物种多样性和竞争关系会影响混交硬木人工林中的氮吸收效率

《Oecologia》：Species diversity and competition influence nitrogen resorption efficiency in mixed hardwood plantations

　　摘要：养分动态对森林生产力有显著影响，但竞争对这些过程的影响尚不完全清楚。氮是限制树木生长的关键养分，然而树冠氮动态如何受到树种多样性和竞争的影响仍不明确。氮利用效率是一种被认为支持生态位互补性的机制，随着多样性的增加，氮利用效率提高从而促进生产力提升，这一过程受到叶片衰老过程中养分再吸收的影响。我们通过研究200多棵来自三种树种的树木的氮再吸收效率（NRE），来探讨多样性和竞争如何影响树冠氮动态。这些树木来自一个12年生的混交硬木林，实验设计包括三个树种多样性的水平（代表种内和种间竞争）以及两个种植密度水平（代表竞争强度）。我们从黑樱桃（Prunus serotina）、美洲栗（Castanea dentata）和北方红橡树（Quercus rubra）中收集了仲季和衰老期的叶片样本，测定了仲季树冠和叶层中的氮浓度，并计算了NRE。在多样性较高、种植密度较低的林分中观察到更高的仲季树冠氮浓度，但不同树种的响应幅度存在差异。NRE随着多样性的增加而提高；然而，不同树种的响应情况各不相同，从统计学上的显著增加到没有响应都有，且不受种植密度的影响。这些发现表明，虽然多样性对树木生理反应的影响取决于竞争类型（即多样性或竞争强度），但不同的物种组合可能会影响与生态位互补性相关的过程，最终有助于形成积极的生物多样性-生产力关系。

引言：森林生态系统在许多全球过程中发挥着关键作用，贡献了大约50%的陆地净初级生产力和碳储存（Bonan 2008; Mitchard 2018）。全球范围内森林中的树种多样性正在下降，预计由于栖息地破碎化、土地利用变化和气候变化，这一趋势将持续（Sax and Gaines 2003）。生物多样性的持续丧失可能导致负面的经济和环境后果，特别是在生态系统服务方面，包括养分循环、氮利用效率和生产力（Brooks et al. 2002; Chapin et al. 2000; McCallum 2015）。物种多样性的减少会影响生态系统的多个功能因素，进而影响水质、土壤健康和大气碳封存以及整体森林健康（Bonan 2008; Humbert and Dorigo 2005; Jactel et al. 2018; Smith 2007; Tilman 1996）。了解单个树木对不同多样性和竞争水平的响应有助于预测生物多样性的丧失将如何影响森林种群动态和群落结构，最终影响生态系统功能。生物多样性对生产力的影响（主要表现为生物量积累、经济回报或碳封存）通常是积极的（Reich et al. 1997a, b; Tilman et al. 2001; Keltry 2006），这一现象已在许多陆地和水生系统中得到证实（Aarseen 1997; Hector et al. 1999; Humbert and Dorigo 2005; Liang et al. 2015, 2016; Loreau 2000; Smith 2007; Spehn et al. 2000; Tilman and Downing 1994; Tilman 1996）。生物多样性与生产力之间的正相关关系已通过理论和数学建模得到估计，并通过实验方法得到量化（Loreau 1998; McCann 2000; Naeem et al. 1994）。使用具有控制物种多样性的重复样地的方法已被证明有助于识别生物多样性-生产力关系（Tilman 1996; Huang et al. 2018; Isbell et al. 2009; Liang et al. 2016; Niklaus et al. 2017; Mason and Connolly 2020）。尽管有大量证据支持生物多样性-生产力关系的存在，但其背后的生理机制仍不完全清楚。关于驱动这种关系的机制已有数十年的争论，包括互补性（Loreau 2000）和基于选择效应的随机机会（van Ruijven and Berendse 2005）。许多研究关注物种丰富度和均匀度对资源动态的影响，由此产生了生态位利用效率的概念（Grossman et al. 2017; Liang et al. 2015, 2016; Naeem et al. 1994; Niklaus et al. 2017; Turnbull et al. 2013）。从概念上讲，生态位利用效率受到物种竞争和单一种植及混种情况下的表现的影响，以及这些相互作用如何受到光照截获、降水模式、养分可用性、土壤质量等非生物因素的影响（Liang et al. 2015）。本质上，随着群落共享资源的多样性增加，生态位利用效率被认为受到种内竞争的缓解和资源更互补使用的驱动（Hodapp et al. 2019; Wang et al. 2005; Craine and Dybzinski 2013）。在封闭树冠的森林系统中，养分可用性是一个重要的限制因素（Fernández-Martínez et al. 2014），竞争可以影响森林系统中的养分动态。经历种间竞争的个体比经历种内竞争的个体更有效地利用可用资源（Hooper and Vitousek 1998; Svanb?ck and Bolnick 2007）。虽然生态位利用效率被认为推动了生物多样性-生产力关系的形成，但促成这种关系的生理过程，尤其是与养分吸收相关的过程，尚未得到充分研究。在多年生系统中，养分动态的一个关键组成部分是在休眠期之前对养分的再吸收和储存。多年生植物在衰老前可以再吸收其现有叶片氮的一半以上（Vergutz et al. 2012），这些氮可以在下一个生长季节重新利用。通过再吸收氮，植物对土壤养分的依赖性降低，而在养分输入有限或不可用的系统中，土壤养分可能受到邻近植物和其他物种的激烈竞争（Borer et al. 2015; Fay et al. 2015）。在灌木和草本系统中，物种丰富度影响养分再吸收率，较高的物种丰富度使植物更有效地利用叶片养分来产生生物量（Lü et al. 2019）。然而，作为养分利用效率关键机制的养分再吸收在不同多样性和竞争水平下的长期植物物种（即森林树木）中的响应尚不清楚。

