凋落物养分释放与化感作用的协同效应对多样性-可入侵性关系的调控机制

本研究通过温室实验揭示凋落物物种丰富度通过调控养分释放和化感作用共同影响入侵植物生长的机制。研究发现，高多样性凋落物混合物可降低优势腐生真菌相对丰度，减少养分释放，同时增强对入侵植物美洲商陆（Phytolacca americana）的化感抑制效应。该研究为理解地下过程驱动多样性-可入侵性关系提供了新视角，对利用本土植物凋落物进行生态系统管理具有重要指导意义。

　　

1 引言

生物入侵对全球生物多样性和生态系统功能构成严重威胁。埃尔顿的生物抵抗假说认为，多样性越高的群落对入侵的抵抗能力越强。虽然地下过程在调节多样性-可入侵性关系中起关键作用，但凋落物作为地下过程的主要驱动因素，其作用尚未得到充分探索。

植物凋落物通过影响土壤养分有效性、次生化学物质和微生物群落来塑造生态系统。入侵植物通常产生木质素含量低、碳氮比低的凋落物，这些凋落物分解迅速，提高养分有效性，从而促进入侵植物生长。同时，入侵植物凋落物释放的化感物质还能抑制本地物种的建立和生长。然而，也有证据表明本土凋落物可能作为抵御入侵的天然屏障。

森林生态系统中，多种植物物种共存，产生不同类型的凋落物。凋落物混合会显著改变化学成分并重塑土壤微生物群落，从而改变土壤过程。混合凋落物为微生物分解者提供多样化资源，可能提高微生物多样性并刺激整体分解。此外，凋落物混合还能直接改变土壤真菌群落组成，影响养分释放模式。腐生真菌通过与植物病原菌和共生真菌竞争空间和养分，直接与植物相互作用。

除了养分供应，化感作用强度也会随凋落物物种丰富度变化。凋落物物种丰富度可能增强对入侵植物的化感抑制，因为具有强化感特性物种出现的概率增加。不同凋落物类型的化感物质可能互补，共同抑制入侵物种。因此，理解凋落物物种丰富度如何通过养分释放和化感作用调节多样性-可入侵性关系至关重要。

2 材料与方法

2.1 研究地点与物种

研究在山东半岛东部的昆嵛山国家级自然保护区进行。该区域属于暖温带落叶阔叶林类型，植物物种多样性高，群落结构复杂。研究选取了15种常见本土植物物种，包括8种乔木、5种灌木和2种藤本植物。入侵物种选用美洲商陆，该物种自2000年以来在山东省沿海防护林中迅速扩张，对生物多样性构成严重威胁。

2.2 凋落物添加实验

于2023年收集15种植物物种的凋落物材料，创建具有5个物种丰富度水平（1、3、6、9、15）的凋落物混合物。总共使用61种凋落物组合：15种单物种组合，15种三物种组合，15种六物种组合，15种九物种组合和1种十五物种组合。每个组合使用6克凋落物，各物种等量贡献。

2023年8月1-3日，同时开展三个平行实验：第一个实验研究凋落物物种丰富度对养分释放和土壤微生物群落的响应；第二个实验评估入侵植物对凋落物物种丰富度的生长响应；第三个实验通过添加活性炭吸附化感物质，评估化感作用的影响。

2.3 凋落物测量

培养10周后，收集剩余凋落物测量质量损失，分析碳氮浓度变化。计算碳氮释放百分比和净释放量。使用元素分析仪测定初始凋落物碳、氮和总酚浓度。

2.4 土壤微生物测量

聚焦真菌群落，因为植物凋落物对真菌群落的影响比细菌群落更强。使用EZNA土壤DNA试剂盒提取DNA，扩增真菌ITS1区域，在Illumina MiSeq平台上进行测序。使用UNITE数据库进行物种分类鉴定，通过FUNGuild数据库识别潜在功能群。

2.5 凋落物浸出液实验

为避免活性炭吸附养分造成的干扰，使用无菌凋落物浸出液评估化感作用。将每种凋落物按1:25比例浸入蒸馏水24小时，过滤除菌后按凋落物分解设计混合，得到61种不同的浸出液混合物。在灭菌土壤中播种美洲商陆种子，每周添加5毫升浸出液，6周后收获测量生物量。

2.6 统计分析

使用线性混合模型分析凋落物物种丰富度和活性炭添加对入侵植物性能的影响。通过PERMANOVA和NMDS分析真菌群落组成变化。使用回归分析检验凋落物碳氮释放百分比与物种丰富度的关系。引入相对混合效应指数评估物种丰富度的加性、协同或拮抗效应。

3 结果

研究发现，随着凋落物物种丰富度增加，优势腐生真菌的相对丰度降低，导致养分释放减少，从而抑制了美洲商陆的生长。同时，凋落物对入侵植物的化感抑制作用随着物种丰富度的增加而增强。

具体而言，高多样性凋落物混合物改变了土壤真菌群落结构，显著降低了某些关键腐生真菌类群的相对丰度。这些真菌类群与凋落物养分释放呈正相关，其丰度降低直接导致碳氮释放减少。在化感作用方面，混合凋落物浸出液对入侵植物生长的抑制效应强于单物种凋落物，表现出明显的协同抑制作用。

凋落物浸出液实验进一步证实了化感作用的重要性。在不同物种丰富度水平下，观察到的入侵植物生物量均低于预期值，相对混合效应指数显著小于零，表明混合凋落物产生了协同抑制效应。

这些结果表明，凋落物物种丰富度通过两种机制共同影响入侵植物成功：一是通过改变土壤微生物群落结构来调节养分释放；二是通过增强化感抑制作用。这两种机制的协同作用共同驱动了多样性-可入侵性关系。

研究结果强调了在生态系统管理中纳入本土植物凋落物的潜力，这有助于增强群落对入侵的抵抗能力，提高生态系统的稳定性和可持续性。通过调控凋落物多样性，可以更有效地管理生物入侵，保护生物多样性。