地下生态学过程对芦苇（Phragmites australis）入侵性的影响及机理

Previous studies on invasion ecology of exotic plants concerned more on the effects of aboveground ecological process on the invasion of exotic plants and relevant mechanisms. However, few former researches focused on the correlation between the underground ecological process and the invasion of exotic plants, especially for the field of invasion ecology of exotic aquatic plants. The present study selects an noxious exotic aquatic weed invading North America - Phragmites australis as model plant, the worldwide common garden of P. australis as research base, and the plant functional traits of belowground part, the biodiversity of rhizosphere microbe and the interaction of plant functional traits of belowground part and the biodiversity of rhizosphere microbe as entry points, and uses the methods of comparative ecology, physiological ecology and underground ecology to explore the differences between the invasive populations of North America, and the populations of their source (European populations and Chinese populations) and the native populations of North America. Following this study, we try to find out the competitive advantage of the invasive populations of North America, explore the effects and mechanisms of underground ecological process on the invasiveness of P. australis, and explain the invasion mechanism of exotic aquatic plants in depth. The present study is significant for enriching and developing the theory of invasion ecology, and promoting our understanding for the “invisible” underground ecological process involved in the invasion process of exotic plants. Simultaneously, the present study can provide theoretical support for the management and control of exotic invasive plants.

地上生态学过程在外来植物入侵过程中的作用与机理已经在前人研究中得到了大量论证，然而对于地下生态学过程与外来植物入侵的关系研究较少，这尤其体现在水生植物入侵生态学领域。本项目选取芦苇这一入侵北美大陆的恶性水生杂草为研究对象，依托世界性芦苇同质种植园，以植物地下部分功能性状，根际土壤微生物多样性及植物地下部分功能性状与根际土壤微生物多样性的相互关系为切入点，运用比较生态学、生理生态学以及地下生态学等实验技术和研究手段，研究芦苇的北美入侵类群相较于其原产地类群（欧洲类群和中国类群）及北美乡土类群所具有的差异与优势，探索地下生态学过程对芦苇入侵性的影响及机理，以期更深入地阐释外来水生植物的入侵机制。本研究对丰富和发展入侵生态学理论具有重要意义，有助于增进我们对外来植物入侵过程中伴随的“不可见的”地下生态学过程的理解，并可为外来入侵植物的防治和管控提供理论支撑。

芦苇的一个单倍型M成功入侵北美大陆，对于其入侵机制的探索受到广泛关注。前人于野外调查中发现，单倍型M能够挤占北美乡土类群单倍型E的生态位，推测其能够在与北美乡土类群的竞争中占据优势，因而对这两个单倍型进行了一系列比较生态学实验研究来进行验证。于北美与欧洲开展的比较生态学实验研究发现北美入侵类群相较于北美乡土类群，其处于性状经济型谱“快速的一边”（fast side），例如具有较高的比叶面积、叶营养元素含量与比根长，以及较低的叶建成消耗与地下部分建成消耗，这可能促进了单倍型M的快速建群与扩散，使得其在与单倍型E的竞争中处于优势，这一定程度上验证了上述推测，并对单倍型M的入侵机制进行了部分阐释。但前人研究实验体系构建于“欧美框架”，欠缺对亚洲的关注，实质上中国西北地区也存在单倍型M的分布，可以将其纳入以构建“跨大陆框架”，这可能利于完善对于单倍型M入侵机制的阐释。而且，前人研究较少关注芦苇对于“地下世界”的影响，芦苇如何影响土壤微生物以及这一效应在单倍型M与单倍型E之间有何差异不得而知。本项目利用山东大学世界芦苇同质种植园这一平台，系统比较了北美入侵类群（单倍型M），北美乡土类群（单倍型E），欧洲类群（单倍型M）与中国类群（单倍型M）的功能性状与土壤微生物的组成、功能与多样性，发现：（1）四个类群在植物地上与地下部分功能性状的比较中并无显现显著差异；（2）无论处于生长期还是衰亡期，与其它三个类群相比，北美乡土类群根际土壤“集聚”了较多的植物病原真菌。本项目对于功能性状的比较结果与北美开展的相关研究结果有较大差异，推测这可能与研究地点的气候等生态因子差异有关。而对于植物病原真菌的“集聚效应”可能导致单倍型E的衰亡而促进单倍型M的成功入侵。本研究对丰富和发展入侵生态学理论具有意义，并可为外来入侵植物的防治和管控提供理论支撑。未来研究需要对具体植物病原真菌的操纵作用进一步解析，以深入探索入侵机制。