模拟增雨对半干旱草地物种特异性植物-土壤反馈的影响机制

Plant-soil feedback plays an important role in regulating community structure, ecosystem process and function, which is mainly mediated by soil microorganisms and shows high context-dependence. Grassland production in semiarid regions is primarily limited by water availability, and precipitation variations can make evident adjustments to plant community structure and soil microbial community. However, effects of water availability on plant-soil feedback are still largely unknown. In this project, we focus on responses of twenty common species in semiarid grassland to increased precipitation by combining studies from field and greenhouse. Firstly, we try to examine effects of increased precipitation on plant functional traits and soil properties at species level based on monocultures of twenty species in the field. Secondly, plant-soil feedbacks driven by different soil microbes under different water availability will be studied based on greenhouse pot experiment with treatments of soil microbes and soil water availability. At last, we will explore the relationship between plant functional traits and soil microbes, and their driving roles in plant-soil interaction process. This project will enhance our understanding on mechanisms of plant-soil feedback in the scenario of precipitation fluctuation, and also provide scientific basis for analyzing and predicting responses of semiarid grassland ecosystem.

植物-土壤反馈在调控植物群落结构、生态系统过程与功能方面具有重要作用，由土壤微生物主导，并表现出高度环境依赖性。水分是半干旱草地植物生长的重要限制因子，虽然近年来大量研究证实降水变化会显著影响植物群落和土壤微生物群落特性，但尚不清楚其进一步如何影响植物与土壤之间的反馈过程。本项目以半干旱草地20种常见植物为对象，首先基于野外单一栽培群落并结合模拟增雨处理，研究物种水平植物功能性状和土壤特性的种间差异及其对模拟增雨的响应特征；其次基于室内盆栽试验并结合土壤微生物处理与水分处理，研究不同土壤微生物群体驱动的植物-土壤反馈作用及其对水分处理的响应特征；最后揭示植物功能性状和土壤微生物的关系及其在植物-土壤反馈过程中的作用。研究结果将有助于探寻降水变化背景下的植物-土壤反馈变化机理，为分析和预测半干旱草地生态系统响应过程提供科学依据。

本项目采用野外调查、数据整合分析和室内盆栽试验等方法，研究了半干旱草地20种常见植物功能性状对模拟增雨的响应，植物地上凋落物和根系对草地土壤碳储量的相对贡献，以及不同水平磷（P）添加、不同形态P添加和丛枝菌根真菌（AMF）接种对植物生长的影响。野外调查结果表明半干旱草地常见植物的叶片功能性状存在显著种间差异，其中禾草类植物叶片碳、纤维素和木质素含量高于杂类草植物，多年生植物高于一年生植物。模拟增雨处理增加植株高度，并降低叶片氮含量，同时植物叶片氮含量与其高度存在显著负相关性。数据整合分析结果表明，封育显著提高草地植物地上部分、凋落物和根系生物量，同时增加土壤碳储量。草地根系生物量对土壤碳储量产生直接促进作用，凋落物则通过影响根系生物量对土壤碳储量产生间接抑制作用。室内盆栽试验结果表明，P添加对植物地上生物量的促进作用普遍高于AMF接种，但AMF更有利于提高植物P库，其可改变植物对低磷反馈的适应性策略，并在高P条件下有利于植物吸收稳定态P。本项目研究结果有助于理解降水变化背景下植物功能性状变化特征，草地凋落物和根系在土壤碳固持方面的作用以及AMF和P对植物生长的相对影响，为分析和预测半干旱草地生态系统响应过程提出科学依据。