方法：本研究在美国印第安纳州西拉法叶市普渡大学附近的Martell森林研究站（40.4°N, ?87.0°W）的一个混交林种植园中进行。该种植园建立于2007年，之前用作农田。该地点排水良好且生产力较高，主要土壤类型为Rockfield粉壤土，年平均降水量约为1000毫米，年平均温度约为10°C（National Centers for Environmental Information 2025）。自种植园建立以来，该地点一直按照标准森林管理措施进行管理，包括除草和鹿类控制。研究地点包括三个区块，其中物种组合样地采用全因子设计。通过改变树种数量（黑樱桃Prunus serotina、美洲栗Castanea dentata和北方红橡树Quercus rubra）来操纵树种多样性，通过种植密度来模拟竞争强度，种植密度分别为1×1米（每公顷10,000棵树）、2×2米（每公顷2,500棵树）和3×3米（每公顷1,111棵树）。每个种植密度的样地面积为：1×1米间距20平方米，2×2米间距80平方米，3×3米间距180平方米。每个区块内有三个单一种植样地、三个两种种植样地和一个三种种植样地。由于其中一个重复区块的3×3米间距样地中有大量树木死亡，因此在本研究中排除了这一密度处理。因此，共有两种密度、七种物种组合和三个重复区块，每个区块内的样地总数为14个，整个地点使用的样地总数为42个。每个区块内的样地包含56棵树，其中26棵作为边界行树以减少边缘效应。关于研究建立、地点描述和实验设计的具体细节，请参见Gauthier et al. (2013)。

树冠叶片采集：2017年，在仲季末（8月底至9月初），使用修枝剪采集树冠叶片样本。在每个区块的所有样地中，每个物种选取三棵树进行采样。从每棵树的上下三分之一的树冠部分采集叶片。北方红橡树和美洲栗树的每个树冠位置采集七片叶子；为了获得相似的叶片组织质量，黑樱桃树每个树冠位置采集二十片叶子。因此，每个样地采集的树木总数因物种组合而异。在单一种植样地中采集三棵树；在两种种植样地中采集六棵树（每种两个物种×每种三棵树=共六棵树）；在三种种植样地中采集九棵树（每种三个物种×每种三棵树=共九棵树）。总共采集了432个叶片样本（（每个区块六个单一种植样地×每个样地三棵树）+（每个区块六个两种种植样地×每个样地六棵树）+（每个区块两个三种种植样地×每个样地九棵树）×三个区块×三个树冠位置）。叶片采集后，样品在液氮中快速冷冻，然后在60°C下烘干至恒定质量。干燥后的样品经过球磨处理，随后进行化学分析。

