基于性状的树木根系功能权衡及其对分解的影响
文献类型：学位论文
| 作者 | 郑甲佳 |
| 答辩日期 | 2024-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 李胜功 ; 寇亮 |
| 关键词 | 吸收根 根性状 根过程 根经济空间 根分解 菌根类型 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 根系是植物地下养分吸收器官。根系过程在植物生存策略、群落构建及生态系统功能中发挥重要作用。根系与土壤生物和非生物互作频繁，这决定了根系在帮助植物获取土壤资源的同时也要防御土壤生物的侵害和非生物逆境的胁迫。因此，植物需要在土壤资源获取和防御能力之间做出权衡以适应复杂的地下环境，包括与不同类型的微生物（如丛枝菌根（AM）和外生菌根（EcM）真菌）建立共生合作关系。这些权衡通过介导根系的化学组成，会对死亡根系分解过程中的养分释放产生遗留效应，而养分释放的快慢反过来又可能影响新根重新获取资源的能力，这些权衡或遗留效应暗示植物根系过程之间是相互耦联的。然而，迄今大多研究关注根系单一过程，而对根系多过程（如养分获取、化学防御、分解养分释放等）之间的耦联关系及植物地下养分循环模式尚不清楚。鉴于此，我们提出了一个基于根性状的“获取（Acquisition）-防御（Defence）-分解（Decomposition）（简称ADD）”概念框架，用来描述植物在资源获取、化学防御和根分解过程间的耦联关系。我们以中国温带和亚热带森林中90种常见乔木树种（包括AM和EcM树种）为研究对象，测定了吸收根（根系统最末端2个根级）形态、结构、化学和解剖等性状，来检验获取、防御和分解之间的耦联联系以及系统发育在其中的调控作用（科学问题1）。自然界中90%以上的植物的根系可与真菌建立共生关系并形成菌根，而AM和EcM进化历史和共生途径截然不同，因此，我们进一步探究了菌根共生类型（AMvsEcM）对ADD耦联模式的调控作用（科学问题2）。此外，自然界植物群落通常多物种共存，其凋落物分解一般是多物种的混合分解，因此，我们进一步探讨了“获取-防御”耦联对吸收根混合分解的影响（科学问题3）。主要研究结果如下：（1）吸收根养分获取-化学防御-养分释放（分解）的耦联关系基于多维度根经济空间识别了根系在资源获取方面的两种策略：即“寿命梯度”（由比根长和组织密度主导）代表了从短寿命根的获取型策略物种到长寿命根的保守型策略物种；“共生梯度”（由根直径/皮层和分支强度主导），表征了植物获取养分时对菌根共生的依赖程度。研究结果显示“根-真菌共生梯度”、根化学防御（缩合单宁）和根分解速率密切相关。具体而言，根系对共生真菌的依赖性越强，其化学防御越低，进而导致了更快的分解速率。总而言之，基于性状的ADD框架可表征植物如何协调根系资源获取、化学防御和养分再利用（通过根系分解释放养分），在根系-土壤系统中形成养分反馈环。此外，发现植物根系对共生真菌的依赖性与其进化史有关。根系的总体进化趋势朝着对共生真菌的依赖性逐渐降低，而对根系自身投资更多的方向进行，从而导致较高的化学防御和更慢的养分归还。这种演变模式对包括资源获取和防御在内的多维地下策略和养分循环模式具有深远影响。（2）菌根类型对吸收根养分获取-化学防御-养分释放（分解）耦联关系的调控作用区分菌根类型后，ADD耦联模式在AM和EcM树种中仍然存在但具有明显分异，这种差异本质上是由二者在“共生-防御”间的关系不同所致。在AM树种中，对真菌依赖性较高的物种，其根系具有较低的化学防御，从而加快了分解；在EcM树种中，对真菌依赖性较高的物种，其根系具有较高的化学防御，进而减缓了分解。EcM树种“共生-防御”间的协同关系可能是由于植物为了约束共生真菌欺骗行为而导致的次生代谢物质在根外皮层细胞积累。此外，由科水平上估计的进化时间与菌根共生梯度的关系表明，植物的ADD耦联模式是渐变的，从较古老的分类群中的“高AM共生-低防御-快分解-无机养分”模式逐渐演变到更现代分类群中的“高EcM共生-高防御-慢分解-有机养分”模式。传统研究多基于二分法，来区分AM主导森林和EcM主导森林的养分循环模式。本研究通过量化地下功能性状，构建多维性状谱系，发现从AM树种的快养分循环到EcM树种的慢养分循环之间可能会形成多重过渡，这为进一步阐明不同菌根类型树种养分循环模式提供了新思路。（3）吸收根“养分获取-化学防御”耦联模式对吸收根混合分解的影响基于两两物种组合（包括相同和不同菌根类型间组合）的吸收根混合分解表明，约80%的物种组合比其对应的单一物种具有更快的分解速率，这表明存在强大的协同效应。这种协同效应的产生主要受菌根类型组合的影响。具体而言，根系在资源获取方面对菌根依赖性（包括类型和强度）的不同导致了根化学防御能力（即防御性状）的差异。在混合分解中各组合物种间较大的根化学防御性状（尤其是缩合单宁）差异代表了其凋落物质量（即底物可用性）的较大差异，这通过微生物间的资源互补进一步诱导产生协同效应，从而加速了混合凋落物整体的分解速率。我们进一步发现，EcM根凋落物的混合比AM根凋落物混合更能引起正向的混合效应。总而言之，这些结果表明根系在“获取-防御”方面的耦联通过介导根化学组成而影响混合凋落物分解。因此，充分考虑多维度根过程间的耦联，并考虑菌根共生在其中的调控作用，可从根系过程的视角揭示植物群落物种共存和多样性维持机制。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 125 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/209268]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 郑甲佳. 基于性状的树木根系功能权衡及其对分解的影响[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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