期刊：Nature

中文题目：整合分析揭示植物多样性对生产力影响的全球变异规律

英文题目：Meta-analysis reveals global variations in plant diversity effects on productivity

作者：Chen Chen, Wenya Xiao, Han Y. H. Chen

发表日期：2025年1月8日

摘 要

       植物多样性对生产力影响的互补效应和选择效应的差异及其驱动因素仍不清楚。基于对全球452项实验的整合分析，发现在草地和森林实验中，净生物多样性的效应更强，而在容器栽培、农田和水生生态系统中则较弱。在净生物多样性的效应中，互补效应和选择效应分别占比65.6%和34.4%。互补效应会随着系统发育多样性、固氮与非固氮物种的混合以及叶片氮含量功能多样性的增加而增强，表明生态位分化、生物反馈和非生物促进在互补效应中发挥关键作用。在单一栽培中，物种生物量不平等程度越高，选择效应就越积极。互补效应随时间推移而增强，而选择效应则随时间减弱，且在全球气候变化的情况下保持不变。研究结果为理解植物多样性对生产力影响的全球差异提供了见解，并强调了将互补效应和选择效应纳入生物多样性保护和生态恢复策略的重要性。

研究背景

       生物多样性能够改善生态系统功能，比如生产力。净生物多样性效应（NE）可进一步细分为互补效应（CE；由生态位分化、非生物促进作用和生物反馈驱动）和选择效应（SE；源于高生产力物种的超比例表现）。研究表明林龄和植物功能指标等多种因素可能会影响生物多样性与生态系统功能关系的强度以及其互补效应和选择效应。然而，在具有不同多样性、生态系统类型、气候和林龄的全球生物多样性与生态系统功能关系实验中，导致结果差异的机制目前仍知之甚少。

研究方法

       通过汇集来自全球452项不同生态系统中植物混合与多样性研究的4598个植物混合观测数据，进行整合分析，通过研究物种丰富度、功能和系统发育多样性、功能性状的群落加权均值、植物混合群落中固氮与非固氮物种的混合情况、物种生物量不平等程度，以及林龄和气候因素的作用，来展示净生物多样性效应、互补效应和选择效应的差异。相对净生物多样性效应、互补效应和选择效应的数值是用各效应值除以各组成物种的单一物种产量的加权平均值得到的。数据集尽可能多地纳入了植物混合群落数据以及各种生态系统。

研究结果

结果1：全球尺度上植物多样性的平均效应

       在全球尺度上，平均相对互补效应和选择效应分别为0.101和0.053（图1a）。随着净生物多样性效应的变化，与选择效应相比，互补效应的波动范围更大（图1b）。此外，相对互补效应与相对选择效应之间的平均差值高于0，表明总体上互补效应比选择效应更积极。

       净生物多样性效应、互补效应和选择效应总体为正。净生物多样性效应的变化更多地依赖于互补效应而非选择效应。互补效应的上限大于选择效应的上限。互补效应与生态位分化、非生物促进作用和生物反馈相关，而选择效应则源于不同植物物种组合中物种生产力表现的不对称性。

图1. 互补效应（CE）和选择效应（SE）的总体表现。a，全球尺度平均相对净生物多样性效应（NE）、互补效应（CE）和选择效应（SE）及其95%置信区间。b，互补效应（CE）和选择效应（SE）随净生物多样性效应（NE）排序的变化情况。

结果2：植物多样性效应的变异规律

       互补效应随着物种丰富度和系统发育多样性显著增加（图2a、c），而选择效应随着物种丰富度增加，与系统发育多样性的变化不显著（图2b、d）。固氮与非固氮物种的混合比未混合的情况对互补效应产生更强的正向影响（增加0.183），但对选择效应的影响不显著（图2e、f）。互补效应和选择效应都随着物种生物量不平等程度的增加而增加（图2g、h）。净生物多样性效应随着物种丰富度、系统发育多样性、与固氮植物的混合以及物种生物量不平等程度显著增加。

       随着植物群落叶片氮含量的功能多样性和叶片氮含量的群落加权均值增加，互补效应更为正向（图3a、b），但是选择效应变化不显著，净生物多样性效应与互补效应呈现相似趋势（图3c、d）。在没有固氮与非固氮物种混合的情况下，互补效应与叶片氮功能多样性以及叶片氮群落加权均值之间的关系分别变弱和变得不显著。比叶面积的功能多样性和群落加权均值与互补效应、选择效应或净生物多样性效应的关系不显著。

