本土植物艾蒿（Artemisia argyi）和入侵植物加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）为对象，通过升温（+2℃）和磷添加（4 g m?2 yr?1）实验，揭示了两种植物在碳、氮、磷化学计量特征上的差异响应机制。结果表明，升温抑制两种植物生物量积累，而磷输入促进入侵物种生长但抑制本土物种响应，且高温削弱入侵物种竞争优势。研究强调化学计量平衡在调控植物-土壤互作中的关键作用，为预测全球变化下植物入侵动态提供理论依据。

　　

论文解读
在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，植物入侵已成为威胁生物多样性、生态系统稳定性的重要问题。外来物种凭借其强大的生态适应能力和繁殖优势，常在入侵地迅速扩张并挤压本土物种生存空间。例如，北美原产的加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）已在中国多地形成单优群落，对农业生产和自然生态系统造成严重破坏。与此同时，气候变暖和磷输入作为两大关键环境驱动因子，正深刻改变植物与土壤间的养分循环过程。温度升高可加速土壤有机质分解，而磷肥过度使用则打破原有养分平衡，二者叠加效应可能重塑入侵物种的竞争优势。然而，现有研究多聚焦单一因素影响，对升温与磷输入的交互作用如何调控植物-土壤化学计量特征仍缺乏系统性认知。

为深入解析这一科学问题，江苏大学研究团队依托温室模拟实验平台，以本土菊科植物艾蒿（Artemisia argyi）和入侵物种加拿大一枝黄花为研究对象，设置对照、单独升温（+2℃）、单独磷添加（4 g m?2 yr?1）及升温+磷添加四组处理，开展为期两年的栽培实验。通过测定植物地上地下部分及根际土壤的碳（C）、氮（N）、磷（P）浓度及其化学计量比（C:N、C:P、N:P），结合结构方程模型（SEM）分析各因子间的因果关系，系统揭示了全球变化驱动因子对植物生长和土壤养分循环的综合影响机制。

研究发现，升温显著抑制两种植物的总生物量积累，其中加拿大一枝黄花降幅达69.7%，艾蒿减少49.0%。这种抑制效应主要源于升温导致的总磷浓度下降，进而改变植物C:P和N:P比值。结构方程模型进一步表明，升温对艾蒿生物量的直接影响占主导地位。与之形成对比的是，磷输入显著促进两种植物生长，加拿大一枝黄花生物量增加22.8%，艾蒿提升11.6%。值得注意的是，升温与磷输入的交互作用对加拿大一枝黄花产生强烈抑制（-56.4%），而对艾蒿仍表现为正向效应（-50.3%）。这种差异可能与两种物种对磷的利用效率及温度耐受性不同有关。

在化学计量特征方面，升温使艾蒿C:P和N:P显著升高，主要归因于总磷浓度下降；而磷输入则通过提高土壤C:N:P比值间接促进加拿大一枝黄花生长。当升温与磷输入共同作用时，两种植物的N:P均显著升高，其中艾蒿因总磷浓度降低24.2%，加拿大一枝黄花则因总氮浓度激增70.3%。值得注意的是，在升温+磷添加处理下，尽管加拿大一枝黄花总生物量仍高于艾蒿，但其对磷输入的生长响应被高温显著削弱，暗示未来气候变暖可能降低入侵物种的竞争优势。

研究还发现，植物与土壤化学计量特征存在紧密耦合关系。升温导致艾蒿根际土壤C:N降低，而磷输入则增加土壤C:P，这种变化通过影响养分有效性进一步调控植物生长策略。例如，加拿大一枝黄花在单独磷添加条件下通过提高N:P比增强氮利用效率，但在升温干扰下该优势被抵消。SEM分析证实，土壤C:N:P通过影响植物养分吸收能力，成为连接环境因子与生物量积累的关键中介变量。

本研究具有重要理论和实践意义。理论层面，首次系统揭示了升温与磷输入对入侵植物和本土植物的差异化影响机制，证实化学计量平衡在调控植物响应中的核心作用，为全球变化生态学提供新视角。实践层面，研究指出气候变暖可能削弱入侵物种竞争优势，为制定精准化防控策略提供科学依据。例如，在高温地区可通过调控磷肥施用策略抑制入侵植物扩散，同时保护本土物种资源。此外，研究强调需综合考虑多因子交互作用，避免单一因素评估偏差，这对优化生态系统管理具有重要意义。

研究方法
本研究采用温室模拟实验设计，设置对照（CK）、单独升温（+2℃）、单独磷添加（4 g m?2 yr?1）及升温+磷添加四组处理，每组包含艾蒿和加拿大一枝黄花各5个重复。实验在江苏大学温室中进行，温度控制精度±0.5℃，磷肥以NaH?PO?形式均匀撒施。植物生长周期内定期监测生物量变化，收获后分离地上地下部分并测定C、N、P浓度（凯氏定氮法、重铬酸钾氧化法、钼锑抗比色法）。土壤样品采集根际0-10 cm土层，采用相同方法分析化学计量特征。数据分析采用SPSS进行方差分析和回归检验，结构方程模型（SEM）构建基于AMOS软件实现。

研究结果
升温对植物及土壤化学计量的影响
升温显著抑制加拿大一枝黄花（Solidago canadensis）总生物量积累（-69.7%），艾蒿（Artemisia argyi）降幅为49.0%。升温导致艾蒿C:P和N:P显著升高（P<0.05），主要源于总磷浓度下降。结构方程模型显示升温对艾蒿生物量的直接影响占主导（路径系数-0.68）。

磷输入的调控效应
磷添加显著促进两种植物生长，加拿大一枝黄花生物量增加22.8%，艾蒿提升11.6%。磷输入通过提高土壤C:N:P比值间接影响植物生长，其中加拿大一枝黄花对磷响应更敏感（P<0.01）。

交互作用的差异化表现
升温与磷输入的交互作用显著抑制加拿大一枝黄花总生物量（-56.4%），而对艾蒿表现为叠加效应（-50.3%）。在联合处理下，两种植物N:P均升高，艾蒿因总磷浓度降低24.2%，加拿大一枝黄花则因总氮激增70.3%。

化学计量耦合关系
升温导致艾蒿根际土壤C:N降低，磷输入增加土壤C:P。SEM分析表明土壤C:N:P通过影响植物养分吸收能力，成为连接环境因子与生物量积累的关键中介变量（P<0.05）。

研究结论
升温对两种植物生物量积累具有直接抑制作用，其效应受化学计量特征调控；磷输入促进生长但存在物种差异性；高温削弱入侵物种对磷输入的响应优势。研究强调化学计量平衡在植物-土壤互作中的核心地位，为预测全球变化下植物入侵动态提供理论支撑，建议未来防控策略需综合考虑多因子交互效应。