藏北高寒草甸退化演替过程的植物-微生物养分关系和群落演变机制

Mechanisms of ecological succession caused by species composition change following a disturbance are the key issues in community ecology. Most studies mainly focus on the driving mechanisms of aboveground interactions among plants, but ignore the contributions of soil microbes and its linkage with aboveground plants. Currently, we do not know the extent to which soil microbial communities interact with aboveground ecosystem process and contribute to community dynamics. Furthermore, little is known about the linkage between aboveground and belowground drives community succession and dynamics and the mechanism is still lacking. This study will conduct a series of experiments in degraded succession series in northern Tibet alpine meadow following plant-soil feedback as the theoretical framework. We hypothesize that long-term overgrazing results in the change of microbial communities, and microbial mediated plant-soil feedback changes from negative to positive in the degraded series, consequently leads to the loss of species diversity and further ecosystem degradation. Soil microbial community composition and plant-soil feedback experiments will be carried out to investigate how the plant-microbial nutrient relationship affects plant community structure and dynamics, and unravel the mechanisms of succession process in degraded alpine meadow. This study not only provides insight to ravel the mechanisms of ecological succession, but also lay the foundations for rational livestock grazing and the restoration of degraded grasslands on the Tibetan Plateau.

受干扰后物种变化引起的生态演替及其机制是群落生态学长期关注的核心问题。大多数研究仅考虑地上植物种间关系的驱动作用，忽略了地下微生物的贡献及其与地上植物相互作用对群落动态过程的影响。目前就地上-地下相互作用对群落动态的影响程度还知之甚少，针对植物-微生物养分关系驱动氮限制生物群落演替的研究不多且机理尚不明确。本项目以藏北高寒草甸退化演替系列为研究对象，以植物-土壤反馈为理论框架，假设长期过度放牧导致微生物群落改变，由其介导的植物-土壤微生物相互作用从负反馈转变为正反馈，导致群落物种多样性降低，草地退化。通过退化演替系列的微生物群落组成分析和植物-土壤反馈实验，重点阐明微生物介导的植物之间、植物与微生物之间养分关系对群落结构和动态的驱动作用，揭示高寒草甸退化过程的逆向演替机制。本研究不仅可为生态演替机理研究提供新的思路，还可以为草地合理放牧和退化草地恢复提供科学参考。

目前高寒草地退化演替的研究主要关注地上部分的种间相互作用，忽视了地下过程对植物群落动态的影响。为此，本项目采取群落、土壤和微生物取样分析和同位素标记实验，并结合室内植物-土壤反馈实验，解析了退化草地的植物和微生物组成、植物与微生物的养分关系和植物生态对策的变化，阐明了退化过程中功能群变化的效应和微生物介导的反馈作用，揭示了退化演替的植物-土壤反馈机制。研究发现： . 1) 随草地退化加剧，氮磷过程解藕联，土壤氮限制加强，植物采取提高氮回收效率来应对养分降低。单子叶牧草和双子叶杂类草具有截然相反的生物量权衡策略，前者保持“保守”的S对策，后者以高的表型可塑性和灵活的“机会主义”R对策在退化草地蔓延，形成难以恢复的替代稳态。. 2) 高寒草甸受氮的限制，但不受磷的限制。退化草地养分添加增加了微生物对硝态氮的利用偏好，对优势种没有显著影响，而削弱了其他植物对硝态氮的利用，但增加了它们对铵态氮的利用偏好。微生物与植物竞争激烈，养分添加促进了微生物对氮的竞争优势。. 3) 氮增加对生物量的促进作用在退化草地弱于未退化草地，然而，加氮显著均降低了各退化阶段草地生物量的时间稳定性。氮添加在未退化和中度退化草地主要通过降低物种丰富度和优势物种稳定性来降低稳定性，而重度退化草地则主要降低了物种之间的异步性和优势物种稳定性来降低群落的稳定性。. 4) 微生物介导的植物-土壤反馈主导了群落退化过程，可食的单子叶牧草对土壤病原菌具有更高的敏感性和脆弱性，而双子叶杂类草则在在退化土壤中受益于共生菌和腐生菌产生正反馈，从而表现为种群扩张。. 上述研究丰富了对地上、地下相互作用和植物土壤反馈驱动退化演替机制的认识,项目取得的成果可为草地修复过程中物种选择和退化草地的治理与修复提供参考依据。在该项目的支持下，项目组成员共发表论文28篇，培养研究生3名，完成了项目各项任务，实现了项目的预期目标。