干旱荒漠区降水变化对植物间正相互作用的影响及其机制

Precipitation is the important source of water in the arid desert ecosystem, and is also the key driving force of the various biological processes among different spatial and temporal scales. Plant-plant interactions existence universally in natural, which play important roles in enhancing species diversity, community stability and net productivity in extremely stressful environment. However, few attention have been paid to the relationships and those mechanisms between the variation in precipitation and plant-plant positive interaction. In this project, we used common shrub species in a typical arid desert shrubland in Hexi Corridor of Gansu province as a research system. By means of multi-scale manipulations in vegetation patterns, community characters, plant traits, physiological characters, and environmental factors under natural precipitation and moisture control environment, we address the three key questions: (1) the responses of positive interactions among plants to nature precipitation in Hexi desert region; (2) the influences of rainfall gradians on plant-plant interactions under moisture control environment; (3) the possible mechanisms underlying the formation of positive interaction and how it can be affected by variations in precipitation. These studies can reveal the mechanisms behind the response patterns of plant population and community under the effects of precipitation variations, and can explore the significance of positive interactions in community assembly and dynamic development under extremely stressful environment. The findings may provide scientific accumulation for understanding vegetation patterns and processes under the back ground of global climate change, and for ecological restoration and biodiversity management in arid desert ecosystems.

降水是干旱荒漠生态系统重要的水分来源，也是不同时空尺度上各生物过程的核心驱动力。植物间正相互作用在自然界中普遍存在，在提高胁迫环境中的物种多样性、群落稳定性及生产力方面起到非常重要的作用。然而，目前对在全球气候变化背景下，植物间正相互作用如何响应降水及其机制的认识还非常有限。本项目以河西荒漠区典型灌木为研究对象，通过对自然降水和人工控制水分环境下，植物格局、群落、性状、生理特征及环境因子的多尺度调查，重点研究：1 河西走廊干旱荒漠区植物间正相互作用对年季降水波动的响应；2人工控制条件下降水梯度对正相互作用的影响；3该地区植物间正相互作用形成与响应降水变化的机制。通过研究，了解降水变化影响下植物间相互作用的变化规律和形成机制，探讨正相互作用在群落构建过程中的重要意义。研究结果将为揭示全球气候变化背景下干旱荒漠生态系统植被格局与过程，以及干旱区生态修复与物种多样性管理提供科学积累与理论依据。

植物间正相互作用在促进物种共存和塑造群落结构方面发挥着重要作用。普遍认为，个体间的正相互作用可以作为一种保险机制，通过缓冲气候变化的负面影响，在恶劣条件下维持生产力和生物多样性。目前，生态学家已提出许多理论与概念模型来研究环境胁迫梯度内促进和竞争之间的平衡。其中，大多数研究集中在水分受到限制的生态系统中。然而，目前对在全球气候变化背景下，植物间正相互作用如何响应降水及其机制的认识还非常有限。本项目以河西荒漠区典型灌木为研究对象，通过对自然降水和人工控制水分环境下，植物格局、群落、性状、生理特征及环境因子的多尺度调查，重点研究：a. 河西走廊干旱荒漠区植物间正相互作用对年季降水波动的响应；b. 人工控制条件下降水梯度对正相互作用的影响; c. 该地区植物间正相互作用形成与响应降水变化的机制。研究发现：1. 植物间正相互作用在该地区普遍存在；2. 建群种通过改变局域群落中的微环境条件（如，水分、养分等）而为邻近个体创造更加适宜的生存环境；3. 正相互作用不仅影响植物个体的功能性状（如，比叶面积、叶干物质含量等），还改变局域尺度的群落结构和物种组成；4. 在干旱胁迫环境中，正相互作用作用通过环境过滤和生态位分化驱动物种共存和群落构建过程； 5. 然而，在极端干旱条件下，这两种机制都变得低效，表明气候变化所导致的极端干旱将弱化正相互作用在群落构建过程中的重要性，从而增加生物多样性损失的风险；6. 此外，正相互作用的重要性还与系统复杂程度（生态位多样性）有关，系统复杂性越低，正相互作用在群落构建过程中的重要性越大。以上研究结果将为揭示全球气候变化背景下干旱荒漠生态系统植被格局与过程，以及干旱区生态修复与物种多样性管理提供科学积累与理论依据。