劉增輝，盧素錦，王雨欣，張春輝，尹鑫

（1. 青海大學(xué)生態(tài)環(huán)境工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2. 青海大學(xué)省部共建三江源生態(tài)與高原農(nóng)牧業(yè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810016）

近幾十年來(lái)，生物多樣性喪失越來(lái)越嚴(yán)重，由此帶來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)能力的變化一直是生態(tài)學(xué)家們關(guān)注的熱點(diǎn)[1-3］，其中最基本的生態(tài)系統(tǒng)功能生產(chǎn)力被關(guān)注的最多[4-5］。最早的時(shí)候，生態(tài)學(xué)家認(rèn)為生物多樣性和生產(chǎn)力之間是一種單峰關(guān)系[6］，但是這種關(guān)系很快受到了質(zhì)疑[7］。隨著研究的推進(jìn)，越來(lái)越多其他的模式被發(fā)現(xiàn)，例如，生物多樣性與生產(chǎn)力之間的正相關(guān)關(guān)系[8-9］、負(fù)相關(guān)關(guān)系[10］、無(wú)顯著關(guān)系[11］、U 型關(guān)系[12］等。雖然有多種因素會(huì)引起這種關(guān)系的變化（例如，空間范圍[13-14］、營(yíng)養(yǎng)網(wǎng)絡(luò)[15］、氣候變暖和大氣氮沉降[16］等），但是這些影響因素都容易在試驗(yàn)中操作。有一種因素最不易與物種豐富度區(qū)分，也最難被研究，那就是蘊(yùn)含在物種組成中的物種特性。在一些研究中，物種豐富度很小的改變可能伴隨著物種組成變化的兩個(gè)極端（巨大變化或者幾乎沒(méi)有變化）[17-18］。物種特性能夠決定物種的種內(nèi)和種間相互作用強(qiáng)度，這能夠改變多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系[19］，甚至能夠越過(guò)生物多樣性直接主導(dǎo)群落的生產(chǎn)力[20］。因此，有一些研究開(kāi)始關(guān)注關(guān)鍵物種、優(yōu)勢(shì)物種、稀有物種等在這個(gè)關(guān)系中發(fā)揮的重要作用[20-22］，以及在這些物種構(gòu)建的群落中生物多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系呈現(xiàn)的狀態(tài)[9］。例如，如果群落包含具備功能性優(yōu)勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)性優(yōu)勢(shì)的物種，那么這個(gè)群落很有可能呈現(xiàn)的是負(fù)的多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系[23］。此外，一些關(guān)鍵物種的冗余功能可能補(bǔ)償生物多樣性丟失帶來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)功能的減少，使得多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能之間并未呈現(xiàn)任何關(guān)系[24］。對(duì)于稀少物種，有些研究漠視它的存在，選擇直接在數(shù)據(jù)分析中移除[25］，雖然它在群落功能中發(fā)揮著重要作用[26］。然而，以往的研究極少關(guān)注另外一類特殊的物種，這些物種天然就具備快速占據(jù)地上地下空間以及快速獲取資源的能力，這就是能夠進(jìn)行克隆繁殖的植物。這類植物在不同生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)不同的地位[27］。這類植物中，有禾本科等潛在優(yōu)勢(shì)物種，有鵝絨委陵菜（Potentilla anserine）等群落構(gòu)建先鋒物種，也有豆科等固氮植物。無(wú)性繁殖能力使這些物種的種群擴(kuò)張擺脫了種子庫(kù)的限制，進(jìn)而能夠使得這些物種更加適應(yīng)惡劣的環(huán)境[28］，并在群落中占據(jù)更大的比例[29］，并且這類植物能夠更快更強(qiáng)地在群落中發(fā)揮自己的生態(tài)功能，這是單純由種子繁殖的植物在相同時(shí)間內(nèi)無(wú)法做到的。然而這類植物構(gòu)建的群體中生物多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系如何變化，現(xiàn)有的研究卻非常稀少。