叶层叶片采集：2017年，在叶片脱落开始时（9月中旬）至叶片完全掉落（11月中旬），每周采集一次叶层样本。使用直径为0.29米、采集面积为0.066平方米的桶进行采集。由于样地大小不同，使用的桶数进行了调整，以使每个样地的采集面积相似：10,000棵树/公顷的种植密度使用一个桶，2500棵树/公顷的种植密度使用四个桶。在收集落叶后，根据物种和种植多样性对落叶进行了分类，并进一步将其分为三个等间隔的收集日期组（9月11日至29日、10月1日至20日以及10月22日至11月10日）。落叶样本经过球磨处理后，用于化学分析。

**叶片化学分析**
在收集了叶片组织和落叶组织后，对叶片中的氮含量进行了分析。具体来说，将28-32毫克的叶片和落叶组织称重放入铝制容器中，使用Thermo Finnigan Flash 1112元素分析仪（美国加利福尼亚州圣何塞市）通过燃烧分析法测定氮含量。阿托品被用作标准物质。

**统计分析**
中期叶片氮含量的分析采用了四因素方差分析（ANOVA）模型：
$$y_{ij} = \mu + be + Bi + Sk + Dj + Pl + BSik + BDij + BPil + SDkj + SPkl + DPjl + BSDikj + BDPijl + BSPikl + SDPkjl + BSDPikjl + eikjl$$
其中，b代表区块e的随机效应，B代表种植多样性i，S代表树种k，D代表种植密度j，P代表树冠位置l，e代表误差项。落叶氮含量的分析采用了与中期氮含量分析相似的ANOVA模型，不同之处在于我们将时间（tx）作为固定效应代替了树冠位置。

氮吸收效率（NRE）的计算采用了Vergutz等人（2012年）提出的公式：
$$NRE (\%) = \left(\frac{Nms - Nl}{Nms}\right) * 100$$
其中，Nms表示中期叶片组织的氮含量，Nl表示落叶的氮含量。中期叶片氮含量是按树冠位置平均后得出的。NRE的分析采用了与落叶氮含量分析相似的ANOVA模型，但在最终分析中排除了采样时间作为固定效应，因为采样时间的主效应及其与其他因素的交互作用在统计上不显著。对于ANOVA模型中显著的术语，使用了Tukey事后检验进行比较。

通过协方差分析（ANCOVA）评估了中期叶片氮含量、落叶氮含量与NRE之间的关系，以物种为因素，中期叶片氮含量或落叶氮含量为协变量，中期叶片氮含量数据按树冠位置平均，落叶数据按采样时间平均，原因同上。我们注意到，NRE的计算使用了中期叶片氮含量和落叶氮含量两个指标，这可能会引入变量间的相关性。然而，由于NRE是从这些组分变量推导出来的，因此排除它们将无法评估物种间的养分吸收策略差异。此外，使用一致的分析框架来研究这些关系可以使得跨物种的比较具有意义，即使这些组分变量在数学上存在关联。我们的方法旨在强调物种间的相对模式，而不是预测因子之间的独立性，并为解释物种间的氮利用策略差异提供了必要的生态背景。

残差检验确认中期叶片氮含量、落叶氮含量和NRE值遵循正态分布。为了平衡I型错误和II型错误，我们将P值<0.05视为显著，0.05≤P≤0.10视为边缘显著。所有统计分析均使用JMP v.19软件（SAS Institute，纽约州卡里市，2018年）进行。

