氮磷限制对长叶松稀树草原林下植被的影响：生产力、生物多样性与群落组成的响应机制

本文通过多年营养添加实验，揭示了干旱沙岗长叶松稀树草原林下植被对氮（N）、磷（P）限制的独特响应模式。研究发现N、P添加显著提高总生物量（N增加53%）和功能群生产力，但未降低物种丰富度；P添加使豆科生物量增加104%，且N×P交互作用显著促进非豆科草本生长。群落组成显著改变，但生物多样性指标未受显著影响。该研究为多目标管理（如促进火蔓延、增加饲草）提供了关键依据，强调需结合具体情境制定恢复策略。

　　

1 引言

全球草地和稀树草原生态系统受气候、火和放牧等因素调控，这些因素通过影响资源（如水分和养分）可用性来共同作用生态系统的组成、结构和功能。火在维持长叶松稀树草原结构、功能和生物多样性方面至关重要，但也会造成资源限制，因为养分会随燃烧挥发，尤其在许多长叶松稀树草原本已贫瘠的土壤中。营养限制及随之而来的植物间竞争可能导致物种多样性和生产力的变化。本研究通过多年慢性营养添加实验，探讨资源限制如何通过影响（1）生产力、（2）生物多样性指标和（3）群落组成来影响长叶松稀树草原的恢复结果。

长叶松稀树草原常被误认为森林生态系统，且存在于温暖多雨气候中，如东南亚和美国东南部的稀树草原。与这些稀树草原相比，许多被深入研究的稀树草原经历相似的降水（如中湿度的澳大利亚和南美稀树草原）但温度较低，或处于相同温度范围（如较干旱的非洲稀树草原）但降水较少。尽管长叶松稀树草原生态系统曾覆盖北美沿海平原的大部分历史范围，但由于偶尔过高的乔木密度，常被误判为森林生态系统。林下富含多种草本和禾草物种，使长叶松稀树草原成为全球生物多样性最高的生态系统之一，尽管其作为生物多样性热点地区历来被忽视。

长叶松稀树草原也不同于其他被深入研究的草地和稀树草原系统，其沙质土壤极度贫瘠，现存放牧压力极小，且自然火制度包含更频繁的闪电引发的火（每1-3年）。火是决定长叶松稀树草原分布的关键因素，反复发生的低强度地表火维持了其结构、功能和林下生物多样性，并防止向硬木林演替。频繁火在长叶松稀树草原中创建了一个循环过程，林下植被为火蔓延提供燃料。细燃料，如优势丛生禾草（东部地区的Aristida stricta和西部地区的Schizachyrium scoparium）和草本物种是林下的主要燃料来源，而火又调控林下的植被响应并促进下一次火的燃料生产。这种林下植被-火反馈循环是一个强化循环，促进了长叶松稀树草原的稳定和持久。

由于人为压力，长叶松生态系统仅存约5百万英亩，且大部分退化。此外，多数长叶松稀树草原位于私有土地上，私有土地所有者通常有多样化的管理目标，包括收入来源（如木材和松针生产）和非财务目标（如野生动物保护、狩猎、娱乐等）。因此，在具有经济和保护能力的多功能土地上恢复长叶松稀树草原林下的生态系统服务是一个优先事项。通常，长叶松稀树草原林下恢复有两个相互作用的主要目标——恢复植物多样性和促进火在景观中均匀蔓延的林下生物量。

迄今为止，对长叶松稀树草原资源限制的研究发现，P添加与（小空间尺度上）丰富度变化无关，且虽然P添加增加了豆科物种生物量，但其对其他功能群（如禾草）的影响尚未探索。少数关于N添加的研究发现丰富度降低，且对任何功能群的林下生物量没有影响或总生物量增加。虽然这些研究显示了N和P的独立效应，但尚无研究探讨各自的相对重要性或它们如何相互作用影响林下生物量生长和多样性。

2 方法

实验于2020至2023年在美国北卡罗来纳州沙岗生态区域进行。研究地点主要为完整的长叶松稀树草原，特征为干燥、粗糙、贫瘠的沙土（沙质Ultisols），长叶松乔木层（平均胸径38厘米）以及禾草、草本和 scrub oaks（如Quercus laevis、Q. marilandica、Q. margarettae）组成的林下层。该地点有每2-3年在春季或初夏发生重复低强度计划烧除的历史，处理前一年（2019年）和处理第2年（2021年）早春各发生一次烧除。实验4年期间平均年降水量1197毫米，平均年温度18.3°C。

