內蒙古典型草原建群種羊草基因型多樣性抑制群落物種多樣性的生態功能

王宇坤,丁新峰,王小平,吳 曼,高韶勃,楊 雪,趙念席,高玉葆

南開大學生命科學學院,天津 300071

生物多樣性對生態系統功能具有顯著影響,高的物種多樣性不僅能提高群落生物量,而且能提高群落的穩定性和抵御外來物種入侵的能力[1- 3]。加性效應中的選擇效應(Selection effect)或非加性效應中的互補效應能夠很好地解釋高生物多樣性群落中的生物量超產現象(Over-yielding)[4- 5]。選擇效應認為,在較高多樣性的群落中,含高產物種的可能性增加,而高產物種可在混種時成為優勢種從而產生超產現象[6-7]；互補效應則認為,隨著多樣性增加,物種間的生態位分化或植物間的互利作用將提高資源利用效率,從而產生超產現象[8]。

受全球變化及人類活動的影響,草原群落退化加劇,尤其是干旱半干旱草原區,群落物種多樣性以及群落建群種基因型多樣性(遺傳多樣性)均顯著降低,這將對生態系統功能產生深遠影響[9-10]。有越來越多的研究發現建群種基因型多樣性具有與物種多樣性相似的生態功能[11- 14],如內蒙古典型草原區重要建群種羊草(Leymuschinensis)不同基因型間在植物功能性狀上存在顯著差異[15],基因型多樣性能夠通過互補作用提高種群的生物量、抗干擾能力和競爭能力[16-17]。隨著研究的不斷深入,物種多樣性與建群種基因型多樣性之間的關系是怎樣的?它們之間是否存在交互作用？逐漸為群落生態學家所關注。2012年,Crawford和Rudgers[18]首次報道了大湖沙丘生態系統中群落植物物種多樣性與建群種美洲沙茅草(Ammophilabreviligulata)基因型多樣性間存在顯著的交互作用,且這種交互作用以非加性效應對群落生物量產生顯著影響。由此可見,僅僅依據對單一水平下多樣性效應的研究,我們無法合理推測兩種多樣性共存條件下的生物多樣性效應的貢獻；深入了解兩種水平交互作用對群落生態系統功能的影響并進行合理評價,對群落的合理保護及有效恢復均具有重要意義,相關工作急需在更多的草原群落中展開。

內蒙古草原為歐亞大陸草原的重要組成部分,是我國重要的陸地生態系統,也是生態環境極其敏感和脆弱的地區。生物多樣性研究可為草地生態系統的保護和恢復提供實驗證據及理論基礎,然而群落物種多樣性與建群種基因型多樣性相互關系的相關研究仍未深入展開。羊草是內蒙古草原主要建群種之一,即使在草原退化地段依然具有較高多度,并在群落中發揮重要作用。因此,本文在前期工作的基礎上,選擇典型草原區羊草群落為研究對象,通過構建物種多樣性(1,3,6物種數目)和基因型多樣性(1,3,6羊草基因型數目)交互實驗體系,來探究兩種生物多樣性水平對群落生物量是否存在交互作用,并探討生物多樣性對群落生物量影響的作用機制,為草原的管理和退化草原的恢復提供科學數據。通過以上研究,驗證以下科學假設：群落生物量受羊草基因型多樣性與物種多樣性間交互作用影響顯著。

1 材料方法

1.1 實驗材料

羊草為基因型多樣性實驗材料,2010年在內蒙古錫林浩特市典型草原區采集羊草基株,采用ISSR分子標記(AG)7T和(CA)6A來確定不同基因型基株,并編號[16,19]。在相同條件下培養所有基株,去除母體效應,來獲得同一基因型根莖繁殖所得的大量分蘗。

