有毒植物在草地生态系统中的生态功能与作用机制

From an evolutionary standpoint, the increase of poisonous plants in grassland ecosystems is not the cause of grassland degradation, but one special phase in the process of degradation. For a long time, people always pay more attention to the damage of poisonous plants to herbivores, the survey at the level of population, and their medicinal value. However, few studies deeply focus on how poisonous plants adjust interspecific relationships and how they maintain the balance and stability of grassland ecosystems. The protocol includes the grazing experiments in situ and the potted experiment in greenhouse. We plan to set up long-term experiments on the meadow steppes in Hulunbeier, the grazing experiment with different herbivory intensities and the recovery experiment of the poisonous plant community. We will yearly measure species composition and primary productivity, and the content of plant toxin in Stellera chamaejasme and Euphorbia fischeriana. Our aims are to study the effects of poisonous plants on surround soil environments (soil characteristics and soil microorganisms) and on the sexual reproduction and asexual propagation of other plant species, and to discover the interspecific relationships of poisonous plants and other species, to elucidate the mechanisms of maintaining the balance of grassland ecosystems and improving the recovery of degraded grasslands, and to provide the theoretical and experimental supports for the grassland managements.

从生态系统演化的角度来看，有毒植物滋生应该是草地退化的一个阶段而不是造成草地退化的原因。长期以来，人们更多关注草地有毒植物对于放牧家畜造成的伤害，侧重有毒植物在种群水平上的资源调查及其药用开发，缺少关于有毒植物如何调节物种间相互作用关系、如何维持草原生态系统稳定性等积极作用的深入研究。本项目拟在呼伦贝尔草甸草原选取未退化和已严重退化的草地群落分别建立“不同采食强度的放牧平台”和“有毒植物优势群落的恢复演替平台”，采用原位放牧控制实验结合有毒植物盆栽实验的手段，研究有毒植物毒性成分产生与分泌的动态规律，连续监测群落物种组成及初级生产力的年际变化，探讨有毒植物对周围土壤环境、对其它植物有性繁殖与营养繁殖的影响，阐明有毒植物与其它物种的种间关系，揭示有毒植物维持草地生态系统稳定与平衡、促进退化草地恢复演替的作用机制，为放牧草地生态系统合理化管理提供理论与实验支持。

由于过度放牧及草地的不合理利用，导致羊草等优质牧草的优势度降低，与之长期共生的瑞香狼毒等有毒植物的比例逐年增加。有毒植物可以通过其根系分泌物释放化感物质对邻近植物的种子萌发及幼苗生长等产生影响，进而影响生态系统的过程与功能。本项目以揭示有毒植物在草地退化及恢复过程中的生态效应为目标，以有毒植物根系分泌物及群落中有毒植物密度对于植物群落生物多样性和土壤理化性质的影响为切入点，执行期内分别在内蒙古海拉尔草甸草原开展野外原位实验、在东北师范大学松嫩平原草地生态研究站进行盆栽控制实验，采用野外与盆栽实验相结合的手段，研究草地有毒植物对周围植物及土壤的影响，进而探究其在生态系统中可能的生态功能。项目执行期内完成的主要实验工作包括：有毒植物根叶挥发性次生代谢物成分含量及变化、采用有毒植物根系分泌液及水提液结合施氮、控水的实验处理研究其对植物生长及土壤环境理化性质的影响、在天然放牧草场不同强度放牧造成的不同程度退化草地植物群落结构、物种组成以及土壤大量及微量金属元素含量等进行了调查和野外分析工作，实验结果表明:（1）萜类物质是瑞香狼毒根系分泌物及挥发物的主要成分，瑞香狼毒根系水提物对于邻近植物具有促进作用，而且，这种促进作用具有一定的密度依赖性；（2）瑞香狼毒可以改变放牧草地的植物群落组成、提高群落物种多样性。进一步测定土壤大量及微量营养元素含量发现，铜离子对优势功能群的抑制及对杂类草功能群的促进效应是群落多样性提高的基础。（3）通过对羊草植株中内生细菌和内生真菌组成及多样性测定发现，瑞香狼毒根系水提液可以通过提高羊草内生菌中优势菌群的相对丰度，进而降低内生细菌及内生真菌的多样性。总体来看，土壤Ca、Cu等营养元素含量的改变及植株内生菌在瑞香狼毒发挥其生态效应过程中起到了重要的调节作用。