依赖于栖息地的机制在调节沙漠草原生态系统中植物群落组成和结构的恢复过程中起着关键作用

《Journal of Environmental Management》：Habitat-dependent mechanisms regulating the recovery of plant community composition and structure in a desert steppe ecosystem

　　荒漠草原退化植被恢复受土壤质地、有机碳及有效磷驱动，细粒土壤与高有机碳促进近 climax 群落结构恢复，而有效磷增加加剧有毒杂草扩张。

　　
该研究聚焦中国北方荒漠草原生态系统的自然恢复过程，通过对比分析原生土壤（H1）、0-40cm土层沙化（H2）和0-60cm土层沙化（H3）三种生境条件下植物群落的功能性状与结构特征，揭示了土壤质地与养分对植被恢复的调控机制。研究团队以宁夏盐池县为研究对象区（地理坐标37°27′30″-37°37′30″N，106°37′30″-106°56′15″E），选择典型荒漠草原恢复样地，通过群落调查与土壤分析相结合的方法，系统解析了植物群落从原生状态向沙化退化再到自然恢复的动态过程。

研究结果表明，当土壤沙化程度从H1到H2再到H3时，近 climax 群落的关键性状发生显著改变。原生土壤（H1）维持着以黄花苜蓿（Stipa breviflora）、沙蒿（Cleistogenes squarrosa）为代表的优质禾草优势群，其生物量占比超过60%。随着沙化深度增加，禾草优势度分别下降34.07%（H2）和50.18%（H3），而具有毒性的多年生豆科植物（Sophora alopecuroides）和一年生藜科杂草（Corispermum mongolicum）的生物量分别上升12.30-32.92%。这种替代效应在优势种和常见种层面尤为显著，表明土壤退化会引发植物功能性状的系统性偏移。

研究进一步发现，土壤质地参数（S/C比）、有机碳含量（SOC_10cm）和有效磷（SAP_5cm）构成群落恢复的核心驱动因子。其中，S/C比值通过影响土壤孔隙结构和水分保持能力，与近 climax 群落的恢复呈显著正相关（贡献率8.8-15.8%）。有机碳富集的土壤层（SOC_10cm≥2.5%时）更利于禾草类群（Poaceae）的重建，而有效磷浓度超过0.15mg/kg的沙化土壤则促进有毒豆科植物和杂草的扩张。这种多因子耦合作用机制解释了为何在相同气候条件下（年均温8.1℃，降水295mm），不同土壤退化程度的恢复轨迹存在显著差异。

在功能性状分析中，研究揭示了植物群落的适应策略分化。禾本科植物表现出强烈的环境依赖性，其生物量在原生土壤中占主导地位（>45%），但沙化后因根系无法穿透粗骨土层（沙粒占比>65%时）显著衰退。与之形成对比的是豆科植物，其固氮能力使其在沙化土壤中（pH 8.2-8.5）仍能保持相对稳定的生物量（波动范围±5.2%）。这种功能性状的分化与土壤氮磷钾配比存在密切关联，当N/P/K比值>15:3:1时，毒杂草占比超过30%。

研究创新性地构建了"土壤-功能性状"调控模型，发现细粒土（S/C<0.3）的有机碳富集速率（年均增加0.12%）与禾草恢复呈指数关系（R2=0.62）。而粗骨土层（S/C>0.8）的有效磷积累（年均提升18mg/kg）则与毒杂草扩张形成正反馈循环。这种双调控机制在自然恢复过程中尤为明显，当土壤沙化程度超过临界值（S/C=0.5时）后，群落恢复将陷入"毒杂草陷阱"，导致生态系统服务功能持续衰退。

该研究对荒漠草原恢复实践具有重要指导价值。首先，证实了原生钙积土（pH 8.5-9.2，S/C<0.3）作为近 climax 状态的必要条件，提出通过客土改良（补充粉砂与粘粒比例1:3）重建理想土壤结构。其次，揭示了沙化土壤中磷营养的"过载效应"，建议在沙化梯度1-2m范围内实施氮磷调控（N/P配比1:0.5）以抑制毒杂草扩张。研究还证实了深根植物（如沙蒿根系深度达1.2m）在土壤沙化中的生态屏障作用，为制定分层土壤改良策略提供了理论依据。

研究方法上采用空间连续性取样（网格间距50m×50m），在H1-H3梯度中共设置120个样方，每个样方采用 relevé 记录法统计超过30个优势种的形态性状。土壤分析涵盖颗粒组成（筛分法）、有机碳（重铬酸钾法）、有效磷（磷酸钠浸提法）等12项指标，并通过冗余分析（RDA）确定关键驱动因子。特别值得注意的是，研究首次量化了土壤沙化梯度（0-60cm）对植物功能性状的影响阈值，发现当沙化深度超过40cm时，禾草优势度将跌破30%的生态安全临界值。

在理论层面，研究验证了"土壤质地-水分保持-养分利用"的三级调控假说。原生土壤的粘粒含量（>25%）通过保持田间持水量（>18%）为禾草根系提供稳定水分供给，而沙化土壤的粉砂含量（>55%）虽提升渗透速率，却导致有机质分解加速（年损失率0.8%）。这种水分-养分的耦合作用机制解释了为何在相同降水条件下（年均降水295mm），沙化土壤的植被恢复进程比原生土壤慢3-5倍。

研究还发现恢复过程中的功能性状趋异现象：禾草类群的C3/C4比值在沙化后由1.2降至0.7，表明其光合适应策略从C4高效型向C3耐旱型转变；而毒杂草的氮代谢关键酶（GDH）活性则提升至正常水平的2.3倍，显示其固氮能力的增强。这种功能性状的逆向分化，导致土壤有机碳输入与植物氮素利用出现失衡，形成新的生态位竞争格局。

该成果对全球干旱区生态系统恢复具有重要参考价值。研究显示，在欧亚草原荒漠化区域（面积约1.2×10^6 km2），实施分层土壤改良（0-40cm补充有机质，40-60cm控制沙化）可使禾草群落数量恢复速度提升40%，同时毒杂草占比下降18-25%。特别在西北干旱区（年降水<300mm），该模式可使植被盖度年增长速率从0.3%提升至0.8%，有效遏制沙化蔓延速度（减缓率达32%）。

研究局限性在于未充分考量气候变化的影响。当前观测数据显示，近五年研究区年均温上升0.6℃导致禾草物候期提前14天，与沙化程度加剧形成叠加效应，可能改变原有调控机制。建议后续研究纳入气候因子，并延长监测周期至20年以上，以准确评估土壤-气候协同驱动下的恢复轨迹。

该研究为制定差异化恢复策略提供了科学依据：在沙化程度较轻区域（S/C<0.4），优先实施有机质补充与土壤团粒结构重建；在中等沙化区域（0.4≤S/C<0.6），应着重控制有效磷淋失并引入深根禾草；而在重度沙化区（S/C≥0.6），则需采用"先固沙后改良"的分阶段策略，结合客土填充与保水植被配置。这些技术路径已在宁夏盐池、内蒙古达来湖等5个典型退化区域进行验证，使近 climax 群落重建效率提升27-35%。