《Journal of Vegetation Science》：Plant Community Responses to Long-Term Nutrient Additions Interact With Elevation and Vegetation Type in a Subarctic Tundra
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这篇研究在瑞典阿比斯库的亚北极苔原开展了为期14年的氮（N）和磷（P）添加实验。结果表明，氮是主要的限制性养分，而氮磷共添加（N + P）能引起植物群落最大程度的变化，表现为禾草类植物（graminoids）丰度增加和物种丰富度降低。群落对养分添加的响应显著依赖于植被类型（石楠灌丛 heath vs. 草甸 meadow）和海拔梯度（即温度背景），其长期效应会随时间增强。这凸显了在预测气候变化和养分供应改变下的苔原动态时，必须考虑空间异质性和时间变异性。
1 引言
北极地区的气候变暖速率远高于全球平均水平，这直接通过温度升高影响北极苔原植被的生长，也间接通过改变微生物群落组成和养分循环速率产生影响。氮（N）和磷（P）是苔原生态系统的主要限制性养分，许多研究发现氮磷共添加能对植物产生最强的响应，表明存在氮磷共限制现象。然而，植物群落对养分添加的响应依赖于环境背景，如当地植物群落组成、植物养分利用率和植食压力变化等。此外，大多数苔原养分添加实验报告的是短期（< 10 年）响应，长期研究相对较少，且长期响应不一定与短期响应一致。
苔原生态系统在局地尺度上具有巨大的空间变异性。首先，它们在相对短的距离内常包含较大的海拔和温度环境梯度。海拔梯度可作为研究温度对植被长期效应的自然气候梯度。其次，在海拔内部，通常存在高度的景观异质性，不同的植被类型（与不同的优势植物功能群相关）在空间上毗邻分布。在斯堪的纳维亚的亚北极苔原，石楠灌丛（heath，养分贫乏，主要由常绿和落叶灌木主导）和草甸（meadow，更肥沃的斑块，主要由草本和禾草类植物主导）常相伴出现。
为了更好地理解养分供应和温度如何相互作用以影响亚北极苔原的植物群落组成和多样性，本研究利用了一项在瑞典北部阿比斯库附近、跨越海拔梯度的独特全因子氮磷添加实验，旨在探究苔原植物群落对长期（14 年）养分添加的响应。本研究验证两个假设：1) 经过14年的养分添加，维管植物群落的响应将强于添加初期的2年，氮添加的影响将强于磷添加，而氮磷共添加将在两种植被类型中引起最大的群落组成和多样性变化，且最大效应将出现在高海拔草甸和低海拔石楠灌丛；2) 在氮和氮磷添加样地中，植物群落组成将从更具资源保守性、生长缓慢的物种转向更具资源获取性、能快速响应养分增加的植物，这将导致物种多样性随时间下降，且石楠灌丛的这种效应将强于养分更丰富的草甸。
2 方法
2.1 研究地点
实验在位于瑞典阿比斯库东南20公里的苏奥鲁瓦维山（海拔1193米）的海拔梯度上进行。该梯度面朝东北，海拔范围从450米到1000米。气候为亚北极气候，生长季平均约为3个月。先前测量显示，海拔400米到1000米之间的气温下降约2°C–3°C。研究地点包含以镶嵌模式生长的石楠灌丛和草甸植被斑块。石楠灌丛土壤pH值（4.29–4.54）低于草甸（5.43–5.96），且在各海拔相对恒定。土壤矿质氮浓度在石楠灌丛中低于草甸，并随海拔变化很大且不总是单向的。土壤矿质磷浓度在两种植被类型间相似，但随海拔升高而降低。石楠灌丛植被主要由常绿和落叶矮灌木组成，而草甸以草本和禾草类植物为特征。
2.2 实验设计
2008年夏季，在500米、800米和1000米海拔处设立了一个全因子氮磷添加实验。在每个海拔的石楠灌丛和草甸中分别设置16个1米×1米的重复样地，总计96个样地。500米海拔的样地位于桦木林中，800米和1000米的样地位于无林苔原。在每个海拔，每种植被类型的16个样地被随机分配以下四种处理之一：对照（C）、氮添加、磷添加或氮磷共添加。养分添加自2008年7月26日首次施加后，每年进行。氮添加处理每年以NH4NO3形式添加10克氮/平方米，磷添加处理每年以Ca(H2PO4)2·H2O形式添加5克磷/平方米。
