草原群落植物多样性丧失的尺度依赖性及机制——放牧与施肥的对比影响与作用

Our researches will be carried out in the typical grasslands of Inner Mongolia, based on a long-term grazing manipulation experiment with seven levels of grazing intensity and a long-term nitrogen addition experiment with six levels of nitrogen addition rates. Through field investigation at multi-scale, we hope to illustrate how does plant diversity response to different grazing intensity or nitrogen addition rate from small to large scale (Grazing: 1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256, 512, 1024 square meters; fertilization: 0.25, 0.5, 1, 2, 4, 6, 9, 12, 16, 20, 25 square meters)? Further, by dividing species into different functional groups, to answer how do the impacts of grazing or nitrogen addition on plant diversity differ between common and rare species? Finally, we use species-area curve method and model simulation to analyze what are the mechanisms underlying the scale-dependent influence of grazing and nitrogen addition on plant diversity in terms of changes in overall species richness, total number of individuals, species abundance distribution, and species aggregation? Our research will contribute to a more comprehensive understanding of the mechanisms of species loss, and can provide scientific guidance for sustainable grassland management and biodiversity conservation.

本项目以内蒙古典型草原为研究对象，通过大型放牧控制实验和长期氮素添加实验的对比研究，在多个放牧强度、施肥梯度、以及多个取样尺度下进行野外调查，揭示物种多样性随着尺度推绎从样方到景观尺度（放牧：1、2、4、8、16、32、64、128、256、512、1024平方米；施肥：0.25、0.5、1、2、4、6、9、12、16、20、25平方米）如何对放牧强度和施肥梯度的变化而产生响应；通过不同功能群的划分，揭示多年生禾草、多年生杂类草和一二年生植物对放牧和施肥的不同响应；通过构建种面积曲线和模型模拟的方法，分析放牧和施肥如何影响群落的总物种数、总个体数、物种多度分布、物种聚集度，进而改变α和β多样性。结合土壤养分的变化规律，最终揭示不同尺度下放牧和施肥导致多样性变化的机制。研究结果有助于阐明放牧和施肥下群落物种多样性的维持与丧失机制，为可持续草地生态系统管理和生物多样性保育提供科学理论依据。

放牧是草地生态系统的主要利用方式之一。许多研究表明，长期过度放牧使草地的植被覆盖度和初级生产力降低，生物多样性减少。另一方面，尽管初级生产力受到氮素有效性的限制，但是全球氮沉降速率的增加也导致生物多样性降低。然而，目前关于放牧和施肥导致草原群落植物多样性丧失的作用机制的对比研究还很鲜见。此外，大多数放牧和施肥的研究结果都是基于较小的样方(0.5-4平方米)，在更大的景观尺度上其结论尚不明确。本项目以内蒙古典型草原为研究对象，利用已建立的大型放牧控制实验平台和长期氮素添加实验平台开展对比研究。依照不同实验小区的面积，设置多个尺度水平的调查，系统地分析放牧强度和施肥梯度对不同尺度下总物种数、个体数、物种多度分布和物种聚集度等生物因素的影响，获得了以下重要研究结果：第一，揭示了放牧和施肥在景观尺度上对草原植物多样性的相反作用。具体地，放牧引起的物种丧失程度随着尺度增大而增加，但是施肥引起的物种丧失程度随着尺度增大而降低。第二，揭示了放牧和施肥引起物种多样性发生改变的不同作用机制。具体地，放牧引起物种丧失主要的机制是通过改变总的物种丰富度和物种多度分布格局，而并不是通过改变物种个体数。而施肥引起物种丧失主要的机制更多的是通过影响物种多度分布格局，而不是通过影响总的物种丰富度。第三，揭示了不同植物功能群在植物多样性和物种多度分布变化中的作用。具体地，放牧和施肥都是通过减少稀有种（主要是杂类草）的数量，从而导致植物多样性降低以及物种多度分布格局的改变。本项目阐明了放牧和施肥这两种重要的草地管理方式在景观尺度上影响草原生物多样性的作用机制，为退化草地恢复和可持续经营提供了重要的理论依据。