當(dāng)前的研究認(rèn)為生物多樣性效應(yīng)的出現(xiàn)主要依賴于兩種機(jī)制：互補(bǔ)效應(yīng)和選擇效應(yīng)[30］。Fox[31］對(duì)該機(jī)制進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展，把選擇效應(yīng)劃分為特征依賴型互補(bǔ)效應(yīng)和優(yōu)勢(shì)度效應(yīng)，并把原先的互補(bǔ)效應(yīng)更名為非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)，由此兩種機(jī)制轉(zhuǎn)變成為3 種。非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)能夠發(fā)揮作用主要是因?yàn)橹L(zhǎng)作用或者物種間更充分、互補(bǔ)地利用各種資源，這兩種因素都能夠促使物種更多的群落產(chǎn)生更高的生產(chǎn)力。其次，選擇效應(yīng)能夠發(fā)揮作用是因?yàn)槲锓N越多的群落包含高產(chǎn)物種的可能性越大，群落有更高生產(chǎn)力的可能性也就越大[32］。如果這個(gè)高產(chǎn)物種生物量的增加并不是以其他低產(chǎn)物種生物量降低為代價(jià)，那么特征依賴型互補(bǔ)效應(yīng)就發(fā)揮了作用；如果是以其他低產(chǎn)物種生物量降低為代價(jià)，那么優(yōu)勢(shì)度效應(yīng)就發(fā)揮了作用。對(duì)克隆植物來(lái)說(shuō)，在合適的條件下植物以母株為中心向四周擴(kuò)散[33］，其相連的分株之間可以轉(zhuǎn)移并共享獲得的資源（例如光合產(chǎn)物、水分等）[34］，這種特殊的空間繁殖策略不僅有利于其適應(yīng)當(dāng)?shù)貝毫拥沫h(huán)境，而且還可以改善周圍生境并有助于其他植物的生存和繁殖[28］，即它對(duì)其他物種的生存存在助長(zhǎng)作用。此外，它在生長(zhǎng)季的任何時(shí)候都可以通過(guò)無(wú)性繁殖擴(kuò)大自己的種群，再加上不同克隆植物占據(jù)的生態(tài)位不完全相同，這些特性可以促使這些植物更加充分地占據(jù)空余生態(tài)位。不管是對(duì)其他植物的助長(zhǎng)作用還是群落生態(tài)位得到更充分地互補(bǔ)性利用都能夠增強(qiáng)非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)來(lái)促進(jìn)多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系的正線性相關(guān)關(guān)系。其次，資源的多寡也可能影響植物的無(wú)性繁殖個(gè)體數(shù)，進(jìn)而改變?nèi)郝涞呢S度。豐度的改變可能使物種之間的相互作用方式由助長(zhǎng)向競(jìng)爭(zhēng)轉(zhuǎn)變[35］，或者發(fā)生競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的改變[36］。這些變化能夠促使特征依賴型互補(bǔ)效應(yīng)或優(yōu)勢(shì)度效應(yīng)發(fā)揮作用，進(jìn)而改變生物多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系強(qiáng)度甚至方向。盡管克隆植物可能造成多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系的改變，但是作用機(jī)制是上述3 種的哪一種，目前尚不清楚。

雖然上述3 種機(jī)制的強(qiáng)弱可以通過(guò)數(shù)值展現(xiàn)出來(lái)，但是挖掘這些機(jī)制變化背后的原因卻需要對(duì)群落中植物性狀特征進(jìn)行檢測(cè)[37-38］。植物性狀差異可以反映不同物種之間資源利用的差異[39］，且在草原生態(tài)系統(tǒng)中對(duì)植物生長(zhǎng)限制最多的是氮元素和光資源[40］。例如，植物對(duì)光的截獲能力與其高度（height）、比葉面積（specific leaf area， SLA）、葉片氮磷含量密切相關(guān)[41］。越高的植物截取的光資源越多，光競(jìng)爭(zhēng)能力越強(qiáng)，越能夠壓制或者競(jìng)爭(zhēng)排除比它低的植物，導(dǎo)致特征依賴型互補(bǔ)效應(yīng)或者優(yōu)勢(shì)度效應(yīng)增大[42］。當(dāng)植物有較高的SLA 和葉片氮磷含量時(shí)，它們即使在弱光環(huán)境中也能獲得足夠的光資源[43］，這能夠促進(jìn)群落光資源的互補(bǔ)性利用，進(jìn)而帶來(lái)非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)的增強(qiáng)。與之類似，不同物種的高度差異越大，它們對(duì)垂直空間的利用越充分[44］；同等高度物種的植株個(gè)體較多，它們對(duì)水平空間的利用越充分。這些導(dǎo)致的一個(gè)結(jié)果就是整個(gè)群落的空間利用越完全，光資源的獲取也越多，也能夠帶來(lái)非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)的增強(qiáng)。基于此，本研究關(guān)注了植物特征的變化，以此了解3 種機(jī)制背后的變化機(jī)理。