**结果**

**中期叶片氮含量**
总体而言，不同树种的树冠氮含量存在差异，但同一树种内的氮含量受多样性水平、种植密度和树冠位置的影响（表1；补充信息表1）。总体而言，橡树的叶片氮含量比樱桃树或栗树高约20%，且在所有树种中，上层树冠的叶片氮含量比下层树冠高约17%（补充信息表1；图1）。多样性对叶片氮含量的影响因树种和种植密度而异（表1；图1）。随着多样性的增加，樱桃树和栗树的叶片氮含量增加，而北方红橡树的响应较小（补充信息表1；图1）。在较宽松的种植密度下，叶片氮含量趋于增加，但这种响应因树种和多样性水平而异，樱桃树的氮含量通常增加，而橡树的氮含量则减少（表1；图1）。我们的结果显示，多样性、树种、种植密度和树冠位置之间存在边缘显著的交互作用，表明多样性及密度对上层树冠叶片氮含量的影响大于下层树冠，但在樱桃树和栗树中这种效应更明显，在较大种植密度下更为显著（表1；图1）。

**落叶氮含量**
叶片和落叶的氮含量在不同树种和收集期间存在差异（表2；补充信息表2；图2）。橡树的落叶氮含量普遍较高，并且在各个收集期间相对稳定，而樱桃树和栗树的落叶氮含量在早期收集期间的水平较低（图2）。多样性与树种之间存在边缘显著的交互作用（表2），表明不同树种间的差异取决于多样性水平；橡树和栗树的落叶氮含量在不同多样性水平下保持稳定，而樱桃树的落叶氮含量随着多样性增加而增加，尤其是在后期收集期间（显著的多样性×树种×收集期间交互作用；图2，补充信息表2）。

**氮吸收效率（NRE）**
NRE受多样性水平的影响，随着多样性的增加，NRE值也增加（表3；补充信息表3；图3）。我们发现两种种植方式（单一种植和三种种植）之间没有差异，但平均而言，三种种植方式的NRE比单一种植增加了约12%（表3；补充信息表3；图3）。然而，NRE对多样性水平的响应在不同树种间存在差异（显著的多样性×树种交互作用，表3），其中黑樱桃树因种内竞争的减少而表现出最强的NRE增加效应（从单一种植到三种种植增加了23%）。虽然美洲栗树（从单一种植到三种种植增加了14%）和北方红橡树（从单一种植到三种种植增加了8%）在更多样化的环境中NRE有所增加，但这些差异在统计上不显著（图3）。我们没有发现密度或其他因素对NRE的影响，这表明更激烈的竞争（即个体更密集地种植）并不影响竞争类型（即种内或种间竞争）。

**中期叶片氮含量、落叶氮含量与NRE之间的关系**
中期叶片氮含量与NRE呈正相关，且这种关系在不同树种间存在差异（图4a）。北方红橡树的这种相关性不如黑樱桃树和栗树明显（边缘显著的树种×中期叶片氮含量交互作用，图4a）。落叶氮含量在不同树种间存在差异，并与NRE值呈负相关，但这种关系在不同树种间是一致的（图4b）。

**讨论**
随着植物多样性的增加，生产力的提高被认为是由于群落中个体之间的资源互补性或生态位利用效率（Liang等人，2015年）。随着生物多样性的增加，群落中的个体可以比在同一空间内资源利用方式相似的同种个体更有效地利用可用的养分、水和光（Grossiord 2018年；Hodapp等人，2019年）。这种随着多样性增加而释放的竞争可能扩大了生态位空间，从而容纳更多样化的物种。尽管生态位利用效率被认为是生物多样性-生产力关系的驱动因素（Liang等人，2015年），但其具体机制尚未得到充分研究。我们的研究表明，种内竞争的减少（即物种多样性的增加和种植密度的降低）提高了单个树木的氮吸收效率，尽管不同树种的响应存在差异。这些结果表明，种内竞争可能对养分吸收有显著影响，但这种影响在不同树种间的表现不同。我们还发现，中期叶片氮含量与NRE呈正相关，且这种相关性在不同树种间存在差异。较高的中期叶片氮含量与较高的氮吸收效率相关，这可能是由于叶片中的较高氮含量为衰老前的养分再利用提供了更多资源（Aerts 1997年；Killingbeck 1996年）。尽管本研究的数据序列有限，但这些物种特定的响应对于理解不同树种组合如何影响生物多样性-生产力关系具有重要意义（Adler等人，2018年；Mahaut等人，2020年；Zhang等人，2024年）。

