青藏高原高寒草甸植物—土壤反馈及其对氮添加和增温的响应

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植物-土壤反馈(Plant-soil feedback,PSF)是指植物通过凋落物以及根系分泌物改变土壤的理化性质和生物群落,而土壤的改变又作用于植物生长的过程。PSF对于植物物种多样性的维持,物种相对丰度格局的形成,以及群落的动态变化具有重要意义。但是种内和种间PSF中土壤生物(包括共生生物、天敌)过程和其他过程(养分、次生代谢物)的相对重要性,以及植物功能群(禾状草、杂类草)、物种优势度和亲缘关系对种间PSF的影响仍不明确。此外环境变化是否会对PSF产生影响,以及环境改变导致的植物群落组成的变化是否与PSF的变化有关尚有待研究。青藏高原东部的高寒草甸作为高寒生态系统物种多样性和遗传多样性最高的地区之一,其在全球高寒生物多样性保护中占有十分重要的地位。同时,青藏高原也是对全球变化影响最敏感的地区之一,其生态系统脆弱,易受气候和环境变化的影响。本论文探究了,高寒草甸植物群落与土壤之间的相互作用会如何影响植物的表现及其之间相互作用;特别是在全球变化因子(如,氮富集、增温等)的影响下,PSF的改变会如何影响植物群落的组成。本论文分别从以下两个方面展开研究。首先,通过第一个温室盆栽实验,探究青藏高原高寒草甸16个植物物种分别在接种土壤生物土壤和灭菌土壤处理中的种内(Conspecific)和种间(Heterospecific)PSF。其次,通过第二个盆栽实验,探究在氮添加和增温以及其交互作用下,土壤生物对11个植物物种生长的净效应,即绝对PSF。并分析植物物种、功能群、优势度和亲缘关系对种内、种间以及绝对PSF的影响。最后,借助一个具有氮添加和增温处理的野外实验,调查这11个物种在各处理下的相对丰度,探究氮添加和增温造成的植物物种PSF的改变与物种丰度变化的相关性。全文主要结果如下:1)土壤生物的存在普遍抑制了植物生长,且在种内PSF中的抑制作用强于种间PSF。与禾状草相比,杂类草受到同种和同功能群植株驯化的土壤生物的负反馈更强。2)在科水平,亲缘关系越近的物种之间负反馈越强。但物种间对土壤生物响应的强度的差异与物种之间的亲缘关系无关。3)物种的相对丰度与植物和土壤生物之间的绝对PSF负相关(R2=0.25,p=0.065),即优势种受到更强的负反馈。这主要由于优势种受到较强的种内土壤生物的抑制作用。但是在氮添加和增温处理下未发现物种相对丰度和PSF之间有显著的相关性。4)氮添加降低了大多数物种的负反馈;增温对PSF的影响则因物种而异;氮添加只在与增温交互的情况下减弱杂类草的负反馈,而只在未增温处理下减弱禾状草的负反馈。此外,氮添加和增温引起的物种相对丰度的变化与相应实验处理下的PSF的改变之间正相关(氮添加影响下,R2=0.41,p=0.006;增温影响下,R2=0.33,p=0.016)。本研究表明土壤生物和植物之间的相互作用很可能促进了高寒草甸植物物种的共存。这首先体现在优势物种受到土壤生物负效应的抑制作用更强,因此有利于其他优势度相对较低的物种生存。其次,同种植株间的负反馈强于物种之间,杂类草也受到同功能群物种更强的负反馈,因此更利于物种间和功能群间的共存。本研究发现全球变化因子引起的植物-土壤反馈的改变在预测植物相对丰度变化中起到了重要作用。本研究同时强调了在全球变化的背景下,将植物与土壤生物之间的相互作用整合到植物群落构建模型中的必要性。
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