内蒙古典型草原建群种羊草基因型多样性抑制群落物种多样性的生态功能

王宇坤,丁新峰,王小平,吴 曼,高韶勃,杨 雪,赵念席,高玉葆

南开大学生命科学学院,天津 300071

生物多样性对生态系统功能具有显著影响,高的物种多样性不仅能提高群落生物量,而且能提高群落的稳定性和抵御外来物种入侵的能力[1- 3]。加性效应中的选择效应(Selection effect)或非加性效应中的互补效应能够很好地解释高生物多样性群落中的生物量超产现象(Over-yielding)[4- 5]。选择效应认为,在较高多样性的群落中,含高产物种的可能性增加,而高产物种可在混种时成为优势种从而产生超产现象[6-7]；互补效应则认为,随着多样性增加,物种间的生态位分化或植物间的互利作用将提高资源利用效率,从而产生超产现象[8]。

受全球变化及人类活动的影响,草原群落退化加剧,尤其是干旱半干旱草原区,群落物种多样性以及群落建群种基因型多样性(遗传多样性)均显著降低,这将对生态系统功能产生深远影响[9-10]。有越来越多的研究发现建群种基因型多样性具有与物种多样性相似的生态功能[11- 14],如内蒙古典型草原区重要建群种羊草(Leymuschinensis)不同基因型间在植物功能性状上存在显著差异[15],基因型多样性能够通过互补作用提高种群的生物量、抗干扰能力和竞争能力[16-17]。随着研究的不断深入,物种多样性与建群种基因型多样性之间的关系是怎样的?它们之间是否存在交互作用？逐渐为群落生态学家所关注。2012年,Crawford和Rudgers[18]首次报道了大湖沙丘生态系统中群落植物物种多样性与建群种美洲沙茅草(Ammophilabreviligulata)基因型多样性间存在显著的交互作用,且这种交互作用以非加性效应对群落生物量产生显著影响。由此可见,仅仅依据对单一水平下多样性效应的研究,我们无法合理推测两种多样性共存条件下的生物多样性效应的贡献；深入了解两种水平交互作用对群落生态系统功能的影响并进行合理评价,对群落的合理保护及有效恢复均具有重要意义,相关工作急需在更多的草原群落中展开。

内蒙古草原为欧亚大陆草原的重要组成部分,是我国重要的陆地生态系统,也是生态环境极其敏感和脆弱的地区。生物多样性研究可为草地生态系统的保护和恢复提供实验证据及理论基础,然而群落物种多样性与建群种基因型多样性相互关系的相关研究仍未深入展开。羊草是内蒙古草原主要建群种之一,即使在草原退化地段依然具有较高多度,并在群落中发挥重要作用。因此,本文在前期工作的基础上,选择典型草原区羊草群落为研究对象,通过构建物种多样性(1,3,6物种数目)和基因型多样性(1,3,6羊草基因型数目)交互实验体系,来探究两种生物多样性水平对群落生物量是否存在交互作用,并探讨生物多样性对群落生物量影响的作用机制,为草原的管理和退化草原的恢复提供科学数据。通过以上研究,验证以下科学假设：群落生物量受羊草基因型多样性与物种多样性间交互作用影响显著。

1 材料方法

1.1 实验材料

羊草为基因型多样性实验材料,2010年在内蒙古锡林浩特市典型草原区采集羊草基株,采用ISSR分子标记(AG)7T和(CA)6A来确定不同基因型基株,并编号[16,19]。在相同条件下培养所有基株,去除母体效应,来获得同一基因型根茎繁殖所得的大量分蘖。

群落所用物种植株于2016年6月在内蒙古锡林浩特市典型草原区羊草草原(43°38′N； 116°42′E)采集,共采集9种常见种,包括大针茅(Stipagrandis)、冰草(Agropyroncristatum)、糙隐子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、羽茅(Achnatherumsibiricum)、苔草(Carextristachya)、洽草(Koeleriacristata)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、早熟禾(Poaannua)。包括羊草在内,这10种植物地上生物量占群落总生物量的80%以上,能够很好地反映群落性质并提供群落反馈的重要信息。豆科植物在所选群落所占比例较低,且有研究表明,在植物多样性研究中特异性添加豆科植物可能会高估多样性效应[20],因此,本研究所选植物中未包括豆科植物。

