气候变化限制山地草原地上初级生产力并加剧弃耕后的木本植物入侵

本研究针对气候变化与土地利用变化对西班牙比利牛斯山脉山地草原生态系统的双重影响展开深入探究。通过分析1984-2023年NDVI（归一化植被指数）与气候数据，揭示了放牧与弃耕草地不同的生产力响应模式：气候变暖通过延长生长季促进弃耕地生产力（+0.05 NDVI/十年），却因水分胁迫抑制放牧草地生产力（-0.02至-0.03 NDVI/十年）。研究创新性量化了生态系统稳定性三要素（抵抗力Resistance、恢复力Resilience、时间稳定性Temporal stability），发现弃耕草地通过木本入侵（Echinospartum horridum等）实现更高稳定性但降低恢复力。该成果为高山草原可持续管理提供了关键科学依据，发表于景观生态学顶级期刊《Landscape Ecology》。

　　

在全球气候变化与农业集约化的双重压力下，高山草原——这些被誉为"欧洲生物多样性热点"的特殊生态系统正面临前所未有的挑战。作为连接低地农业与高山荒野的关键过渡带，西班牙比利牛斯山脉的草原不仅承载着独特的动植物群落（如优势种Nardus stricta、Festuca eskia），更是当地传统游牧文化（如短距离转场放牧short transhumance）的物质基础。然而近半个世纪以来，两个相互交织的全球变化驱动因素正在重塑这片景观：气温以每十年0.33-0.86°C的速度攀升（其中春季最高温增幅最大），同时牧区人口流失导致70%的绵羊牧场被弃耕，引发以Echinospartum horridum为代表的木本植物大规模入侵。

为破解这一生态难题，西班牙国家研究机构（MCIN/AEI）联合阿拉贡自治区政府的研究团队在《Landscape Ecology》发表了一项跨越40年（1984-2023）的突破性研究。研究人员创新性地将Landsat卫星NDVI数据与ERA5-Land气候再分析数据集相结合，通过线性混合模型（LMMs）和Theil-Sen斜率估计，系统比较了三种草地类型（放牧亚高山草原、弃耕亚高山草原、放牧高山草原）对气候变化的响应差异。研究特别关注了生态系统稳定性的三个维度：抵抗力（抵抗环境波动的能力）、恢复力（从干扰中恢复的速度）和时间稳定性（生产力随时间的变化幅度）。

关键技术方法包括：1) 基于Google Earth Engine平台处理Landsat 5-9系列卫星影像，采用中值合成法（medoid composite）构建年度NDVI数据集；2) 通过ERA5-Land获取9km分辨率的气候变量（降雪、降雨、极端温度）；3) 运用方差分解分析（variancePartition）量化气候与非气候因素的贡献率；4) 采用Mann-Kendall检验评估长期趋势显著性。

【研究结果】
长期生产力动态：
所有草地类型均显示NDVI显著上升趋势（p<0.001），但驱动机制各异。弃耕草地增幅最大（+0.05 NDVI/十年），归因于木本植物扩张与CO₂施肥效应；放牧亚高山与高山草地增幅较小（+0.03和+0.02 NDVI/十年），主要受氮沉降与植物演替影响。

气候响应机制：
• 温度效应：夏季最高温每升高1°C导致放牧亚高山草地NDVI降低0.022（p<0.01），弃耕草地仅降低0.009（p<0.05），显示后者更强的抵抗力。
• 降水效应：春季降雨增加显著促进弃耕草地生产力（β=+0.15，p<0.01），而放牧草地对降雪减少更敏感（β=-0.0004，p<0.05）。

生态系统稳定性：
弃耕草地表现出最高时间稳定性（ANOVA，p<0.001），但其恢复力指标（NDVI_t与NDVI_t-1相关性β=0.38）显著低于放牧草地（β=0.21）。高山草地对降水波动抵抗力最强，但对春季最低温变化异常敏感（β=+0.0098，p<0.05）。

【结论与意义】
该研究首次量化了山地草原"气候-土地利用"耦合效应的时空格局：1) 气候变暖通过加剧水分胁迫（夏季）与改变雪被动态（春季）产生双向影响，净效应在放牧草地为负（-0.0019 NDVI/十年），在弃耕草地为正（+0.0039 NDVI/十年）；2) 木本入侵虽提升系统稳定性，却以降低恢复力和生物多样性为代价；3) 当前放牧强度（特别是绵羊向牛群的转变）可能不足以维持理想草原状态。这些发现为制定适应性管理策略（如调整放牧时间、优化畜种结构）提供了科学依据，对实现联合国可持续发展目标（SDG 15.1）中的山地生态系统保护具有重要实践价值。