“隐秘”的全球植物多样性丨笺草释木

编者按:植物发芽有时,开花有时,结实也有时,从一株植物到一个种群,再到一片群落和一个生态系统,从植物进化到植被演替,从一个样点到一片区域,植物是演变过程中生命更迭的记录者,更是岁月变迁中生命力量的守护者。植物是自然的缩影,与世间万物都有千丝万缕的联系,沟通着人与自然。中科院之声与中国科学院植物研究所联合开设“笺草释木”,在这里,我们一起解读植物,解读自然,解读生命的秘密,和草木一起,不辜负每一个季节。

大多数植物依赖于种子实现繁殖更新。种子成熟后从母株传播到土壤表层凋落物中或进入土壤中形成土壤种子库,它是植物群落多样性的“隐秘”部分。在地上植被更新时,土壤种子库是幼苗补充的来源(图1)。因此,土壤种子库是未来地上植被多样性的重要载体,决定着生态系统受干扰后的复原力,对于维持地上植被多样性具有重要作用。土壤种子库通过贮存效应(即通过种子贮存繁殖潜力以渡过环境不利的时期)和增加基因库等机制维持地下种群的多样性,实现对冲环境变化的风险。

“隐秘”的全球植物多样性丨笺草释木

图1 温带落叶阔叶林中土壤种子库萌发出的幼苗(红色箭头所示)

科学家很早就认识到土壤种子库与地上植被之间不仅在组成上、而且在对环境变化的响应上都存在巨大差异。因此,为了准确预测和应对全球变化对植物多样性的影响,不仅需要理解地上植被对环境变化的响应,对土壤种子库的响应规律的认识也不可或缺。对于土壤种子库的研究已有一个多世纪,但是绝大多数的实验都是在局地尺度上开展的,土壤种子库的全球分布格局、以及环境因子如何驱动土壤种子库的分布仍是未解之谜。

近期,中科院植物所黄振英研究组针对这一科学问题进行了深入研究。研究人员通过整合全球范围自然群落中的土壤种子库多样性和密度研究数据,建立了全球土壤种子库数据库,该数据库涵盖了超过一个世纪的土壤种子库研究(所包括的最早研究为1918年),是迄今为止最全面的全球土壤种子库数据库。基于这一数据库,研究人员进一步解析了土壤种子库的全球格局和主要环境驱动因子,并预测了全球土壤种子库多样性和密度的分布。

研究人员发现,土壤种子库多样性和密度在不同生态系统类型之间存在明显差异。极地苔原、红树林和热带亚热带地区的干性阔叶林中土壤种子库多样性较低,而地中海森林与灌木林、热带亚热带地区的湿性阔叶林与针叶林中土壤种子库多样性较高。对于土壤种子库密度而言,红树林和湿地草原与稀树草原中土壤种子库密度较低,而温带阔叶林与混交林和温带针叶林中土壤种子库密度较高。

通过随机森林模型分析,研究人员发现纬度是预测土壤种子库多样性的重要因子。此外,还发现决定土壤种子库多样性和密度的环境因子也存在差异。具体来说,决定土壤种子库多样性的主要因素是气候和土壤特征,而决定土壤种子库密度的主要因素是净初级生产力和土壤特性(图2)。气候和土壤因子可能主要通过影响种子产量(决定了进入土壤种子库的种子数量)和土壤病原体活性(决定了土壤种子库的种子消耗量)等机制,进而决定全球土壤种子库的组成和分布。

“隐秘”的全球植物多样性丨笺草释木

图2 随机森林模型分析得出影响多样性(a)和密度(b)的各环境因子重要性排序

研究人员进一步预测了土壤种子库的分布,发现土壤种子库具有明显的空间格局(图3)。在全球尺度上,土壤种子库多样性和密度呈现高纬度寒带地区总体高于低纬度热带地区的分布格局,这可能与高纬度地区的低温延长了种子寿命有关。地上植被多样性较高的低纬度地区(如热带雨林区)的土壤种子库密度较低,可能在受自然或人为干扰后的复原力更差。

“隐秘”的全球植物多样性丨笺草释木

图3 土壤种子库多样性(a)和密度(b)的全球预测分布图

上述研究结果揭示了土壤种子库——这一“隐秘”的植物多样性在全球尺度上的分布格局,并解析了影响土壤种子库分布的主要环境因子,为全球生物多样性的保护与恢复提供了新的视角,同时也有助于更精准地预测植物群落和群系在未来全球变化条件下的脆弱性和复原力。

该研究成果于2021年12月2日正式发表于国际学术期刊Nature Communications上。植物所杨学军副研究员为第一作者,黄振英研究员为通讯作者,美国、英国、荷兰学者合作参与了该研究。研究得到了国家自然科学基金委项目的资助。

参考文献:

1. Moore, P. D. Soil seed banks. Nature 284, 123–124 (1980).

2. Simpson, R. L., Leck, M. A. & Parker, V. T. Seed banks: General concepts and methodological issues. In Ecology of Soil Seed Banks (eds Leck, M. A., Parker, V. T. & Simpson, R. L.) 3–8 (Academic Press, 1989).

3. Alexander, H. M. et al. Metapopulations and metacommunities: combining spatial and temporal perspectives in plant ecology. J. Ecol. 100, 88–103 (2012).

来源:中国科学院植物研究所

原创文章,作者:阿峰,如若转载,请注明出处:http://51xz.net/1593.html

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