在沙漠环境中植物如何争夺水分

在最近的《美国植物学报》上发表的一项研究中，美国亚利桑那大学的一个研究团队，对两个重要变量——竞争和水利用率——对植物群落的影响进行了调查研究。他们发现，水利用率和相对生长率控制沙漠植物的竞争相互作用。

　　

生物通报道：很多人认为沙漠是缺乏生命的地方，但是许多动植物已经适应了这种恶劣的环境，在那里它们经常争夺有限的资源。在沙漠环境中，最有限的资源通常是水，迫使植物采取不同的策略，与它们的“邻居”竞争这一宝贵资源。

在自然环境中，水的供应往往是随机的——有的年份和地区能够收到大量的降雨，而其他的地区和年份则保持干燥。在干旱年份，更高效地使用水的植物往往是成功者。这一成功带来一种折衷，在雨水较多的年份，这些高效率的植物能够与生长更快的植物进行斗争。

对于沙漠来说，多变的气候很常见，所以植物群落模式能够在多雨和干燥年份之间进行变化，在多雨年份植物具有高的密度和多样性，在干旱年份其物种总量和数目则降低。美国亚利桑那大学的一个研究团队，对两个重要变量——竞争和水利用率——对植物群落的影响进行了调查研究，并将研究结果发表在最近的《美国植物学报》（American Journal of Botany）。

Jennifer Gremer和同事们，调查研究了三种广泛和丰富的索诺兰沙漠本土植物，这些植物通过占据相对生长率和水利用效率之间的折衷范围内的不同位置，能够利用不同的策略应对这种多变的沙漠环境。研究人员通过测量嫩枝、茎和根的植物生物量，解释了植物如何响应不同的条件（如高和低的水可利用量和竞争）。

随着气候变化的开始，沙漠变得越来越炎热干燥，并已成为全球变化模型的一个焦点。Gremer解释道：“索诺兰沙漠已经开始表现出这样的变化。具体而言，在过去30年，植物群落的组成已经变化，具有高水分利用率的物种越来越常见，而具有高的相对生长速率的物种正在衰退。”

研究结果表明，当单独生长时，所有的物种都能在潮湿的环境中更好地生长；然而，当存在竞争时，水的可利用量具有更多的影响。具有更快生长率的物种，在潮湿环境中受竞争的影响较小，而那些具有更高水利用率的物种，受干旱环境的影响较小。

Gremer解释道：“这些观察到的影响，解释了在长期数据中看到的模式，违反了许多读者的直觉，因为当条件不理想时，一些植物实际上可能表现更好。”然而，在这项研究的大多数设置中，中间物种具有所有物种中最大的竞争性影响。中间物种还被观察到具有高水平的种内竞争，说明了为什么中间物种不能有竞争力地排除其它物种的原因。

他们的结果表明，一些植物在潮湿环境中更擅长竞争，而其它一些物种则在干旱环境中更擅长竞争。通过观察重要的特征、水利用率和生长率，它们能够预测这种模式，决定它们将如何对有限的资源作出反应。这对未来的研究具有很大的启示。Gremer说：“生态学的一个主要挑战在于，发现能被用作指示器来预测植物如何响应的特性或特征，而无需研究每一个物种。在我们的系统中，我们已经成功做到了这一点。”然而，这些特征在所有系统中可能不是最重要的因素。增强我们对这些特征如何介导不同条件下竞争的理解，不论对本土和非本土植物，还是对于考虑气候变化和外来物种的威胁都非常重要。

Gremer说：“我们需要了解竞争和水可利用量在我们系统长期模式中的作用。这有助于理解对气候变化的响应，预测未来这些群落将会是什么样子。”（生物通：王英）

生物通推荐原文摘要：
Water-use efficiency and relative growth rate mediate competitive interactions in Sonoran Desert winter annual plants
PREMISE OF THE STUDY: A functional approach to investigating competitive interactions can provide a mechanistic understanding of processes driving population dynamics, community assembly, and the maintenance of biodiversity. In Sonoran Desert annual plants, a trade-off between relative growth rate (RGR) and water-use efficiency (WUE) contributes to species differences in population dynamics that promote long-term coexistence. Traits underlying this trade-off explain variation in demographic responses to precipitation as well as life history and phenological patterns. Here, we ask how these traits mediate competitive interactions.

METHODS: We conducted competition trials for three species occupying different positions along the RGR-WUE trade-off axis and compared the effects of competition at high and low soil moisture. We compared competitive effect (ability to suppress neighbors) and competitive response (ability to withstand competition from neighbors) among species.

KEY RESULTS: The RGR-WUE trade-off predicted shifts in competitive responses at different soil moistures. The high-RGR species was more resistant to competition in high water conditions, while the opposite was true for the high-WUE species. The intermediate RGR species tended to have the strongest impact on all neighbors, so competitive effects did not scale directly with differences in RGR and WUE among competitors. CONCLUSIONS: Our results reveal mechanisms underlying long-term variation in fitness: high-RGR species perform better in years with large, frequent rain events and can better withstand competition under wetter conditions. The opposite is true for high-WUE species. Such resource-dependent responses strongly influence community dynamics and can promote coexistence in variable environments.