凋落物多样性及组成对凋落物分解和土壤微生物群落的影响

凋落物分解是生态系统营养物质循环的核心过程,而土壤微生物群落在凋落物分解过程中扮演着极其重要且不可替代的角色。随着生物多样性的丧失日益严峻,探讨凋落物多样性及组成对凋落物分解和土壤微生物群落的影响,不仅有助于了解凋落物分解的内在机制,而且可为退化草原生态系统的恢复提供参考。以内蒙古呼伦贝尔草原退化恢复群落中的草本植物为研究对象,依据植物多度、盖度、频度和物种的重要值及其在群落中的恢复程度筛选出排序前4的羊草(Leymus chinensis)、茵陈蒿(Artemisia capillaris)、麻花头(Serratula centauroides)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)的凋落物为实验材料,通过设置3种凋落物多样性水平(1,2,4),包括11种凋落物组合(单物种凋落物共4种,两物种凋落物混合共6种,四物种凋落物混合共1种),利用磷脂脂肪酸(PLFA)方法来研究分解60 d后凋落物多样性及组成对凋落物分解和土壤微生物群落的影响。结果表明:(1)凋落物物种多样性仅对C残余率具有显著影响,表现在两物种混合凋落物C残余率显著低于单物种凋落物,而凋落物组成对所观测的4个凋落物分解参数(质量、C、N残余率以及C/N)均具有显著影响;(2)凋落物物种多样性对细菌(B)含量具有显著影响,而凋落物组成对真菌(F)含量具有显著影响,两者对F/B以及微生物总量均无显著影响;(3)冗余分析结果表明凋落物组成与凋落物分解相关指标(凋落物质量、C、N残余率及C/N)和土壤微生物(真菌、细菌含量)的相关关系高于凋落物多样性。(4)进一步建立结构方程模型(Structural Equation Model,SEM)发现,凋落物初始C含量对凋落物质量、C、N残余率及C/N有显著正的直接影响;凋落物木质素含量对凋落物质量、C、N残余率有显著正的直接影响;凋落物初始N含量对N残余率有显著正的直接影响,而对C残余率及C/N有显著负的直接影响;凋落物初始C/N对凋落物质量、N残余率有显著正的直接影响,而对C/N有显著负的直接影响。此外,凋落物初始C、N、木质素含量及C/N均对真菌含量具有显著正影响,并可通过真菌对凋落物质量分解产生显著负的间接影响。以上结果表明该退化恢复区域优势种凋落物分解以初始C、木质素为主导,主要通过土壤真菌影响凋落物的分解进程,这将减缓凋落物的分解速率进而减慢草原生态系统的进程。这些结果为凋落物多样性及组成对自身分解和土壤微生物群落的影响提供了实验依据,也为进一步分析凋落物分解内在机制以及草原生态系统的恢复提供了数据参考。

凋落物多样性及组成对凋落物分解及土壤微生物群落的影响--二氧化碳倍增条件下

受全球变化的影响生物多样性的丧失日益严重,及时了解凋落物物种多样性及其组成如何直接或者通过调节微生物群落来间接影响凋落物分解已经成为生态学领域的热点问题之一。在呼伦贝尔典型草原区,羊草(Leymus chinensis)为原生群落建群种,茵陈蒿(Artemisia capillaris)、麻花头(Serratula centauroides)、二裂委陵菜(Potentilla bifurca)在退化及恢复群落中的多度均较大,本研究以此4种植物的凋落物为研究对象,在两倍于当前大气CO2浓度(800μmol/mol)条件下,通过嵌套实验设计来研究凋落物多样性(凋落物组成)对凋落物质量、C、N残余率和残余C/N的影响,并深入分析凋落物初始性质以及土壤革兰氏阳性菌(G+)、革兰氏阴性菌(G-)、细菌(B)、真菌(F)及土壤总微生物磷脂脂肪酸(Phospholipid Fatty Acid,PLFA)含量和F/B对凋落物分解的影响。结果表明:(1)凋落物多样性及组成对凋落物质量、C、N残余率以及残余C/N均具有显著影响;凋落物组成对G+PLFAs含量具有显著影响;(2)冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)结果表明凋落物组成对凋落物分解和土壤微生物群落相关指标的影响高于凋落物多样性;(3)结构方程模型(Structural Equation Model,SEM)结果表明凋落物初始木质素含量和初始C/N均对凋落物分解具有显著影响,其中凋落物初始木质素含量起主导作用,其还可通过对土壤真菌PLFAs含量的影响来间接影响凋落物N残余率和残余C/N。所得结果可为大气CO2浓度升高条件下退化草原生态系统的物质循环特征的预测乃至草原生态系统功能的合理评估提供数据支持。