图2. 相对互补效应（CE）和相对选择效应（SE）与不同植物群落特征的二元关系。相对互补效应和相对选择效应随物种丰富度（a、b）、系统发育多样性（c、d）、与固氮植物混合情况（e、f）以及不平等程度（g、h）的变化。不平等程度指单一栽培生物量的物种生物量不平等，以变异系数衡量。圆圈大小与观测值的相对权重成比例。在e、f中，分别展示了与固氮植物混合和不混合情况下的平均互补效应或选择效应以及95%置信区间（分别有1934和2664个观测值），显著差异（P < 0.05）用不同字母标记；diff. 表示均值差异（95%置信区间）。

图3. 相对互补效应（CE）和相对选择效应（SE）与叶片氮含量的功能多样性（Rao’s Q）及群落加权均值（CWM）的二元关系。相对互补效应（a、b）和相对选择效应（c、d）随叶片氮功能多样性和叶片氮群落加权均值的变化情况。固氮与非固氮物种混合的观测数据以较深颜色突出显示。圆圈大小与观测值的相对权重成比例。

结果3：植物多样性效应依赖于林龄和生态系统类型

       互补效应随着林龄的增长变得更加正向，而选择效应则趋于减弱（图4a、b）。互补效应在草原和森林中的正向互补效应显著高于农田、湿地、容器栽培和水生系统（图4c），表明农田和容器栽培不利于生态位分化。选择效应在容器栽培中比在森林和湿地中更强（图4d）。容器栽培实验持续时间较短，导致了较弱的互补效应和较强的选择效应。木本植物间的互补效应比草本植物间更正向，而草本植物间的选择效应比木本植物间略强（图4e、f）。

       净生物多样性效应随林龄显著增加，在草原和森林中较强，在容器栽培、农田和水生生态系统中较弱。互补效应与选择效应之差随林龄增加，在草原和森林中比在农田、湿地和容器栽培中更大，在木本植物混合群落中比在草本植物混合群落中更大。互补效应、选择效应和净生物多样性效应并未随年均温度或干旱指数发生显著变化。净生物多样性效应更多依赖于互补效应而非选择效应，且净生物多样性效应也随林龄增加，这表明生物多样性丧失对生态系统功能的负面影响会随着时间日益加深。

图4. 相对互补效应（CE）和相对选择效应（SE）与林龄、生态系统及植物类型的二元关系。相对互补效应和相对选择效应随年龄（a、b）、生态系统类型（c、d）以及植物类型（e、f）的变化情况。在a和b中，回归线表示对预测变量的响应，阴影部分为95%置信区间，每个子图中显示估计系数值和95%置信区间；圆圈大小与观测值的相对权重成比例。在c - f中，展示了不同生态系统和植物类型的平均互补效应或选择效应以及95%置信区间，括号内为观测数量；显著差异（P < 0.05）用不同字母标记。在e和f中，植物混合群落分为草本植物群落、木本植物群落以及草本和木本植物混合群落。

研究意义

       本研究定量证明了自然生态系统中植物特定功能性状的功能多样性可作为衡量互补效应的指标。此外，本研究的结果可为促进生物多样性和生态系统功能的恢复实践提供思路，为理解植物多样性对生产力影响的全球差异提供了见解，并强调了将互补效应和选择效应纳入生物多样性保护和生态恢复策略的重要性。

研究创新之处

1、本研究定量阐明了引起全球范围内具有不同植物多样性、生态系统类型、气候和林龄的生物多样性与生态系统功能关系差异的机制。

2、本研究提供了全球范围内的证据，证实了长期以来的假设，即互补效应和正向的选择效应共同促成了正向的生物多样性与生态系统功能关系。

对我们开展工作启示

       本研究通过全球尺度的整合分析，定量揭示了不同植物多样性、生态系统、林龄和气候类型的植物多样性与生态系统功能关系中的净生物多样性效应及其互补效应和选择效应的差异。这些发现有助于预测因环境而异的生物多样性丧失对植物自身以及其他营养级生物的影响，并为制定应对这些变化的策略提供科学依据。

文献来源：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08407-8

声明：以上中文翻译为译者个人对于文章的概略理解，论文传递的准确信息请参照英文原文。

撰稿：鄢创

初审：任杰

审核：杜军

终审：鲁鹏