在青藏高原高寒草地生態(tài)系統(tǒng)中，克隆植物物種數(shù)量高于非克隆植物，占植物總種數(shù)的53.09%，藏嵩草（Kobresia tibetica）草甸和沼澤化帕米爾薹草（Carex pamirensis）草甸克隆植物占比更是達(dá)到了67%和63%。另外，高寒草地克隆植物的相對(duì)重要值也顯著高于非克隆植物[29］。為了更好地了解克隆物種間的相互作用方式，為退化草地生態(tài)系統(tǒng)的修復(fù)提供可行性建議，本研究在青藏高原腹地“三江源”區(qū)選取樣地，選擇3 種克隆植物[垂穗披堿草（Elymus nutans）、花苜蓿（Medicago ruthenica）和鵝絨委陵菜］構(gòu)建多樣性梯度，以此探究克隆植物多樣性和物種組成與生產(chǎn)力的關(guān)系及相關(guān)機(jī)制。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)和數(shù)據(jù)收集

本研究的試驗(yàn)樣地位于青海省果洛州瑪沁縣大武灘（海拔3958 m，100°14′ E，34°29′ N），地處素有“中華水塔”之稱的青藏高原腹地“三江源”區(qū)。屬于大陸高寒氣候，雨熱同季，雨量穩(wěn)定，無(wú)四季之分，僅有冷暖季之別，冷季漫長(zhǎng)，干燥而寒冷，暖季短暫，濕潤(rùn)而涼爽； 溫度年差較小而日差較大，年平均氣溫為-0.2 ℃，1 月（最冷月）平均氣溫-12.5 ℃，7 月（最熱月）平均氣溫10.1 ℃；夏秋季短，雨量集中，年降水量為420~560 mm，主要集中在5-9 月；牧草年平均生長(zhǎng)期150 d，地上生物量從5 月開(kāi)始增加，7 月底至8 月初達(dá)到最大，10 月植物開(kāi)始衰老。建群種主要為矮蒿草（Kobresia humilis），主要伴生種為高山嵩草（Kobresia pygmaea）、垂穗披堿草、早熟禾（Poa annua）、細(xì)葉亞菊（Ajania tenuifolia）等。主要土壤類型為高寒草甸土，年平均無(wú)霜期26 d，年平均日照時(shí)數(shù)2500 h。

本研究選取了三江源地區(qū)常見(jiàn)的3 種克隆植物：禾本科垂穗披堿草（En）、豆科花苜蓿（Mr）和雜類草鵝絨委陵菜（Pa），這些植物在高度和葉形上具有不同的表型特征，垂穗披堿草高度（800~1200 mm）占據(jù)絕對(duì)優(yōu)勢(shì)且葉子稀疏扁平[（60~180） mm×（3~5） mm］，能夠通過(guò)分蘗進(jìn)行無(wú)性繁殖；鵝絨委陵菜高度（150~250 mm）相對(duì)較低但葉子濃密（11~25 對(duì)）且呈橢圓形[（10~25） mm×（5~10） mm］，能夠通過(guò)塊狀根和匍匐莖進(jìn)行無(wú)性繁殖；花苜蓿高度（200~700 mm）適中且葉子呈羽狀三出復(fù)葉[（6.0~25.0） mm×（1.5~12.0） mm］，能夠通過(guò)根部的不定芽進(jìn)行無(wú)性繁殖。

本研究構(gòu)建了6 種不同的物種組合：花苜蓿單播（Mr）、鵝絨委陵菜單播（Pa）、垂穗披堿草單播（En）、花苜蓿與垂穗披堿草混播（En+Mr）、鵝絨委陵菜與垂穗披堿草混播（En+Pa）、3 個(gè)物種的混播（En+Pa+Mr），每種組合設(shè)置3 個(gè)重復(fù)，總共有18 個(gè)2 m×3 m 的小區(qū)。然后將不同物種組合隨機(jī)分配到小區(qū)中，并且用0.5 m 的緩沖帶隔離。在每年8 月下旬，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)設(shè)置50 cm×50 cm 的樣方，測(cè)定物種的蓋度、多度和植株個(gè)數(shù)（母株與子株數(shù)量之和，禾本科植物為母體與分蘗子體之和），在樣方內(nèi)齊地面剪切植物樣品。將植物樣品按物種分類，在80 ℃干燥48 h 至恒重，稱重得到物種生物量數(shù)據(jù)用于后續(xù)分析，樣方內(nèi)所有物種地上生物量之和表征群落生產(chǎn)力（g·m-2）。

