黄河三角洲滨海湿地芦苇基因型多样性对生态系统多功能性的作用

Relationship of biodiversity and ecosystem function is a research hot-spot in Ecology. However, studies have focused on the relationship of species diversity and ecosystem function but neglected relationship of genetic diversity and ecosystem function. The species richness of vegetation in Yellow River Delta is relative poor, thus, understanding effects of genotypic diversity within dominant species on ecosystem multifunctionality is vital to preserve this coastal wetland. We will obtain genotypic diversity of a dominant species Phragmites australis with molecular technique. Then we will choose genotypes to establish field experiment plots with different genotypic diversity levels, and manipulate water content levels / salinity levels or nitrogen levels. We observe ecosystem structures (the arthropod diversity and the microbial diversity of associated communities etc.) and the ecosystem functions (primary production and nutrient cycling) to analyze the effect of genotypic diversity (including genotypic richness, genotypic composition and genotypic dissimilarity) within this species on ecosystem function and discover the underlying mechanisms. Ultimately, we will calculate the multifunctionality indexes and analyze the relationship of genotypic diversity and multifunctionality. This study will fill some knowledge gaps of relationship of genotypic diversity and ecosystem function and may provide important information to guide the restoration of coastal wetlands.

生物多样性与生态系统功能关系是当前生态学研究的前沿问题之一，受到广泛关注。然而这方面的研究主要集中在物种多样性与生态系统功能关系，对遗传多样性与生态系统功能关系以及其内在机制的研究较少。黄河三角洲滨海湿地植物物种数相对少，而优势种芦苇从海滨、河口到内陆均有大片分布，因此，掌握芦苇基因型多样性对多功能性关系的影响对于维持该湿地生态系统功能尤其重要。本项目通过分子手段获得芦苇的基因型多样性，并选择不同遗传距离的基因型植株，组合成不同基因型多样性样方，并结合水盐处理、氮添加处理开展野外控制实验，通过观测不同处理样方的生态系统结构（关联群落的节肢动物多样性和土壤微生物多样性等）和生态系统功能（初级生产力和氮磷养分循环），来测度和分析基因型多样性（丰富度、组成和相异度）对生态系统多功能性的影响及其机制，以增进人们对基因型多样性与生态系统功能关系的了解，以期指导退化滨海湿地生态系统的修复。

该项目首先研究了黄河三角洲滨海湿地芦苇种群的遗传多样性，不同生境芦苇对盐度的生理生态响应，不同生境芦苇的功能性状可塑性，潮滩芦苇对氮添加的响应；然后选择了黄河河滩芦苇的不同基因型丰富度进行组合，开展了基因型丰富度-生态系统功能关系（GD-EF）的野外控制实验，并分析基因型丰富对生态系统多功能性的影响。取得主要成果如下：（1）综述了植物遗传多样性对生态系统结构和生态系统功能的影响及机制、功能多样性对GD-EF的影响、遗传多样性效应和物种多样性效应的比较、以及GD-EF在生态修复等实际运用的研究进展。（2）黄河三角洲滨海湿地芦苇群体遗传多样性比较低，但潮汐湿地芦苇群体遗传多样性相对高。建议山东黄河三角洲国家级自然保护区优先保护潮汐湿地芦苇群体。（3）黄河三角洲潮滩芦苇比黄河边芦苇具有更强的耐盐能力，表现在光合作用、根系排Na+能力及叶片的抗氧化酶活性上。潮滩芦苇对盐胁迫响应具有更多的上调基因，尤其是氧化还原酶和谷胱甘肽代谢相关基因的上调。（4）氮添加对黄河三角洲潮滩芦苇的生长起到直接的负面效应，而氮添加并未显著改变多个土壤理化性质和细菌多样性。（5）黄河三角洲河滩和潮滩芦苇的多数功能性状差异是对生境适应形成的可塑性而不是遗传变异导致的，不能将其看作两种生态型；功能性状可塑性使得芦苇适应黄河三角洲滨海湿地不同的生境。（6）黄河三角洲滨海湿地芦苇基因型丰富度对22个生态系统功能的影响不一致；但从整体来看，平均生态系统多功能性指数分析表明，基因型丰富度对生态系统多功能性的影响则是负面的，随着基因型丰富度的增加，生态系统多功能性指数下降。可能是因为基因型间的竞争引起生态系统多功能性的降低。当生态系统功能阈值为20%和40%时，基因型丰富度越高，达到阈值的生态系统功能数越多；然而当生态系统功能阈值为60%和80%时，基因型丰富度越高，则达到阈值的生态系统功能数越少。