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        來源:Frontiers of Agricultural Science & Engineering 發布時間:2022/6/23 11:09:54
        選擇字號:
        FASE | 前沿研究:長期定位試驗證實植物功能性狀法可以實現草地系統的多重功能

        論文標題:The Role of Long-Term Experiments in Validating Trait-Based Approaches to Achieving Multifunctionality in Grasslands (長期定位試驗證實植物功能性狀法可以實現草地系統的多重功能)

        期刊:Frontiers of Agricultural Science & Engineering

        作者:Jonathan STORKEY, Andrew J. MACDONALD

        發表時間:15 Jun 2022

        DOI: 10.15302/J-FASE-2021438

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        可持續作物與牧草系統

        Sustainable Crop and Pasture Systems

        專 輯 文 章 介 紹

        · 第三篇 ·

        ▎論文ID

        The Role of Long-Term Experiments in Validating Trait-Based Approaches to Achieving Multifunctionality in Grasslands

        長期定位試驗證實植物功能性狀法可以實現草地系統的多重功能

        發表年份:2022年

        第一作者:Jonathan Storkey

        通訊作者:Jonathan Storkey

        : jonathan.storkey@rothamsted.ac.uk

        作者單位:英國洛桑實驗站

        Cite this article :

        Jonathan STORKEY, Andrew J. MACDONALD. THE ROLE OF LONG-TERM EXPERIMENTS IN VALIDATING TRAIT-BASED APPROACHES TO ACHIEVING MULTIFUNCTIONALITY IN GRASSLANDS. Front. Agr. Sci. Eng., https://doi.org/10.15302/J-FASE-2021438

        · 文 章 亮 點 ·

        1. 公園草地試驗(Park Grass Experiment)的數據結果顯示物種豐富度、生物量生產和土壤有機碳之間存在內在權衡;

        2. 土壤有機碳含量與地上生物量呈正相關,地上生物量隨肥料投入而增加;

        3. 生態系統服務的變異主要來源于植物群落主導的生態策略的差異(通過植物功能性狀體現);

        4. 與資源獲取時空模式有關的特征數據可用于設計具有更多資源利用互補性、更高物種豐富度且不犧牲生產力的物種混作體系;

        5. 土壤有機碳含量的變化與pH值呈正相關關系。

        · Graphical abstract ·

        · 文 章 摘 要 ·

        量化植物功能性狀和生態系統服務之間的關系被認為是實現多功能草原系統的途徑,而確定性狀和服務之間的權衡和協同關系,很大程度上依賴于對不同系統和環境的研究進行meta分析。本研究證實草原系統的長期試驗可以探究性狀與服務權衡和協同關系背后的生態約束。本研究采用洛桑試驗站公園草地實驗的地上生物量、物種豐富度和土壤有機碳的數據來量化這三個指標之間的關系,并且解釋植物功能性狀的變異程度。結果表明,在具有高生產力、氮素投入和土壤有機碳的地塊與具有高物種豐富度的地塊之間存在著一種權衡,這種權衡主要來源于不同資源獲取策略的功能性狀梯度。

        · 研 究 內 容 ·

        ▎引言

        生態系統服務包括四個類別:供給、調節、支持和文化服務。在歐洲草原集約化管理的背景下,在提高草地生產力(供應服務)的同時卻造成了土壤溫室氣體排放(調節服務)、土壤質量降低(支持服務)和生物多樣性減少(文化和調節服務)?;诓莸亻L期定位試驗,研究者可以獲取同一時空維度下植物功能性狀、環境管理信息和生態系統服務的數據,通過探究植物群落功能性狀組成變化對多個生態系統服務的影響,將有助于建立協同不同生態系統服務的草地系統。

        · 材 料 和 方 法 ·

        本研究基于英國洛桑試驗站的公園草地長期定位試驗,選取了1998–2002年74個不同施肥處理的地塊。測定了植物群落物種組成(1998–2000年),群落及各物種的地上生物量,土壤有機碳(2002年)。同時基于線上的植物性狀數據庫(生育期、開花時間、持花期、株高、葉片干物質含量LDMC、比葉面積SLA、根冠比),根據各物種地上生物量占群落總地上生物量的比例,可用功能性狀多樣性以及單個性狀的加權均值(CWM)來標識群落的植物性狀:

        其中,n是種群中物種數量,pi是物種i的比重(物種i的重量/所有物種的重量),traiti是物種i的性狀值。

        此外,將土壤pH值、肥料用量與植物性狀CWM值作為解釋變量,通過逐步(廣義線性)多重線性回歸模型篩選,構建了預測五個響應變量(地上生物量、土壤有機碳、物種豐富度、校正地上生物量、校正土壤有機碳)的最簡線性模型。

        · 研 究 結 果 ·

        在公園草地試驗中,不施氮和/或磷地塊的地上生物量最小,非禾本科植物生物量比例最大。施用了磷鉀肥但不施氮(或低量氮肥)的地塊上生物量處于中等水平,其中豆科植物比例最大。施用最高施氮量(144 kg·ha−1 N)并配以磷鉀肥的地塊生物量最高,作物種類以禾本科草類為主。