1.2 实验方法

本实验采用两因素三水平随机组合实验设计：因素一为基因型多样性,包括1、3、6三种羊草基因型多样性水平,分别用G1、G3和G6表示,因素二为物种多样性,包括1、3、6三种物种多样性水平,分别用S1、S3和S6表示,共9种处理。在直径25 cm高度18 cm的塑料花盆中装入5.9 kg原生境土壤,每盆种植12株植物,包含6株羊草和6株群落常见种(1、3、6基因型与1、3、6物种组合从羊草基因型库和物种库中随机选取组成)。其中早熟禾、冰草、大针茅、苔草、羽茅、糙隐子草和洽草移栽植株的单个分蘖,早熟禾,冰草地上部高度为(20±2) cm；大针茅、苔草、羽茅地上部高度为(15±2) cm；糙隐子草和洽草地上部高度为(10±2) cm,冷蒿移栽单个分支构件,高度为(8±2) cm；星毛委陵菜移栽单个植株包括(6±2)片叶片；羊草为去除其余横走根茎的单个分蘖,地上部修剪为15 cm；所有物种地下部根系长度修剪为10 cm。移栽个体两两之间距离为4—5 cm；每种处理5次重复(每种处理条件下,5个重复中植物组合不同)。另外,基于多样性效应计算的需要,对实验中使用的14个羊草基因型以及9种物种进行了单种,作为多样性效应、互补效应和选择效应计算的对照组。

实验在南开大学植物培养室内进行。实验过程中,无养分添加及干旱、高温等胁迫处理,定期浇水,每两周随机调换花盆位置以减少位置效应。实验于2016年7月4日开始,2016年12月5日收获所有材料,共持续5个月。收获时以盆为单位,按物种和羊草基因型收获。先将植物地下部用水冲洗干净,尽量减少对植物根部的损伤,确定植物种类或羊草基因型后,分离植物地上部和地下部,分别装入信封烘干称重。

1.3 数据分析

1.3.1 选择效应和互补效应的分离

互补效应和选择效应采用Loreauh和Hector[4]的方法进行计算。

=Nmean (RY) × mean (M) +Ncov (RY,M)

1.3.2 数据处理

首先,利用广义线性模型(GLM)中的双因素方差分析来检验物种多样性、羊草基因型多样性和它们的交互作用对地上、地下和总生物量,以及多样性净效应、互补效应和选择效应影响的显著性,其中羊草基因型多样性以及物种多样性设为固定因子。对双因素分析中被检测到的受交互作用显著影响的变量,进一步进行简单效应分析,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)中的Duncan检验来检测同一物种多样性(基因型多样性)条件下,基因型多样性(物种多样性)是否对该变量平均值有显著影响；对交互作用无显著影响的变量,利用one-way ANOVA中Duncan多重比较来检测不同处理是否显著影响该变量的平均值。其次,利用单因素方差分析和非参数检验来检验单种时羊草基因型间以及物种间生物量的差异显著性,因为单种时基因型Y18和4/8超过半数个体死亡,所以仅对12个基因型进行了分析；利用独立样本t检验来分析单种(对照组)与混种条件下(处理组)所得生物量平均值的差异。以上数据分析利用SPSS 22.0完成。

2 结果分析

2.1 羊草基因型多样性及物种多样性对多样性净效应、选择效应和互补效应的影响

羊草基因型多样性对地上、地下及总生物量的多样性净效应和互补效应影响显著(P<0.05)；物种多样性则对各个部分生物量的多样性净效应以及地上生物量选择效应影响显著(P<0.05)；二者交互作用仅对地上、地下和总生物量的多样性净效应影响显著(P<0.05)(表1)。

