研究背景
全球气候变化正在改变干旱与半干旱草原生态系统的稳定性边界。随着年际降水波动增强、大气氮沉降加剧以及放牧压力持续存在，草原生态系统的稳定性正受到多重驱动因子的共同影响。物种丰富度（SR）和地上净初级生产力（ANPP）分别反映群落多样性与生态系统生产功能，二者之间的耦合关系被认为是评估草地稳定性和恢复力的重要生态学指标。然而，已有研究多关注单因子效应或静态气候条件下的生态响应，对于降水变异、放牧干扰和氮输入如何在不同降水年份中共同调控SR–ANPP耦合关系，仍缺乏系统认识。
近期，兰州大学侯扶江老师和王晓波老师团队在《Earth's Future》上发表了一项研究，团队以黄土高原典型干旱草原为对象，探讨了不同降水年份下，放牧强度和氮添加如何影响SR与ANPP之间的耦合关系，并进一步解析了植物功能群和土壤因子在其中的调控机制。
图1.长期放牧试验平台和氮添加试验区。UG、LG、MG和HG分别代表未放牧、低度放牧、中度放牧和重度放牧。
研究方法
研究基于中国甘肃省庆阳市环县黄土高原典型草原22年长期放牧实验平台，设置为期3年的放牧强度 × 氮添加裂区试验；
实验设计：
主区（放牧强度）： 禁牧（UG）、轻度放牧（LG, 2.7 sheep/ha）、中度放牧（MG, 5.3 sheep/ha）和重度放牧（HG, 8.7 sheep/ha）；
副区（氮添加）： 不施氮（N0）和施氮（N10, 10 g N/m²/yr）；
时间尺度：2022年为湿润年，2023年为干旱年，2024年为正常降水年；
测量指标：
植物群落：SR、ANPP、功能群组成；
土壤属性：水分（SM）、容重（BD）、有机碳（SOC）、全氮（TN）、无机氮（NH₄⁺、NO₃⁻）、有效磷（AP）、总磷（TP）等；
统计分析：响应比（RR）、解耦指数（DI）、随机森林、结构方程模型（SEM）；
在该研究中，研究人员采用Smartchem 450全自动化学分析仪对土壤的NH₄⁺-N、NO₃⁻-N、AP和TP进行分析。该仪器通过先进的样品管密封技术，有效降低了样品蒸发和交叉污染的风险，同时减少了环境因素对测量参数的干扰，确保了分析结果的准确性和可靠性。
图2.图 (a, b) 显示了物种SR和ANPP对放牧强度和N添加的响应比率，并分析了年际降水变化 (IPV) 的影响。图 (c) 和 (d) 还分别展示了放牧、氮添加、IPV 及其交互作用对SR和ANPP变化的相对贡献。
图3.本研究探讨了不同放牧强度和氮肥添加处理下，SR和ANPP对年际降水变化的敏感性差异。
图4.在年际降水变化背景下，放牧强度和N添加对群落解耦指数（DI）的影响。
图5.结构方程模型和标准化直接效应显示了土壤理化性质、降水、放牧强度和氮添加对SR和ANPP的调控途径。
研究结果
湿润年低放牧结合氮添加可增强二者协同；干旱年重度放牧加剧解耦；正常年耦合相对稳定，但中、高强度放牧仍会削弱协调性；
润年短命植物促进SR增加，多年生禾草提升ANPP；干旱年一年生植物衰退导致SR快速下降，而耐旱多年生植物仅维持低水平ANPP，最终造成SR与ANPP解耦；
轻度放牧提升群落对降水的敏感性；氮添加在湿润年显著增强ANPP并促进耦合；中度以上放牧抑制SR，破坏耦合；
正向调控：降水、SOC、TN促进SR-ANPP耦合；氮添加通过提升SOC间接增强ANPP；负向调控：放牧增加容重（BD），抑制SR；过度放牧直接降低ANPP与SOC；
结语
本研究表明，干旱草原中生物多样性与生产力的关系并非固定不变，而是在降水格局、放牧强度、氮输入及土壤反馈的共同作用下动态调整。尤其在气候波动加剧的背景下，单一、固定的载畜量管理已难以满足草地生态系统稳定性维持的需求。未来草地管理应更加重视年际降水变化，结合放牧强度调控、氮素输入优化和土壤质量保护，构建更具弹性和适应性的管理策略，以促进干旱草原生物多样性、生产力与生态韧性的协同维持。
发表期刊：Earth's Future【影响因子：8.2】
研究单位：兰州大学、河北大学
研究地点：中国甘肃省庆阳市环县
使用设备：Smartchem 450全自动化学分析仪
DOI：https://doi.org/10.1029/2025EF007558