AMF在撂荒植被演替过程中的生态效应及其对种间关系的影响机制

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土壤氮磷养分匮乏是制约陕北黄土丘陵半干旱区草地植被恢复的重要因素。丛枝菌根真菌（AMF）能与70%以上的陆生植物形成共生关系，其能够通过提高宿主植物对土壤氮磷养分的吸收和同化能力（特别是磷）促进植物生长，提高植物竞争力。在植被撂荒演替过程中植物种间关系对维持草地植被生产力和群落稳定性具有重要意义。菌根真菌网络（common mycorrhizal networks，CMNs）能够通过介导植物间营养元素的传输改变植物种间元素的吸收利用，进而对植物种间关系产生重要影响。目前关于AMF在撂荒植被演替过程中的生态效应及其对种间关系的影响机制有待于更加深入地研究。本文首先通过野外调查的方法，系统研究了AMF对黄土丘陵区撂荒植被演替过程中的土壤团聚体稳定性、养分积累、种间关系的影响，分析了不同生态位植物与AMF之间的协同演变机制，探讨了土壤氮磷相对匮乏对植被恢复以及AMF生态效应的限制作用。结合区域氮磷元素相对匮乏的背景，本文进一步通过室内模拟试验，以黄土丘陵区自然演替后期阶段的优势草种白羊草（Bothriochloa ischaemum；C4植物）和达乌里胡枝子（Lespedeza davurica；豆科植物）为研究对象，采用碳氮稳定性同位素标记法等方法探讨了AMF对共生植物种间关系的调节作用，包括对植物种间元素吸收、分配与积累的影响。主要结论如下：（1）撂荒演替过程中土壤球囊霉素在各级团聚体中的分配和积累对土壤碳氮含量的恢复，以及维持土壤团聚体和土壤有机碳稳定性具有重要意义。撂荒演替中植物总生物量的恢复主要受土壤氮含量的限制，并且植物多样性的增加有利于提高植被总生物量。植物和AMF的共生关系受土壤全磷含量限制，该关系有利于提高宿主植物的竞争能力以及促进生态位的分化，进而促进植被正向演替。随着撂荒演替植物总地上生物量及其与AMF共生关系促进了植物根际球囊霉素的积累，进一步提高了土壤碳氮含量。相比于伴生种，优势种通过AMF在其根际积累更多球囊霉素，进而促进了碳氮在其根际土壤的积累。（2）当土壤氮磷相对匮乏时，白羊草和达乌里胡枝子群落中菌根真菌网络优先向白羊草供给氮素，显著增加白羊草地上部和地下部全氮含量以及地下生物量（32.22%），并显著降低达乌里胡枝子地下部全氮含量，但显著增加了其地上（34.52%）和地下生物量（19.44%）。当低氮添加（25mg kg-1）时，菌根真菌网络增加向白羊草地下部并减少向达乌里胡枝子的氮素供给，显著提高白羊草地下生物量（31.75%）和达乌里胡枝子净光合速率（13.95%）。当高氮添加（50mg kg-1）时，菌根真菌网络减少向达乌里胡枝子的氮素供给，显著降低白羊草地下生物量，但显著增加达乌里胡枝子地下生物量。菌根真菌网络降低了白羊草地下部以及达乌里胡枝子地上部和地下部全磷含量，该负效应随氮添加逐渐减小。土壤氮的有效性增加时，白羊草和达乌里胡枝子对土壤磷素的种间竞争加剧，导致对两种植物地上部生长无促进作用。（3）当土壤氮磷匮乏时，菌根真菌网络显著提高土壤CBH活性和水溶性碳磷含量，并显著提高达乌里胡枝子土壤NAG活性和水溶性有机氮含量，但显著降低白羊草土壤NAG活性和水溶性有机氮含量。当低氮添加（25mg kg-1）时，菌根真菌网络显著提高土壤BG、AP、和BX活性，进而提高土壤氮磷的有效性，但导致土壤水溶性有机碳含量显著降低。当高氮添加（50mg kg-1）时，菌根真菌网络降低了白羊草土壤AP活性和达乌里胡枝子土壤NAG活性，导致白羊草土壤速效磷含量以及达乌里胡枝子土壤水溶性无机氮含量显著降低。虽然氮添加下达乌里胡枝子通过菌根网络竞争氮素的能力弱于与白羊草，但是达乌里胡枝子通过减少植物向土壤的氮素输入来提高植物的氮素利用效率。（4）磷添加增加了植物通过AMF吸收土壤氮素的含量。当低磷添加（30mg kg-1）时，白羊草和达乌里胡枝子群落中菌根真菌网络显著增加向白羊草地上部的氮素供给，同时减少向达乌里胡枝子地上部的氮素供给，进而显著提高白羊草（42.01%）和达乌里胡枝子（109.94%）净光合速率以及白羊草地下部全氮含量，导致显著提高了白羊草（70.67%）和达乌里胡枝子（36.92%）地上部生物量。当高磷添加（100mg kg-1）时,菌根真菌网络优先向达乌里胡枝子地上部供给氮素，抑制了白羊草和达乌里胡枝子的光合作用，显著提高达乌里胡枝子地上生物量（46.24%），但对白羊草地上部生长无促进作用。相比于土壤氮素匮乏，土壤磷素匮乏对菌根真菌网络在共生植物种间互惠关系的限制作用更大。土壤磷有效性的增加有利于提高达乌里胡枝子通过菌根真菌网络与白羊草竞争土壤氮素的能力。（5）当低磷添加（30mg kg-1）时，菌根真菌网络显著提高土壤BG、NAG和AP活性，促进了土壤水溶性有机质的降解，导致土壤水溶性碳氮磷含量显著降低。当高磷添加（100mg kg-1）时，菌根真菌网络显著提高土壤NAG、CBH、和LAP活性，促进土壤氮循环，并显著增加土壤速效磷含量，但显著降低土壤AP活性，导致土壤水溶性全磷含量显著降低。随着土壤磷的有效性增加，菌根真菌网络显著降低植物输入土壤的氮素含量，提高白羊草和达乌里胡枝子种间的氮素利用效率。

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作者
刘鸿飞;
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作者单位

西北农林科技大学;

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授予单位西北农林科技大学;
学科生态学
授予学位博士
导师姓名刘国彬,薛萐;
年度 2019
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原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类环境生物学;普通畜牧学;
关键词
AMF; 植被; 演替过程; 生态效应; 种间关系;

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