在兩個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)，采集樣方植物樣品的同時(shí)，也對(duì)與植物生長(zhǎng)和資源利用策略相關(guān)的植物功能性狀進(jìn)行測(cè)量。在樣方內(nèi)分別統(tǒng)計(jì)各物種的株高（height）和植株個(gè)數(shù)（individuals，植株包含En 的分蘗數(shù)、Mr 的母株與子株、Pa 的母株與子株）。此外，在每個(gè)小區(qū)樣方外的區(qū)域隨機(jī)挑選30 株植株，采集足夠的葉片，用于測(cè)定比葉面積（SLA）和葉片氮含量（leaf nitrogen content，LNC）。在每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，分物種計(jì)算各樣方植株個(gè)數(shù)，測(cè)定樣方中每個(gè)物種最高的3 株植株的高度，利用葉面積儀（LI-COR，Lincoln，美國(guó)）測(cè)定鮮葉的葉面積，然后將鮮葉樣品放入烘箱內(nèi)（80 ℃，48 h）烘干至恒重，稱重得到各物種葉干重，以此計(jì)算各物種比葉面積（葉面積與葉干質(zhì)量之比）。研磨烘干后的葉片，取0.30~0.50 g 過(guò)0.25 mm 篩的植物樣品，用H2SO4-混合加速劑-蒸餾法[45］得到植物葉片氮含量消煮液，最后用Skalar San++（SA9101D，荷蘭）測(cè)定葉片氮含量。

2016 年之前研究樣地一直用于牦牛和藏羊的冬季放牧（11 月30 日-1 月15 日），這是該地區(qū)常見(jiàn)的冬季放牧，放牧發(fā)生在牧草休眠后并且清除所有現(xiàn)存凋落物。2017 和2018 年對(duì)樣地進(jìn)行5 次犁翻，清除樣地現(xiàn)有植被并且盡量減少土壤種子庫(kù)。2019 年6-7 月，3 個(gè)物種（2018 年在該樣地種群獲?。┮悦總€(gè)樣地2400 株的總密度進(jìn)行播種，隨后測(cè)量種子發(fā)芽率，以確保每個(gè)群落中的幼苗比例相同。在生長(zhǎng)季，定期進(jìn)行人工清除雜草。數(shù)據(jù)收集時(shí)間為2020-2021 年。

1.2 數(shù)據(jù)計(jì)算

用凈多樣性效應(yīng)（net biodiversity effects，NE）來(lái)評(píng)估混播是否增產(chǎn)，NE 可在混播中觀察生物量和預(yù)期生物量之間的差異[32］，也是3 個(gè)附加成分的總和，計(jì)算公式為：

TICE 為非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)（trait-independent complementary effect），計(jì)算公式為：

TDCE 為特征依賴型互補(bǔ)效應(yīng)（trait-dependent complementary effect），計(jì)算公式為：

DE 為優(yōu)勢(shì)度效應(yīng)（dominance effect），計(jì)算公式為：

式中：DE為正時(shí)，單播中高產(chǎn)的物種在混播中的相對(duì)產(chǎn)量增加，但是以犧牲單播中低產(chǎn)的物種在混播中的相對(duì)產(chǎn)量為代價(jià)；DE為負(fù)時(shí)，單播中低產(chǎn)物種在混播中的相對(duì)產(chǎn)量增加，但是以單播高產(chǎn)物種的相對(duì)產(chǎn)量降低為代價(jià)。

本研究利用單播和混播生物量的自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比（natural logarithm response ratio，LNRR）估算某個(gè)物種的超產(chǎn)現(xiàn)象，以此來(lái)評(píng)估該物種承受競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度的強(qiáng)弱，計(jì)算公式為：

式中：Oi是混播中物種i的生物量，Mi是單播中物種i的生物量，Pi是種子中物種i的初始比例。當(dāng)LNRR>0 時(shí)，與單播相比，一個(gè)物種在混播中產(chǎn)量過(guò)高（該物種的種間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度小于種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度）；當(dāng)LNRR<0 時(shí)，該物種在混播中產(chǎn)量不足（該物種的種間競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度大于種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)度）。

1.3 數(shù)據(jù)處理

本研究數(shù)據(jù)計(jì)算均為3 個(gè)重復(fù)的平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。使用帶交互作用的雙因素方差分析方法（Two-way ANOVA）評(píng)估了物種組成和年份對(duì)地上生物量、NE、TICE、TDCE、DE 和各功能性狀的影響，接著評(píng)估了物種豐富度和年份對(duì)以上變量的影響，最后利用LSD 法對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行多重比較；然后，用t檢驗(yàn)評(píng)估了各混播的NE、TICE、TDCE、DE 以及各物種的LNRR 值是否與零存在顯著差異。方差分析、t檢驗(yàn)和作圖都在R 4.1.0 軟件中進(jìn)行[46］，方差分析結(jié)果的多重比較使用“agricolae”軟件包來(lái)完成，作圖使用“ggplot 2”軟件包來(lái)完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 三江源地區(qū)克隆植物群落物種豐富度和物種組成對(duì)地上生物量的影響

