研究背景：从“物种多样性”走向“元素多样性”

生物多样性如何影响生态系统功能，是生态学长期关注的核心科学问题。过去，相关研究多聚焦于物种多样性、功能多样性和系统发育多样性等经典维度。随着生态化学计量学的发展，研究者逐渐意识到，生物体的元素组成不仅直接反映其生理代谢过程和资源利用策略，也可能为理解生态系统功能提供新的视角。

植物的生长和繁殖离不开多种元素的共同作用。碳、氮、磷、钾、钙、镁、硫等大量元素，以及铁、锰、锌、铜、钠等微量元素，共同构成了植物体的“元素组（elementome）”。这些元素深刻影响着植物的代谢、生长、竞争能力和环境适应策略。相比之下，传统研究往往更关注叶片或根系中的单一元素，尤其是氮、磷及其比值，并将其作为植物经济谱的重要组成部分。然而，仅依赖少数元素或单一器官的信息，往往难以全面解释生态系统尺度上的生产力与稳定性差异。

在这样的背景下，“植物元素多样性（Plant elemental diversity）”这一概念被提出（图1）。简单来说，它是从群落尺度衡量不同植物物种在多元素组成上的差异程度，以此反映群落内部的生物地球化学异质性以及潜在的生态位分化。理论上，如果一个群落中的植物在元素组成上差异越大，就越可能意味着它们在资源利用方式、生态策略和生态位占据上存在更强差异。这种差异有望通过资源互补、功能分工和竞争缓解，提高生态系统整体资源利用效率，进而增强生态系统功能。

基于这一思路，东北林业大学生态学院何念鹏团队利用中国陆地生态系统的大尺度野外调查数据，系统探讨了植物元素多样性的空间格局、环境控制因素及其与生态系统功能之间的关系。研究表明，植物元素多样性不仅具有显著的纬度分布格局，而且与生态系统生产力和稳定性密切相关。这一发现为揭示生物多样性与生态系统功能关系提供了新的理论视角，也推动了生态化学计量学与生物多样性—生态系统功能研究的进一步融合。

图1｜本研究概念框架图

研究基于多种植被类型的大尺度数据，探讨植物元素多样性与生态系统功能之间的关系。植物元素多样性由14种元素共同表征，综合了叶、茎、细根等器官的元素信息；对于木本植物，还包括树芯元素浓度数据。

研究内容：用多元素视角重新理解生态系统功能

本研究基于系统匹配的中国陆地生态系统植物多元素数据库，整合了多种生态系统类型中的植物群落组成、多元素浓度数据、气候信息和生态系统生产力数据，重点分析了14种关键元素，包括 C、N、K、Ca、Mg、S、P、Al、Mn、Fe、Na、Zn、Cu 和 Ba。

围绕植物元素多样性，研究主要聚焦三个问题：1）植物元素多样性在区域尺度上呈现怎样的空间分布格局；2）气候和土壤等环境因子如何驱动植物元素多样性的变化；3）植物元素多样性与生态系统总初级生产力（GPP）及其年际变异（GPP_IAV）之间存在怎样的关系。

通过整合大尺度野外调查、环境因子和生态系统功能数据，本研究尝试从“多元素组成”的角度重新理解群落多样性与生态系统功能之间的内在联系，揭示植物元素多样性的形成机制及其生态效应，为认识生态系统生产力和稳定性的维持机制提供新的研究路径。

研究发现与意义

研究发现，植物元素多样性具有显著的生物地理格局：总体上沿纬度升高呈下降趋势，在低纬、温暖湿润地区更高，而在高纬或环境波动更强的地区相对较低。进一步分析表明，温度年际变异和年均降水是影响植物元素多样性的关键因子，其中温度波动越大，植物元素多样性越低；降水越丰富，植物元素多样性通常越高。这说明，植物元素多样性是生态系统长期响应气候条件和环境筛选的重要结果。

与此同时，植物元素多样性与生态系统功能之间呈现出显著而稳定的关系（图2）。植物元素多样性越高，生态系统总初级生产力越高，而生产力的年际波动越小，表现出更高的稳定性。机制分析进一步表明，这种促进作用很大程度上来自资源利用效率的提升，即群落中植物在多元素组成上的差异越大，其资源利用互补性往往越强，从而更有利于维持高水平、稳定的生态系统功能（图3）。

这一研究表明，除了传统的物种多样性、功能多样性和系统发育多样性之外，植物元素多样性同样能够有效刻画群落内部的功能异质性与生态位分化，并在预测生态系统生产力和稳定性方面展现出独特价值。该成果为揭示生物多样性与生态系统功能之间的关系提供了新的理论视角，也为全球变化背景下生态系统功能维持机制研究提供了新的科学基础。

图2｜植物元素多样性与生态系统平均总初级生产力及其年际变异的关系

图中圆圈大小表示各站点的物种丰富度，圆圈颜色深浅表示年均温差异，颜色越深代表年均温越高。

图3｜非生物与生物因素对生态系统总初级生产力及其年际变异的直接和间接影响

图中（A）为基准模型，（B）为纳入物种丰富度后的扩展模型。气候（Climpc1）、土壤物理性质（Soilpc1）和土壤化学性质构成主要非生物因子，植物元素多样性和资源利用效率为关键生物因子。黑色箭头表示正效应，红色箭头表示负效应；实线表示显著路径，虚线表示不显著路径；箭头宽度代表效应强度，数字为标准化路径系数。

上述研究以“Plant elemental diversity increases ecosystem productivity and temporal stability”为题，发表于生态学领域旗舰期刊 Ecological Monographs。何念鹏团队已毕业博士生闫镤为论文第一作者，何念鹏教授为论文通讯作者。论文合作者来自中国科学院地理科学与资源研究所、佐治亚理工学院、普林斯顿大学、加州大学洛杉矶分校以及西班牙生态研究与林业应用中心（CREAF）等国内外科研机构。论文受到中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划（YSBR-037）、国家重点研发计划项目（2022YFF080210102）和国家自然科学基金项目（32430067）等资助。

论文详情：Yan, P., N. He, K. Yu, L. Sack, L. Jiang, and M. Fernández-Martínez. 2026. Plant elemental diversity increases ecosystem productivity and temporal stability. Ecological Monographs 96: e70061.

网上链接：https://doi.org/https://doi.org/10.1002/ecm.70061