重要进展丨生态地质环境保护与修复团队在《自然·通讯》发文揭示全球森林植物多样性对土壤呼吸作用的影响机制
发布时间：2026年04月20日
重要进展丨我室生态地质环境保护与修复团队在《自然·通讯》发文揭示全球森林植物多样性对土壤呼吸作用的影响机制
论文题目：Plant diversity’s positive effect on soil respiration diminishes with increasing productivity in global forests
发表期刊：Nature Communications
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-69594-8
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近日，生态地质环境保护与修复团队与国内外学者合作，在国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications）上发表了题为“Plant diversity’s positive effect on soil respiration diminishes with increasing productivity in global forests”的研究成果。该研究首次从全球尺度揭示了植物物种多样性与土壤呼吸之间的关系，发现植物多样性促进了低、中生产力森林的土壤呼吸，但在高生产力森林中这一效应减弱。该研究为深入理解生物多样性在全球碳循环中的作用提供了全新视角。
集成多源数据破解生物多样性
土壤呼吸关系的研究瓶颈
土壤呼吸是指土壤通过生物（如植物根系、微生物、真菌、动物等）代谢活动向大气释放二氧化碳（CO₂）的过程，是陆地生态系统中仅次于光合作用的第二大碳通量，对调节陆地生态系统碳平衡及缓解全球气候变化具有重要作用。植物多样性如何在全球尺度上影响土壤呼吸，这一关系是否以及如何随森林生产力梯度变化尚不清楚。因此，探究全球森林中植物多样性与土壤呼吸的关系及其随生产力梯度的变化规律，对于预测未来碳动态和生物多样性保护至关重要。
本研究基于全球两类植物多样性数据集与深度学习方法构建的全球土壤呼吸数据集（该模型基于6355个野外实测数据训练），通过将植物多样性格局与高精度土壤呼吸预测相融合，首次实现了全球森林尺度上植物多样性-土壤呼吸关系的系统评估，量化了植物物种丰富度对土壤呼吸的边际贡献。
揭示了土壤呼吸与植物多样性之间
存在“非同步变化”新机制
植物多样性总体上对土壤呼吸具有正向促进作用，但其效应随森林净初级生产力的升高而呈现出明显的递减规律。在低至中等生产力森林（<1300 g C m⁻⟡ yr⁻¹）中，植物多样性显著增强了土壤呼吸；而在高生产力森林中，这一效应趋于减弱甚至消失（图1）。通过将净初级生产力划分为10个分位数区间进行分析，研究进一步确认了这一转折模式在不同生产力水平下均稳定存在。
▲图1 基于植被净初级生产力分组的偏依赖图显示植物物种多样性与土壤呼吸的关系。
a. 维管植物物种丰富度（VPSR）；b. 树木物种丰富度（TSR）。在低生产力区间，物种丰富度对土壤呼吸的正向效应更为明显，而在高生产力区间效应减弱。
阐明了植物多样性
土壤呼吸关系的空间分布及环境依赖性
为量化植物多样性对土壤呼吸的净效应，研究采用了多元回归方法，在控制14个环境变量的基础上，分别估算了维管植物和树木物种丰富度对土壤呼吸的贡献（θ值）。结果显示，θ值在低至中等生产力区域（归一化净初级生产力0-50）主要为正值，表明物种丰富度能够显著促进土壤呼吸；而在高生产力区域（归一化净初级生产力>50），θ值趋近于零或转为负值。空间分布图进一步显示，这一效应在北美北部、欧洲北部、亚洲东北部等低生产力森林区域尤为突出，而在亚马逊、刚果盆地等热带高生产力森林区域则明显减弱。
▲图2 物种多样性对土壤呼吸影响的空间分布。
a，c 分别展示了维管植物物种丰富度（VPSR）和树木物种丰富度（TSR）对Rs影响的全球分布（效应值θ）。θ值基于每100个NPP分箱计算得出。θ > 0表示物种丰富度对Rs具有正向影响，θ < 0则表示负向影响。图中仅显示θ值在0.05水平上显著的区域。b，d 分别展示了VPSR和TSR的物种丰富度效应随NPP梯度（归一化NPP）的变化趋势。每个点代表该NPP分箱中物种丰富度对Rs的效应值。黑色实线为线性回归拟合的均值θ（P < 0.001），灰色带表示均值的95%置信区间。
结构方程模型分析进一步揭示，环境因子对土壤呼吸的直接效应在低生产力森林中最强（β₁ > 0.75），在中生产力森林中减弱，在高生产力森林中再次增强；而环境因子通过影响植物多样性进而间接影响土壤呼吸的路径（β₂ × θ），则在低至中生产力森林中最为明显，并随生产力升高逐渐下降。这一结果表明，在资源受限的生态系统中，植物多样性对维持土壤呼吸具有不可替代的作用；而在资源充足的高生产力系统中，非生物因子成为主导控制因素。
▲图3 环境因子和物种丰富度在不同净初级生产力（NPP）梯度上对土壤呼吸（Rs）的直接和间接影响。
a, d 分别展示了VPSR和TSR（θ）的直接效应（橙色）以及环境因子的间接效应（β2 × θ，蓝色）。b 结构方程模型，展示了由14个环境变量（X1–X14）构建的复合潜变量（环境）、物种丰富度以及响应变量（Rs）之间的关系。c, e 分别展示了环境因子对VPSR和TSR的Rs的直接效应（β1，红色）。a–e 中的彩色实线为系数的局部加权回归拟合线，用以捕捉变化趋势。阴影区域表示均值的95%置信区间（CI）。
剖析了生物多样性
土壤呼吸关系的潜在机制
研究提出了植物多样性影响土壤呼吸的潜在机制：在低生产力森林中，植物多样性通过促进根系结构互补、增强微生物活性、优化养分循环等途径，显著提升土壤呼吸速率；而在高生产力森林中，优势物种对资源的竞争性垄断、功能相似性（功能冗余）的增加以及高背景水平的微生物活性，可能削弱了额外物种对生态系统功能的边际贡献。此外，研究还排除了丛枝菌根植物这一特定功能群对多样性-土壤呼吸关系的显著调控作用，表明该关系更多依赖于整个植物群落的功能多样性而非单一功能群的影响。
综上，该研究通过集成多源数据、深度学习模型与多变量统计方法，系统揭示了植物多样性对土壤呼吸的促进作用随森林生产力升高而减弱的全球模式，不仅深化了人类对生物多样性-土壤呼吸关系空间变异性的理解，也为在全球变化背景下制定差异化的生物多样性保护与森林管理策略提供了科学依据。
论文信息：Laffitte, B., Yang, Z., Jian, J., Ciais, P., Chen, L., Yang, Y., Chen, X., Huang, N., Zhou, T., Pei, X., Tang, X. Plant diversity’s positive effect on soil respiration diminishes with increasing productivity in global forests. Nature Communications (2026)
https://doi.org/10.1038/s41467-026-69594-8
该成果由成都理工大学生态地质环境保护与修复团队联合西南交通大学、西北农林科技大学、法国巴黎萨克雷大学等国内外十余所高校和科研机构共同完成，Benjamin Laffitte博士为论文第一作者。研究得到国家自然科学基金、四川省自然科学基金重点项目、天府永兴实验室重点项目、成都理工大学珠峰科学研究计划等资助。