不同增雨模式下物种异步性与物种丰富度对草地生产力稳定性的协同调控机制

本研究针对全球降水格局变化下草地生态系统稳定性下降的问题，通过三年野外控制实验，探究了物候期增雨（PR）和全生长季增雨（FR）对内蒙古半干旱草地群落生产力稳定性（ANPP stability）的影响机制。研究发现两种增雨模式均显著提升生产力及稳定性，其中PR通过促进物种丰富度（Species richness）和物种异步性（Species asynchrony）实现稳定性提升，而FR主要依赖优势种生长。结构方程模型揭示物种异步性与丰富度是稳定性的核心驱动因子。该研究为气候变化背景下草地可持续管理提供了理论依据和实践路径。

　　

随着全球气候变化加剧，降水格局正发生显著改变，极端降水事件频发、降水强度和时间分布异化，这对陆地生态系统特别是水分受限的草地生态系统带来严峻挑战。半干旱草地作为欧亚草原的重要组成部分，不仅承担着畜牧业生产的重任，更在调节气候、水土保持和维持生态安全方面发挥着不可替代的作用。然而，降水变化如何影响草地生态系统的稳定性，其背后的机制是什么，不同的增雨模式又会产生怎样不同的生态效应？这些问题亟待深入探究。

以往的研究多关注年降水量变化对生态系统的影响，但对降水时间分配的调整如何作用于群落稳定性的认识仍十分有限。特别是在关键物候期增水是否比全生长季均匀增水更能促进物种共存和功能补偿，尚缺乏系统性的野外实验证据。理解这些机制，对于预测草地生态系统对未来气候的响应、制定适应性管理策略具有重要意义。正是在这样的背景下，研究人员在内蒙古锡林郭勒草原展开了一项为期三年的野外控制实验，研究成果发表在《Agricultural Water Management》上。

研究团队主要采用了野外控制实验与多变量统计建模相结合的方法。实验设计包括自然降水（CK）、物候期增雨（PR，5-7月每月增水40mm）和全生长季增雨（FR，4-9月每月增水40mm）三种处理。每年7月下旬进行群落调查，记录物种数、盖度与高度；8月中旬收割地上生物量以计算群落及优势种ANPP（地上净初级生产力）。土壤样品采集自0-10cm土层，测定无机氮（Soil inorganic nitrogen）、有机质（Organic matter content）等指标。稳定性计算采用时间均值与标准差的比值，物种异步性通过1-φb公式量化。数据分析使用线性混合效应模型和结构方程模型（SEM），关键分析工具为R软件中的piecewiseSEM包。

3.1. 不同增雨处理对群落ANPP及其稳定性的影响

两种增雨处理均显著提高群落ANPP和其时间稳定性（P<0.05），PR和FR分别使ANPP增加100.8%和145.8%，且显著降低了ANPP的标准差。这表明增雨不仅提升生产力，也增强了其时间维度上的稳定。

3.2. 植物群落特征对增雨的响应

PR和FR均显著提高优势种ANPP与稳定性、杂草物种丰富度及物种异步性（P<0.05）。FR处理下优势种ANPP显著高于PR，但PR能显著提高群落及杂草的物种丰富度。这表明PR在促进多样性方面更具优势，而FR更利于优势种生长。

3.3. 群落稳定性与生物、非生物因子的关系

线性回归显示，群落稳定性与土壤有机质、生长季降水、优势种稳定性、物种异步性及物种丰富度均呈显著正相关（P<0.05），而与土壤无机氮无显著关系。

3.4. 增雨处理下驱动群落稳定性的路径

SEM分析表明，增雨主要通过提升物种异步性和物种丰富度来增强群落稳定性。增雨虽提高了土壤无机氮和优势种稳定性，但前者间接降低了物种丰富度从而不利于稳定性，后者对群落稳定性的直接贡献不显著。物种异步性和丰富度是稳定性维持的关键机制。

研究结论与讨论部分进一步阐释，群落时间稳定性作为生态系统抵抗外界干扰的重要指标，在变化环境下的维持机制具有重要理论价值。本研究表明，增雨处理通过促进物种异步性和物种丰富度，进而提高群落稳定性，而不是依赖优势种稳定性。这一发现支持了“保险效应”假说，即物种间对环境波动的异步响应能够缓冲群落水平的生产力波动。

值得注意的是，全生长季增雨虽显著提高生产力，但并未显著增加物种丰富度，其稳定性提升更多依赖于物种异步性机制；而物候期增雨则在提高生产力的同时显著促进多样性，显示出更优的生态效益。从管理角度看，物候期增雨模式更具可持续性，能够在节约水资源的同时实现生态功能与生物多样性保护的协同。

该研究结果强调了降水分配时间对生态系统功能调控的重要性，为半干旱草地应对未来气候变化提供了重要的管理启示：通过优化增水时间，聚焦植物需求关键期，可更高效地提升草地生态系统的稳定性和恢复力。此外，研究也提示，过度增水可能通过改变土壤氮循环和促进优势种竞争，对多样性产生抑制效应，因此在实际应用中需结合土壤和群落反馈进行精细化调控。

综上，该研究不仅深化了对降水变化下草地生态系统稳定性机制的理解，也为草地可持续管理和水资源高效利用提供了实证依据和策略方向。