在試驗(yàn)的第一年，隨著物種豐富度的增加，地上生物量呈先上升后下降的趨勢(shì)（P<0.05， 圖1a），而不同物種組成對(duì)地上生物量的影響并不顯著（P>0.05， 圖1b）。在第二年，3 個(gè)物種混播的地上生物量提升較快，與兩物種混播之間無(wú)顯著差異（P>0.05， 圖1a）；花苜蓿（Mr）和鵝絨委陵菜（Pa）單播的生物量顯著低于其他幾種物種組成（P<0.05， 圖1b）。在播種第二年兩物種混播和3 個(gè)物種混播的生物量顯著增加（P<0.05），且兩者之間的地上生物量無(wú)顯著差異（P>0.05， 圖1b）。

圖1 物種豐富度和物種組成對(duì)克隆植物群落生物量的影響Fig.1 The effects of species composition and species richness on aboveground biomass in clonal plant community

2.2 物種組成和物種豐富度對(duì)NE、TICE、TDCE、DE 和LNRR 的影響

研究結(jié)果表明：在第一年，不管是物種豐富度還是物種組成在凈多樣性效應(yīng)（NE）上都沒(méi)有顯著差異（P>0.05， 表1 和表2），但是兩物種混播的NE 顯著大于零（En+Pa： t=4.22，P<0.05； En+Mr： t=12.93，P<0.01； 圖2a），而3 個(gè)物種混播的NE 并沒(méi)有顯著大于零（En+Mr+Pa： t=2.10，P>0.05； 圖2b）；在研究的第二年，3 個(gè)物種混播的NE 有較快增長(zhǎng)，雖然在物種組成上2 個(gè)兩物種混播和3 個(gè)物種混播之間沒(méi)有顯著差異（P>0.05， 圖2a），但在物種豐富度上3 個(gè)物種混播的NE 顯著大于兩物種混播（P<0.05； 圖2b）。不論是物種豐富度還是物種組成都不存在非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)（TICE）上的顯著差異，并且除了試驗(yàn)第一年的En+Pa 混播組合（2020： t=2.27，P=0.08），其余所有物種豐富度和物種組成的TICE 都顯著大于零（P<0.05， 圖2c， d）。不同的物種組成和物種豐富度之間特征依賴型互補(bǔ)效應(yīng)（TDCE）都不存在顯著差異（P>0.05， 圖2e， f），而在第二年的En+Pa 混播和物種豐富度為2 時(shí)TDCE 顯著大于零（t=3.11，P=0.04； t=3.19，P=0.012）。優(yōu)勢(shì)度效應(yīng)（DE）在不同的物種組成和物種豐富度之間不存在顯著差異，并且也沒(méi)有顯著大于或小于零（圖2g， h）。另外，年份對(duì)NE、TICE、TDCE 和DE 的影響都是顯著的（P<0.05， 表1 和表2），且在試驗(yàn)的第二年這些指標(biāo)均顯著增大（P<0.05， 圖2）。

表1 物種豐富度和年份對(duì)NE、TICE、TDCE、DE 的影響Table 1 The effects of species richness and year on NE， TICE， TDCE and DE

表2 物種組成和年份對(duì)NE、TICE、TDCE、DE 的影響Table 2 The effects of species composition and year on NE， TICE， TDCE and DE

圖2 物種豐富度或物種組成在不同年份內(nèi)分別對(duì)凈多樣性效應(yīng)、非特征依賴性互補(bǔ)效應(yīng)、特征依賴型互補(bǔ)效應(yīng)和優(yōu)勢(shì)度效應(yīng)的影響Fig. 2 The effects of species richness or species composition on net biodiversity effects （NE）， trait-independent complementary effects （TICE）， trait-dependent complementary effects （TDCE） and dominance effects （DE） in different years

對(duì)自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比（LNRR）的結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，所有混播中垂穗披堿草（En）的LNRR 值都為正，且在2020 年的En+Mr 混播以及2021 年的3 個(gè)物種混播和En+Mr 混播中，En 的LNRR 值都顯著大于零（P<0.05， 圖3），表明與單播相比，混播中En 的表現(xiàn)更好。與之相反，Pa 的LNRR 值都為負(fù)，且在試驗(yàn)第二年的3 個(gè)物種混播中，其LNRR 顯著小于零（P<0.05， 圖3），表明混播中Pa 的表現(xiàn)比單播更差。與以上兩個(gè)物種相比，Mr 在單播和混播中的表現(xiàn)差異是最小的（圖3）。

圖3 混播群落中各物種地上生物量的自然對(duì)數(shù)響應(yīng)比（LNRR）在不同年份的表現(xiàn)Fig. 3 The values of natural logarithm response ratio （LNRR） of aboveground biomass about different species in all mixture of different years