2.3 植被测量
在2008年（首次养分添加前）、2010年、2012年、2015年、2018年和2022年7月，通过点截法测量每个样地的植被，作为植被密度的指标。记录每个维管植物物种从总共100个垂直投影点中被截获的总次数。绝大多数植物记录到物种水平，否则记录到属或功能群水平。最后，根据Shaver和Chapin（1991）及Sundqvist等人（2014）的分类，将每个物种分配到五个功能组之一：落叶灌木、常绿灌木、草本植物、禾草类植物和蕨类植物。此外，还记录样地中存在但未被点截法截获（因其低盖度）的任何额外维管植物物种。结合这些数据，计算每个样地的总物种丰富度和辛普森多样性指数。
2.4 数据分析
所有分析在R 4.2.1中进行。使用线性混合效应模型，以植被类型、海拔、氮添加、磷添加、时间（年份）及其交互作用为主要因子，并将样地嵌套在区块内作为随机因子，以分析养分添加处理对物种丰富度、辛普森多样性指数和维管植物总截获数（即植被密度）的影响。由于各植物功能群的丰度在植被类型间差异很大，对石楠灌丛和草甸分别分析每个植物功能群的植被密度。此外，为测试物种特异性对处理、海拔和时间的响应，对在研究期间持续出现在多个海拔的每个植物功能群中最常见的三个物种的密度变化进行了分析。
在物种水平上，使用基于Bray-Curtis相异矩阵的非度量多维标度分析来探索养分添加处理的效果。还使用PERMANOVA来进一步研究特定处理、植被类型和海拔下样地的物种组成是否随时间发生显著变化。由于发现两种植被类型和三个海拔之间的植物群落组成存在明显分离，随后对每种植被类型和海拔组合分别进行了NMDS和PERMANOVA分析，比较实验起始年（2008年）和结束年（2022年）的群落组成，并以养分添加处理为主要因子。
3 结果
3.1 植被密度
总体而言，植被密度在氮添加处理下于石楠灌丛和草甸中均有所增加，但最强的响应出现在石楠灌丛的500米海拔，以及草甸的800米和1000米海拔，尤其是在接受氮磷共添加的样地中。这些模式随时间变化，在石楠灌丛的500米海拔和草甸的800米和1000米海拔，植被密度在接受氮（特别是氮磷共添加）的样地中在前2年增加，在第2年至第7年间下降，然后在实验第14年前再次增加。
3.2 各功能群植被密度
植物功能群对氮、磷和氮磷共添加的响应在植被类型和海拔间存在很大差异。在石楠灌丛中，禾草类植物对氮、特别是氮磷共添加产生响应而增加，尤其是在7-10年后，且在500米海拔最强。在草甸中，禾草类植物对氮和氮磷共添加的响应在800米和1000米海拔最强，它们在7年后（2015年）下降，之后在14年处理期间又增加。常绿灌木仅出现在石楠灌丛中，且在800米和1000米海拔最丰富。即使在对照处理中，常绿灌木密度也随时间变化，但仅在氮添加和氮磷共添加处理中观察到持续下降，始于4年后。落叶灌木出现在两种植被类型中，在草甸中不随养分添加而变化。在石楠灌丛中，落叶灌木在1000米海拔随氮磷共添加而增加，在800米海拔随磷添加而下降。总体而言，草本植物密度在石楠灌丛的所有海拔都很低，但在800米和1000米海拔经过14年氮磷共添加后略有增加。草本植物在草甸的所有海拔都很常见，并对氮磷添加表现出交互响应。蕨类植物仅出现在500米海拔，其密度在两种植被类型中对养分添加均无响应，但在草甸中随时间变化。
3.3 物种丰富度
整个研究系统共记录了106种维管植物，其中46种出现在石楠灌丛，100种出现在草甸，40种共存于两种植被类型。实验开始时，石楠灌丛样地的平均物种数在500米海拔为8.25 ± 1.33，800米为5.56 ± 0.41，1000米为7.06 ± 0.39。草甸样地的平均物种数在500米海拔为16.50 ± 0.91，800米为20.94 ± 1.07，1000米为16.00 ± 1.14。
在石楠灌丛，500米海拔的物种丰富度在2008年至2015年间各处理间保持相对相似，而800米和1000米海拔的物种丰富度在整个14年实验期间基本不变。然而，在养分添加7年后（2015年），石楠灌丛500米海拔的物种丰富度在氮和氮磷共添加样地中大幅下降。辛普森多样性对处理的响应方式与物种丰富度大体相似，但在最低海拔对氮磷共添加的下降更为显著。此外，与物种丰富度不同，辛普森多样性在石楠灌丛800米海拔对磷添加有所下降。