表1基因型多样性、物种多样性对多样性净效应、互补效应和选择效应影响的一般线性模型(GLM)检验结果

Table1Resultsoftheeffectsofgenotypicdiversity(GD)andspeciesdiversity(SD)onnetdiversityeffect,complementaryeffectandselectioneffectbygenerallinearmodel

响应变量Variables基因型多样性GD (df=2) Genetic diversity物种多样性SD (df=2)Species diversity 基因型多样性×物种多样性(df=4)GD×SDFPFPFP多样性净效应地上生物量121.510< 0.001∗∗∗54.310< 0.001∗∗∗24.090< 0.001∗∗∗Net diversity effect地下生物量44.490< 0.001∗∗∗28.290< 0.001∗∗∗7.930< 0.001∗∗∗总生物量82.080< 0.001∗∗∗42.850< 0.001∗∗∗17.890< 0.001∗∗∗互补效应地上生物量7.0700.003∗∗∗0.4100.665 0.6800.612 Complementarity effect地下生物量7.4500.002∗∗∗2.2600.119 0.3300.857 总生物量15.320< 0.001∗∗∗2.0100.149 0.8300.515 选择效应地上生物量2.0900.138 5.2300.010∗ 1.2000.329 Selection effect地下生物量1.3500.273 0.2700.765 0.8500.502 总生物量1.190 0.3162.870 0.070 1.6800.175

*相关显著; ***相关极显著

对交互作用影响显著的变量,进一步进行简单效应分析(图1)。结果显示：在物种多样性相同的条件下,随着羊草基因型多样性的增加,多样性净效应表现出降低的趋势。在地上生物量净效应中,羊草基因型G1处理显著高于G3处理(6物种条件下除外),G3处理显著高于G6处理；地下和总生物量净效应的趋势相同,在S1条件下,G1处理显著高于G3处理,G3处理显著高于G6处理；在S3条件下,G1和G3处理显著高于G6处理,但两者之间无显著差异；在S6条件下,G1处理显著高于G6处理,但两者与G3处理间无显著差异。这一分析结果表明,在物种多样性相同条件下羊草基因型多样性对多样性净效应主要起抑制作用。

当羊草基因型多样性相同时,随着物种多样性的增加,多样性净效应表现出增加的趋势(羊草G1条件下除外)。在羊草G3条件下,S1处理显著低于S3和S6处理,地上生物量S3处理显著低于S6处理,而地下和总生物量S3和S6处理间无显著差异；在G6条件下,地上以及总生物量的多样性净效应,表现出S1处理显著低于S3处理,S3处理显著低于S6处理,而地下生物量的多样性净效应则表现为S1处理显著低于S3和S6处理,而S3和S6处理间无显著差异。实验结果说明,物种多样性对多样性净效应的影响作用与羊草基因型作用相反,主要表现为促进作用。

图1 物种多样性和基因型多样性对群落地上、地下以及总生物量多样性净效应影响的简单效应分析Fig.1 The effects of species diversity and genotypic diversity on the net diversity effect of aboveground, belowgroundand total biomass by simple effect analysis G、S分别表示羊草基因型和物种,1、3、6代表多样性3个水平。相同字母表示处理间差异不显著(P>0.05),其中,英文字母表示相同物种多样性条件下,羊草基因型多样性处理的影响；希腊字母表示相同羊草基因型多样性条件下,物种多样性的影响

对交互作用影响不显著的变量进行单因素方差分析发现(图2)：在S1G6处理组中,地上、地下以及总生物量互补效应值和地上生物量选择效应值均显著低于其他处理条件(图2),表明在交互作用影响不显著的变量中,高的基因型多样性水平在低物种多样性条件下对选择效应和互补效应有着负的显著影响。

图2 地上、地下及总生物量选择效应和互补效应的单因素方差分析Fig.2 One-way ANOVA for selection and complementarity effects on above-ground, below-ground and total biomass 相同字母表示处理间在0.05水平差异不显著