2.3 物種組成和物種豐富度對(duì)植物性狀的影響

與此同時(shí)，對(duì)比3 個(gè)物種在單播和混播中植物性狀特征的變化，結(jié)果表明：從高度上來(lái)說(shuō)，最高的物種En 沒(méi)有顯著的變化，Mr 的高度在所有混播類型中均顯著提升（En+Mr： 33.63%； En+Mr+Pa： 6.60%； 圖4a， c），Pa 的高度在3 個(gè)物種混播類型中顯著下降（En+Mr+Pa： 21.74%； 圖4c），這種變化使得3 種植物在地上空間上有著更加清晰的劃分。從植株個(gè)數(shù)上來(lái)說(shuō)，同單播相比，En 的植株個(gè)數(shù)在En+Pa 混播下顯著增加了37.64%，在En+Mr 混播中顯著增加了36.57%，在En+Mr+Pa 混播中顯著增加了50.39%；Mr 在En+Mr 混播中下降了70.27%；Pa 在En+Pa 中下降了47.94%，在En+Mr+Pa 中下降了60.91%（全部：P<0.001； 圖4d~f）。另外，同單播相比，在混播中Pa 的比葉面積值在En+Pa 和3 個(gè)物種混播中分別顯著增加了29.77%和30.94%（P<0.05； 圖4k， l），Pa 的葉片氮含量在3 個(gè)物種混播類型中顯著增加了25.95%（P<0.001； 圖4i），并且En 的葉片氮含量在En+Mr 混播類型中也顯著增加了17.36%（P<0.05； 圖4g）。

圖4 不同播種方式（單播和混播）對(duì)植物性狀的影響Fig.4 The effects of same plant species under different sowing mode （single and mixed sowing） on plant traits

3 討論

本研究分析了物種豐富度對(duì)群落地上生物量的影響，發(fā)現(xiàn)在克隆植物群落中，地上生物量并非總是隨著物種豐富度的提升而升高，并且這種關(guān)系會(huì)隨著年份發(fā)生變化。盡管如此，在大多數(shù)情況下混播仍然比單播高產(chǎn)，這種凈多樣性效益主要來(lái)自TICE，也有一小部分來(lái)自隨年份增強(qiáng)的TDCE 和DE。通過(guò)對(duì)植物特征進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，互補(bǔ)效應(yīng)可能來(lái)自群落中各物種對(duì)地上垂直空間的更充分利用，并且處于底層的Pa 能夠通過(guò)增加比葉面積和葉片氮含量來(lái)增強(qiáng)其光合作用以保證自身生物量。

在試驗(yàn)的第一年，隨著物種豐富度的增加，群落生產(chǎn)力呈先上升后下降的趨勢(shì)，這與在人工群落里發(fā)現(xiàn)的生物多樣性-群落生產(chǎn)力之間的正相關(guān)關(guān)系不一致[3，20］，這也是本研究發(fā)現(xiàn)的克隆植物群落同其他人工群落明顯不同的地方。然而，同很多研究一樣[8-9，47］，本研究發(fā)現(xiàn)生物多樣性效應(yīng)隨著時(shí)間增強(qiáng)，且物種越多這種增強(qiáng)趨勢(shì)越顯著。例如，同第一年相比，在第二年兩物種混播的生物量增加了47.06%，3 個(gè)物種混播的生物量增加了64.09%，這使得試驗(yàn)中3 個(gè)物種混播的生物量比兩物種混播增加的更多，最終導(dǎo)致兩物種與3 個(gè)物種混播的生物量在第一年的顯著性差異消失了。按照該趨勢(shì)，能夠預(yù)期在試驗(yàn)的第3 年會(huì)出現(xiàn)生物多樣性與地上生物量之間的正相關(guān)關(guān)系，但是目前無(wú)法做出這樣的判斷，因?yàn)楹芏嘌芯慷甲C明這種隨時(shí)間增長(zhǎng)的多樣性效應(yīng)，卻得到了不同的結(jié)果。在Van 等[8］的研究中，兩物種混播和4 物種混播的多樣性效應(yīng)分別在第4 和5 年就達(dá)到飽和狀態(tài)；而在Roscher 等[9］的研究中，6 個(gè)物種混播的多樣性效應(yīng)在第2 年就高于9 個(gè)物種混播。對(duì)于達(dá)到飽和的年限和涉及的混播物種數(shù)量上都有很大的不同，這可能源于兩個(gè)研究選擇了不同的物種：前者選擇了除豆科以外的其他3 個(gè)功能群物種，而后者選擇的是4 個(gè)功能群中的雜類草。雖然本研究無(wú)法斷言物種的這種差異完全由物種帶來(lái)的，不過(guò)物種的不同多少都會(huì)與這些結(jié)果有關(guān)聯(lián)。因此本研究在多年生且能夠克隆繁殖的植物構(gòu)建的群落中可能會(huì)在后續(xù)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)多樣性效應(yīng)隨著時(shí)間產(chǎn)生的另外一種變化趨勢(shì)（即達(dá)到飽和狀態(tài)）也就具備合理性。想要找到其中更普遍的規(guī)律，還需要更多的研究。在播種的第二年，本研究并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)兩物種混播與3 個(gè)物種混播之間的生物量差異，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因是在兩物種混播中NE 增加了104.86%，在3 個(gè)物種混播中NE 增加了260.01%。NE 隨著時(shí)間增長(zhǎng)已經(jīng)被很多研究報(bào)道過(guò)[48］。

