Response of aboveground net primary productivity to plant species richness and identification of the factors of influence

doi:10.11686/cyxb2024412

Abstract

Abstract:

The productivity of grassland ecosystems is largely influenced by their dominant and subdominant species. However， relatively few studies have explored the effects of species richness established by different combinations of dominant species and subdominant species on aboveground productivity. Therefore， to explore the direct and indirect driving factors of dominant and subdominant plant community productivity， we conducted monoculture and mixed-culture experiments using three dominant species and seven subdominant species from the Yanchi desert steppe in northern Ningxia. Five degrees of plant species richness （monoculture and 4-， 6-， 8-， and 10-species mixtures） were established， and the aboveground biomass， soil microbial community composition， extracellular enzyme activity， and soil physicochemical properties were investigated in each group. The results show that： 1） Mixtures of both dominant species and subdominant species increased the total relative abundance of the dominant bacterial phyla （Actinobacteriota， Acidobacteriota and Proteobacteria） and dominant fungal phyla （Ascomycota and Basidiomycota）， and the increase in the total relative abundance of dominant bacterial phyla was more obvious than that of dominant fungal phyla. 2） The vector length of monocultures and mixed cultures ranged from 1.31 to 1.38， and the vector angle was greater than 45°. Soil microbial metabolism was mainly limited by soil carbon and phosphorus. The nitrogen∶phosphorus was significantly higher in monoculture soil than in 4-species mixed-culture soil （P<0.05）. 3） There was a significant positive correlation between aboveground net primary productivity and species richness （P<0.001）， and both the complementarity effect and the selection effect made significant positive contributions to the observed net primary aboveground productivity. 4） The structural equation model showed that plant species richness indirectly and positively affected aboveground productivity of the plant community through a selection effect， a complementarity effect， and soil physical and chemical properties. The results of this study provide data support and theoretical guidance for devising strategies to protect grassland biodiversity and strengthen grassland ecosystem restoration.

Key words: plant species richness, microbial community, soil enzyme stoichiometry, soil characteristics, productivity

Xu LUO, Hui MA, Cui HAN, Ya-xin ZHAO, Ying ZHAO, Ying-zhong XIE, Jian-ping LI. Response of aboveground net primary productivity to plant species richness and identification of the factors of influence[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2025, 34(9): 26-37.

Figures/Tables 8

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物种丰富度 Species richness	组合数量 Number of combinations	功能群数量Number of functional groups	物种名称及播种量 Species name and sowing quantity （g·25 m^-2）
单播 Monoculture	10	1	甘草G. uralensis （187.50），牛枝子L. potaninii （160.00），草木樨A. melilotoides （300.00），苦豆子S. alopecuroides （375.00），沙芦草A. mongolicum （131.00），冰草A. cristatum （187.50），糙隐子草C. squarrosa （187.50），沙蒿A. desertorum （112.50），斜茎黄芪A. laxmannii （75.00），披碱草E. dahuricus （225.00）
4种混播 4-species mixture	3	2	糙隐子草C. squarrosa （25.00），牛枝子L. potaninii （53.30），斜茎黄芪A. laxmannii （67.00），草木樨A. melilotoides （25.00）
		3	甘草G. uralensis （62.50），糙隐子草C. squarrosa （37.50），沙蒿A. desertorum （37.50），牛枝子L. potaninii （53.30）
		3	牛枝子L. potaninii （53.30），冰草A. cristatum （62.50），沙蒿A. desertorum （57.50），草木樨A. melilotoides （25.00）
6种混播 6-species mixture	3	2	糙隐子草C. squarrosa （15.00），斜茎黄芪A. laxmannii （15.00），冰草A. cristatum （37.50），苦豆子S. alopecuroides （195.00），草木樨A. melilotoides （60.00），沙芦草A. mongolicum （54.00）
		3	甘草G. uralensis （73.50），糙隐子草C. squarrosa （67.50），沙蒿A. desertorum （67.50），冰草A. cristatum （89.50），草木樨A. melilotoides （60.00），沙芦草A. mongolicum （54.00）
		3	牛枝子L. potaninii （109.80），冰草A. cristatum （37.50），沙蒿A. desertorum （67.50），草木樨A. melilotoides （75.00），沙芦草A. mongolicum （80.20），甘草G. uralensis （36.00）
8种混播 8-species mixture	3	2	沙芦草A. mongolicum （39.73），牛枝子L. potaninii （82.37），斜茎黄芪A. laxmannii （10.73），冰草A. cristatum （26.80），苦豆子S. alopecuroides （105.58），甘草G. uralensis （64.80），糙隐子草C. squarrosa （44.81），草木樨A. melilotoides （10.71）
		3	甘草G. uralensis （64.80），糙隐子草C. squarrosa （16.08），沙蒿A. desertorum （49.08），冰草A. cristatum （26.80），草木樨A. melilotoides （42.88），牛枝子L. potaninii （98.37），沙芦草A. mongolicum （54.73），披碱草E. dahuricus （32.14）
		3	牛枝子L. potaninii （82.37），冰草A. cristatum （26.80），沙蒿A. desertorum （49.08），草木樨A. melilotoides （42.88），沙芦草A. mongolicum （47.73），苦豆子S. alopecuroides （105.58），糙隐子草C. squarrosa （10.73），甘草G. uralensis （38.00）
10种混播 10-species mixture	1	3	甘草G. uralensis （35.05），牛枝子L. potaninii （72.53），草木樨A. melilotoides （27.27），苦豆子S. alopecuroides （72.10），沙芦草A. mongolicum （25.93），冰草A. cristatum （17.05），糙隐子草C. squarrosa （37.08），沙蒿A. desertorum （30.25），斜茎黄芪A. laxmannii （21.83），披碱草E. dahuricus （20.30）