群落所用物種植株于2016年6月在內蒙古錫林浩特市典型草原區羊草草原(43°38′N； 116°42′E)采集,共采集9種常見種,包括大針茅(Stipagrandis)、冰草(Agropyroncristatum)、糙隱子草(Cleistogenessquarrosa)、冷蒿(Artemisiafrigida)、羽茅(Achnatherumsibiricum)、苔草(Carextristachya)、洽草(Koeleriacristata)、星毛委陵菜(Potentillaacaulis)、早熟禾(Poaannua)。包括羊草在內,這10種植物地上生物量占群落總生物量的80%以上,能夠很好地反映群落性質并提供群落反饋的重要信息。豆科植物在所選群落所占比例較低,且有研究表明,在植物多樣性研究中特異性添加豆科植物可能會高估多樣性效應[20],因此,本研究所選植物中未包括豆科植物。

1.2 實驗方法

本實驗采用兩因素三水平隨機組合實驗設計：因素一為基因型多樣性,包括1、3、6三種羊草基因型多樣性水平,分別用G1、G3和G6表示,因素二為物種多樣性,包括1、3、6三種物種多樣性水平,分別用S1、S3和S6表示,共9種處理。在直徑25 cm高度18 cm的塑料花盆中裝入5.9 kg原生境土壤,每盆種植12株植物,包含6株羊草和6株群落常見種(1、3、6基因型與1、3、6物種組合從羊草基因型庫和物種庫中隨機選取組成)。其中早熟禾、冰草、大針茅、苔草、羽茅、糙隱子草和洽草移栽植株的單個分蘗,早熟禾,冰草地上部高度為(20±2) cm；大針茅、苔草、羽茅地上部高度為(15±2) cm；糙隱子草和洽草地上部高度為(10±2) cm,冷蒿移栽單個分支構件,高度為(8±2) cm；星毛委陵菜移栽單個植株包括(6±2)片葉片；羊草為去除其余橫走根莖的單個分蘗,地上部修剪為15 cm；所有物種地下部根系長度修剪為10 cm。移栽個體兩兩之間距離為4—5 cm；每種處理5次重復(每種處理條件下,5個重復中植物組合不同)。另外,基于多樣性效應計算的需要,對實驗中使用的14個羊草基因型以及9種物種進行了單種,作為多樣性效應、互補效應和選擇效應計算的對照組。

實驗在南開大學植物培養室內進行。實驗過程中,無養分添加及干旱、高溫等脅迫處理,定期澆水,每兩周隨機調換花盆位置以減少位置效應。實驗于2016年7月4日開始,2016年12月5日收獲所有材料,共持續5個月。收獲時以盆為單位,按物種和羊草基因型收獲。先將植物地下部用水沖洗干凈,盡量減少對植物根部的損傷,確定植物種類或羊草基因型后,分離植物地上部和地下部,分別裝入信封烘干稱重。

1.3 數據分析

1.3.1 選擇效應和互補效應的分離

互補效應和選擇效應采用Loreauh和Hector[4]的方法進行計算。

=Nmean (RY) × mean (M) +Ncov (RY,M)

1.3.2 數據處理

首先,利用廣義線性模型(GLM)中的雙因素方差分析來檢驗物種多樣性、羊草基因型多樣性和它們的交互作用對地上、地下和總生物量,以及多樣性凈效應、互補效應和選擇效應影響的顯著性,其中羊草基因型多樣性以及物種多樣性設為固定因子。對雙因素分析中被檢測到的受交互作用顯著影響的變量,進一步進行簡單效應分析,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)中的Duncan檢驗來檢測同一物種多樣性(基因型多樣性)條件下,基因型多樣性(物種多樣性)是否對該變量平均值有顯著影響；對交互作用無顯著影響的變量,利用one-way ANOVA中Duncan多重比較來檢測不同處理是否顯著影響該變量的平均值。其次,利用單因素方差分析和非參數檢驗來檢驗單種時羊草基因型間以及物種間生物量的差異顯著性,因為單種時基因型Y18和4/8超過半數個體死亡,所以僅對12個基因型進行了分析；利用獨立樣本t檢驗來分析單種(對照組)與混種條件下(處理組)所得生物量平均值的差異。以上數據分析利用SPSS 22.0完成。

