植物-土壤反馈影响群落入侵抵抗力的机制研究

Biological invasion is one of the most serious threats to biodiversity; hence, constructing of plant communities with high resistance is critical for preventing biological invasion and sustainably restoring invaded plant communities. However, the mechanisms underlying community resistance to plant invasion are still obscure. Our previous studies indicated that plant communities undergoing different successional stages vary in their ability to resist the invasion of exotic species, and plant-soil feedbacks (PSF) generated by the native dominant species may contribute greatly to the community resistance. Therefore, it was hypothesized that the native dominant species of later succession stage induce PSF types that benefit themselves more than exotic invasive species, and finally enhance the community resistance to plant invasion. In present study, to verify the hypothesis, we chose forest communities undergoing different succession stages and the local representative invasive plant species Rhus typhina and Phytolacca americana in Kunyu Mountain as research subjects. Then we planned to evaluate the particular contributions of PSF generated by the native dominant species on community resistance, explore the roles of allelochemicals of native dominant species and soil conditions of different succession stages in affecting the directions and strengths of PSF of both native dominant and invasive species, and finally reveal the mechanisms underlying the effects of PSF on the community resistance to plant invasion. Our present study integrated researches of vegetation succession and biological invasion and will help us understanding the mechanisms underlying the effects of PSF on the community resistance. Moreover, it has significant implications for constructing regional restoration reference and promoting conservation of biodiversity in practice.

构建高抵抗力的植物群落是防控生物入侵和恢复被入侵群落的有效方法，然而，群落入侵抵抗力的形成机制目前尚不明确。我们的前期工作提示，不同演替阶段群落的入侵抵抗力存在差异，本地优势植物与土壤间的反馈作用在群落抵抗外来种入侵中可能发挥重要作用。本项目以山东半岛昆嵛山不同演替阶段森林群落和当地危害严重的外来入侵植物为对象，研究本地优势植物与土壤间的反馈作用对群落入侵抵抗力形成的贡献，分析化感物质在反馈中的作用、以及不同演替阶段土壤条件对入侵种和本地优势种与土壤间反馈作用的方向和强度的影响，验证假说“演替后期的本地优势植物通过与土壤间的反馈作用抑制外来植物生长，提高群落入侵抵抗力”，最终揭示植物-土壤反馈影响群落入侵抵抗力的机制。本项目以植物-土壤反馈为切入点，整合植被演替与生物入侵的研究，为探索群落入侵抵抗力形成机制提供新的研究思路。

植物群落对外来种入侵的抵抗力形成机制是生物入侵研究领域的核心问题之一，研究结果对于入侵物种的防控实践具有重要意义。本项目以山东半岛昆嵛山不同森林群落为研究对象，选取代表性外来入侵植物，研究植物-土壤反馈对不同群落入侵抵抗力的贡献，探讨群落入侵抵抗力的形成机制。结果表明：⑴林型层面的研究发现，不同森林群落土壤影响入侵植物的生长，天然林抑制作用强，特别是演替后期的麻栎林，土壤中化感物质和较低的磷含量可能是入侵植物生长的潜在限制因子。⑵树种层面的研究发现，常见植物的根围土壤影响入侵植物的生长，本地植物抑制作用强，外来植物展现出促进作用，这与野外观察到的现象一致；但在温室种开展两阶段土壤反馈试验并未发现本地植物展现出降低入侵植物生长的负反馈效应。推测因温室实验使用植物幼苗驯化土壤且作用时间短，相较野外环境缺乏凋落物的腐解等环节，使得土壤缺乏了化感物质的积累。该工作也在一定程度上佐证了植物的凋落物和化感作用影响所在群落的入侵抵抗力。⑶在不同土壤条件下，采用两阶段盆栽试验，研究10种本地和外来种对入侵植物美洲商陆的土壤反馈作用，阐释不同土壤条件对试验结果的影响，揭示植物-土壤反馈效应的背景依赖性并探讨其机制。⑷对常见植物化感作用展开研究，发现不同植物对入侵植物美洲商陆和火炬树的化感作用与其起源地有关，相较外来植物本地物种具有更高含量的酚酸类、萜烯类等化感物质，在抵抗入侵中发挥作用。除以上主要结果外，研究发现：⑴植物-微生物相互作用的增强促进了美洲商陆和火炬树的入侵；⑵传粉生态学特性研究提示繁殖机制与传粉特点是美洲商陆成功入侵的重要因素之一；⑶对昆嵛山不同林型的微生物群落组成及多样性展开研究，发现各林型间土壤微生物群落结构差异显著，与地上植被和土壤理化性质联系密切。该研究从植物-土壤反馈角度揭示了群落入侵抵抗力的形成机制，推动了对入侵过程的认识，对外来植物入侵防控具有重要的理论和实践意义。