沙区生物土壤结皮对植物种入侵的影响

In comparison with other land ecosystems such as tropic forst etc, the risk of biological invasion is relative small in arid and semiarid sandland ecosystems. Except of restriction by regional climatic and harsh environmental conditions, wether the bological composition and structure of these ecosystems are also restricted factors? Futher, which biological factor played more significant role in the restriction and limition for establishment and survival of exotic plants ? As an ecosystem engineer that linked the abotic and biotic factors, biological soil crust(BSC) is an important composition and vital cover,which occupies more than 40 % of the terrestrial surface. We hypothesis that the effects of different types BSC on exotic plants establishment and survival via changing the physical,chemical and biological properties of sand topsoil.This project takes BSC which development in different arid and semiarid desert as the research objects,though field investigation and control test to simulate and verify the influence of BSC on plants establishment and seedling survival which distributed zonely in sand area that is adjacent to the desert steppe; taking topsoil properties changing by BSC as a correspond point, investigate the effects and mechanisms of BSC on exotic plants, and then illustration importantly scientific significance of BSC for maintaining desert ecosystem health from prevent biological invasion viewing.

相对于其它生物气候带的陆地生态系统如热带雨林等，干旱半干旱区沙地生态系统受生物入侵的风险较小。其原因除了区域气候和生境条件限制了外来物种的入侵外，是否与整个沙地生态系统的生物组成和结构有关？是哪些生物组成在限制或抑制外来植物定居和生存中发挥着重要的作用？生物土壤结皮(BSC)作为联系非生物与生物因素之间的"生态系统工程师"，是沙地生态系统重要的组成和地表的生物覆盖体，其盖度达到生物活体覆盖的40%以上。本项目假设不同类型BSC的存在通过改变了沙地表土层理化和生物属性来影响了外来植物的定居和生存，并对影响机制提出3个假说。我们以不同沙地发育的BSC为研究对象，通过野外调查和控制试验，以BSC对土壤属性的改变为切入点，实验模拟和验证BSC对相临草原区地带性分布植物种定居和存活的影响，探其对外来植物的影响机理。从防止生物入侵的视角阐明BSC的存在对维护沙地生态健康的重要科学意义。

干旱区生态系统具较低抗干扰能力，一旦被外来物种成功入侵，将会遭受严重破坏。作为干旱区“生态系统工程师”的生物土壤结皮(BSC)能否起到阻止植物入侵的作用？本课题以包兰铁路以北人工固沙植被区BSC为研究对象，选择邻近荒漠草原区地带性优势物种驼绒藜(Ceratoides lateens)与沙生针茅(Stipa glareosa)以及归化物种狗尾草(Setaris viridis)作为研究区潜在外来植物种，通过野外调查、室内模拟及野外控制的方法，对BSC通过改变沙地表土层理化和生物属性来影响外来植物的定居和生存的机理进行了初步研究。结果表明：1) 相对于干扰BSC，完整藓类、地衣和蓝藻结皮对三种植物种子萌发具有显著的抑制作用(P<0.001)；2) 三种植物生物量及植株高度随着BSC的发育以及土壤养分和水分条件的改善而显著增加(P<0.05)，说明BSC对外来种植物幼苗的生长具有一定的促进作用；3) 在种子萌发期，完整藓类、地衣、藻类结皮上死亡率均大于流沙(P<0.05)，是因为完整BSC阻碍了种子萌发的幼根穿透结皮；外来植物生长后期水分胁迫加强。干扰藓类、地衣、藻类结皮的死亡率显著高于流沙(P<0.001)，说明 BSC为保持自身对水分的需求与外来植物间产生水分竞争，导致部分植株在生长后期缺水死亡；4) 通过野外控制实验，证实了室内实验的研究结果，外来植物在完整结皮上的种子萌发受到抑制(P<0.05)。本地物种的多样性增加，降低了外来植物水分与养分可利用量，从而限制了外来植物的生长，无竞争条件下外来植物高度显著高于有竞争条件(P<0.05)。总体而言，BSC的存在对外来植物的定居过程既有抑制又有促进作用，将其种群数量保持在一个相对较低的水平，使外来植物不会因种群快速增长对本地生态系统产生威胁，同时也增加了生态系统的生物多样性，对人工固沙植被系统的健康和稳定性起到保护作用。本项目所取得的上述研究数据和结果，揭示了BSC对植物种入侵的影响，并从防止生物入侵的视角阐明BSC的存在对维护沙地对维护沙地生态健康的重要意义，为全面认知BSC在沙地生态系统中的功能和地位提供了基础科学依据。