降水變化對植物生物量–多樣性關系的影響
植物地上生物量與多樣性之間的關系通常呈單峰模式，在資源匱乏的生境中呈正相關，在資源豐富的生境中呈負相關（圖1）。降水是影響陸地生態系統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–多樣性關系的影響及其機理尚不清楚。厘清水資源變化如何改變生物量–多樣性關系，有助于預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–物種豐富度關系影響的三個假說。
近日，Global Change Biology期刊發表了“生態系統與生態安全”任務“荒漠生態系統及其生態效應”專題蘭州大學生態學院、草種創新與草地農業生態系統全國重點實驗室的研究工作，揭示降水變化對生物量–生物多樣性關系的影響。蘭州大學生態學院碩士生于燕為該項研究的第一作者，導師葉建圣教授為通訊作者。本研究基于野外實驗和數據整合分析，結果表明，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。增雨后的養分限制降低了強競爭者的優勢地位，推遲了資源豐富的生境中植物生物量–生物多樣性負相關關系。一種資源的稀缺導致另一種資源的增加，推遲了資源富集生境中植物生物量–生物多樣性負相關的出現。在半干旱和干旱地區，減雨會導致生物量和物種豐富度的同時下降，但并未顯著改變單峰生物量–物種豐富度曲線。這些發現有助于預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系，并突出了水分供應、營養水平和植物多樣性之間復雜的相互作用。
1. 植物生物量和生物多樣性對增雨的響應野外實驗表明，增雨顯著增加了植物地上生物量和生物多樣性，降低了物種優勢度；增雨顯著增加了土壤含水量，降低了土壤無機氮含量。結構方程模型表明，增雨會通過降低土壤無機氮和增加植物生物量，進而增加物種豐富度（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頻率（圖3）。
圖3. 水添加和對照樣方中各個物種出現的頻率。
對全球范圍內已發表的增雨和減雨野外試驗進行整合分析，結果表明，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（整合分析）。
2. 植物生物量和物種豐富度關系對降水變化的響應線性混合效應模型表明，增雨實驗中，植物地上生物量與物種豐富度之間的關系在對照和1 × 20 mm加水處理下均呈現單峰模式，在4 × 5 mm加水處理下呈正相關關系。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，且兩條曲線的回歸系數存在顯著差異。數據整合分析表明，增雨、減雨和對照下，植物地上生物量和物種豐富度的關系均呈現單峰關系。與對照相比，增雨顯著延緩了地上生物量和物種豐富度關系中峰值的出現，而減雨處理與對照相比未呈現出顯著變化（圖5）。
圖5. 植物生物量和物種豐富度關系對水添加和水減少的響應。
該研究得到了第二次青藏科考、中央高?；究蒲袠I務經費的支持。
文章鏈接：http://dx.doi.org/10.1111/gcb.17430