高寒草甸优势功能群丧失后土壤有机碳增加与生态属性解耦现象研究

本文通过为期三年的优势植物移除实验，揭示了青藏高原高寒草甸生态系统中优势物种和功能群丧失对土壤有机碳（SOC）积累的复杂影响。研究发现，优势物种移除后SOC显著增加（68.25%），主要受土壤水分（SWC）和氮含量（TN）变化的驱动，且剩余物种维持了生态属性的耦合关系；而优势功能群移除则导致生态属性解耦，SOC调控路径简化。研究强调优势功能群在维持生态系统稳定性和碳汇功能中的关键作用，为高寒草地恢复管理提供了重要理论依据。

　　

1 引言

青藏高原作为全球气候敏感区，其高寒草甸生态系统在气候变化和人类活动干扰下正经历显著的植被演替。优势植物逐渐被替代可能引发生态系统功能转变，尤其影响土壤有机碳（SOC）固存能力。土壤作为最大陆地碳库，其碳动态对全球碳平衡至关重要。尽管已有研究关注植物功能群丧失对SOC的影响，但机制尚不明确，且优势物种与功能群的作用差异缺乏系统比较。

2 材料与方法

研究区位于祁连山国家公园（青海片区），海拔3700米，以嵩草（Carex tibetikobresia）为优势种的高寒草甸。实验设计包括未处理对照组（CK）、优势种移除（DR）、优势功能群移除（SR）和全植物移除（APR），每组5重复。连续3年进行移除处理，于2023年采集土壤和植被样品，测定SOC、微生物生物量碳（MBC）、溶解有机碳（DOC）、土壤水分（SWC）、总氮（TN）、过氧化物酶活性（PX）及金属离子（Fe³⁺、Al³⁺）等指标，并采用方差分析、随机森林和结构方程模型（SEM）解析数据。

3 结果

3.1 土壤有机碳属性变化

所有移除处理均显著增加SOC含量，其中DR处理增幅最大（68.25%），SR和APR分别增加41.37%和26.49%。MBC和DOC在DR处理中增幅最高。活性碳组分对SOC的贡献（DSOC、MSOC、MDSOC）普遍下降，表明碳积累以稳定形态为主。

3.2 其他生态属性响应

地上生物量（AGB）在所有处理中显著降低，DR处理降幅达46.83%，但地下生物量（BGB）无显著变化。SWC普遍上升，DR处理增加59.66%；TN在DR处理中显著提高（77.23%），而PX活性显著降低。Fe³⁺和Al³⁺浓度在所有移除处理中上升，DR处理增幅最大。

3.3 生态属性关联性分析

DR处理后，SOC与SWC、TN呈显著正相关，与AGB负相关；SR和APR处理中生态属性间相关性显著减弱，表明功能群丧失导致系统解耦。随机森林显示SWC、TN和金属离子是SOC的关键预测因子。

3.4 结构方程模型解析

SEM表明DR处理中SOC受多路径调控（R²=93.5%），SWC和MDSOC具强预测力；SR和APR模型简化（R²分别为93.0%和95.2%），生态属性间通路减少，验证了解耦现象。

4 讨论

4.1 生态属性对移除的响应

优势植物丧失导致AGB减少，符合质量比假说；BGB稳定可能与根系残留及高寒区分解缓慢有关。SWC增加源于蒸腾减少和降水渗透增强，TN积累归因于氮固定促进和根分泌物改变。金属离子上升与植物吸收减少、微生物氧化及有机质分解相关。

4.2 SOC积累机制与风险

SOC增加主要源于SWC和TN上升驱动的微生物活动改变：水分促进养分溶解和微生物竞争，氮富集降低分解率，金属离子（Fe³⁺/Al³⁺）通过矿物保护稳定碳。但碳积累集中于浅层土壤（0–10 cm），长期面临氧化、微生物活动和水分波动导致的流失风险。DR处理后剩余物种维持生态耦合，而SR和APR导致严重解耦，凸显优势功能群在系统稳定性中的核心作用。

5 结论

优势种丧失短期内促进SOC积累，但机制因移除类型异质：优势种移除后剩余物种通过改善土壤属性维持系统耦合，而功能群移除引发生态解耦且碳调控路径简化。浅层碳库稳定性存疑，未来草地管理需重点恢复优势功能群以强化生态互作。研究局限在于实验操控与非自然演替的差异，建议后续结合自然群落演替及拓展至高纬度地区深化机制探索。