        地上生物量與物種豐富度之間存在顯著的負相關關系,而地上生物量與土壤有機碳之間存在正相關關系(圖1a, b)。物種豐富度也與土壤有機碳呈顯著負相關(圖1c)。因為氮肥投入增加地上生物量,所以土壤有機碳與氮肥投入呈現正相關關系(圖1d)。

        圖1 地上生物量、物種豐富度、土壤有機碳和氮肥投入的相關關系

        植物功能性狀的主成分分析反映了廣泛的植物生態策略(圖2)。第一個主成分體現了與粗放型策略相關的性狀(短生育期、高比葉面積和開花早),第二個主成分體現了與光照競爭(高植株)和資源保護(高葉片干物質含量、長生育期)相關的性狀。

        圖2 植物物種功能性狀的主成分分析

        五個響應變量的變異一定程度上可以由多個植物性狀所解釋(表1)。在與資源獲?。ū热~面積大)和光照競爭(株高大,根冠比大)有關的性狀的地塊上,植物地上生物量較高,而且生育期較短、開花較早的物種比例較高。土壤有機碳的變異主要是由植物生產的碳輸入驅動的,土壤有機碳與地上生物量之間存在正相關關系(圖1b)。因此,生物量等相關性狀可以解釋土壤有機碳的變異。

        表1 單個群落功能性狀對地上生物量、物種豐富度和土壤有機碳的影響

        物種豐富度較高的地塊上植物性狀呈現出資源節約策略(長生育期)和地下資源競爭(株高大,根冠比大)的特征。單個性狀對單位生物量的物種豐富度和單位施氮量的土壤有機碳影響較小。然而,在生產力水平一定的情況下,物種豐富度較高的地塊往往具有平衡地上和地下資源競爭的性狀組合(株高大,根冠比大)。

        雖然植株開展度與施氮時單位土壤有機碳下對數加權的種子重量之間存在顯著關系,但在土壤有機碳或單位施氮量土壤有機碳最佳模型中并不含植物性狀這一變量,土壤有機碳的變異主要來源于氮投入和pH值;值得注意的是,有機物料添加對土壤有機碳沒有顯著影響。然而,納入植物功能性狀作為變量可以提高模型對其它響應變量的解釋能力(表2)。生物量模型中保留了比葉面積,在物種豐富度模型中保留了根冠比,在單位生物量物種豐富度模型中保留了葉片干物質含量及其功能多樣性(圖3)。

        表2 響應變量(地上生物量、物種豐富度和土壤有機碳)的最佳預測模型

        圖3 最優模型中顯著植物性狀變量對響應變量的影響

        · 討 論 ·

        在公園草地試驗中,供給服務(地上生物量)、支持服務(土壤有機碳)與文化服務(物種豐富度)存在不可避免的權衡關系,沒有任何一種管理措施能同時使三種生態系統服務最大化。

        地上生物量和物種豐富度的權衡關系表明了植物競爭性排斥的生態過程。在施肥情況下,地下資源不再限制植物生長,所以草地系統體現了更適應地上競爭的物種的選擇效應。部分功能性狀具有共線性,最優模型中的功能性狀變量揭示了不同植物生長策略。值得特別關注的是,正向變異的地塊(在一定的生產力水平下,物種豐富度更高),具有多種與資源時空利用相關的植物功能性狀,這表明資源利用的互補效應得到了增強。同時競爭性較強的非禾本科草類有利于提高協同生產力和物種豐富度。

        未來研究中,需要進一步引入其它重要解釋變量(如土壤養分、土壤微生物、根系深度、植株碳氮比等)來研究它們如何影響各種生態系統服務,探索實現多項生態系統服務協同效果的草地管理模式。

        · 結 論 ·

        草地長期定位試驗是研究多種生態系統服務互作關系的理想方法,探究植物功能性狀如何影響多種生態系統服務有助于明確多功能草地的可持續管理模式。

        摘要

        Quantifying the relationships between plant functional traits and ecosystem services has been promoted as an approach to achieving multifunctional grassland systems that balance productivity with other regulating, supporting and cultural services. Establishing trade-offs and synergies between traits and services has largely relied on meta-analyses of studies from different systems and environments. This study demonstrated the value of focused studies of long-term experiments in grassland systems that measure traits and services in the same space and time to better understand the ecological constraints underlying these trade-offs and synergies. An analysis is presented that uses data from the Park Grass Experiment at Rothamsted Research on above-ground productivity, species richness and soil organic carbon stocks to quantify the relationships between these three outcomes and the power of variance in plant functional traits in explaining them. There was a trade-off between plots with high productivity, nitrogen inputs and soil organic carbon and plots with high species richness that was explained by a functional gradient of traits that are indicative of contrasting strategies of resource acquisition of resource conservation. Examples were identified of using functional traits to identify opportunities for mitigating these trade-offs and moving toward more multifunctional systems.

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