短期增温对高寒草地植物多样性-生产力关系的重塑作用及其机制

本研究针对全球变暖背景下高寒草地生态系统响应机制不明的科学问题，通过青藏高原高寒草甸的三年原位增温实验，揭示了短期增温通过增强物种周转(β-diversity)加剧对生产力(AGB)的负效应，同时缓解速效氮(AN)对香农多样性(Shannon index)和生产力的限制作用。研究成果为预测气候变化对高寒草地生态功能的影响提供了关键科学依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，高寒生态系统正经历着前所未有的变暖过程。青藏高原作为"地球第三极"，其高寒草地生态系统对气候变化的响应尤为敏感。尽管生物多样性-生产力关系(Biodiversity-productivity relationship, BPR)被认为是生态系统功能维持的核心机制，但短期增温如何通过改变植物群落结构和土壤养分循环来影响BPR，仍是生态学领域亟待解决的关键科学问题。

为揭示短期增温对高寒草地植物多样性、生产力及其相互关系的影响机制，研究团队在西藏林周县高寒草甸(海拔3900米)开展了连续三年的开顶箱(Open-top chambers, OTCs)增温实验。该实验采用区块化设计，设置了15个重复区块，每个区块包含3对增温-对照样方，共计90个样方。研究人员系统监测了植物群落特征(物种组成、高度、盖度、丰富度)、地上生物量(Aboveground biomass, AGB)以及土壤养分指标，并运用多种统计分析方法(包括随机森林分析、结构方程模型等)深入解析了各要素间的相互关系。

研究结果显示，增温对植物α-多样性产生了时间依赖性的影响。一年增温显著提高了香农指数(Shannon index)、辛普森指数(Simpson index)和物种丰富度(Species richness)，但三年增温却显著降低了物种丰富度。这种变化与增温引起的植物群落结构改变密切相关——增温增强了物种周转(β-diversity)，最终导致了物种多样性的减少。

在生产力方面，无论是对照组还是增温处理，地上生物量(AGB)在2020-2023年间均呈现显著下降趋势。一年增温显著提高了AGB，但三年增温并未产生显著促进作用。特别值得注意的是，研究发现增温条件下AGB与物种周转之间存在负相关关系，回归分析和结构方程模型进一步证实增温加剧了物种周转(β-diversity)对AGB的负面影响。

通过随机森林分析和结构方程模型的深入解析，研究团队揭示了增温对土壤养分-植物多样性-生产力关系的重塑作用。与对照相比，增温降低了速效氮(AN)对AGB的影响，但增强了对香农指数的影响；同时，增温提高了全氮(TN)对物种周转的影响。这些变化表明增温通过改变氮循环过程，重新配置了高寒草地生态系统的调控机制。

在作用机制方面，研究发现速效氮(AN)在对照条件下通过标准化直接路径(-0.47, -0.38, -0.75)控制香农多样性、物种周转和AGB。而增温缓解了速效氮对香农多样性和AGB的负面影响(路径强度分别降至-0.43和-0.38)，但同时加剧了物种周转对AGB的负效应(路径强度为-0.35)。这种调控机制的转变反映了增温对高寒草地生态系统功能维持途径的深刻影响。

本研究采用了多种关键技术方法：通过开顶箱(OTC)模拟增温条件；采用50cm×50cm样方进行植物群落调查；使用不锈钢土钻采集土壤样品并测定土壤速效氮(AN)、全氮(TN)、速效磷(AP)、全磷(TP)和pH值；运用随机森林分析确定关键影响因素；采用结构方程模型(SEM)解析各变量间的因果关系。

3.1. 群落特征

增温对高寒草地植物α-多样性产生时间依赖性影响，一年增温显著提高多样性指数，但三年增温显著降低物种丰富度，这种变化与增温引起的植物群落结构改变密切相关。增温显著改变了β-多样性，三年增温明显增加了物种周转，表明增温导致更高的物种替换率，放大了由植物物种周转驱动的多样性变化。地上生物量对增温的响应表现出时间依赖性，从最初的增强效应逐渐转变为功能解耦，一年增温显著提高生产力，但三年增温未产生显著促进作用。

3.2. 影响因素

增温重新配置了土壤养分对生态系统结构和功能的控制作用，从自然系统中的多参数调节转向增温条件下氮主导的重组过程。增温降低了速效氮对地上生物量的影响，但增强了对香农指数的影响；同时提高了全氮对物种周转的影响，反映了增温引起的确定性均质化过程。

3.3. 土壤养分、植物多样性和地上生物量之间的关系

地上生物量与全氮、全磷、pH值和香农指数呈显著正线性关系，而与速效氮和速效磷呈显著负线性关系。增温通过引入新的生物量与物种周转负相关关系，放大了生物量对群落重组的敏感性，表明热破坏空间保险机制，景观尺度的多样性不再缓冲局部生产力损失。

研究结论表明，短期增温通过加速物种周转率，通过热重组竞争层次和资源分配效率，放大β-多样性对生产力的抑制影响。增温重新配置了调控层次结构，通过改变热-养分相互作用，缓解了速效氮对α-多样性和生物量的抑制作用，但同时使β-多样性成为新的负生物量调节因子。这些发现揭示了增温如何通过热介导氮可及性跨尺度变化，破坏已建立的组装规则。

该研究为理解高寒草地生态系统对短期气候变暖的响应机制提供了重要科学依据，不仅揭示了增温对多样性-生产力关系的影响途径，还为预测未来气候变化背景下高寒草地生态功能的演变趋势提供了理论基础。研究成果对高寒草地生态系统的保护、恢复和适应性管理具有重要的实践指导价值。