海螺沟冰川退缩区植被原生演替过程中内生固氮植物的驱动作用研究

The establishment of vegetation begins with primary succession. Pioneer plant species provide foundation for later species to develop. With the requirement for nitrogen (N), it is necessary that these pioneers have the capacity to support biological N2-fixation. Using primary successional gradient in foreland of Hailuogou glacier, southwestern China, in the proposed project we will evaluate the functional role of endophytic N2 fixing plants in promoting primary succession and in facilitating plant community development following glacial retreat. Our specific aims are to 1) Determine the functional capacity for N2-fixation of plants in primary substrates through assessing N2-fixation activity; 2) Determine the phylogenetic and genetic diversity of the N2-fixing microbes within tissues of representative plants exhibiting N2-fixation activity; 3) Test how does N fixed by endophytic N2-fixing plants be transported to soil substrates; and to 4) Test how these endophytic N2-fixing pioneer plant species facilitating the development and succession of ecosystems following glacial retreat. Results of the proposed project may expand our knowledge on the critical roles of endophytic N2-fixing plants in vegetation establishment, improve our understanding on how primary vegetation succession develops in the glacier retreated area, and will be helpful in promoting the vegetation restoration.

植被原生演替是植被恢复和重建的理论基础，也是生态学的重要内容。本研究拟以青藏高原东缘的贡嘎山海螺沟冰川退缩区为研究对象，分析冰川退缩区植被原生演替早期植物内生固氮作用及其对演替早期阶段生态系统氮养分输入的贡献，从内生固氮的角度阐释传统“非固氮植物”在冰川退缩区贫营养环境中快速定居的机制；利用分子生物学和生物信息学手段，分析典型内生固氮植物体内内生固氮微生物的遗传和物种多样性及关键固氮基因的表达情况，探讨植被原生演替早期内生固氮植物的固氮机理；利用同位素示踪和物种竞争试验，分析内生固氮植物对土壤质量演变的影响、以及内生固氮植物-根瘤固氮植物-后来种之间的互馈关系。通过内生固氮微生物-内生固氮植物-植被演替过程三个水平的整合，探讨内生固氮植物对冰川退缩区土壤和植被原生演替过程的驱动作用和机制，以丰富生态系统植被原生演替理论，为探索不同条件下顺应自然规律的植被恢复技术提供理论和技术支持。

植被原生演替是植被恢复和重建的理论基础，也是生态学的重要内容。本研究以青藏高原东缘的贡嘎山海螺沟冰川退缩区为研究对象，分析了冰川退缩区植被原生演替早期植物内生固氮作用，对比了内生和根瘤固氮对演替早期阶段生态系统氮养分输入的贡献，并从内生固氮的角度阐释了传统“非固氮植物”在冰川退缩区贫营养环境中快速定居的机制；利用分子生物学和生物信息学手段，分析了内生固氮植物体内固氮微生物的遗传和物种多样性情况，探讨植被原生演替早期内生固氮植物的固氮机理；在此基础上分析了内生固氮植物对土壤质量演变及生态系统养分及元素化学计量特征等的影响、以及不同类群物种间的作用差异。主要研究成果：1) 证实了冰川退缩区植被原生演替早期非根瘤先锋植物的内生固氮能力，发现非根瘤先锋植物内生固氮能力大小取决于植物物种和组织类型，植物叶片固氮酶活性整体上高于枝和根，同时冬瓜杨、川滇柳与银背柳相比具有较高的固氮酶活性；2) 对比了根瘤和内生固氮植物固氮速率及对生态系统氮养分输入的贡献，发现根瘤植物固氮速率远高于内生固氮植物，但内生固氮植物由于叶、枝、根不同组织均能发挥作用，其在植被演替不同阶段对生态系统氮输入的贡献可以达到0.3-51.5%；3) 发现内生固氮植物叶、枝、根组织内部均存在大量固氮微生物，揭示了内生固氮植物生物固氮机制，但具体种群结构取决于植物物种和组织类型；4) 阐明了根瘤和非根瘤不同类型先锋植物对冰川退缩区土壤演化的差异性作用，发现豆科根瘤植物黄芪和内生固氮植物川滇柳更有利于土壤速效氮、速效磷磷养分的累积；5) 揭示了根瘤和内生固氮植物对植被养分组成的差异性影响，土壤和植被元素含量主要受到包括内生固氮先锋植物在内的非根瘤植物的调节，但根瘤固氮植物生物量与植被叶片碳氮含量存在正相关关系。本项目的研究成果丰富了生态系统植被原生演替理论，为探索不同条件下顺应自然规律的植被恢复技术提供理论和技术支持。