不同邻居物种的基因型多样性对冷蒿生长的影响

植物物种多样性与基因型多样性对群落的结构和功能具有重要的生态作用,近年来植物基因型多样性对植物间相互作用的影响已成为研究者关心的重要科学问题。实验选择退化草原优势种冷蒿(Artemisia frigida)为目标植物,稳定群落建群种羊草(Leymus chinensis)和群落伴生种洽草(Koeleria cristata)为邻居植物,来研究基因型多样性不同的邻居植物对冷蒿生长表现(株高、地上生物量、地下生物量和总生物量)的影响,并通过测量植物相对竞争强度及邻居植物性状变异来进一步探究邻居植物基因型多样性对目标植物影响的内在机制。结果表明:(1)邻居物种为羊草时,基因型多样性对冷蒿的生长表现影响显著,当邻居为6基因型时,冷蒿的株高、地上生物量以及总生物量显著低于单基因型和3基因型时的表现(P<0.05),且相对竞争强度高于其他两种处理;而邻居物种为洽草时,基因型多样性对冷蒿所有观测指标以及相对竞争强度的影响均不显著(P>0.05)。(2)利用主成分分析法来分析基因型多样性对自身性状变异的影响发现,邻居物种为羊草时,基因型多样性对性状变异响应显著,主要表现为3基因型时,羊草种群的株高、总生物量、地上生物量显著高于单基因型时的表现(P<0.05);而邻居物种为洽草时,基因型多样性对性状变异影响不显著(P>0.05)。(3)邻居物种为羊草时,羊草总生物量和比叶面积与冷蒿的地上生物量和总生物量呈显著负相关(P<0.05);邻居物种为洽草时,洽草各性状与冷蒿性状间无显著相关性(P>0.05)。实验结果揭示,基因型多样性对目标植物生长的效应受邻居植物种类的影响,稳定群落建群种羊草高基因型组合能显著抑制冷蒿的生长,这可能与羊草高基因型多样性种群性状变异大且对冷蒿有较高的相对竞争强度有关。所得结果为建群种基因型多样性影响种间相互作用提供了实验证据,为草原的合理利用和保护提供了理论指导。

内蒙古典型草原区四种主要物种的植物-土壤反馈作用

植物-土壤反馈对解释群落组成变化和预测群落动态具有重要意义,是群落生态学与恢复生态学研究的热点领域。本研究以内蒙古典型草原区4种主要物种羊草(Leymus chinensis)、大针茅(Stipa grandis)、克氏针茅(Stipa krylovii)和冰草(Agropyron cristatum)为研究对象,采用植物-土壤反馈研究的两阶段法进行盆栽实验,研究了单种种植植物对土壤的影响(所得土壤用S-植物种拉丁名首字母表示,分别为S-Lc、S-Sg、S-Sk、S-Ac),以及这些受影响土壤对后续种植植物个体水平和群落水平的植物-土壤反馈作用。结果表明:(1)4种植物单种后对土壤C∶N、速效磷含量以及p H值3个指标具有显著影响(P<0.05);(2)个体水平的植物-土壤反馈具有物种特异性,羊草和冰草的分蘖数、株高、地上部生物量、地下部生物量以及总生物量5个观测指标的最高值均出现在S-Sk;克氏针茅5个观测指标的最高值出现在S-Lc;大针茅分蘖数和株高的最高值出现在S-Ac,而生物量的最高值出现在SLc;(3)大针茅和克氏针茅的反馈效应值(FV)显著小于0,表现为负反馈;冰草表现为中性反馈;羊草表现为中性至弱正反馈;(4)4种物种两两间净配对反馈值(I)均为负值,且克氏针茅-羊草以及克氏针茅-冰草间反馈值显著小于0,表明这些物种两两间能稳定共存。这些结果为内蒙古草原区植物群落组成变化对地下部土壤、后续植物的生长状况以及主要物种种间关系的影响的预测提供了实验数据。