與很多理論性和試驗(yàn)性研究一致[34，49］，多樣性效應(yīng)主要來(lái)源于TICE，在兩物種混播中91.22%的NE 是由TICE 提供的；在3 個(gè)物種混播中83.71%的NE 是由TICE 提供的。TICE 的值越高說(shuō)明物種之間的生態(tài)位互補(bǔ)性利用越充分或者物種間的助長(zhǎng)作用越強(qiáng)。帶來(lái)較高的TICE 有很多原因，例如營(yíng)養(yǎng)的互補(bǔ)性利用，光資源的獲取、環(huán)境異質(zhì)性、植物-土壤反饋、植物地上或地下性狀差異[20，49-50］。本研究分析了植物的不同性狀來(lái)判斷TICE的來(lái)源，發(fā)現(xiàn)植物的一些性狀在混播中發(fā)生了顯著的變化。首先，作為最高的物種，En 在所有單播和混播中都沒(méi)有出現(xiàn)顯著的高度。然而，Mr 和Pa 雖然在單播中有著近似的高度，但是表現(xiàn)出完全不同的模式。Pa 在En+Pa混播中高度沒(méi)有顯著變化，但是在En+Mr+Pa 中高度顯著降低了21.74%；Mr 在En+Mr 混播中高度顯著提升了33.63%，在En+Mr+Pa 混播中高度顯著提升了6.60%。在兩個(gè)兩物種混播中，不管Pa 和Mr 是否發(fā)生高度的變化，其仍未達(dá)到En 的1/2 高度，垂直空間上的物種分布明顯。在3 個(gè)物種混播中，兩個(gè)原本高度接近的物種一個(gè)顯著降低，一個(gè)略微升高，這種變化降低了兩個(gè)物種在垂直空間分布上的重疊。物種的這種高度變化會(huì)帶來(lái)3 種植物在空間上更明顯的分層，有助于它們更有效的利用地上垂直空間[9，44］，這有助于混播中的物種更加高效地獲取光資源，進(jìn)而帶來(lái)生物量的增長(zhǎng)。除此之外，當(dāng)對(duì)比單播與混播之間單個(gè)物種的差異時(shí)發(fā)現(xiàn)處于頂層的En 的個(gè)體數(shù)是增加的，而處于混播中底層的植物（Mr 或者Pa）都是顯著降低的。與此同時(shí)，在混播中一些表現(xiàn)越來(lái)越好的物種也將擁有越來(lái)越大的密度，其他的一些物種則會(huì)降低它們?cè)谏蠈涌臻g的使用，這種不同空間層的密度變化會(huì)帶來(lái)群落累計(jì)蓋度的增加[51］，這種地上空間的互補(bǔ)性利用同樣有助于它們的混播進(jìn)行互補(bǔ)性的、高效的光資源獲取[52］。以上兩個(gè)特征的變化可能是本研究得到較高TICE 的主要原因。本研究贊同Gravel 等[43］的觀點(diǎn)，即物種需要時(shí)間來(lái)發(fā)展它的生物學(xué)特征，進(jìn)而允許它們?nèi)ヌ畛涓鞣N各樣的生態(tài)位，使得這些生態(tài)位能夠得到更加充分的運(yùn)用。