2.2 不同处理条件对群落生物量的影响

单种条件下,羊草各基因型间以及不同物种之间地上、地下和总生物量间有显著差异(P<0.05)(羊草基因型地上生物量除外),其中,物种间的差异大于羊草基因型间的差异(图3)。混种条件下,物种多样性、羊草基因型多样性以及它们之间的交互作用均对群落生物量无显著影响(P>0.05,表2)。混种处理间生物量的变异非常小(图3),且生物量平均值高于单种条件下所有物种和羊草基因型平均值,但都低于苔草单种时的平均生物量,且两组平均值间无显著差异(图3)。这一结果表明,在两种不同层次多样性混种时,产生了超产现象。

图3 物种 (S) 单种、基因型 (G) 单种以及多样性交互处理所得群落地上、地下和总生物量Fig.3 Aboveground, belowground and total biomass of species(S) and genotype (G) in monoculture and in mixture物种名称为拉丁名缩写,Cs：糙隐子草,Cleistogenes squarrosa;Ac：冰草,Agropyron cristatum;Ct：苔草,Carex tristachya;Pac：星毛委陵菜,Potentilla acaulis;Sg：大针茅,Stipa grandis；As：羽茅,Achnatherum sibiricum;Kc：洽草,Koeleria cristata；Pa：早熟禾,Poa annua；Af:冷蒿,Artemisia frigida;图中与横轴的平行线分别表示单种以及混种所得生物量的平均值

响应变量Variables基因型多样性GD (df=2) Genetic diversity 物种多样性SD (df=2)Species diversity基因型多样性×物种多样性(df=4) GD×SDFPFPFP地上生物量Aboveground biomass0.200 0.820 0.420 0.659 0.550 0.702 地下生物量Belowground biomass0.030 0.967 0.500 0.609 0.470 0.754 总生物量Total biomass0.090 0.912 0.090 0.914 0.530 0.714

通过计算每盆羊草和群落物种生物量的相对值可以看出(图4)：在羊草3基因型(G3)处理条件下,6物种处理(S6)时羊草相对生物量低于其他两种处理；羊草6基因型(G6)处理条件下,随着物种多样性的增加,羊草地上、地下和总生物量的相对值有逐渐降低的趋势；但在羊草单基因型处理条件下(G1),仅地下生物量随物种多样性的增加,羊草相对生物量逐渐降低,而地上和总生物量则表现为单物种(S1)处理下羊草相对生物量最低。

图4 不同处理条件下羊草和其他物种的相对生物量Fig.4 The relative values of aboveground, belowground and total biomass for L. chinensis and others under different conditions

进一步计算不同物种数目下羊草和其他物种的相对生物量,可以看出：在6物种条下(S6)羊草地上、地下和总生物量的相对值均低于其他两种处理(图5)。

图5 不同物种数目下羊草和其他物种的相对生物量Fig.5 The relative biomass values for L. chinensis and others under different species diversity conditions

回归曲线结果表明,物种多样性和群落生物量之间的关系随着羊草基因型多样性的增加,由负相关关系逐步转变为正相关关系(图6)。这一结果表明群落建群种羊草基因型多样性对群落物种多样性与生物量之间的关系具有调节作用。

图6 基因型多样性、物种多样性及其交互作用对群落生物量的影响Fig.6 The effects of genotypic diversity, species diversity and their interaction on community biomasses

