气候变化驱动下C3与C4草类分布及叶片性状变化对群落水平可燃性的影响

这篇研究通过物种分布模型（SDMs）和自由空气CO2富集（FACE）实验，揭示了气候变化下北美大平原区（GPR）C4草类将保持更高生境适宜性，而C3草类衰退的规律。结合Rothermel火蔓延模型，发现C4优势群落因水分利用效率（WUE）提升可能降低火灾蔓延速率（ROS），为气候变化下的草原管理和生物多样性保护提供了关键数据支撑。

　　

摘要

研究聚焦北美大平原区（GPR）草原生态系统，通过整合物种分布模型（SDMs）与生理性状实验，揭示了气候变化下C₃和C₄草类的差异化响应。C₄物种因高温干旱适应性预计将扩大分布，而C₃物种适宜区显著缩减。叶片可燃性分析表明，CO₂富集下高WUE物种的易燃性降低，可能减缓火灾蔓延速率（ROS），但物种特异性响应显著。

材料与方法

物种分布建模

采用MaxEnt模型预测37种草类（21种C₄，16种C₃）在当前与未来（2041-2060年，MIROC6 SSP5-8.5情景）的生境适宜性（H.S.），模型AUC值均>0.95。环境变量涵盖19项WorldClim生物气候指标。

叶片性状实验

在Cedar Creek的FACE实验中，测定7种草类（4种C₄，3种C₃）在+CO₂、+N、+T、-H₂O处理下的比叶面积（SLA）、叶片含水量（LWC）等性状，发现C₄物种生物量在复合处理下显著增加，而C₃物种普遍下降。

火蔓延模型

基于Rothermel模型参数化显示，C₄优势群落因高LWC可能导致ROS降低5.38单位，但北部区域因环境变干可能增加火险。

结果

生境适宜性

C₄物种平均H.S.未来仅下降0.03，而C₃物种下降0.05，且57%的C₄物种相对丰度增加。

可燃性变化

PCA分析揭示C₄物种性状对处理响应更显著。如_{Andropogon gerardii}（C₄）在+CO₂下ROS降低12%，而_{Schizachyrium scoparium}（C₄）因生物量激增ROS上升8%。

讨论

C₄草类的扩张可能通过“正反馈循环”进一步排挤C₃物种，改变草原碳循环格局。尽管整体ROS下降，但区域异质性（如北部火险增加）要求差异化防火策略。研究局限性包括未考虑土壤反馈和极端事件，需长期实验验证。

意义

成果为理解气候-植被-火灾三方耦合机制提供了新视角，强调需将生理性状响应纳入生态系统管理框架，以应对未来草原的不可预测性。