物种丰富度 Species richness	组合数量 Number of combinations	功能群数量Number of functional groups	物种名称及播种量 Species name and sowing quantity （g·25 m^-2）
单播 Monoculture	10	1	甘草G. uralensis （187.50），牛枝子L. potaninii （160.00），草木樨A. melilotoides （300.00），苦豆子S. alopecuroides （375.00），沙芦草A. mongolicum （131.00），冰草A. cristatum （187.50），糙隐子草C. squarrosa （187.50），沙蒿A. desertorum （112.50），斜茎黄芪A. laxmannii （75.00），披碱草E. dahuricus （225.00）
4种混播 4-species mixture	3	2	糙隐子草C. squarrosa （25.00），牛枝子L. potaninii （53.30），斜茎黄芪A. laxmannii （67.00），草木樨A. melilotoides （25.00）
		3	甘草G. uralensis （62.50），糙隐子草C. squarrosa （37.50），沙蒿A. desertorum （37.50），牛枝子L. potaninii （53.30）
		3	牛枝子L. potaninii （53.30），冰草A. cristatum （62.50），沙蒿A. desertorum （57.50），草木樨A. melilotoides （25.00）
6种混播 6-species mixture	3	2	糙隐子草C. squarrosa （15.00），斜茎黄芪A. laxmannii （15.00），冰草A. cristatum （37.50），苦豆子S. alopecuroides （195.00），草木樨A. melilotoides （60.00），沙芦草A. mongolicum （54.00）
		3	甘草G. uralensis （73.50），糙隐子草C. squarrosa （67.50），沙蒿A. desertorum （67.50），冰草A. cristatum （89.50），草木樨A. melilotoides （60.00），沙芦草A. mongolicum （54.00）
		3	牛枝子L. potaninii （109.80），冰草A. cristatum （37.50），沙蒿A. desertorum （67.50），草木樨A. melilotoides （75.00），沙芦草A. mongolicum （80.20），甘草G. uralensis （36.00）
8种混播 8-species mixture	3	2	沙芦草A. mongolicum （39.73），牛枝子L. potaninii （82.37），斜茎黄芪A. laxmannii （10.73），冰草A. cristatum （26.80），苦豆子S. alopecuroides （105.58），甘草G. uralensis （64.80），糙隐子草C. squarrosa （44.81），草木樨A. melilotoides （10.71）
		3	甘草G. uralensis （64.80），糙隐子草C. squarrosa （16.08），沙蒿A. desertorum （49.08），冰草A. cristatum （26.80），草木樨A. melilotoides （42.88），牛枝子L. potaninii （98.37），沙芦草A. mongolicum （54.73），披碱草E. dahuricus （32.14）
		3	牛枝子L. potaninii （82.37），冰草A. cristatum （26.80），沙蒿A. desertorum （49.08），草木樨A. melilotoides （42.88），沙芦草A. mongolicum （47.73），苦豆子S. alopecuroides （105.58），糙隐子草C. squarrosa （10.73），甘草G. uralensis （38.00）
10种混播 10-species mixture	1	3	甘草G. uralensis （35.05），牛枝子L. potaninii （72.53），草木樨A. melilotoides （27.27），苦豆子S. alopecuroides （72.10），沙芦草A. mongolicum （25.93），冰草A. cristatum （17.05），糙隐子草C. squarrosa （37.08），沙蒿A. desertorum （30.25），斜茎黄芪A. laxmannii （21.83），披碱草E. dahuricus （20.30）