在田间，我们建立了因子式N和P营养添加（10 g m^?1 year^?1）实验。营养添加进行了4年，每年收集植物组成和生物量。我们按功能群测量每年生物量，并计算多样性指标和群落组成变化。使用线性混合模型（包：lme4）检验N、P、年份及其相互作用对禾草生物量、非豆科草本（以下简称“草本”）生物量、豆科生物量、非豆科木本（以下简称“木本”）生物量、总生物量（草本、禾草、豆科和木本生物量之和）、植物物种丰富度、Shannon多样性指数、Berger-Parker优势指数和均匀度（Evar）的主效应和交互效应。为评估营养添加处理间的组成差异，我们计算了每对处理样方间的Bray-Curtis相异度，并使用vegan包中的“adonis2”函数对该距离矩阵进行了置换多元方差分析（PERMANOVA）检验。

3 结果

3.1 生产力

与对照相比，N添加与总生物量（增加53%，p = 0.002）、草本生物量（增加63%，p = 0.002）、禾草生物量（增加56%，p = 0.02）和木本生物量（增加67%，p = 0.01）的显著增加相关，且对豆科生物量无显著影响（p = 0.41）。N和年份对草本生物量存在显著交互作用（p = 0.04），N添加使第2年、第3年和第4年的草本生物量分别比对照增加44%、39%和54%。P添加与总生物量（增加26%，p = 0.09）、草本生物量（增加43%，p = 0.04）和豆科生物量（增加104%，p = 0.008）的显著增加相关，且对禾草生物量（p = 0.43）或木本生物量（p = 0.67）无显著影响。N和P的交互作用（N × P处理）与草本生物量的显著增加相关（p = 0.03），N × P生物量比对照高89%，比单独N添加高63%，比单独P添加高85%；N × P联合添加对总生物量（p = 0.38）、豆科生物量（p = 0.57）或木本生物量（p = 0.68）无显著影响。此外，N × P和年份对禾草生物量存在显著交互作用（p = 0.05），第2年禾草生物量在N × P添加下比P添加高62%；除与年份的交互外，N和P对禾草生物量无显著交互作用（p = 0.54）。

3.2 生物多样性指标

N或P的主效应或交互效应对我们任何生物多样性指标（丰富度、Shannon多样性、Berger-Parker优势和均匀度）均无显著影响；然而，主要营养添加处理与年份存在若干交互作用。N添加下，第3年（降低9%，p = 0.08）和第4年（降低10%，p = 0.08）Shannon多样性边际显著较低，且第3年（增加32%，p = 0.01）和第4年（增加22%，p = 0.07）Berger-Parker优势在N添加下显著或边际显著 greater。最后，对于均匀度，N × P和年份对均匀度存在显著交互作用（p = 0.02），但探究后未发现显著事后差异。

3.3 群落组成

营养添加处理对林下植物群落组成有显著影响（F = 4.9229, p = 0.001），解释了群落组成变异的约25%，且营养添加处理与年份无显著交互作用。处理组重心除对照和N添加样方外（p = 0.17）均彼此显著不同。最后，处理组重心周围的离散度无显著差异（p = 0.23），表明组重心的显著差异源于不同营养添加处理而非离散度。对照样方有6个指示物种（2个克隆木本灌木、2个非克隆木本灌木、1个克隆草本和1个非克隆草本），P样方有4个指示物种（1个克隆豆科、1个非克隆豆科和2个克隆草本），N × P样方有9个指示物种（2个克隆木本物种、1个克隆草本、2个非克隆草本、3个克隆豆科和1个克隆禾草物种）。功能群的排序在对照样方中随时间保持不变，草本占优势，其次为禾草、木本物种，最后为豆科。同样，在磷样方中，功能群排序随时间恒定，以草本和禾草为主，但豆科排第三，木本物种排最后。在N和N × P添加样方中，功能群的排序与对照样方相同，直至第4年功能群重新排序。第4年，在N添加样方中，禾草与草本交换了排序；在N × P添加样方中，木本物种与禾草物种交换了排序。