2 結果分析

2.1 羊草基因型多樣性及物種多樣性對多樣性凈效應、選擇效應和互補效應的影響

羊草基因型多樣性對地上、地下及總生物量的多樣性凈效應和互補效應影響顯著(P<0.05)；物種多樣性則對各個部分生物量的多樣性凈效應以及地上生物量選擇效應影響顯著(P<0.05)；二者交互作用僅對地上、地下和總生物量的多樣性凈效應影響顯著(P<0.05)(表1)。

表1基因型多樣性、物種多樣性對多樣性凈效應、互補效應和選擇效應影響的一般線性模型(GLM)檢驗結果

Table1Resultsoftheeffectsofgenotypicdiversity(GD)andspeciesdiversity(SD)onnetdiversityeffect,complementaryeffectandselectioneffectbygenerallinearmodel

響應變量Variables基因型多樣性GD (df=2) Genetic diversity物種多樣性SD (df=2)Species diversity 基因型多樣性×物種多樣性(df=4)GD×SDFPFPFP多樣性凈效應地上生物量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???總生物量82.080< 0.001???42.850< 0.001???17.890< 0.001???互補效應地上生物量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 總生物量15.320< 0.001???2.0100.149 0.8300.515 選擇效應地上生物量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 總生物量1.190 0.3162.870 0.070 1.6800.175

*相關顯著; ***相關極顯著

對交互作用影響顯著的變量,進一步進行簡單效應分析(圖1)。結果顯示：在物種多樣性相同的條件下,隨著羊草基因型多樣性的增加,多樣性凈效應表現出降低的趨勢。在地上生物量凈效應中,羊草基因型G1處理顯著高于G3處理(6物種條件下除外),G3處理顯著高于G6處理；地下和總生物量凈效應的趨勢相同,在S1條件下,G1處理顯著高于G3處理,G3處理顯著高于G6處理；在S3條件下,G1和G3處理顯著高于G6處理,但兩者之間無顯著差異；在S6條件下,G1處理顯著高于G6處理,但兩者與G3處理間無顯著差異。這一分析結果表明,在物種多樣性相同條件下羊草基因型多樣性對多樣性凈效應主要起抑制作用。

當羊草基因型多樣性相同時,隨著物種多樣性的增加,多樣性凈效應表現出增加的趨勢(羊草G1條件下除外)。在羊草G3條件下,S1處理顯著低于S3和S6處理,地上生物量S3處理顯著低于S6處理,而地下和總生物量S3和S6處理間無顯著差異；在G6條件下,地上以及總生物量的多樣性凈效應,表現出S1處理顯著低于S3處理,S3處理顯著低于S6處理,而地下生物量的多樣性凈效應則表現為S1處理顯著低于S3和S6處理,而S3和S6處理間無顯著差異。實驗結果說明,物種多樣性對多樣性凈效應的影響作用與羊草基因型作用相反,主要表現為促進作用。

圖1 物種多樣性和基因型多樣性對群落地上、地下以及總生物量多樣性凈效應影響的簡單效應分析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分別表示羊草基因型和物種,1、3、6代表多樣性3個水平。相同字母表示處理間差異不顯著(P>0.05),其中,英文字母表示相同物種多樣性條件下,羊草基因型多樣性處理的影響；希臘字母表示相同羊草基因型多樣性條件下,物種多樣性的影響

對交互作用影響不顯著的變量進行單因素方差分析發現(圖2)：在S1G6處理組中,地上、地下以及總生物量互補效應值和地上生物量選擇效應值均顯著低于其他處理條件(圖2),表明在交互作用影響不顯著的變量中,高的基因型多樣性水平在低物種多樣性條件下對選擇效應和互補效應有著負的顯著影響。

圖2 地上、地下及總生物量選擇效應和互補效應的單因素方差分析Fig.2 One-way ANOVA for selection and complementarity effects on above-ground, below-ground and total biomass 相同字母表示處理間在0.05水平差異不顯著

