盐碱化煤矿区植物功能多样性主要受交换性阳离子沉降影响的研究——以中国西北沙漠为例

《Ecology and Evolution》：Plant Functional Diversity Is Primarily Influenced by Exchangeable Cation Deposition in a Saline-Alkaline Coal-Mining Region in Northwestern China

本文通过实地观测研究，揭示了在西北盐碱化煤矿区，植物功能多样性（PFD）主要受伴随酸沉降的交换性阳离子（BC）沉降影响，而非硫（S）、氮（N）沉降强度。研究发现，当地植物群落倾向于采取缓慢投资-回报的保守生态策略，其稳定性主要由叶片功能性状（如厚度LT、总碳LTC、总氮LTN浓度）驱动，而非PFD。研究强调了在评估酸沉降生态风险时，BC沉降的潜在影响不容忽视，为工业酸排放源周边荒漠生态系统的保护与恢复提供了新视角。

　　

引言

自工业革命以来，人类活动产生了大量的SO₂和NO_X，导致全球范围内酸沉降问题日益严重。传统的人工添加硫（S）和氮（N）的模拟实验难以精确模拟真实酸沉降的类型、组成、强度、频率和持续时间，可能导致对植物多样性影响的评估出现偏差。因此，围绕酸排放源研究植物多样性模式成为一种更可靠的方法，但在盐碱化区域的相关实地研究仍较缺乏。本研究旨在探究中国西北部一个高pH值、土壤富含CaCO₃且酸沉降增加的沙漠煤矿区的植物功能多样性（PFD）及其影响因素。

材料与方法

研究地点位于宁夏宁东能源化工基地（Ningdong Base），该地区属于典型的中温带大陆性气候，植被类型为荒漠。研究于2019年7月至2021年12月进行，在以三家火电厂为中心的下风向（东南方向）0、500、1000、1500和2000米处设置了采样点。在每个采样距离，设置了三个10米×10米的样点用于植物、大气沉降和土壤样品的采集。植物功能多样性指数（功能丰富度指数FRic、功能均匀度指数FEve、功能离散度指数FDis、Rao指数Rao's）基于测量的叶片功能性状（如比叶面积SLA、叶片干物质含量LDMC、叶片厚度LT、叶片总碳LTC、总氮LTN、总磷LTP浓度等）进行计算。群落稳定性通过物种生物量变异系数的倒数（ICV）表示。同时，监测了大气沉降（包括SO₄^2?、NO₃^?、NH₄⁺、K⁺、Ca²⁺、Na⁺、Mg²⁺等离子沉降）和土壤理化性质。数据分析采用了主成分分析（PCA）、线性回归、多元回归、Mantel检验和结构方程模型（SEM）等方法。

结果

植物功能多样性与叶片性状的变化

除叶片总碳浓度（CWM.LTC）外，植物功能多样性（PFD）指数和叶片性状的群落加权平均值（CWM）的变异系数（CV）大多超过15%，表明存在中度至高度变异。主成分分析（PCA）结果显示，第一主成分（PC1）主要与叶片形态性状（如LTC、LDMC、LT）相关，代表了资源保守策略；第二主成分（PC2）主要与叶片光合性状（如LTN、SLA）相关，代表了资源获取策略。植物群落性状谱明显偏向于缓慢投资-回报的一端。沿采样距离梯度，大多数PFD指数和叶片性状CWM值未呈现明显变化趋势。

植物群落稳定性与功能多样性及叶片性状的关系

分析表明，植物功能多样性（PFD）的各指数（FRic、FEve、FDis、Rao's）与植物群落稳定性之间均无显著相关性。相反，叶片性状的群落加权平均值（CWM）与稳定性关系密切：叶片厚度（CWM.LT）与稳定性呈显著正相关，而叶片总碳浓度（CWM.LTC）和总氮浓度（CWM.LTN）与稳定性呈显著负相关。这表明，在资源受限的环境中，由具有保守叶片性状（如叶片厚、养分浓度低）的物种主导的植物群落更为稳定。

环境因子对植物功能多样性的影响

与土壤性质相比，沉降性质（特别是Na⁺和Mg²⁺沉降）对PFD指数的解释度更高。结构方程模型（SEM）分析揭示，硫（S）沉降对四个PFD指数均无显著影响。氮（N）沉降通过影响沉降pH值和土壤全磷含量（STP）对功能丰富度指数（FRic）产生间接负效应。相比之下，交换性阳离子（BC）沉降对FRic、FDis和Rao's指数均产生直接的负效应，同时还通过正效应影响STP进而间接负向影响FRic。在土壤性质中，仅土壤全磷含量（STP）对FRic有直接负效应，其他土壤性质对PFD指数无显著影响。

讨论

工业酸排放源周边沙漠植物偏好缓慢投资-回报的生态策略

研究表明，当地沙漠植物主要通过采取保守的叶片性状策略（高叶片厚度、低比叶面积、有限的叶片碳氮浓度）来适应环境，体现了缓慢投资-回报的生态策略。与远离酸排放源的类似沙漠植物相比，研究区植物的SLA较高而LDMC较低，这可能暗示酸沉积在一定程度上增强了叶片的光合作用能力。主成分（PC1）主要受沉降性质而非土壤性质驱动，说明植物优先强化其物理支撑能力以抵御沉降风险。

叶片性状而非植物功能多样性主导植物群落稳定性

本研究发现植物群落稳定性与功能多样性（PFD）无关，而与叶片功能性状密切相关。具有资源保守型性状（如叶片厚、养分浓度低）的植物群落在该资源匮乏的环境中表现出更高的稳定性，这支持了“快-慢”功能性状经济谱理论。

交换性阳离子沉降是驱动植物功能多样性的主导因素

与许多模拟施肥实验的结果不同，本研究中自然发生的硫（S）和氮（N）沉降对植物功能多样性（PFD）没有明显影响，这可能与研究区土壤富含CaCO₃，对酸沉降具有较强缓冲能力有关。相反，交换性阳离子（BC）沉降（尤其是Ca²⁺）对功能丰富度（FRic）、功能离散度（FDis）和Rao指数产生了显著的负效应。一个可能的原因是BC沉降加剧了土壤盐渍化（与土壤Na⁺含量呈强正相关），从而抑制了大多数本地植物的生长。土壤全磷（STP）的增加缓解了磷限制，减少了生态位分化，从而导致FRic降低。

结论

研究表明，宁东盐碱化煤矿区的植物群落主要采取缓慢投资-回报的生态策略，但其叶片光合能力高于远离酸排放源的类似沙漠植物。植物群落的稳定性与叶片功能性状（特别是LT、LTC、LTN）密切相关，而与植物功能多样性（PFD）无关。硫（S）和氮（N）沉降对PFD影响甚微，而交换性阳离子（BC）沉降是降低PFD（特别是FRic、FDis和Rao's指数）的主要因素。因此，在评估工业酸排放源周边植物多样性时，伴随酸沉降的BC沉降的潜在风险不容忽视。未来研究需延长监测时间、涵盖更广的土壤盐碱度范围并增加采样点，以进一步阐明酸沉降与其他环境压力因子在更长时间尺度和更广土壤pH条件下的相互作用。