植物-土壤反馈作用下的森林群落“谱系多样性-生产力”关系

The “biodiversity-productivity” relationship is a research hotspot for biodiversity studies in recent twenty years. To address the inconstant results of previous studies, we propose the “phylogenetic diversity-productivity” relationship hypothesis driven by “plant-soil feedbacks”: In (sub)tropical forest communities, closely related species have much higher chance to be infected by a same pathogen than distantly related species, so communities with low phylogenetic diversity would have much higher disease risk than communities with high phylodiversity caused by soil pathogens. Therefore, under the negative feedback effect of host-specific pathogens, community productivity should be significantly correlated with phylogenetic diversity in forest communities. In this study, we focus on the subtropical evergreen forest in south China. By conducting field survey, field manipulative experiments and shade-house manipulative experiments, we introduce more scientific diversity index and the distinctive interaction of “plant-soil feedback” effect, to investigate the underlying mechanism of “phylogenetic diversity-productivity” relationship. By this study, we are able to provide more reasonable interpretations for the inconstant relationships between biodiversity and productivity, and hence provide scientific bases for biodiversity conservation and sustainable development of ecosystems.

“生物多样性-生产力”关系是近二十年来生物多样性研究的热点，针对二者之间不一致的关系形式，我们提出了植物-土壤反馈驱动的“谱系多样性-生产力”关系假说：在森林群落中，由于亲缘关系相近的树种被相同病原菌感染的概率更高，所以病原菌更容易在谱系多样性较低的森林群落中传播，由此产生的较大危害；而谱系多样性较高的群落能有效降低病害的发生。因此，在具有寄主专一性的土壤病原菌的负反馈调节作用下，植物群落的谱系多样性与生产力之间有可能会呈现出显著的正相关关系。本研究拟以亚热带常绿阔叶林为研究对象，采用野外调查、野外控制实验和室内控制实验相结合的方法，通过引入更科学的谱系多样性作为生物多样性的测度指标，并从“植物-土壤反馈”作用的角度，探讨森林群落“谱系多样性-生产力”关系的内在机制，为生物多样性与生态系统功能之间的多种关系形式提供合理解释，从而为生物多样性保护及生态系统的可持续发展提供科学依据。

“生物多样性-生产力”关系是近二十年来生物多样性研究的热点，针对二者之间不一致的关系形式，我们提出了植物-土壤反馈驱动的“谱系多样性-生产力”关系假说：在森林群落中，由于亲缘关系相近的树种被相同病原菌感染的概率更高，所以病原菌更容易在谱系多样性较低的森林群落中传播，由此产生的较大危害；而谱系多样性较高的群落能有效降低病害的发生。因此，在具有寄主专一性的土壤病原菌的负反馈调节作用下，植物群落的谱系多样性与生产力之间有可能会呈现出显著的正相关关系。本研究以亚热带常绿阔叶林为研究对象，采用野外调查、野外控制实验和室内控制实验相结合的方法，按计划完成了各项预定实验内容。通过引入更科学的谱系多样性作为生物多样性的测度指标，并从“植物-土壤反馈”作用的角度，探讨森林群落“谱系多样性-生产力”关系的内在机制。我们发现了植物寄主的局部种群密度与土壤病原菌相对浓度之间的正相关关系，并证明了这种相关关系驱动了同种幼苗的存活和生长，揭示了植物局部种群密度决定土壤病原菌浓度，进而影响幼苗存活率的完整机制；探讨了相同物种不同种群间的负密度制约效应强度的差异，首次揭示了种内遗传距离和性状差异影响群落生物多样性维持的内在机制，弥补了现有研究中仅考虑同种和异种的划分方式的不足，更为全面的揭示了自然界中个体间的相互作用方式及物种共存机制；分离了土壤病原菌和菌根真菌在密度制约效应中的不同作用，揭示了二者相互制衡从而维持生物群落物种多样性的复杂机制，完善了现有关于生物多样性维持机制的理论体系。课题组完成了项目申请书中预设的发表3篇SCI论文的目标，其中1篇发表于Ecology and Evolution杂志，2篇发表于Ecology杂志，1篇发表于Ecology Letters杂志。相关成果为生物多样性与生态系统功能之间的多种关系形式提供合理解释，从而为生物多样性保护及生态系统的可持续发展提供科学依据。