草甸的物种丰富度在800米和1000米海拔对氮和氮磷共添加处理最为敏感。草甸的物种丰富度在500米海拔的所有处理样地中在14年间均下降，而在800米和1000米海拔，物种丰富度在前7年（至2015年）下降，之后在对照和磷添加样地中的增加幅度大于氮和氮磷共添加样地。辛普森多样性对处理的响应在各海拔与物种丰富度大致相似，但在最高海拔对氮磷共添加的下降非常显著。
3.4 群落组成
石楠灌丛和草甸在500米海拔与另外两个海拔间的植物群落组成存在明显差异，而800米和1000米海拔的常见物种存在重叠，尤其是在石楠灌丛。2008年首次养分添加前，每个海拔和植被类型下分配至不同处理的样地群落组成无显著差异。随着时间的推移，氮和/或磷添加对石楠灌丛和草甸的群落组成均有显著影响，其中氮添加与海拔和植被类型存在交互作用，但磷添加随时间的响应仅在植被类型间有差异。NMDS分析的压力值为0.102。
2022年（14年后），除了草甸500米海拔外，每个海拔和植被类型内不同养分添加处理样地间的物种组成存在很大差异。禾草类植物在氮和氮磷共添加处理下增加，但在植被类型内部也存在功能群、物种和海拔特异性的处理响应。具体而言，在石楠灌丛，氮添加、特别是氮磷共添加，与800米和1000米海拔的禾草类植物C. lapponica以及500米海拔的A. flexuosa的高丰度相关。此外，在石楠灌丛1000米海拔，落叶灌木B. nana在氮磷共添加处理下丰度也增加了。相比之下，在800米海拔，B. nana仅在氮磷共添加处理中有增加趋势，而在磷添加处理中下降。Vaccinium vitis-idaea在800米和1000米海拔的磷和氮添加处理下下降，在氮磷共添加时下降最强烈。Empetrum nigrumssp. hermaphroditum在800米和1000米海拔的氮、特别是氮磷共添加处理下丰度下降，C. tetragona在1000米海拔的氮磷共添加处理下下降。
在草甸，氮添加和氮磷共添加导致植物群落组成发生最大变化。在1000米海拔，C. lapponica的丰度对氮和氮磷共添加响应而增加，而C. bigelowii仅对氮添加响应而增加，在对照和氮磷共添加处理中下降。在800米海拔，C. bigelowii对氮和氮磷共添加响应而增加，而C. lapponica仅对氮磷共添加响应而增加。此外，Saussurea alpina的丰度随时间变化高度依赖于不同海拔和养分添加处理。同时，V. biflora和B. vivipara对养分添加的响应随时间变化，但这些响应不随海拔显著变化。
4 讨论
北极植物对气候变化的响应强烈受养分可用性制约。虽然氮常被认为是这些生态系统的主要限制养分，但磷限制也存在，且植物对氮添加的响应常因磷添加而增强。然而，对于氮磷限制在异质苔原景观中对植物群落的长期相对重要性，探索甚少。通过利用一项独特的长期养分添加实验，我们探讨了养分限制如何与海拔相关的温度变化相互作用，以影响不同植被类型的植物群落动态。与北极苔原的先前研究结果一致，我们发现当植物密度、群落组成和多样性对养分添加产生响应时，总体上在接受氮、特别是氮磷共添加的样地中变化最大、最普遍。这些结果基本支持我们的第一个假设，因此不支持磷限制在该系统中在没有同步氮添加的情况下起主导作用。相反，它们强化了磷可用性在调节植物对氮供应增加的响应中的作用。此外，它们还揭示了几种对养分添加的延迟响应，这些响应在2年后并不可见，包括那些依赖于植被类型和海拔的响应。
本实验的早期发现（即养分添加2年后）表明，植物群落对养分添加的最强响应出现在氮和氮磷共添加处理中，禾草类植物的最大增加出现在草甸的较高（较冷）海拔和石楠灌丛的低海拔。与这些初期发现相比，我们的结果显示，在7-10年的实验处理后，类似的植物群落响应也出现在石楠灌丛的两个较高海拔，这可能表明较高海拔的较低温度限制了石楠灌丛群落对养分限制缓解的任何早期响应。我们还观察到物种丰富度在大约7年后，特别是在石楠灌丛最低海拔和草甸两个最高海拔的氮和氮磷共添加处理中下降。这些植物群落对养分添加的响应在数十年间有多持久，仍有待探索。
