植物——土壤反馈研究进展

该文综述了植物—土壤反馈研究的定义、途经、方法和国内外的研究现状以及存在的问题。植物—土壤反馈是指植物改变根际土壤的生物和非生物特征,同时被改变的也能提高或降低该植物的生长,形成正的或负的反馈,从而影响植物群落组成及植物间相互作用。植物—土壤反馈研究对于理解植物群落演替、生态系统多样性与生产力形成与维持机制,认识生态系统对气候变化和生物入侵等全球生态事件的响应具有重要的理论意义。外来物种快速生长和繁殖及其可能的负反馈可能会导致本地种被竞争排除,未来气候变化可能导致物种组成发生变化及生物多样性丢失,但资源互补和植物—土壤反馈效应则可能使植物群落具有较高的生产力和多样性。因此,未来植物—土壤反馈关系应该加强以下几方面研究:(1)开展不同生态系统植物—土壤反馈关系的比较研究;(2)植物—土壤及土壤—植物等群落水平的反馈研究;(3)特别是要加强分子和基因工具在植物土壤—反馈关系中的应用,揭示植物—土壤反馈关系的分子机理。     

细根与根系总质量比的相似性导致了共存的本土植物和入侵植物之间植物-土壤反馈的对比

三维土壤异质性对种子萌发影响的实验研究 土壤生物通过植物-土壤的反馈作用调控植物间相互作用和外来植物入侵。因此,探明植物-土壤反馈作用种间差异的形成原因,对于预测土壤生物在植物入侵过程中的作用具有重要价值。近期的研究发现,植物性状可以用于预测植物-土壤反馈作用。同时,研究发现植物入侵也与植物的一些性状相关联,暗示植物-土壤反馈作用通过植物性状与外来植物入侵之间存在关联,但尚缺乏实验证明。鉴于此,本研究选取了3对近缘入侵和本土植物为对象,比较了其植物-土壤反馈作用,探讨了植物-土壤反馈作用与植物根部性状的关联性。首先,通过种植实验植物3个月,驯化采自于田间的土壤。之后,将实验植物种植于对照和灭菌处理的同种或近缘(同科或同属)种驯化过的土壤中,评价同种或近缘种根际土壤生物对植物生长的净反馈作用(与灭菌土比较),并比较了两类土壤生物对植物的反馈作用。总体而言,同种或近缘种根际土壤生物对入侵与本土植物的净反馈作用无显著差异,两类土壤生物对入侵和本土植物的反馈作用亦无显著差异。土壤反馈作用的强度和种植于对照土壤中植物细根生物量比存在正相关关系,且入侵与本土植物细根生物量比无显著差异。这一发现表明：相似的细根生物量比可能是导致入侵与本土植物间土壤反馈作用无差异的一个重要原因。为提升人们对土壤生物在植物入侵过程中 作用的认识,亟需选取更多入侵与本土植物(尤其是亲缘关系较远的物种)开展实验研究,进一步探明植物性状、土壤反馈作用和外来植物入侵之间的关联性。     

青藏高原东缘海螺沟冰川退缩区植被原生演替的氮磷动态

在青藏高原东缘海螺沟冰川退缩区植被原生演替序列的典型地段依次设置7个采样点(冰川退缩0、10、30、40、50、80和127年),测定各演替阶段表层土壤与植被各层氮(N)、磷(P)含量及生态系统生物量,分析不同演替阶段N、P养分的积累与循环特征。结果表明:乔木层叶、枝、根的N、P含量随演替下降,而干的N、P含量在演替末期较高,凋落物与土壤O层N、P含量的变化趋势与乔木层叶和枝一致。生态系统的N、P贮量均随演替逐渐增加,演替初期生态系统N的积累主要依靠植被层,演替末期尤其是植被层形成顶极群落以后,土壤成为生态系统中最主要的N库;植被层的P贮量在冰川退缩后的80年样地超过了表层土壤。生态系统N、P养分的积累速率在演替中期较快,且表现为表层土壤＞乔木层＞林下植被层;演替中期阔叶林阶段N、P养分的循环系数高于演替末期的针叶林阶段,而利用效率则低于针叶林阶段。可见,针叶树种养分循环低但利用率高的机制有利于同其他物种竞争,从而最终形成顶极群落。     

