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植物的水文生态位随种间竞争复杂性的增加而变得精细和稳定

时间:2022-04-18  来源:科技外事处  浏览次数:   作者:刘文杰     打印  字体: 关闭

  近一个世纪以来,生态学家对植物种间竞争与共存的见解一直存在分歧,即使在现代物种共存理论经历多年完善和发展后所奠定的当下植物竞争与共存基调下。但在多物种共存的植物群落中仍难以证实其大部分的观点,因而学术界对植物竞争与共存论一直未,这极大地限制了植物竞争与共存理论在人工复合系统、热带森林等复杂植物群落的构建与修复工程中的应用。引起这一系列问题的一个主要因素是传统的研究方法(如:生物量、种群数量特征等调查研究方法)多是对某一时刻植物竞争结果的回溯分析,而非直接反应植物竞争的动态过程,对地下交互作用的研究也非常有限。不仅如此,过去的大部分实验主要以配对物种之间的交互作用为考量,极少验证高阶物种的交互作用,也极少模拟自然条件下资源环境的复杂时空异质性。因此,对自然条件下复杂群落内植物竞争动态的实证研究是突破植物竞争与共存理论的瓶颈,而开发一种直观、容易的分析方法来探索地下竞争的动态过程则显得尤为必要。比较而言,用于重建植物资源利用模式的稳定同位素示踪法可有效地应对这些问题。对植物而言,水是通过渗透作用进入根毛细胞,而植物可吸收的营养也主要以水为载体、通过质流与扩散被根毛细胞所截获。因此,利用水稳定同位素重建植物水分利用模式有助于理解植物的地下资源竞争动态。 

  为此,版纳植物园生态水文研究组出站博士后吴骏恩副研究员、博士生曾欢欢联合导师刘文杰等,以热带雨林、丛林式胶林、不同类型复合林、纯林为研究对象,连续测量了各群落土壤含水量、水稳定同位素及土壤碳、氮、磷、钾、钙、镁等含量;解析了不同乔木、灌木、草本植物组合对土壤水分、养分季节变化与空间分布的影响,利用稳定同位素、结合贝叶斯混合模型估算了植物的水分利用模式;通过时间序列分析重建了植物木质部水分的同位素信号,进而比较了不同物种丰富度的群落内共存种之间同位素信号差异,探讨了植物地下竞争过程中资源分配的动态变化。 

  结果表明:不同植物群落中的每一物种在一定时期内都有一个相对有利的地下资源利用深度,从而相对于其邻近种表现出更高的竞争优势。但是,这种资源利用深度的优势会随季节的变化而减弱、逐渐消失,甚至成为劣势。也就是说,物种间地下资源竞争的优势和劣势总是随着环境的时空异质性而变化,而这种变化又主要受气候要素的季节变化所驱动。因此,即使是优势种也可能会在植物的资源竞争中发挥失常。因此,种间的竞争逆转为植物群落中非传递性的竞争循环提供了前提条件,并进一步抑制了植物的资源利用深度,避免了竞争排斥。此外,随着物种组成的增加,植物群落的资源分配随着时间的推移而变得更加精细和平等,并随着季节的变化而反复重叠和分化,这从植物资源吸收利用的角度验证了现代物种共存理论中的稳定机制。该研究结果揭示了不同物种丰富度群落的植物在精细时空尺度上对地下资源的竞争动态,证明了物种共存主要是受环境资源的时空异质性和资源利用的时空变化所左右,推进了植物地下资源竞争的研究进展,并为进一步探索复杂群落的地上/地下竞争-耦合关系及其年际竞争动态预测奠定了一定的理论基础,可在相关生态学研究与应用中发挥作用。 

  相关结果以Plant hydrological niches become narrow but stable as the complexity of interspecific competition increases为题,发表在期刊Agricultural and Forest Meteorology上。 

  1. 热带雨林的植物木质部水分同位素信号及其差异 

  2. 不同群落的植物水分利用模式  

  3. 植物木质部水分同位素信号的重建 

 

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