植物地上生物量与多样性之间的关系通常呈单峰模式，在资源匮乏的生境中呈正相关，在资源丰富的生境中呈负相关（图1）。降水是影响陆地生态系统中植物生物量和多样性的重要资源。然而，降水量变化对植物生物量–多样性关系的影响及其机理尚不清楚。厘清水资源变化如何改变生物量–多样性关系，有助于预测不断变化的降水条件下植物生物量和多样性。

图1. 资源添加对植物生物量–物种丰富度关系影响的三个假说。

近日，Global Change Biology期刊发表了“生态系统与生态安全”任务“荒漠生态系统及其生态效应”专题兰州大学生态学院、草种创新与草地农业生态系统全国重点实验室的研究工作，揭示降水变化对生物量–生物多样性关系的影响。兰州大学生态学院硕士生于燕为该项研究的第一作者，导师叶建圣教授为通讯作者。本研究基于野外实验和数据整合分析，结果表明，增雨不仅能延缓植物生物量-物种丰富度单峰曲线的下降阶段，还能使曲线上移。增雨后的养分限制降低了强竞争者的优势地位，推迟了资源丰富的生境中植物生物量–生物多样性负相关关系。一种资源的稀缺导致另一种资源的增加，推迟了资源富集生境中植物生物量–生物多样性负相关的出现。在半干旱和干旱地区，减雨会导致生物量和物种丰富度的同时下降，但并未显著改变单峰生物量–物种丰富度曲线。这些发现有助于预测气候变化背景下不同降水模式的植物生物量和生物多样性的关系，并突出了水分供应、营养水平和植物多样性之间复杂的相互作用。

1. 植物生物量和生物多样性对增雨的响应野外实验表明，增雨显著增加了植物地上生物量和生物多样性，降低了物种优势度；增雨显著增加了土壤含水量，降低了土壤无机氮含量。结构方程模型表明，增雨会通过降低土壤无机氮和增加植物生物量，进而增加物种丰富度（图2）。

图2. 增雨对植物地上生物量、生物多样性、土壤水分和无机氮的影响。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。

增雨显著增加了一种禾本科物种（醉马草）和三种非禾本科物种（牻牛儿苗、苦苣、糙叶黄芪）的出现频率，并且增加了大部分增雨样方和对照样方中已有物种的出现频率（图3）。

图3. 水添加和对照样方中各个物种出现的频率。

对全球范围内已发表的增雨和减雨野外试验进行整合分析，结果表明，在所有气候条件下水添加显著增加了植物地上生物量而减雨显著降低了地上生物量。在半干旱和干旱气候下，增雨显著增加了物种丰富度，减雨显著降低了物种丰富度；在湿润和半湿润气候下，物种丰富度对增雨和减雨的响应均不显著（图4）。

图4. 地上生物量和物种丰富度对增雨和减雨的响应（整合分析）。

2. 植物生物量和物种丰富度关系对降水变化的响应线性混合效应模型表明，增雨实验中，植物地上生物量与物种丰富度之间的关系在对照和1 × 20 mm加水处理下均呈现单峰模式，在4 × 5 mm加水处理下呈正相关关系。与对照相比，1 × 20 mm加水处理延缓了地上生物量–物种丰富度曲线峰值的出现，且两条曲线的回归系数存在显著差异。数据整合分析表明，增雨、减雨和对照下，植物地上生物量和物种丰富度的关系均呈现单峰关系。与对照相比，增雨显著延缓了地上生物量和物种丰富度关系中峰值的出现，而减雨处理与对照相比未呈现出显著变化（图5）。

图5. 植物生物量和物种丰富度关系对水添加和水减少的响应。

该研究得到了第二次青藏科考、中央高校基本科研业务经费的支持。

文章链接：http://dx.doi.org/10.1111/gcb.17430