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人才强校 | 中国农大李隆、张炜平课题组在“生物多样性与生态系统功能关系”理论方面取得新进展

2023年01月12日 浏览次数:

中国农大新闻网讯 近日,资源与环境学院李隆教授课题组在《生态学与进化趋势》(Trends in Ecology & Evolution)发表了题为《植物凋落物在生物多样性-生态系统功能长期效应中的重要作用》(Plant litter strengthens positive biodiversity-ecosystem functioning relationships over time)的综述文章。针对在草原、森林和农田生态系统的生物多样性长期定位实验中观测到的生物多样性增加生态系统功能的效应随时间而增强的现象,该文章系统总结了植物凋落物或作物残茬在生物多样性增加生态系统功能的长期效应中的重要作用及其主要调控途径。

论文信息

在草原、森林和农田生态系统中的短期实验中,均发现生物多样性能增加生产力。基于长期的生物多样性实验,越来越多的研究表明植物多样性增加生产力的效应随时间而增加。植物地上部和根系凋落物(包括农作物秸秆和残茬)在调节不同生态系统正的多样性-生产力关系方面很重要,但植物凋落物在长期生物多样性实验中的作用仍然没有受到重视。该综述提出植物凋落物通过以下四种方式强化了生物多样性-生态系统功能关系(图1)。

图1 随着时间的推移,植物凋落物通过4种途径强化生物多样性和生态系统功能的关系

植物凋落物的分解对后季植物氮吸收的贡献

从豆科植物到非豆科植物的地下氮转移可以通过三种途径发生。(1)豆科植物分泌可溶性氮化合物并被非豆科植物直接吸收,(2)由菌根真菌介导的氮直接转移,(3)豆科植物根系和根瘤分解成矿化氮随后被相邻植物吸收。以前对氮素转移的研究集中在当季的间作体系或不同生长季的轮作体系。然而,长期的氮效应,包括豆科植物的凋落物对后季非豆科植物的氮吸收的贡献,受到的关注较少。从豆科植物残茬向后季植物的地下氮转移可有助于解释多样性效应随着时间的推移而增强。课题组2021年发表在英国生态学会《应用生态学杂志》(Journal of Applied Ecology)的结果表明,豆科植物根茬的分解可以促进后季玉米植株对氮的吸收,这能够解释间作的产量优势在不施氮肥的情况下随时间而增加的现象。

凋落物混合物数量和质量的变化提高了土壤肥力

植物多样性想增加生产力的同时使得更多凋落物返还到土壤中,这些凋落物的分解又有助于土壤肥力的增加。更高的土壤肥力提高了下一年植物生物量并使得更多的凋落物进入到土壤中,从而形成一个正反馈。这个正反馈使得生物多样性-生态系统生产力的正向关系随着时间的推移而变强。土壤有机碳(SOC)是土壤肥力和土壤质量的关键指标。多样性高的植物群落生产力可以提高植物地上凋落物和根系输入从而增加SOC。凋落物物种多样性还可以通过对凋落物质量和分解过程的影响来改变SOC积累。

多样化的植物凋落物改变土壤群落组成

植物凋落物的多样性可以增加土壤生物的多样性,并改变土壤生物群落的组成。土壤生物多样性又反过来对地上生物多样性和多种生态系统功能有重要影响。植物物种多样性可以通过微生境多样性、返还到土壤的植物凋落物的数量和质量来影响土壤食物网。植物凋落物为土壤生物提供食物、养分和栖息地,从而影响土壤生物多样性和群落结构。更高的植物凋落物多样性增加了土壤分解者的多样性,进而促进了土壤食物网中更高营养级水平的多样性。

物种丰富的生态系统中植物残茬的多样性可以控制残茬病害和虫害

作物残茬携带的病虫害是后季作物病虫害的主要侵染源,在收获后进行秸秆还田可能会增加残茬病虫害传播的风险。植物凋落物多样性可以通过(a) 降低寄主密度,(b) 改变微环境并减少传播,(c) 植物有益微生物与病原体之间的相互作用,以及(d) 捕食者对病原体的营养级调控来控制残茬病虫害。

与活体植物对生态系统过程的影响相比,植物凋落物对多样性高的植物群落的影响在短期内可能很小。然而,植物凋落物在长期尺度上对驱动关键的生态系统功能起着重要作用。该综述对多样性与生产力之间的关系如何随时间变化提出了新的见解,并且指出通过增加植物混作体系残茬的多样性来实现作物残茬还田的多样化,将会提高食物生产系统的可持续性。

李隆教授课题组张炜平副教授为论文第一作者,意大利欧洲再生有机中心(Davines Group-Rodale Institute European Regenerative Organic Center)的达里奥·福纳拉(Dario Fornara)博士,课题组博士生杨浩和博士后于瑞鹏,美国蒙大拿大学拉甘·M·卡拉威(Ragan M. Callaway)教授为共同作者,李隆教授为通讯作者。本项工作得到国家自然科学基金重点(32130067)、面上(31971450)和青年项目(31500348)、国家重点研发计划项目(2022YFD1500702, 2022YFC3501503)的资助。

论文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169534722003342

供稿:资源与环境学院

供图:资源与环境学院

编辑:孟祥慈

责编:于哲

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