Bằng chứng cho ảnh hưởng gián tiếp của đa dạng sinh học và thành phần thực vật đến quá trình nitrat hóa ròng

Springer Science and Business Media LLC - Tập 330 - Trang 435-445 - 2009
Daniel C. Laughlin1,2, Stephen C. Hart3, Jason P. Kaye4, Margaret M. Moore1
1School of Forestry, Northern Arizona University, Flagstaff, USA
2Ecological Restoration Institute, Northern Arizona University, Flagstaff, USA
3School of Natural Sciences and Sierra Nevada Research Institute, University of California, Merced, Merced, USA
4Department of Crop and Soil Sciences, The Pennsylvania State University, University Park, USA

Tóm tắt

Các yếu tố abiotic ảnh hưởng đến tỷ lệ nitrat hóa ròng đã được ghi nhận rõ ràng, nhưng các tác động tiềm tàng của thực vật đối với quá trình sinh thái quan trọng này vẫn chưa được hiểu rõ. Chúng tôi đã đánh giá bốn mô hình phương trình cấu trúc để xác định tầm quan trọng tương đối của thành phần cộng đồng thực vật, năng suất thảo mộc trên mặt đất và độ phong phú loài thực vật đối với sự phong phú của vi khuẩn nitrat hóa và nitrat hóa ròng sau các biện pháp phục hồi trong một khu rừng thông ponderosa. Tiêu chí chọn mô hình cho thấy độ phong phú loài là yếu tố dự đoán tốt nhất về sự phong phú của vi khuẩn nitrat hóa, nhưng một mô hình bao gồm các tác động của thành phần cộng đồng cũng được hỗ trợ nhất định trong dữ liệu. Kết quả mô hình cho thấy rằng nitrat hóa ròng có liên quan gián tiếp đến độ phong phú loài thông qua mối quan hệ tích cực giữa độ phong phú loài và sự phong phú của vi khuẩn nitrat hóa. Thành phần cộng đồng có liên quan gián tiếp đến sự phong phú của vi khuẩn nitrat hóa thông qua mối quan hệ của nó với độ phong phú loài. Mô hình của chúng tôi chỉ ra rằng các cộng đồng thực vật đa dạng phong phú với C3 graminoids và đậu có liên quan đến các loại đất có sự phong phú cao của vi khuẩn nitrat hóa. Nghiên cứu này nhấn mạnh sự phức tạp trong việc giải mã các hiệu ứng của các biện pháp sinh thái đối với phản ứng hệ thống khi nhiều yếu tố tương tác bị ảnh hưởng đồng thời. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng đa dạng và thành phần thực vật có thể đều phản ứng với việc làm thông rừng, cháy theo kế hoạch và các thao tác nhiên liệu, và có thể là những yếu tố có thể gián tiếp ảnh hưởng đến một quá trình sinh thái như nitrat hóa. Các biện pháp phục hồi sinh thái nhằm tăng cường đa dạng thực vật và thay đổi thành phần cộng đồng có thể có những tác động dây chuyền đến các quá trình dưới mặt đất.

Từ khóa

#Đa dạng sinh học #thành phần thực vật #nitrat hóa #phục hồi sinh thái #hệ sinh thái

