土壤养分调控耕作草地初始年内群落动态：干扰与施肥对植物多样性重建的影响

本文通过全因子实验探讨了土壤耕作（D）与氮磷钾及微量元素添加（NPKμ）对北美高草草原植物群落重建的影响。研究发现，NPKμ+D处理导致一年生杂草（如Ambrosia trifida）近单一化生长，显著降低物种丰富度（species richness）和群落组成变化（β diversity），揭示了养分介导的早期定殖抑制机制对草地恢复的制约作用。

　　

1 引言

北美草原生态系统因农业开垦而大面积丧失，土壤耕作和肥料施用导致生物多样性和碳循环功能退化。替代稳态理论认为，土壤扰动和养分添加造成的生物与非生物环境变化可能阻碍以多年生草本为主的多样化群落恢复。然而，关于土壤扰动和养分添加如何影响初始年内群落动态的实验研究仍较缺乏。理解初期群落重组过程对制定恢复策略至关重要，因为早期植被动态会对成熟群落产生长期影响。

2 方法

研究在美国德克萨斯州黑土草原残余片段进行，采用全因子实验设计，包括5种处理：对照（C）、仅养分添加（NPKμ）、仅土壤扰动（D）、养分添加+扰动（NPKμ+D）以及养分终止处理（未纳入分析）。每年1月进行机械耕作（深度15 cm），4月施用氮（N）、磷（P）、钾（K）及微量元素。2022–2023年生长季（4–8月）每月进行1×1 m样方调查，记录物种盖度与功能群（C₃/C₄禾草、非豆科草本、豆科草本、木本植物）。使用线性混合模型分析物种丰富度，通过NMDS和PERMANOVA分析群落组成差异，并利用Bray-Curtis相异度量化β多样性变化。

3 结果

3.1 物种丰富度与群落组成

土壤扰动显著降低初始（4月）物种丰富度：D和NPKμ+D处理平均为8.0–8.7种，显著低于C和NPKμ处理的11–11.8种。养分添加主效应降低全生长季丰富度，且与扰动存在交互作用：NPKμ+D处理中物种丰富度最低，且随时间变化最小。NMDS分析表明，扰动解释了50%的群落变异，养分添加贡献17%，交互作用占8%。NPKμ+D群落向一年生草本（如Ambrosia trifida和A. psilostachya）主导的方向偏移，而NPKμ处理中以入侵禾草Sorghum halepense为主。

3.2 群落组成变化

NPKμ+D处理的Bray-Curtis相异度最低（从4月的45%降至8月的25%），表明群落结构变动最小。相反，C、NPKμ和D处理在6月出现相异度峰值，反映较大的组成更替。这说明养分添加与扰动共同抑制了群落的时序动态。

3.3 物种增益与损失

养分添加显著减少物种增益、增加物种损失，而扰动主效应降低物种损失。NPKμ+D处理中物种损失率最高，增益率最低，且与时间无交互作用，进一步证实该处理对群落更新的强烈抑制。

4 讨论

土壤扰动和养分添加通过生态过滤作用限制物种定殖：扰动耗竭本地繁殖体库，养分添加降低土壤生态位维度。早期优势种（如Ambrosia trifida）通过不对称竞争抑制后续物种建立，导致“先占效应”。残留养分（尤其是氮磷）的持续影响可能需通过碳源添加或火烧等干预手段中和。此外，主动引入目标物种繁殖体可能是克服定殖限制、促进多样性恢复的关键策略。

5 结论

土壤扰动与养分添加协同促进一年生杂草单一优势化，抑制群落重组进程。恢复实践中需通过养分削减、火烧调控和早期播种等措施削弱先占效应，提升生态位多样性，从而推动草地植物多样性与生态系统功能的重建。