與此同時(shí)，本研究發(fā)現(xiàn)在所有混播中Pa 的SLA 值有明顯的提升，且在3 個(gè)物種混播中葉片氮含量達(dá)到了顯著的提升。這兩個(gè)指標(biāo)都與光合作用效率有著正向聯(lián)系[53］，說(shuō)明底層物種光合效率的提升也為較高的TICE 做出貢獻(xiàn)。本研究還發(fā)現(xiàn)，在En+Mr 混播中，En 的葉片氮含量顯著提升，這可能與Mr 的固氮作用有關(guān)[40］。然而，本研究并沒(méi)有在3 個(gè)物種混播中發(fā)現(xiàn)豆科植物的顯著影響。其原因可能是豆科并非總是在正的多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系中發(fā)揮積極的作用[54］，并且豆科植物的作用強(qiáng)度也有強(qiáng)弱之分[55］?？赡鼙狙芯渴褂玫亩箍浦参锕痰饔幂^弱且植株在兩物種混播中的密度高于3 個(gè)物種混播，因此只在兩物種混播中略微顯現(xiàn)出來(lái)。

顯著大于零的LNRR 值說(shuō)明該物種在混播中的表現(xiàn)要強(qiáng)于單播，即該物種的種內(nèi)競(jìng)爭(zhēng)強(qiáng)于種間競(jìng)爭(zhēng)[20］，這能夠帶來(lái)該物種在混播中優(yōu)勢(shì)的增加，進(jìn)而帶來(lái)TDCE 和DE 的改變。例如，當(dāng)En 的優(yōu)勢(shì)增加不是以Pa 優(yōu)勢(shì)的降低為代價(jià)時(shí)，TDCE 增加；當(dāng)以Pa 優(yōu)勢(shì)的降低為代價(jià)時(shí)，DE 增加。在2020 年的結(jié)果中，各個(gè)混播中各物種的LNRR 絕大部分都與零無(wú)顯著差異，預(yù)示著各物種的優(yōu)勢(shì)沒(méi)有發(fā)生大的改變，與該年份TDCE 和DE 基本接近于零的結(jié)果一致。在2021 年的結(jié)果中，En 的LNRR 值基本上都顯著大于零（En+Pa 中En 的LNRR 雖然不顯著，但是也在顯著性的邊緣：t=2.3574，P=0.07）；Pa 的LNRR 值與零無(wú)差異。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明En 在混播中的優(yōu)勢(shì)隨時(shí)間增加，這種增加在一些混播中并不一定以Pa 或者M(jìn)r 優(yōu)勢(shì)度降低為代價(jià)，因此TDCE 增加；在另外一些混播中，以Pa 優(yōu)勢(shì)度的降低為代價(jià)，導(dǎo)致DE 的增加。換句話說(shuō)，TDCE 和DE 隨著物種豐富度和時(shí)間的增加而增強(qiáng)。這與其他研究結(jié)果一致[50］，但也與一些研究不同[38，56］。有的研究發(fā)現(xiàn)選擇效應(yīng)（即本研究中的TDCE+DE）在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)為正，但是隨著時(shí)間逐漸減弱[38］；另一些研究發(fā)現(xiàn)選擇效應(yīng)并沒(méi)有在群落中起到任何作用或起到微弱的作用，產(chǎn)生不同結(jié)果的原因可能與選擇效應(yīng)的來(lái)源有關(guān)。選擇效應(yīng)的增大主要源于混播中某個(gè)物種具備一些優(yōu)勢(shì)性狀，能夠比伴生的其他物種更高效地吸收和利用有限的資源，進(jìn)而在混播中獲得更高的優(yōu)勢(shì)[37］，反之亦是如此。因此，如果物種不具備優(yōu)勢(shì)性狀或者環(huán)境中不存在有限資源都可能觀察不到選擇效應(yīng)的變化。在試驗(yàn)中出現(xiàn)以上結(jié)果可能是因?yàn)镋n 獲取資源的能力比較強(qiáng)且群落中的資源比較有限，并且這兩者都隨著時(shí)間和物種豐富度增強(qiáng)。

4 結(jié)論

克隆植物作為草地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在多樣性-生產(chǎn)力關(guān)系中的表現(xiàn)可能會(huì)影響到整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)這個(gè)關(guān)系的呈現(xiàn)。本研究表明，在克隆植物構(gòu)建的群落中，物種豐富度對(duì)生產(chǎn)力的正向顯著影響主要來(lái)自地上垂直空間的分層和個(gè)體密度的變化帶來(lái)的互補(bǔ)性光資源利用。在這個(gè)過(guò)程中，優(yōu)勢(shì)植物優(yōu)勢(shì)度的不斷增加也帶來(lái)了TDCE 和DE 對(duì)生物多樣性效應(yīng)的加成作用。遺憾的是，本研究并沒(méi)有在自然群落中研究克隆植物對(duì)這種關(guān)系的影響，未來(lái)這方面的研究能夠深化對(duì)多樣性-生態(tài)系統(tǒng)功能關(guān)系的理解，對(duì)于應(yīng)對(duì)全球生物多樣性丟失所帶來(lái)的生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的損失有著重要的意義。