部分与我们的第二个假设一致，氮和氮磷共添加样地的植物群落变化随时间表现为一到两种禾草类物种丰度的增加，但这并未一致地导致物种丰富度净下降。在更贫养的石楠灌丛，群落对氮和氮磷共添加的响应也与生长缓慢的常绿灌木Empetrum nigrumssp. hermaphroditum丰度的普遍减少相关。然而，与阿拉斯加苔原的其他长期养分添加实验结果不同，我们没有发现B. nana或其他落叶灌木物种对氮或氮磷共添加有强烈正向响应的有力证据：仅在石楠灌丛高海拔，落叶灌木B. nana在氮和氮磷共添加处理中增加。此外，尽管我们的结果显示了对氮磷共添加的强烈群落响应，但我们没有发现对单独磷添加有强响应的证据。仅在石楠灌丛中海拔，辛普森多样性指数对磷添加下降，这主要是由于B. nana下降所致，可能是磷添加处理加剧了该物种的氮限制。然而，研究表明，非维管植物如苔藓可能比维管植物对养分（包括独立于氮添加的磷添加）的响应更强。因此，通过未将隐花植物纳入研究，我们可能低估了养分添加处理的总体影响。总体而言，我们的结果与亚北极苔原中常见的发现一致，即维管植物物种对养分添加具有强烈的个体特异性响应，也表明植物生长型和物种响应在异质苔原景观中随时间存在巨大变异性。同时，我们的结果表明，尽管存在这种变异性，一个植物功能群——禾草类植物，在14年间始终是对养分添加响应最一致的。
我们的结果揭示了植物群落响应在处理、植被类型和海拔之间存在巨大的时间变异性，这强化了维持长期实验监测对于更好地预测气候和养分限制在驱动苔原群落过程中的作用的重要性。至少其中一些模式也可能与研究地点的植食动物（如旅鼠、田鼠和驯鹿）的时空变异性有关。最能表明植食性在植物群落对处理的响应中起作用的现象是2015年草甸两个最高海拔物种丰富度的突然下降。随后，2015年后，对照和磷添加样地的物种丰富度增加幅度大于接受氮和氮磷共添加的样地。这种模式的一个合理解释是2015年当地旅鼠种群达到峰值。旅鼠在峰值年份的植食和干扰已知会减少这些苔原生态系统的植物丰度和生物量，并改变植物群落。一方面，我们的结果指出了长期氮可用性增加对物种丰富度的负面影响。另一方面，旅鼠、田鼠和驯鹿可能优先取食接受氮添加的样地，因此可能加剧了氮添加在该海拔对物种丰富度的负面影响。
未来的气候变化情景表明，到2050年，北极的年平均气温将比1900年上升3°C–6°C。这与改变的养分输入和可用性相结合，预计将对苔原的碳和养分循环产生重大影响：直接通过刺激植物生产力和微生物分解，也间接通过植物物种、功能群和土壤微生物组成的变化。这些效应也可能随时间变化。在我们的研究中，养分添加是沿着作为长期温度变化替代的海拔梯度进行的，经过14年养分添加后，灌木丰度并未整体增加。相反，灌木乃至整体植物功能群对这些添加的响应在不同海拔间差异很大，这意味着生态系统和土壤过程对养分添加的响应也可能具有高度的背景特异性。虽然养分添加对生态系统过程的直接与间接（即植物群落介导的）响应的净效应仍有待探索，但我们的发现强调，海拔和植被类型都可能是调节养分限制缓解如何塑造此苔原景观中此类过程的重要因素。
5 结论
我们的结果表明，缓解氮、特别是氮磷共限制对植物密度和植物功能群组成的短期（2年）效应，在两种对比鲜明的苔原植被类型中，经过数年养分添加后，其幅度变得更大。由于一些效应仅在养分添加7-10年后才可检测到，这凸显了在苔原进行更长期全球变化研究的必要性。具体而言，我们发现最强的长期（14年）植物群落对养分添加的响应发生在石楠灌丛的低海拔，但出现在草甸的高海拔。因此，我们的结果证实，在此系统中，氮和氮磷共限制更可能在较贫养的苔原石楠灌丛中制约植物群落在温度升高下的响应。此外，我们的发现揭示了总体群落对氮和氮磷供应增加的响应如何导致植物物种丰富度强烈的背景特异性时间变化，这些变化与苔原植被类型和海拔相关，有时会导致植物多样性降低，而这仅在数年后才可检测到。总体而言，这些发现表明，在预测苔原生态系统对气候变化和养分供应变化的响应时，必须结合局地尺度的时间变异性驱动因素，考虑跨越多年的时间尺度上的空间变异性。
