降水變化對植物生物量–多樣性關(guān)系的影響
植物地上生物量與多樣性之間的關(guān)系通常呈單峰模式，在資源匱乏的生境中呈正相關(guān)，在資源豐富的生境中呈負(fù)相關(guān)（圖1）。降水是影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中植物生物量和多樣性的重要資源。然而，降水量變化對植物生物量–多樣性關(guān)系的影響及其機(jī)理尚不清楚。厘清水資源變化如何改變生物量–多樣性關(guān)系，有助于預(yù)測不斷變化的降水條件下植物生物量和多樣性。
圖1. 資源添加對植物生物量–物種豐富度關(guān)系影響的三個(gè)假說。
近日，Global Change Biology期刊發(fā)表了“生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)安全”任務(wù)“荒漠生態(tài)系統(tǒng)及其生態(tài)效應(yīng)”專題蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院、草種創(chuàng)新與草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究工作，揭示降水變化對生物量–生物多樣性關(guān)系的影響。蘭州大學(xué)生態(tài)學(xué)院碩士生于燕為該項(xiàng)研究的第一作者，導(dǎo)師葉建圣教授為通訊作者。本研究基于野外實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)整合分析，結(jié)果表明，增雨不僅能延緩植物生物量-物種豐富度單峰曲線的下降階段，還能使曲線上移。增雨后的養(yǎng)分限制降低了強(qiáng)競爭者的優(yōu)勢地位，推遲了資源豐富的生境中植物生物量–生物多樣性負(fù)相關(guān)關(guān)系。一種資源的稀缺導(dǎo)致另一種資源的增加，推遲了資源富集生境中植物生物量–生物多樣性負(fù)相關(guān)的出現(xiàn)。在半干旱和干旱地區(qū)，減雨會(huì)導(dǎo)致生物量和物種豐富度的同時(shí)下降，但并未顯著改變單峰生物量–物種豐富度曲線。這些發(fā)現(xiàn)有助于預(yù)測氣候變化背景下不同降水模式的植物生物量和生物多樣性的關(guān)系，并突出了水分供應(yīng)、營養(yǎng)水平和植物多樣性之間復(fù)雜的相互作用。
1. 植物生物量和生物多樣性對增雨的響應(yīng)野外實(shí)驗(yàn)表明，增雨顯著增加了植物地上生物量和生物多樣性，降低了物種優(yōu)勢度；增雨顯著增加了土壤含水量，降低了土壤無機(jī)氮含量。結(jié)構(gòu)方程模型表明，增雨會(huì)通過降低土壤無機(jī)氮和增加植物生物量，進(jìn)而增加物種豐富度（圖2）。
圖2. 增雨對植物地上生物量、生物多樣性、土壤水分和無機(jī)氮的影響。1 × 20 mm表示每月增加一次20 mm降雨，4 × 5 mm表示每周增加一次5 mm降雨。
增雨顯著增加了一種禾本科物種（醉馬草）和三種非禾本科物種（牻牛兒苗、苦苣、糙葉黃芪）的出現(xiàn)頻率，并且增加了大部分增雨樣方和對照樣方中已有物種的出現(xiàn)頻率（圖3）。
圖3. 水添加和對照樣方中各個(gè)物種出現(xiàn)的頻率。
對全球范圍內(nèi)已發(fā)表的增雨和減雨野外試驗(yàn)進(jìn)行整合分析，結(jié)果表明，在所有氣候條件下水添加顯著增加了植物地上生物量而減雨顯著降低了地上生物量。在半干旱和干旱氣候下，增雨顯著增加了物種豐富度，減雨顯著降低了物種豐富度；在濕潤和半濕潤氣候下，物種豐富度對增雨和減雨的響應(yīng)均不顯著（圖4）。
圖4. 地上生物量和物種豐富度對增雨和減雨的響應(yīng)（整合分析）。
2. 植物生物量和物種豐富度關(guān)系對降水變化的響應(yīng)線性混合效應(yīng)模型表明，增雨實(shí)驗(yàn)中，植物地上生物量與物種豐富度之間的關(guān)系在對照和1 × 20 mm加水處理下均呈現(xiàn)單峰模式，在4 × 5 mm加水處理下呈正相關(guān)關(guān)系。與對照相比，1 × 20 mm加水處理延緩了地上生物量–物種豐富度曲線峰值的出現(xiàn)，且兩條曲線的回歸系數(shù)存在顯著差異。數(shù)據(jù)整合分析表明，增雨、減雨和對照下，植物地上生物量和物種豐富度的關(guān)系均呈現(xiàn)單峰關(guān)系。與對照相比，增雨顯著延緩了地上生物量和物種豐富度關(guān)系中峰值的出現(xiàn)，而減雨處理與對照相比未呈現(xiàn)出顯著變化（圖5）。
圖5. 植物生物量和物種豐富度關(guān)系對水添加和水減少的響應(yīng)。
該研究得到了第二次青藏科考、中央高校基本科研業(yè)務(wù)經(jīng)費(fèi)的支持。
文章鏈接：http://dx.doi.org/10.1111/gcb.17430