与我们的预测部分一致，多样性对中期叶片氮含量的影响在不同树种和种植密度间存在差异。黑樱桃树的叶片氮含量随着种植密度的增加而增加，而栗树和橡树的叶片氮含量变化不大或没有变化。这些发现表明，尽管种内竞争对生长季节的养分吸收有影响，但这种影响在不同树种间的表现不同，且不同树种或不同树种组合对竞争释放的响应也可能不同（Postma等人，2020年；Rehil等人，2020年）。我们还发现，中期叶片氮含量与NRE值呈正相关，且这种相关性在不同树种间存在差异。较高的中期叶片氮含量与较高的氮吸收效率相关，这可能是由于叶片中的较高氮含量为衰老前的养分再利用提供了更多资源（Aerts 1997年；Killingbeck 1996年）。虽然本研究的局限性在于数据序列较短，但这些物种特定的响应对于理解不同树种组合如何影响生物多样性-生产力关系具有重要意义（Adler等人，2018年；Mahaut等人，2020年；Zhang等人，2024年）。

与我们的预测部分一致，物种丰富度对落叶氮含量的影响在不同树种间存在差异，其中黑樱桃树的落叶氮含量显著增加，而其他树种的变化不显著。从单一栽培到三种种植的落叶氮含量增加范围为6-10%。总体而言，较低的落叶氮含量可能表明在叶片衰老前养分吸收更有效，而较高的落叶氮含量可以加速落叶分解和氮矿化（Aerts 1997年；Aerts和Chapin 2000年）。我们还发现落叶氮含量与NRE值呈负相关。叶片凋落物中氮含量与NRE（氮保留效率）之间的负相关关系可能是因为氮的再吸收更为高效，导致衰老叶片中剩余的氮量减少（Killingbeck 1996；Vergutz等人2012）。这种模式可能是内部养分循环的指标，即氮保留效率高的植物在叶片脱落前会吸收更多的氮，从而留下养分含量较低的凋落物。考虑到两种可能的养分循环途径——叶片氮的再吸收和凋落物氮的矿化作用——研究表明，在养分有限的环境中，叶片氮的再吸收对维持多样性-生产力之间的正相关关系可能比凋落物氮的矿化作用更为重要（Zhang等人2023）。我们的发现与其他研究的结果相反，那些研究中物种丰富度与绿叶和凋落物中的氮含量呈负相关（Lü等人2019）。造成这种差异的一个可能原因是，当前研究中的物种数量仅限于三种，而其他研究考虑了更多层次的多样性（Tillman等人2001；Fornara等人2009；Lü等人2019）。然而，当仅考虑这些研究中所有多样性水平下的物种数量较少时，多样性-生产力之间的正相关趋势通常较小、消失或呈负相关（Tillman等人2001；Liang等人2015），这表明生物多样性-生产力关系的研究结果取决于研究背景，无论是涉及的物种数量还是物种生态位的相似性。

与我们的预测相反，我们的研究结果表明，随着植物多样性的增加，NRE也增加了。然而，与其他研究结果一样，不同树种的响应幅度也存在差异。虽然NRE随多样性增加而增加的现象与Lü等人（2019）在草原实验系统中的发现一致，但本研究中发现的物种特异性结果表明，并非所有树种组合都会表现出相同的响应。这可能是由于生态位相似性的缺乏，从而限制了多样性-生产力之间的正相关关系。事实上，对该种植园十多年生长情况的分析显示，多样性与生产力之间没有正相关关系（Blackstone等人2025）。不同物种之间的生态位重叠或生态位互补性可能会影响它们共存的能力，并可能影响生物多样性-生产力关系的稳定性（Liang等人2015；Blackstone等人2025）。尽管在该研究地点没有发现养分可用性的变化（Blackstone等人2025），但综合考虑其他因素（如光合作用参数、水分利用能力和土壤氮含量），研究生物多样性-生产力关系有助于揭示不同系统中多样性与生产力变化机制的相似性和差异。这项工作强调了生态位利用效率的互补性，尤其是通过养分动态对生物多样性-生产力关系的影响可能是特定于物种或系统的，这可能会对森林生产力产生潜在影响。