大气CO2浓度倍增时植物与土壤生物互作及其对瘤突苍耳入侵的影响

The effect of global change on invasions of introduced plant species is one of the hotspot in invasion ecology. However, related studies mostly focused on aboveground part of the ecological systems invaded, and little effort has been made to understand the effects of invasive plants on soil ecosystem especially soil biota under doubled atmospheric CO2 concentration and the feedback effects of altered soil biota on the introduced plants themselves. Here, we planed to compare the differences in the interactions between soil biota and plants from invasive (Xanthium strumarium) versus native (X. sibiricum and Bidens biternata) species under doubled atmospheric CO2 concentration. Xanthium strumarium is an annual forb native to south Canada, north America, Mexico, Australia, and Ukraine but a noxious invasive plant in north China. We aimed to study (1) the effects of elevated CO2 on components, contents and allelopathy of root exudates, and on the characteristics, decomposition rate and allelopathy of root and leaf litters in the three species; (2) the effects of the three species on soil nematode and microbe under atmospheric and doubled atmospheric CO2, and the relative role of root exudates, and root and leaf litters; (3) the feedback effects of altered soil biota on the three plants, and the relative role of soil nematode and microbe. The main purpose of this proposal is to explore the potential change in the invasion impact by X. strumarium and related mechanisms under elevated CO2 in terms of the interactions between aboveground plants and belowground soil biota. This study is important for understanding invasion mechanisms of introduced plants and the possible change in their invasion impacts under climate change in the future, and also for making effective strategies for managing invasive plants.

全球变化对外来植物入侵的影响是目前入侵生态学的研究热点，但当前研究多关注生态系统的地上部，而关于入侵植物对土壤生态系统(尤其是土壤生物)的影响以及这些影响对入侵植物的反馈作用研究甚少。本项目在不同大气CO2浓度下研究我国北方恶性外来入侵植物瘤突苍耳和两种本地近缘植物：1）根系分泌物成分、含量和化感强度的变化，根系和叶片凋落物理化性质、分解速率和化感强度的变化，2）对土壤微生物（从宏基因组学角度出发，利用新一代高通量测序技术）和线虫群落结构与功能的影响及机制，即根系分泌物、地上和地下凋落物的相对作用，3）改变了的土壤生物群落对三种植物的反馈作用及机制，即土壤微生物和线虫的相对作用，从地上植物与地下土壤生物相互作用的角度，探讨大气CO2浓度升高条件下瘤突苍耳入侵危害的变化及机制。这对认识未来气候变化条件下外来植物的入侵机理，入侵危害的演化及机制以及制定有效的防控策略等均有重要的意义。

全球变化对外来植物入侵性的影响是目前入侵生态学的研究热点，但相关研究多关注生态系统的地上部，而全球变化下入侵植物对土壤生态系统尤其是土壤生物的影响以及这些影响对入侵植物的反馈作用知之甚少。本项目以我国北方恶性外来入侵植物瘤突苍耳和两种共存本地近缘植物为材料，在环境和倍增大气CO2浓度下，主要研究了土壤线虫、细菌和真菌的变化及机制(根、叶凋落物和根系分泌物的作用)，以及这些变化对3种植物的反馈影响，探讨CO2浓度增高对瘤突苍耳入侵性的可能影响。我们发现，随着CO2浓度的升高，外来入侵植物瘤突苍耳凋落叶中碳含量显著升高。在两个CO2浓度下，瘤突苍耳凋落叶的分解速率都显著高于本地植物，并且瘤突苍耳驯化的土壤能促进自身凋落叶的分解。倍增CO2浓度下3种植物的根系分泌物量都低于环境CO2浓度下的量。入侵植物凋落叶浸提液对同属本地植物苍耳种子萌发抑制作用比对金盏银盘种子萌发的抑制作用更强，并且这种抑制作用随着CO2浓度的升高显著增强。RDA分析表明，土壤pH、有机质、磷含量对土壤线虫，以及土壤有机质、有效氮对土壤细菌和真菌群落影响显著。从整体上看，CO2浓度倍增对入侵植物瘤突苍耳根围土壤生物（真菌、细菌、线虫）群落结构的相似性、土壤微生物（真菌和细菌）多样性影响不显著，但其根围土中富集了较多的光能自养型和甲基营养型细菌，而病理营养型真菌减少。并且，在倍增CO2浓度下瘤突苍耳驯化土对自身种子的发芽、瘤突苍耳和苍耳驯化土对同属其他植物根的生长都有抑制作用。结果表明，大气CO2浓度升高对入侵植物瘤突苍耳凋落叶的特性和根系分泌物的量影响可能导致土壤中部分功能微生物的变化，进而影响瘤突苍耳的入侵。上述结果有助于揭示外来植物入侵的土壤生物学机制，也有助于揭示全球变化条件下植物群落的演替速度、方向及机制都有积极意义。 项目出版著作1部，发表论文9篇，其中SCI论文6篇，累积影响因子24.1，单篇最高影响因子7.7；培养博士研究生2人，硕士研究生4人。