贡嘎山峨眉冷杉树干呼吸空间特征及其对温度的响应

采用红外线气体分析仪-土壤呼吸气室水平测定法(HOSC)原位监测了贡嘎山东坡峨眉冷杉(Abies fabri)树干CO_2释放速率(E_s),分析了树干E_s与树干温度(T_(stem))的关系。贡嘎山峨眉冷杉树干E_s和T_(stem)空间变化格局明显,不同测定高度树干温度为0.3m1.3m2.3m,以1.3m处E_s最大;不同方向E_s和T_(stem)均表现为南面北面。生长季和非生长季的峨眉冷杉E_s分别在0.51—0.99μmol m~(-2)s~(-1)和0.14—0.22μmol m~(-2)s~(-1)之间波动。峨眉冷杉树E_s变化趋势和T_(stem)一致,二者具有显著的指数函数关系(P0.01)。峨眉冷杉非生长季树干呼吸Q_(10)显著高于生长季(P0.01),其中生长季变幅在1.9—3.0之间,非生长季在4.6—6.8之间,暗示个体或群落水平树干CO_2释放通量的估算应充分考虑树干E_s空间特征和Q_(10)变化。     

海岛植物不同演替阶段植物功能性状与环境因子的变化规律

植物功能性状与环境之间的关系是功能性状研究的重点,环境因子驱使植物功能性状发生变化,进而推动群落发生演替。以平潭岛4个不同演替阶段的森林植被(灌草丛、针叶林、针阔混交林、常绿阔叶林)为研究对象,结合不同群落演替阶段的物种特征和群落结构,分析海岛不同演替阶段茎、叶功能性状的变化规律,以及功能性状与环境因子的关系。结果表明:(1)随着演替的进行,土壤养分和水分逐渐增加,土壤pH逐渐下降。比叶面积(SLA)、叶片氮含量(LNC)、叶片磷含量(LPC)、茎氮含量(SNC)、茎磷含量(SPC)下降后上升,叶厚度(LT)、叶片碳含量(LCC)、茎碳含量(SCC)与之相反,叶干物质含量(LDMC)、茎组织密度(STD)逐渐上升。(2)冗余分析表明,演替早期植物主要分布在土壤pH、容重高的贫瘠环境,拥有较高SLA、SNC、SPC、LPC的性状组合;演替后期植物主要分布在土壤养分和水分高的肥沃环境,拥有较高的STD、LDMC、LCC、LNC的性状组合。其中,土壤有机质和全氮含量是影响海岛植物演替过程中功能性状变化的关键环境因子。研究海岛植物功能性状与环境之间的关系随演替的变化规律,探讨各演替阶段功能性状和环境特征,以及功能性状如何响应环境变化。旨在为今后选择合适的树种进行海岛植被修复和重建提供依据。     

贡嘎山雅家埂峨眉冷杉林线种群的时空动态

通过对贡嘎山雅家埂峨眉冷杉种群林线附近6个3000 m2样地(阴阳坡各3个)中峨眉冷杉(Abies fabri Craib)种群的定位调查,分析了过去100a间该区峨眉冷杉种群的时间-空间动态。结果表明:1)雅家埂林线附近峨眉冷杉种群密度在过去100 a(主要是近50 a)有显著的升高,但树线的海拔位置并无明显的爬升;2)阴阳坡林线格局存在显著的坡向分异:阴坡林线和树线的海拔高度显著高于阳坡(分别比阳坡高152.5 m和135.8 m),阳坡林线附近峨眉冷杉早期的生长速率在大于阴坡,但后期的生长速率却低于阴坡;3)热量(温度)控制假说不能完全解释雅家埂目前的树线格局,除气候因素之外,其它因素也限制了雅家梗地区树线位置的变化。     