3 讨论

3.1 羊草基因型多样性和物种多样性对群落生物量的影响

早期关于物种多样性和建群种基因型多样性生态功能的研究以多样性独立实验为主,并不考虑两个多样性水平间的交互作用,且多数结果表明群落生物量随物种多样性或基因型多样性的增加而显著增加[21-22]。如Tilman等[7]利用3种不同的生态模型揭示了生态系统生产力与植物多样性之间关系的研究；Atwater和Callaway[23],以及Tomimatsu等[24]分别对拟鹅观草属(Pseudoroegneriaspicata)和芦苇(Phragmitesaustralis)多基因型混种与基因型单种的对比研究,都证实了多样性对群落生物量的促进作用。目前,关于物种多样性与建群种基因型多样性交互作用的研究刚刚起步,其所得研究结果与之前多样性独立实验结果也有所不同,如Fridley和Grime[25]在研究建群种羊茅(Festucaovina)基因型和群落物种混种对群落生物量的影响时发现,羊茅基因型多样性和物种多样性之间的交互作用对生物量无显著影响。本研究结果与Fridley和Grime所得结果一致(P>0.05,表2)。这些结果表明,在两种多样性交互实验体系中,物种多样性和基因型多样性对群落生物量的影响更为复杂,两者对生物量影响的作用机制可能不同。在本实验中,物种多样性与基因型多样性交互实验处理所得生物量的平均值高于各个物种(羊草基因型)单种所得生物量的平均值(图3),表明混种时发生了超产现象。这一发现表明了两种不同水平多样性在混种时,也会发生与单一多样性混种时相类似的超产现象。

实验结果发现,随着物种多样性增加,羊草相对生物量有逐渐降低的趋势(图4,图5)。表明随着邻居物种多样性的增加,羊草的相对竞争强度减弱(图4,图5),这一结果支持邻居植物多样性能够通过改变群落中目标植物的相对竞争强度进而影响植物间相互作用的观点[17,26- 28]。其他研究也有类似报道,如Cook-Patton等[29]人在研究月见草(Oenotherabiennis)基因型多样性与物种多样性混种时发现,随着多样性(基因型多样性、物种多样性)的增加,个体间相对竞争强度下降。

在多样性与群落生物量的回归曲线中,物种多样性与群落生物量之间的关系随着羊草基因型多样性的增加逐渐由负相关过渡到正相关(图6),表明了建群种基因型多样性能够调节群落物种多样性与生物量之间的关系。

3.2 羊草基因型多样性和物种多样性对多样性净效应、选择效应和互补效应的影响

本研究所得多样性净效应、互补效应以及选择效应中负效应所占比例较大,这与本研究个体间距较近,实验期间无营养补充,植物对资源的竞争强度大有关,也与计算效应值所用对照组为羊草基因型单种或者物种单种而无法估计基因型间或者物种间相互关系有关。进一步分析可以发现物种多样性、基因型多样性以及它们的交互作用均对地上、地下和总生物量的多样性净效应具有显著影响(P<0.05,表1)。这说明了在两种多样性层次交互实验体系中两者之间不是相互独立的,且两者对多样性净效应产生了截然相反的作用,即物种多样性相同的情况下,随着羊草基因型多样性的增加多样性净效应值逐渐降低；而在羊草基因型多样性相同的条件下,随着物种多样性的增加多样性净效应值有逐渐增加的趋势(图1)。这为生物量在不同处理间无显著差异提供了理论解释,也为随着羊草基因型多样性的增加,物种多样性与生物量之间的相关关系由负值变为正值(图6)提供了解释；同时也表明羊草基因型多样性对群落物种多样性生态功能的发挥具有重要作用。Crawford和Rudgers[18]研究发现大湖沙丘生态系统中物种多样性和建群种美洲沙茅草基因型多样性之间的相互作用主要是由负的非加性效应引起的,产生这种非加性效应的原因是基因型多样性能够改变物种多样性与生产力之间的关系。李军鹏[30]和申俊芳等[16]在研究羊草基因型多样性时发现,多基因型羊草组合不仅能够增加羊草种群生物量,而且能增强羊草种群对干扰的耐受性。本研究结果(图3)以及杨雪等[15]也证明了羊草基因型间性状差异显著,这为羊草基因型多样性效应主要受互补效应影响提供了直接证据。且就多样性净效应、互补效应以及选择效应在不同处理间的变化趋势来看(图1,图2),本研究也支持非加性效应中互补效应而非选择效应对多样性净效应的贡献更大这一观点。

群落物种多样性与建群种羊草基因型多样性的交互实验结果反映了内蒙古典型草原群落内物种多样性/建群种基因型多样性在维持生物量稳定、资源利用和种间相互作用方面的复杂关系,与单一层次生物多样性相比反映了更加复杂和全面的信息。