植物-土壤反馈作用对黄土丘陵区撂荒演替的驱动机制

Plant–soil feedbacks (PSFs) are plant-induced changes in biotic and abiotic soil properties that in turn influence the performance such as physiological processes of plant growth and nutrient allocation of the same or other plant species, which might further influence vegetation succession and ecosystem processes. However the mechanism of PSF on vegetation succession is not very clear attributing to the limitations of theory and research approach. In this study, plant-soil-microbial system of typical herbaceous community and the associated of the typical herbs on the succession of abandoned arable land in the Loess Hilly Region are selected. Field and pot experiment will be conducted to elaborate the following aims: (1) the soil legacy effects of PSF vegetation characteristics (plant community characteristics, accumulation and distribution of nutrients and carbohydrates, and root exudates composition) under on different succession stage; (2) response of soil microbial community function and structure, and soil properties to PSF under on different succession stage; (3) synergistic mechanism and effects of plant, soil and microorganisms on PSF; (4) driving mechanism, trend analysis and ecological interpretation of vegetation succession by PSF. This study will be useful for elaborating the intrinsic driving mechanism of regional vegetation succession, and illustrating the effects of PSF on the succession of vegetation. We hope to develop an approach to promote the restoration of vegetation in practice which is derived from the theory of PSF and provide a scientific basis for functional restoration and stabilization of regional ecosystem.

植被-土壤反馈作用（PSF）通过植物诱导土壤生物和非生物因子变化，从而对自身或其它物种的生长特性产生影响，进而影响植被演替和生态系统过程。受理论和研究方法的限制，目前关于PSF对植被演替的作用机制尚不明确。鉴于此，研究以黄土丘陵区撂荒演替过程中典型草本群落优势种和伴生种的植物-土壤-微生物系统为研究对象，结合野外原位与室内盆栽实验，重点研究：1）不同演替阶段PSF中土壤残留效应对植被特征（群落特征、养分和碳水化合物积累与分配、根系分泌物组成）的影响；2）不同演替阶段土壤性质与微生物结构功能对PSF的响应过程；3）PSF中植物、土壤和微生物的协同作用机制与效应分析；4）PSF对植被演替的驱动机制、趋势分析及其生态学解释。期望在理论上揭示区域植被演替的驱动机制，阐明PSF对植被演替的影响机理；在实践上提出基于PSF理论促进植被恢复进程的人为调控途径，为区域生态系统的功能恢复与稳定提供科学依据。

针对植物-土壤反馈作用驱动撂荒演替的机制，以黄土丘陵区撂荒地植被演替中典型草本群落优势种和伴生种为研究对象，深入剖析植物-土壤反馈作用对演替的驱动作用，明确非生物和生物以及主要关键微生物类群的生态功能。研究发现：①植物-土壤反馈作用中微生物效应明显。灭菌处理显著降低土壤微生物量、酶活性和植物的生长状况，灭菌后植物-土壤反馈作用仍然发生，主要表现为早期灭菌土壤中的植物生物量整体高于中期和后期灭菌土壤。②植物-土壤反馈作用和土壤残留效应在不同演替阶段差异显著。在演替序列上，早期、中期和后期物种的植物-土壤反馈作用分别为正、负和正。前一演替阶段物种（早期物种）产生的土壤残留效应促进临近阶段（中期物种）植物的生长，而抑制隔代（后期物种）植物的生长，而后期物种产生的土壤残留效应抑制了早期和中期物种的生长。③植物-土壤反馈作用的强度和稳定性在不同的物种间存在较大的差异，表现为随生长周期的增加，伴生种和早期物种的植物-土壤反馈作用均为负，中期物种为中性，而后期物种由正转为负。早期和后期物种的植物-土壤反馈作用具有较弱的稳定性，而中期物种具有较强的稳定性。④在植物-土壤反馈过程中，随植物生长周期植物从受氮限制转变为受磷限制，而土壤微生物受氮和磷的共同限制。⑤不同演替阶段植物对其它阶段植物调节土壤细菌群落的反馈作用以正反馈为主，而不同演替阶段植物对土壤真菌群落并无一致影响，表现出更大的变异性。不同演替阶段细菌网络结构之间的差异较大性，而真菌网络结构结构差异相对较小；网络共现分析表明，当考虑真菌和细菌网络的复杂性和连通性差异时，演替早期或中期物种也许可以直接被演替中期或后期物种所取代。上述结果表明早期物种和伴生种的负植物-土壤反馈作用很好的解释了物种在群落中的优势是暂时的，终将被演替序列上后期物种取代。而后期物种的正的反馈作用很好的解释了处于撂荒演替顶级物种的竞争优势。