群落生态学中的植物-土壤反馈研究

植物-土壤反馈是指植物改变了其生长环境中土壤的生物和非生物属性,改变后的土壤进而影响植物适合度的过程。植物-土壤反馈的一个根本前提是:植物在根际周围产生由专化病原菌和共生菌构成的特异性微生物群落,专化微生物对宿主植物种群有很大的影响,对非宿主植物没有或者有微弱影响。自从20世纪90年代被明确提出后,植物-土壤反馈被广泛用于揭示不同尺度的生态学过程,诸如演替、竞争、生物入侵、全球变化对生态系统的影响等。近年来,植物-土壤反馈与群落生态学主要研究领域之间的整合取得了实质性进展。该文主要关注的是土壤微生物介导的植物-土壤反馈及其对植物物种共存、群落结构和生态系统功能的影响。土壤微生物不仅可以产生稳定化力量促进物种共存,也可以改变均一化力量或者种间适合度差异,从而影响植物种间共存。在群落生态学中通常假设稀有种受土壤负反馈的影响更弱,从而预测植物局域丰富度与土壤反馈强度具有负相关关系。然而实验证据却揭示了不同的模式,加强对植物与土壤病原菌之间的进化动态的关注是调和这些不一致模式的关键。土壤微生物也是驱动植物群落演替的关键因子。土壤微生物通过稀释效应影响植物多样性-群落生产力关系。专化土壤病原菌或...     

植物养分捕获策略随成土年龄的变化及生态学意义

自然成土过程中土壤养分的变化与植被原生演替常同时发生。随成土年龄变化的植物养分捕获策略(NASs)对植物竞争能力和演替过程具有重要影响。该文将植物NASs划分为细根、微生物、特殊根系、食虫和寄生策略等5个类型; 发现植物NASs的多样性随成土年龄的增加呈哑铃型变化模式; 特殊根系策略对植物捕获养分的作用在成土中期最小、后期最大, 细根和微生物策略的作用随成土年龄的增加逐渐降低; 分析了成土过程中NASs对植物种间关系影响的变化, 发现NASs对成土早期植物的促进作用和中期的竞争关系具有重要影响, 而成土后期多样和互补的NASs对植被群落的稳定共存及多样性的形成具有影响; 提出应进一步探究成土过程中土壤养分与植物NASs变化之间的定量关系, 开展更多研究以阐明NASs对植被原生演替、物种多样性形成和成土过程的贡献与机理。     

植物-土壤反馈与草地群落演替:菌根真菌和土壤病原菌的调控作用

由植物引起的根际土壤生物或非生物环境的改变能够反馈影响群落中不同植物的生长,直接改变共存植物的相对竞争关系,推动群落结构的动态变化。作为土壤生物群落的重要组成部分,土壤微生物在植物-土壤反馈关系中起到重要的调控作用,对解释植物群落的演替进程和方向有着重要的意义。在草地植物群落演替的早期阶段和外来物种入侵的过程中,宿主植物对丛枝菌根真菌（AMF）的依赖性较低,受本地病原菌的影响较小,一般不存在负反馈。在演替后期,植物对AMF更具依赖性,而积累的病原菌则产生较强的负反馈效应,从而促进群落物种共存和植物多样性,提高草地生产力和稳定性。研究微生物-植物反馈机制不仅有助于完善草地退化与恢复理论,还对退化草地恢复治理的实践有着指导意义。未来关于根际微生物-植物反馈在草地群落演替中的作用应该加强以下几方面的研究：（1）在实验方法上,开展专性微生物-植物反馈研究;（2）在测定指标上,进一步量化不同微生物在反馈关系中的功能差异;（3）在研究对象上,加强土壤微生物在植物群落水平的反馈研究;（4）在应用上,明晰植物-土壤反馈在退化草地恢复过程中的作用,指导草地管理实践。     

植物-土壤反馈理论及其在自然和农田生态系统中的应用研究进展

植物-土壤反馈理论最早源于农业生产,近年来已成为生态学上研究植被动态变化、群落组成和功能,以及生态系统响应人为干扰、气候变化等众多热点问题的重要理论和方法支撑。总结了植物-土壤反馈定义和类型,分析了反馈机制,在此基础上综述了该理论在自然生态系统中的应用,包括物种入侵、群落演替、植物共存及多样性形成、植物多样性-生产力关系、多营养级交互作用以及响应气候变化等关键生态学命题。探讨了植物-土壤反馈理论在农田生态系统中的应用,介绍了该理论在提高多样化种植体系生产力、土壤污染修复、种植体系设计等方面的进展和潜在应用价值。提出了植物-土壤反馈理论在未来发展中进一步研究的方向,对应用该理论提高生态系统服务功能,促进可持续发展等方面进行了展望。     

