内蒙古草原灌丛化的植物-土壤反馈机制及化感驱动作用研究

Shrub encroachment into grasslands is a widespread phenomenon in arid and semi-arid regions that significantly alters plant community composition and ecosystem function. Mechanisms involved in this conversion process is the focus of shrub encroachment research and would provide the foundation for sustainable development of grassland ecosystems. Shrub encroachment is often the results of changing climate and land use practices, but plant-soil feedback (PSF) and shrub allelopathic effects may also be important drivers of shrub encroachment. In this project, we will select a dominant shrub Caragana microphylla and two dominant herbs Leymus chinensis and Stipa krylovii in shrub-encroached grassland (SEG) in Inner-Mongolia as model species. In a greenhouse experiment, we try to examine the different effect of specific soil communities on three plant species' performance in monoculture, and further to explore the plant-soil feedback mechanism involved in shrub species invasion into grasslands. In addition, based on chemical ecology method, we will further examine the effects of allelopathic aqueous extracts of shrub on the process of different plant-soil feedback, and further to explore the driving role of allelopathy in plant-soil feedback mechanism. This project will improve our understanding on mechanism of shrub encroachment, and also provide basis for sustainable development of grassland ecosystems.

近几十年来，草原灌丛化现象在干旱半干旱区广泛发生，引起生态系统结构和功能的显著变化。草原灌丛化的发生发展机制是当前干旱区生态学研究中的焦点问题，也是进行草原可持续性利用的基础。然而，目前人们对这一问题的认识还主要集中于气候变化与人类土地利用方式上，对灌木植物生长引起的植物-土壤反馈机制及植物化感作用在灌丛化过程中的作用还不清楚。本项目拟以内蒙古灌丛化草原的优势灌木植物小叶锦鸡儿，以及典型草原优势草本植物羊草和克氏针茅为研究对象，采用温室培养的方法，对比研究灌草植物生长的特异性土壤对自身与对其他植物的反馈作用差异，阐明内蒙古地区草原灌丛化的植物-土壤反馈机制；同时采用化学生态学的方法，研究灌木小叶锦鸡儿的化感浸提液对自身与草本植物土壤反馈作用的影响，揭示植物-土壤反馈机制的化感驱动作用。本项目的实施将加深人们对草原灌丛化发生机制的认识，为促进草原可持续利用提供科学依据。

近几十年来，草原灌丛化现象在干旱半干旱区广泛发生，引起生态系统结构和功能的显著变化。然而，目前有关灌丛化对草本植物生产力影响的研究结果仍无一致论，特别是对于其内在影响机制的认识还主要集中于气候变化与人类土地利用方式上，对灌木植物生长引起的植物-土壤反馈机制在灌丛化过程中的作用还不清楚。本项目以内蒙古灌丛化草原的优势灌木植物小叶锦鸡儿，以及典型草原优势草本植物羊草和克氏针茅为研究对象，采用温室培养的方法，对比研究灌草植物生长的特异性土壤对自身与对其他植物的反馈作用差异，并阐明内蒙古地区草原灌丛化的植物-土壤反馈机制。研究结果发现，灌木斑块显著增加多年生根茎禾草的相对地上生物量，却降低多年生丛生禾草的相对地上生物量。灌木斑块对草本植物影响的反应比与降雨量呈正相关关系。意味着，灌木与草本植物间的关系由低降雨量地区的竞争作用转变为高降雨量地区促进作用。以上格局的产生主要是因为随着降雨量梯度的增加，灌木斑块内的多年生丛生禾草被多年生根茎禾草所替代。我们的结果不支持胁迫梯度假说(SGH)，表明在群落尺度上考虑物种的自然更替，灌木植物对草本植物的影响可能出现与SGH相反的趋势。温室实验证明，当不考虑物种的自然更替时，灌木植物小叶锦鸡儿与草本植物克氏针茅的种间关系也同样由低水分处理时的竞争作用转变为高水分处理时的中性作用。同时，该种间关系的转变是通过土壤微生物参与的土壤反馈实现的。在低水分处理时，土壤微生物显著促进小叶锦鸡儿的生长，却显著抑制克氏针茅的生长。相反，在高水分处理时，土壤微生物对小叶锦鸡儿表现出中性作用，但却能显著促进克氏针茅的生长。这些结果表明，土壤微生物介导的土壤反馈作用可能是野外灌木斑块对草本植物作用影响发生转变的机制之一。这些研究结果将加深人们对草原灌丛化发生机制的认识，为促进草原可持续利用提供科学依据。