导致北美高草草原30年来离子组成变化的驱动因素

《Ecology》：Drivers of 30?years of ionomic change on a North American tallgrass prairie

　　植物离子组学揭示不同功能群植物对营养稀释和CO?升高的响应差异，草类元素浓度下降最显著，灌木生物量加速增加，CO?促进部分草本植物元素积累。

　　

摘要

植物离子组——构成植物组织的化学元素——限制了植物的生长表现以及消费者的营养状况。导致“营养稀释”现象（即植物组织中必需元素浓度（以百万分之一 [ppm] 计）全球性下降）的潜在机制很少被同时研究。为了解决这一问题，我们分析了北美高草草原康扎（Konzza）上30多年来17种元素在草本植物、杂草和木本植物中的变化情况，这些植物分别处于三种不同的火烧频率下。大约四分之一的离子组变化出现在康扎的三个植物功能群中，这些功能群在元素浓度及其变化规律上存在差异。随着二氧化碳（CO₂）浓度的增加，营养贫瘠的草本植物生物量持续增加；同期，入侵的木本植物生物量迅速增长，而营养丰富的杂草生物量则减少。每个功能群在其离子组中都表现出独特的营养稀释模式：这种现象在草本植物中最为普遍（17种元素中有12种），其次是杂草（5种），最后是木本植物（2种）。与其他功能群的竞争通常会导致草本植物（9种元素）以及杂草和木本植物（4种元素）的离子组浓度下降。出乎意料的是，高二氧化碳浓度反而使某些元素的浓度升高（尤其是在杂草中），这表明光合产物被用于吸收更多养分。火灾抑制对植物离子组的影响较小且具有特殊性。在食草动物数量减少的时代，这片高草草原上的草食性动物面临着食物数量增加但质量下降的问题；相反，以杂草为食的动物则需要寻找数量较少但有时营养成分更丰富的食物。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数据可用性声明

植物离子组数据（Kaspari, 2025）可在开放科学框架（Open Science Framework）仓库中获取，网址为 https://doi.org/10.17605/OSF.IO/GZX3N。其他数据可在环境数据计划（Environmental Data Initiative, EDI）数据门户中找到：Blair (2023a），https://doi.org/10.6073/pasta/295644787ee8a1c00edd6f48dde75c4e；Blair (2023b），https://doi.org/10.6073/pasta/73fb69230e21d5a2647a1bd86ebea595；Blair 和 Nippert (2025），https://doi.org/10.6073/pasta/38206ea12b42bbd77ad97e1c0747353d；Ratajczak (2023），https://doi.org/10.6073/pasta/128eabc592716cc9805decef31e70515。