【专家视角】成都理工大学联合研究Nature Communications｜全球森林中植物多样...

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（来源：生态修复网）

植物多样性对维持生态系统功能至关重要，但其与土壤呼吸这一碳循环关键组分的全球尺度关系尚不明确。本研究通过整合两个全球植物物种丰富度数据集（树木物种丰富度和维管植物物种丰富度）与基于深度学习方法估算的全球土壤呼吸数据集，揭示了植物多样性对土壤呼吸的影响具有显著的净初级生产力依赖性。研究发现，在低至中等生产力水平的森林中（< 1300 g C m-2 yr-1），植物多样性对土壤呼吸具有增强作用，但在高生产力森林中这一效应减弱。通过沿净初级生产力梯度对森林进行分层，并利用结构方程模型控制气候、土壤和植被等协变量，本研究揭示了生物多样性发挥作用的背景依赖性情境依赖性。研究结果表明，植物物种丰富度在资源受限的生态系统中能够增强土壤呼吸，但在高生产力森林中贡献有限，后者受非生物因子的影响更为强烈。这些发现为理解生物多样性如何影响土壤碳通量提供了新视角，揭示了其在不同生产力梯度上塑造生态系统碳动态的动态作用。

1 科学问题

植物多样性如何在全球尺度上影响土壤呼吸？这一关系是否以及如何随森林生产力梯度变化？尽管大量研究表明植物多样性对土壤有机碳储存和植被生产力具有积极影响，但其对土壤呼吸这一全球碳循环第二大通量的影响仍不明确。以往的小尺度实验研究结果不一致，且多集中于草地生态系统，难以反映自然生态系统的复杂性。因此，探究全球森林中植物多样性与土壤呼吸的关系及其随生产力梯度的变化规律，对于预测未来碳动态和指导生物多样性保护至关重要。

2 研究方案

数据整合与处理：利用MGRsD数据集中的6355个月尺度土壤呼吸观测数据，结合气候、土壤和植被等环境变量，采用多层感知机深度学习模型预测1982-2018年全球土壤呼吸。模型通过10折交叉验证、留一年交叉验证和留一位点交叉验证验证了其稳健性。

植物多样性数据：采用树木物种丰富度和维管植物物种丰富度两个全球数据集，统一重采样至0.05°分辨率，并与土壤呼吸预测图叠加。

统计分析：运用随机森林模型的SHAP值分析量化物种丰富度对观测土壤呼吸的贡献；采用偏依赖图可视化物种丰富度对预测土壤呼吸的边际效应；将净初级生产力分为10个分位数区间，分析多样性-土壤呼吸关系随生产力梯度的变化。

效应量化：通过多元回归方法控制环境协变量，量化植物多样性对土壤呼吸的独立效应（θ），并对θ进行空间制图。

路径分析：采用结构方程模型解析环境因子、植物多样性与土壤呼吸之间的直接和间接关系。

3 结论

主要发现

全球尺度上植物多样性对土壤呼吸具有正效应：SHAP值分析显示，维管植物物种丰富度和树木物种丰富度与土壤呼吸呈正相关关系。偏依赖图进一步证实了这一关系，在物种丰富度较低时效应更为明显，随着丰富度增加效应趋于平缓。

多样性效应随生产力梯度变化：在低生产力森林中，植物多样性对土壤呼吸的正效应最为显著；而在高生产力森林中，这一效应减弱甚至消失。θ值沿净初级生产力梯度的下降趋势对维管植物物种丰富度和树木物种丰富度均显著。

生物群区和气候类型影响多样性效应强度：树木多样性与土壤呼吸的关系在寒带和北方森林中更为显著，而在热带森林中空间异质性更强，可能是由于高多样性系统中物种功能相似性增加，以及高温高湿条件下非生物因子主导了土壤呼吸过程。

环境因子的作用模式：结构方程模型显示，环境因子对土壤呼吸的直接效应在低生产力森林中较强，在高生产力森林中再次增强；而通过植物多样性的间接效应则在低至中等生产力森林中最为明显。

机制探讨

植物多样性促进土壤呼吸的机制包括：多样化的植物群落更可能包含互补的地下功能性状（如根系深度差异、根系分泌物速率差异、菌根类型差异），促进养分循环和刺激土壤微生物活性。然而，在高生产力森林中，优势物种的有机质输入量大、种间竞争加剧以及功能相似性增加，导致植物多样性对土壤呼吸的边际贡献降低。

不足与展望

数据局限性：研究依赖于全球模拟数据集，其质量、分辨率和收集方法在不同数据源间存在差异。尽管重采样分析显示影响可忽略，但样地尺度的维管植物物种丰富度与预测土壤呼吸的关系不显著（尤其在高、低生产力水平），表明模型在捕捉精细尺度生物多样性效应方面存在局限。

生态系统覆盖范围：研究聚焦于森林生态系统，未来应将研究扩展至灌丛、草地和农田等其他生态系统，以验证多样性-土壤呼吸关系的普遍性。

时间动态考量：本研究主要呈现了植物多样性-土壤呼吸关系的快照，未考虑季节变化、气候波动和长期生态动态。建议未来开展长期定位监测研究，评估这些关系随时间演变规律。

功能群作用：丛枝菌根植物生物量对多样性-土壤呼吸关系的调节作用不显著，表明植物多样性的正效应更可能与整个群落的功能多样性相关，而非特定功能群。未来应综合考虑外生菌根植物、固氮植物和土壤碳氮比等因素。

文章来源：生态环境科学

(生态修复网)