贡嘎山暗针叶林不同林型的优势木生长动态

 根据贡嘎山16块样地的调查资料,运用逻辑斯谛模型探讨了暗针叶林不同林型优势木生长动态。建立了峨眉冷杉(Abies fabri)、麦吊杉(Picea brachytyla)和鳞皮冷杉(Abies squamata)的高、径和材积生长的逻辑斯谛模型。研究结果表明,3种林分优势木的高、径和材积的速生期和速生点都不相同,林线附近的峨眉冷杉高、径和材积的速生期最短,麦吊杉高和材积的速生期最长,鳞皮冷杉基径的速生期最长;林分优势木的生长动态和森林更新关系密切,各优势木的生长指标表明各自立地生态条件差异很大。     

崇明东滩湿地植被演替过程中生物量与氮含量的时空变化

研究了长江口东滩潮滩植物群落各演替阶段优势种的生物量与氮含量的季节变化以及演替过程中的空间变化格局。结果表明,潮滩植被生物量在生长季内随时间呈增长趋势,氮含量则在植被生长初期最大,生长末期最小。在演替过程中,植被总体生物量变化趋势为:演替中期>演替后期>演替早期。植物单位氮含量的变化是:地下部分氮含量随演替呈降低趋势,地上部分氮含量从演替中期开始随演替呈增长趋势。每1 hm2湿地植被氮含量平均值变化趋势为:演替晚期>演替中期>演替早期。根据计算,崇明东滩鸟类自然保护区内芦苇地上部分蓄积的氮含量为227.5 t,互花米草地上部分蓄积的氮含量45.9 t,海三棱草体内蓄积的氮含量为68.2 t。     

长江上游峨眉冷杉林结构特征的研究

通过对长江上游贡嘎山不同演替阶段峨眉冷杉（Abies fabri）林的野外调查和对比分析,探讨了峨眉冷杉林的结构特征。结果表明,成熟峨眉冷杉林下有丰富的峨眉冷杉种源,小于20年的峨眉冷杉更新幼树幼苗数量少,但却为唯一的优势更新树种,在冬瓜杨、峨眉冷杉混交林中,冬瓜杨、桦木等树种在最初30年高生长非常迅速并能很快占据优势地位。峨眉冷杉是一耐荫性很强的树种,幼龄期生长缓慢,但将更替其它树种形成稳定群落。贡嘎山海拔2900－3400m地区大规模泥石流为100多年发生一次,在泥石流发生地,川滇柳、冬瓜杨、桦树等树种首先出现在迹地并占据优势,在自然条件下恢复峨眉冷杉林将需要较长时间,可通过人为干预措施加以促进和调控。     

冰川消退带微生物群落演替及生物地球化学循环

冰川是生物圈重要组分之一。由于全球气候变化世界多地冰川加速消融,暴露原本被冰盖覆盖的区域,这些区域被称为冰川消退区域(glacier retreat area)或冰川前部区域(glacier foreland)。自暴露开始消退区随即发生初生演替,随着演替进行,物质循环逐步建立,生物量和土壤C、N总量逐步增加。生态系统C、N输入最初以矿化外来物为主,逐渐转变为以生物固C、固N为主。演替早期生态系统的发育主要受土壤C、N含量的限制,而演替后期的限制性营养物转变为P。演替区域土壤逐渐发育并促进生态位的分化,细菌、真菌、古菌,病毒及其他微生物群落的生物量和多样性不断增加直至达到该地区可承受的极值。随着生存条件的改善,不同生态策略物种的更替导致每个演替阶段微生物群落结构的差异。整体上,伴随演替进行微生物群落丰度、结构和活性呈现梯度性变化。气候变化对冰川消退带生态演替结果产生多方面的影响,而这些影响结果又综合反馈气候变化,因此目前难以准确估计气候变化对消退带生态演替的净效应。综述了近年冰川消退带微生物群落演替方面相关的研究结果,同时分别对该区域物质循环的建立、微生物群落演替和气候变化造成的影响这三个方面进行详细描述,并指出当前研究的不足。     

Heterogeneity in arbuscular mycorrhizal fungal communities may contribute to inconsistent plant-soil feedback in a Neotropical forest

Background and aims

Plant-soil feedback may vary across host species and environmental gradients. The relative importance of these biotic versus abiotic drivers of feedback will determine the stability of plant and microbial communities across environments. If plant hosts are the main driver of soil microbial communities, plant-soil feedback may be stable across changing environments. However, if microbial communities vary with environmental gradients, feedback may also vary, limiting its capacity to predict plant distributions.