2.2 不同處理條件對群落生物量的影響

單種條件下,羊草各基因型間以及不同物種之間地上、地下和總生物量間有顯著差異(P<0.05)(羊草基因型地上生物量除外),其中,物種間的差異大于羊草基因型間的差異(圖3)?；旆N條件下,物種多樣性、羊草基因型多樣性以及它們之間的交互作用均對群落生物量無顯著影響(P>0.05,表2)?；旆N處理間生物量的變異非常小(圖3),且生物量平均值高于單種條件下所有物種和羊草基因型平均值,但都低于苔草單種時的平均生物量,且兩組平均值間無顯著差異(圖3)。這一結果表明,在兩種不同層次多樣性混種時,產生了超產現象。

圖3 物種 (S) 單種、基因型 (G) 單種以及多樣性交互處理所得群落地上、地下和總生物量Fig.3 Aboveground, belowground and total biomass of species(S) and genotype (G) in monoculture and in mixture物種名稱為拉丁名縮寫,Cs：糙隱子草,Cleistogenes squarrosa;Ac：冰草,Agropyron cristatum;Ct：苔草,Carex tristachya;Pac：星毛委陵菜,Potentilla acaulis;Sg：大針茅,Stipa grandis；As：羽茅,Achnatherum sibiricum;Kc：洽草,Koeleria cristata；Pa：早熟禾,Poa annua；Af:冷蒿,Artemisia frigida;圖中與橫軸的平行線分別表示單種以及混種所得生物量的平均值

響應變量Variables基因型多樣性GD (df=2) Genetic diversity 物種多樣性SD (df=2)Species diversity基因型多樣性×物種多樣性(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 總生物量Total biomass0.090 0.912 0.090 0.914 0.530 0.714

通過計算每盆羊草和群落物種生物量的相對值可以看出(圖4)：在羊草3基因型(G3)處理條件下,6物種處理(S6)時羊草相對生物量低于其他兩種處理；羊草6基因型(G6)處理條件下,隨著物種多樣性的增加,羊草地上、地下和總生物量的相對值有逐漸降低的趨勢；但在羊草單基因型處理條件下(G1),僅地下生物量隨物種多樣性的增加,羊草相對生物量逐漸降低,而地上和總生物量則表現為單物種(S1)處理下羊草相對生物量最低。

圖4 不同處理條件下羊草和其他物種的相對生物量Fig.4 The relative values of aboveground, belowground and total biomass for L. chinensis and others under different conditions

進一步計算不同物種數目下羊草和其他物種的相對生物量,可以看出：在6物種條下(S6)羊草地上、地下和總生物量的相對值均低于其他兩種處理(圖5)。

圖5 不同物種數目下羊草和其他物種的相對生物量Fig.5 The relative biomass values for L. chinensis and others under different species diversity conditions

回歸曲線結果表明,物種多樣性和群落生物量之間的關系隨著羊草基因型多樣性的增加,由負相關關系逐步轉變為正相關關系(圖6)。這一結果表明群落建群種羊草基因型多樣性對群落物種多樣性與生物量之間的關系具有調節作用。

圖6 基因型多樣性、物種多樣性及其交互作用對群落生物量的影響Fig.6 The effects of genotypic diversity, species diversity and their interaction on community biomasses

3 討論

3.1 羊草基因型多樣性和物種多樣性對群落生物量的影響

早期關于物種多樣性和建群種基因型多樣性生態功能的研究以多樣性獨立實驗為主,并不考慮兩個多樣性水平間的交互作用,且多數結果表明群落生物量隨物種多樣性或基因型多樣性的增加而顯著增加[21-22]。如Tilman等[7]利用3種不同的生態模型揭示了生態系統生產力與植物多樣性之間關系的研究；Atwater和Callaway[23],以及Tomimatsu等[24]分別對擬鵝觀草屬(Pseudoroegneriaspicata)和蘆葦(Phragmitesaustralis)多基因型混種與基因型單種的對比研究,都證實了多樣性對群落生物量的促進作用。目前,關于物種多樣性與建群種基因型多樣性交互作用的研究剛剛起步,其所得研究結果與之前多樣性獨立實驗結果也有所不同,如Fridley和Grime[25]在研究建群種羊茅(Festucaovina)基因型和群落物種混種對群落生物量的影響時發現,羊茅基因型多樣性和物種多樣性之間的交互作用對生物量無顯著影響。本研究結果與Fridley和Grime所得結果一致(P>0.05,表2)。這些結果表明,在兩種多樣性交互實驗體系中,物種多樣性和基因型多樣性對群落生物量的影響更為復雜,兩者對生物量影響的作用機制可能不同。在本實驗中,物種多樣性與基因型多樣性交互實驗處理所得生物量的平均值高于各個物種(羊草基因型)單種所得生物量的平均值(圖3),表明混種時發生了超產現象。這一發現表明了兩種不同水平多樣性在混種時,也會發生與單一多樣性混種時相類似的超產現象。

