摘要
基于对中国6098个森林、灌丛和草地站点的实地观察和结合多种理论的综合模型预测，系统地考察了气候、土壤和人类活动对土壤有机碳储量的直接影响，以及物种丰富度(SR)、地上净初级生产力(ANPP)和地下生物量(BB)介导的间接影响。
01
背景
目的：
基于中国6098个野外点的数据，在三种生物群落类型（森林、灌丛和草地）中检验环境因素和人类干扰对土壤有机碳储量、植物多样性、生产力的影响，以及这些因素之间的相互关系。
科学问题:
(1)气候、土壤性状和人类干扰如何通过直接效应和由群落性状(如物种丰富度(SR)、地上净初级生产力(ANPP)和地下生物量(BB))介导的间接效应影响土壤有机碳储量？
(2)植物多样性在土壤有机碳储量、ANPP和BB之间的植物-土壤反馈中起什么作用？
02
研究方法
1
植被和土壤调查
•2011年至2013年
•森林：20米× 50米。胸径(DBH)、高度(DBH ≥ 5 c m)来估计林分生物量以及地上和地下比例，使用异速生长方程。
•灌丛：每个地点三块5米× 5米(沙漠灌丛为1 0米× 10米)。对于具有主茎的灌木，测量灌木高度、基径和冠幅，然后使用异速生长方程计算灌木的AGB和BB。对于没有主茎的灌木，所有的地上和地下部分都被收割(1米× 1米)，以评估AGB和BB。
•草原：每个样点沿100米样带取样10块1米× 1米的样地。收获植物的地上部分和地下部分，以估计每个地块的AGB和BB。
•使用土钻从森林、灌丛和草地的每个地块收集至少五个土壤样品。风干的土壤样品用于测量砾石含量(> 2mm)(GC)、土壤容重(BD)和土壤有机碳浓度。
•土壤有机碳储量=SOC·（1-GC）·BD
2
气候、土壤和人类活动
•对于每个站点，利用世界气候模型数据层(www.worldclim.org/)计算MAT和MAP，从国家地球系统科学数据共享基础设施(www.geodata.cn/)获得日平均光合有效辐射(PAR)。
•每个地点的土壤酸碱度值通过www.isric.org/勘探/土壤网格从土壤网格1公里处获得。从网格状长期氮沉降数据库中获得每个地点的氮沉降速率。
•道路密度数据来自国家地球系统科学数据共享基础设施(www.geodata.cn/)。
3
数据分析
•皮尔逊相关分析，用于选择与SR、ANPP、BB和SOC显著相关的指标。
•气候和人类活动的内部变量通常是相互关联的。为了减少预测变量之间的共线性，主成分分析(PCAs)被用于为每个类别创建多元函数指数。
•结构方程模型量化多变量因果网络
03
研究结果
在所有的生物群落类型中，SR和ANPP与MAT和MAP呈正相关。除森林外，BB和土壤有机碳与MAT呈负相关，但与MAP呈正相关。
仅考虑驱动因素对土壤有机碳储量的直接影响，气候适宜性(高温和降水)在除草原以外的所有生物群落类型中与土壤有机碳储量呈一致的负相关关系，随着气候适宜性的降低，气候对土壤有机碳储量的部分负效应(r∂)的幅度从森林(r∂= 0.51)下降到灌丛(r∂= 0.23)，在草原上转为正效应(r∂= 0.16)因为降水作为一个限制因素的相对重要性在增加。此外，气候适宜性对土壤有机碳储量的影响也是由生物累积和生物累积介导的，在森林中，间接气候效应是负面的，加强了对土壤有机碳储量的直接气候效应。在灌丛中，最强的间接效应是负的(通过BB——加强气候的直接效应)，通过SR有一个正的间接效应。在草原中，通过SR和BB的间接效应是负的，而通过气候的弱的正效应。
进一步将每个生物群落类型的数据集划分为两个区域，采样点被划分为干旱和半湿润区域(MAP < 800 mm)和湿润区域(MAP > 800 mm)。对于草原，采样点分为干旱和半干旱地区(海拔< 400毫米)和半湿润和湿润地区(海拔> 400毫米)。同样，气候适宜性(如高温)对土壤有机碳储量的负面影响在每个地区都一致观察到，除了半湿润和湿润的草原。
04
结论
•天然林中的物种组成不同层的过程不同，这促进了生态系统的功能。
•多样性对生态系统功能的影响取决于所考虑的空间尺度，在更加异质性的景观中，更有可能观察到多样性对生态系统功能的积极影响。
•树木的多样性与地上生物量呈正相关，表明性状既参与选择效应，又参与生态位互补。林下资源的异质性可能会促进生态位的互补性，这可能是影响林下地上生物量的主要驱动力。
•林下物种(如灌木、草本)是阐明森林生态系统中生物多样性和功能之间关系的模式和机制的独特系统。从长远来看，预测生态系统功能的模型可以通过包括不同森林层的多样性的单独影响来改进。
转自：“iEco Zheng”微信公众号
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