4 讨论

如假设所示，N和P添加均与总林下生物量的显著增加相关；然而，N和P联合（N × P）无叠加效应。随着地表生物量的增加，我们预期多样性指标也会对营养添加做出响应。草地通常表现出施肥后生物多样性降低，尤其是N添加后，这一响应在长叶松稀树草原也有报道。通常，营养添加导致更具竞争力、更快生长或更大体型物种（如丛生禾草）的丰度增加；因此，随着较小草本物种在 above- 和 belowground 资源中被排除，丰富度降低。或者，一项荟萃分析发现，对施肥的响应取决于群落的初始均匀度；施肥有利于已具竞争优势的物种，而更均匀的群落要么丰富度增加，要么对施肥无响应。后一发现可能解释了本研究为何未发现N、P或其交互作用对丰富度、多样性、均匀度或优势度有显著主效应，因为我们的对照样方并非高度优势（Evar ~ 0.45）。

虽然总生物量随每种营养添加而增加，但功能群表现出差异响应。与预期相反，我们发现P并不显著限制禾草或木本物种的生长。由于禾草叶片生长局限于基部 meristems，叶片其余部分生长所需的P远少于草本；因此，尽管我们研究地点沙岗生态区域的干旱土壤P贫乏，但对N的需求大于P。在营养贫乏土壤中，木本物种可能表现出生长与资源储存之间的权衡；因此，虽然木本物种对P添加无 aboveground 生物量生长增加响应，但 belowground 生长可能增加。经典共限制（单独添加每种营养不会显著增加生长，而同时添加两者则会）在全球生态系统中常见。尽管N和P在本研究中多数功能群均受限，但仅草本存在经典共限制证据，N × P添加下生物量叠加增加如假设所示。虽然总生物量、禾草、豆科和木本生物量的线性模型未显示N和P间显著交互效应，但生物量存在可观差异，且某些功能群处理间存在显著成对差异（整体模型中N × P效应不显著而仍存在显著成对比较可能源于其他组内变异掩盖或小样本量）。根据Craine和Jackson解释的限制模式，总生物量表现出替代共限制证据，因为生物量更受N × P而非单独N或P共限制（即N和P与对照无差异，且N × P显著大于对照和P，但与N无差异）。相反，豆科生物量表现出单资源限制证据，意味着P添加与对照相比生物量增加显著，且N × P添加与对照相比增加同样显著。鉴于本研究中生物量生长受不同功能群的不同养分限制，营养添加后生物多样性无响应意味着可能存在生态位互补，林下物种因主要使用不同资源而共存。因此，虽然我们承认某些物种可能共享营养需求且 demographic 响应可能需要更长时间检测，但营养限制模式的功能分化支持了生态位互补而非强烈竞争排除有助于维持这种多样林下的共存。除了主要受不同资源限制外，物种可能使用土壤中不同形态的养分或从不同土壤深度获取资源。火，长叶松稀树草原常见干扰，可能改变土壤结构和养分动态，潜在地影响不同物种获取资源的方式和位置。我们的研究表明，在干旱长叶松稀树草原中，高生物量水平可在短期内维持低竞争水平和高生物多样性，可能因为草本和禾草物种主要受不同土壤资源限制。

长叶松稀树草原通常被认为进化适应低营养条件，优势丛生禾草不受养分限制。事实上，另一项长叶松稀树草原研究发现干旱地点N添加后生产力和禾草生物量无显著变化，如本研究地点。然而，本研究发现总体禾草生物量在N添加下增加，且林下生产力确实受营养限制。这一差异很可能因为先前研究平均了更长时间尺度（>10年）的生产力响应。系统可能短期响应资源压迫而增加生物量，长期则通过物种组成变化响应。一旦组成改变，生产力可能不再增加。尽管丰富度未降低，但植物群落组成确实改变（即处理间物种数相同，但 identity 不同），强调常见生物多样性指标可能无法 fully 捕捉对保护至关重要的组成变化。这凸显了 beyond 简单多样性计数的恢复和管理成功需要细致评估，尤其在长叶松稀树草原等营养贫乏系统。我们的对照、P和N × P处理样方均显著与若干指示物种相关。在我们研究地点，且可能在沙岗生态区域，能够从更大区域获取资源并储存更多 belowground 的克隆和非克隆木本灌木的存在指示了资源限制。其他草地和稀树草原中养分限制的释放通常导致一年生草本物种增加，因为它们快速利用增加资源并排除生长缓慢的多年生对应物种。然而，P和N × P样方的大多数指示物种也为克隆多年生物种，任何营养添加处理仅有一个一年生指示物种。施肥后缺乏一年生物种很可能源于长叶松稀树草原的条件（频繁火和沙质、贫瘠土壤）更好地支持物种库中的多年生物种，因为一年生通常不具备相同火 resilience 且需要更肥沃土壤和稳定水分条件。营养添加也可能导致干旱长叶松稀树草原稀有植物物种丢失，因为它们可能进化适应贫瘠条件。尽管我们地点组成改变，但对照或处理群落均无稀有植物物种。然而，在存在稀有物种的系统中，养分限制的释放可能以减少这些稀有物种持久性的方式改变竞争动态，可能导致群落多样性下降。