實驗結果發現,隨著物種多樣性增加,羊草相對生物量有逐漸降低的趨勢(圖4,圖5)。表明隨著鄰居物種多樣性的增加,羊草的相對競爭強度減弱(圖4,圖5),這一結果支持鄰居植物多樣性能夠通過改變群落中目標植物的相對競爭強度進而影響植物間相互作用的觀點[17,26- 28]。其他研究也有類似報道,如Cook-Patton等[29]人在研究月見草(Oenotherabiennis)基因型多樣性與物種多樣性混種時發現,隨著多樣性(基因型多樣性、物種多樣性)的增加,個體間相對競爭強度下降。

在多樣性與群落生物量的回歸曲線中,物種多樣性與群落生物量之間的關系隨著羊草基因型多樣性的增加逐漸由負相關過渡到正相關(圖6),表明了建群種基因型多樣性能夠調節群落物種多樣性與生物量之間的關系。

3.2 羊草基因型多樣性和物種多樣性對多樣性凈效應、選擇效應和互補效應的影響

本研究所得多樣性凈效應、互補效應以及選擇效應中負效應所占比例較大,這與本研究個體間距較近,實驗期間無營養補充,植物對資源的競爭強度大有關,也與計算效應值所用對照組為羊草基因型單種或者物種單種而無法估計基因型間或者物種間相互關系有關。進一步分析可以發現物種多樣性、基因型多樣性以及它們的交互作用均對地上、地下和總生物量的多樣性凈效應具有顯著影響(P<0.05,表1)。這說明了在兩種多樣性層次交互實驗體系中兩者之間不是相互獨立的,且兩者對多樣性凈效應產生了截然相反的作用,即物種多樣性相同的情況下,隨著羊草基因型多樣性的增加多樣性凈效應值逐漸降低；而在羊草基因型多樣性相同的條件下,隨著物種多樣性的增加多樣性凈效應值有逐漸增加的趨勢(圖1)。這為生物量在不同處理間無顯著差異提供了理論解釋,也為隨著羊草基因型多樣性的增加,物種多樣性與生物量之間的相關關系由負值變為正值(圖6)提供了解釋；同時也表明羊草基因型多樣性對群落物種多樣性生態功能的發揮具有重要作用。Crawford和Rudgers[18]研究發現大湖沙丘生態系統中物種多樣性和建群種美洲沙茅草基因型多樣性之間的相互作用主要是由負的非加性效應引起的,產生這種非加性效應的原因是基因型多樣性能夠改變物種多樣性與生產力之間的關系。李軍鵬[30]和申俊芳等[16]在研究羊草基因型多樣性時發現,多基因型羊草組合不僅能夠增加羊草種群生物量,而且能增強羊草種群對干擾的耐受性。本研究結果(圖3)以及楊雪等[15]也證明了羊草基因型間性狀差異顯著,這為羊草基因型多樣性效應主要受互補效應影響提供了直接證據。且就多樣性凈效應、互補效應以及選擇效應在不同處理間的變化趨勢來看(圖1,圖2),本研究也支持非加性效應中互補效應而非選擇效應對多樣性凈效應的貢獻更大這一觀點。

群落物種多樣性與建群種羊草基因型多樣性的交互實驗結果反映了內蒙古典型草原群落內物種多樣性/建群種基因型多樣性在維持生物量穩定、資源利用和種間相互作用方面的復雜關系,與單一層次生物多樣性相比反映了更加復雜和全面的信息。