Methods

We characterized arbuscular mycorrhizal (AM) fungi across tree plantations and a primary Neotropical rainforest. We then performed a plant-soil feedback pot experiment of AM fungi from these plantations on three plant species and related feedback and AM fungal communities in the field.

Results

In the field, temporal and spatial variation in AM fungal composition was similar in magnitude to variation across plant host species. Composition of AM fungi in the pot experiment significantly differed from the field plots. Furthermore, differential feedback was explained by shifts in AM fungal composition only for one plant host species (Hyeronima alchorneoides) in the pot experiment.

Conclusions

Natural AM fungal communities were temporally and spatially heterogeneous and AM fungal communities in the greenhouse did not reflect natural soils. These factors led to heterogeneous and unpredictable feedback responses, which suggests that applying greenhouse derived plant-soil feedback trends to predict plant coexistence in natural systems may be misleading.

     

Above- and belowground effects of plant-soil feedback from exotic Solidago canadensis on native Tanacetum vulgare

Plant-soil feedback responses for native and invasive plant species are well documented, but little is known about how feedback effects from the soil biota community affect plant interactions with herbivores. Here we examine whether changes of the soil biota community by the successful invader Solidago canadensis influence growth and herbivore susceptibility of two coexisting native plant species (Tanacetum vulgare, Melilotus albus). Root zone soil from two different habitat types (‘urban’ and ‘suburban’) was collected and used as inocula in a plant-soil feedback study. Each plant species was grown either in its own soil biota community or with the community with a history from the competitive invasive or native plant species. To identify potential drivers of responses to the different soil biota communities, we analyzed root colonization by arbuscular mycorrhizal fungi and dark-septate endophytes (DSE), and the community composition of soil inhabiting nematodes at the end of our experiment. Results show that S. canadensis and M. albus were not affected by soil history. In contrast, T. vulgare showed increased plant growth in ‘foreign’ soil derived from S. canadensis root zone compared with its ‘home’ soil suggesting a growth promotion by the soil biota community of S. canadensis. From the examined drivers, the abundance of DSE explained the growth response of T. vulgare to the S. canadensis soil biota community best. However, shoot herbivory by banded snails (Cepaea nemoralis, C. hortensis) was not affected by soil history, but by the habitat type where the soil inocula originated. Our study shows that a native plant species may profit from the presence of an invasive competitor mediated by changes in the soil biota community.     

Plant-soil feedbacks between invasive shrubs and native forest understory species lead to shifts in the abundance of mycorrhizal fungi

Aims

Non-native shrubs are important invaders of the Eastern Deciduous Forest, dramatically altering forest structure and functioning. Study of invasion mechanisms in this system has emphasized aboveground processes, and plant-soil feedbacks are relatively unexplored as a mechanism of shrub dominance. We tested whether plant-soil feedback in this habitat is affected by competition and whether arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are involved in plant-soil feedback.

Methods

We used a standard two-phase plant-soil feedback experiment run concurrently for each of three invasive shrub species, measuring feedback effects on AMF colonization, aboveground biomass, and the responses of native plant species in greenhouse mesocosms.

Results

Lonicera maackii and Ligustrum vulgare reduced AMF colonization of native roots, both with legacy effects (prior growth in soil) and direct effects (current growth in soil). Elaeagnus umbellata grown with natives left a legacy of increased AMF colonization of native communities.

Conclusions

Our results suggest that woody invasive species can alter the AMF associations of native plants even after the invasive is no longer present. Such consequences merit study with other native species and where environmental factors, such as light availability, might be expected to compound the effects of changes in AMF.