全球草地大量文献表明，C₄禾草优势增加可能竞争排除其他物种，降低多样性，这一现象在北卡罗来纳州沙岗和沿海平原生态区域多种土壤类型的长叶松稀树草原也有观察。然而，竞争排除似乎未发生在干旱长叶松稀树草原地点，如本研究地点。许多长叶松稀树草原研究显示优势C₄禾草对丰富度无负面影响，甚至表明C₄丛生禾草Aristida stricta可能对其他物种有促进效应， enabling 共存。虽然丛生禾草生长时可能竞争排除其他物种，但丛生禾草也是植被-火反馈循环的重要组成部分，通过促进火蔓延增强林下生物多样性。在恢复或早期演替阶段植被结构仍在发展时，促进C₄禾草建立和增加丰度可通过促进火蔓延帮助恢复此反馈，即使在较湿润土壤上，最终以循环过程促进多样性地被植物。因此，频繁火结合战略选择焦点火蔓延植物物种对于旨在重新建立长叶松稀树草原结构、功能和长期可持续性的基于过程恢复方法至关重要。值得注意的是，这些早期阶段营养添加可能有助于建立火适应禾草并加速恢复轨迹；然而，施肥对已建立禾草种群可能益处有限，其中竞争相互作用和群落结构已 well established。火（计划和非计划）在长叶松稀树草原频繁发生，导致持续土壤养分亏缺。虽然我们的结果显示N和P添加增加了禾草和草本生物量而未降低总物种丰富度，但生态和管理意义复杂。例如，许多游戏物种依赖原生草本和豆科丰度作为饲草，依赖原生丛生禾草作为巢覆盖或育雏栖息地；因此，本研究中这些功能群生物量随营养添加增加似乎有益。然而，N可用性增加也显著增加了木本植物生物量，这在长叶松稀树草原中通常不受欢迎，因为它与维持开放林下的管理目标冲突。虽然木本侵占常是长叶松稀树草原管理关注点，但许多健康林下自然包含低矮木本成分，通常由 scrub oaks 如Quercus laevis、Q. marilandica或Q. margarettae组成。然而，过度木本生长，尤其受营养富集刺激时，可能改变燃料结构，减少草本多样性，并使系统远离其特征开放冠层状态。频繁火是维持长叶松稀树草原林下低木本丰度的关键机制，但增强木本生长的施肥即使低水平也可能削弱火控制木本侵占的有效性。这可能促进有利于木本物种的竞争动态转变，对这些稀树草原群落组成和结构具有潜在长期影响。长叶松稀树草原常见的豆科可与根瘤菌和丛枝菌根真菌形成三方营养共生，使豆科将N和P纳入组织。参与这些互利共生时，长叶松稀树草原的豆科可能通过凋落物和根分解以及根分泌物释放N和P回林下， benefit 林下生产力。在恢复中利用这些天然养分来源可能是更成本效益和环境友好的肥料替代品，进一步强调植物选择在林下恢复项目中的重要性。虽然这些发现可能特定于我们研究的土壤类型，但沙岗拥有一些最大完整长叶松栖息地剩余区域，是恢复和保护工作的重要栖息地。我们的多年慢性营养添加田间实验表明，干旱沙岗长叶松稀树草原对施肥的响应可能不同于全球其他草地和稀树草原。具体地，营养添加增加了林下生产力而未降低植物生物多样性。然而，增加的生产力 alone 并不可靠转化为生态效益，且未改变的物种丰富度可能掩盖组成转变或营养敏感类群丢失。因此，营养富集的生态影响可能情境依赖并与特定管理目标相关。虽然我们不主张大规模施肥作为管理策略，但我们的发现表明低水平慢性营养输入（如生物固氮或大气沉降产生的）可能以符合某些管理目标（如增加饲草生物量或促进火蔓延）的方式影响群落结构。同时，这些输入可能对其他目标（如限制木本侵占或保护稀有低营养适应物种）构成挑战。理解这些权衡对于预期营养输入（无论自然或人为）如何与其他管理目标相互作用至关重要。未来工作应评估这些模式是否在更长时间尺度上持续存在，并在不同环境条件、管理实践和恢复情境中变化。