Tài liệu tham khảo

Bardgett RD, Shine A (1999) Linkages between plant litter diversity, soil microbial biomass and ecosystem function in temperate grasslands. Soil Biol Biochem 31:317–321 Bardgett RD, Mawdsley JL, Edwards S, Hobbs PJ, Rodwell JS, Davies WJ (1999) Plant species and nitrogen effects on soil biological properties of temperate upland grasslands. Funct Ecol 13:650–660 Belser LW (1979) Population ecology of nitrifying bacteria. Annu Rev Microbiol 33:309–333 Binkley D, Hart SC (1989) The components of nitrogen availability assessments in forest soils. Adv Soil Sci 10:57–112 Bonham CD (1989) Measurements of terrestrial vegetation. Wiley, New York Burnham KP, Anderson DR (2002) Model selection and multi-model inference: a practical information-theoretic approach. Springer, New York Carney KM, Matson PA, Bohannan BJM (2004) Diversity and composition of tropical soil nitrifiers across a plant diversity gradient and among land-use types. Ecol Lett 7:684–694 Covington WW, Fulé PZ, Moore MM, Hart SC, Kolb TE, Mast JN, Sackett SS, Wagner MR (1997) Restoration of ecosystem health in southwestern ponderosa pine forests. J For 95:23–29 Davidson EA, Stark JM, Firestone MK (1990) Microbial production and consumption of nitrate in an annual grassland. Ecology 71:1968–1975 Denton CS, Bardgett RD, Cook R, Hobbs PJ (1999) Low amounts of root herbivory positively influences the rhizosphere microbial community of a temperate grassland soil. Soil Biol Biochem 31:155–165 Grace JB (2006) Structural equation modeling and natural systems. Cambridge University Press Grace JB, Anderson TM, Smith MD, Seabloom E, Andelman SJ, Meche G, Weiher E, Allain LK, Jutila H, Sankaran M, Knops J, Ritchie M, Willig MR (2007) Does species diversity limit productivity in natural grassland communities? Ecol Lett 10:680–689 Griffiths BS, Ritz K, Ebblewhite N, Dobson G (1999) Soil microbial community structure: effects of substrate loading rates. Soil Biol Biochem 31:145–153 Grime JP (1998) Benefits of plant diversity to ecosystems: immediate, filter, and founder effects. J Ecol 86:902–910 Grime JP (2001) Plant strategies, vegetation processes, and ecosystem properties, 2nd edn. Wiley, West Sussex Gross K, Cardinale BJ (2007) Does species richness drive community production or vice versa? Reconciling historical and contemporary paradigms in competitive communities. Am Nat 170:207–220 Hart SC, Stark JM, Davidson EA, Firestone MK (1994) Nitrogen mineralization, immobilization, and nitrification. In: Weaver RW et al (eds) Methods of soil analysis, Part 2: Microbiological and biochemical properties. SSSA Book Series No. 5, Madison, pp 985–1018 Hart SC, DeLuca TH, Newman GS, MacKenzie MD, Boyle SI (2005) Post-fire vegetative dynamics as drivers of microbial community structure and function in forest soils. For Ecol Manag 220:166–184 Hart SC, Selmants PC, Boyle SI, Overby ST (2006) Carbon and nitrogen cycling in southwestern ponderosa pine forests. For Sci 52:683–693 Kahmen A, Perner J, Audorff V, Weisser W, Buchmann N (2005) Effects of plant diversity, community composition and environmental parameters on productivity in montane European grasslands. Oecologia 142:606–615 Kaye J, Hart SC (1997) Competition for nitrogen between plants and soil microorganisms. Trends Ecol Evol 12:139–143 Kaye J, Hart SC (1998) Ecological restoration alters nitrogen transformation in a ponderosa-pine-bunchgrass ecosystem. Ecol Appl 8:1052–1060 Lachat Instruments, Inc (1992) QuikChem Method No. 13-107-06-2-D. Milwaukee Laughlin RJ, Stevens RJ, Müller C, Watson CJ (2008) Evidence that fungi can oxidize NH +4 to NO -3 in a grassland soil. Eur J Soil Sci 59:285–291 Lodhi MAK, Killingbeck KT (1980) Allelopathic inhibition of nitrification and nitrifying bacteria in a ponderosa pine (Pinus ponderosa Dougl.) community. Am J Bot 67:1423–1429 McCune B, Grace JB (2002) Analysis of ecological communities. MjM Software Design, Gleneden Beach Mikola J, Barker GM, Wardle DA (2000) Linking above-ground and below-ground effects in autotrophic microcosms: effects of shading and defoliation on plant and soil properties. Oikos 89:577–587 Moore MM, Casey CA, Bakker JD, Springer JD, Fulé PZ, Covington WW, Laughlin DC (2006) Herbaceous response to restoration treatments in a ponderosa pine forest, 1992–2004. Rangel Ecol Manage 59:135–144 Muthén LK, Muthén BO (2005) Mplus user’s guide, 3rd edition. Los Angeles Nelson DW, Sommers LE (1982) Total carbon, organic carbon, and organic matter. In: Page AL, Miller RH, Keeney DR (eds) Methods of soil analysis, Part 2. Chemical and microbiological properties. Agronomy Monograph 9, Agronomy Society of America, Madison, pp 539–579 Niklaus PA, Kandeler E, Leadley PW, Schmid B, Tscherko D, Korner C (2001) A link between plant diversity, elevated CO2 and soil nitrate. Oecologia 127:540–548 Parkinson JA, Allen SE (1975) A wet oxidation procedure suitable for the determination of nitrogen and mineral nutrients in biological material. Commun Soil Sci Plant Anal 6:1–11 Perry DA, Oren R, Hart SC (2008) Forest ecosystems, 2nd edn. The Johns Hopkins University Press, Baltimore Robertson GP, Groffman PM (2007) Nitrogen transformations. In: Paul EA (ed) Soil microbiology, ecology, and biochemistry. Academic, Elsevier, pp 341–364 Schlesinger WH (1997) Biogeochemistry: An analysis of global change, 2nd edition. Academic Schmid B, Joshi J, Schlapfer F (2002) Empirical evidence for biodiversity-ecosystem functioning relationships. In: Kinzig AP, Pacala SW, Tilman D (eds) The functional consequences of biodiversity: Empirical progress and theoretical extensions. Monographs in Population Biology 33, Princeton University Press, Princeton, pp 120–150 Spehn EM, Joshi J, Schmid B, Alphei J, Korner C (2000) Plant diversity effects on soil heterotrophic activity in experimental grassland ecosystems. Plant Soil 224:217–230 Stark JM, Hart SC (1997) High rates of nitrification and nitrate turnover in undisturbed coniferous forest. Nature 385:61–64 Stephan A, Meyer AH, Schmid B (2000) Plant diversity affects culturable soil bacteria in experimental grassland communities. J Ecol 88:988–998 Tilman D, Wedin D, Knops J (1996) Effects of biodiversity on nutrient retention and productivity in grasslands. Nature 379:718–720 Wardle DA (2002) Communities and ecosystems: Linking the aboveground and belowground components. Monographs in Population Biology 34, Princeton University Press, Princeton Wardle DA, Bonner KI, Barker GM, Yeates GW, Nicholson KS, Bardgett RD, Watson RN, Ghani A (1999) Plant removals in perennial grassland: vegetation dynamics, decomposers, soil biodiversity, and ecosystem properties. Ecol Monogr 69:535–568 West JB, Hobbie SE, Reich PB (2006) Effects of plant species diversity, atmospheric [CO2], and N addition on gross rates of inorganic N release from soil organic matter. Glob Chang Biol 12:1400–1408 Zak DR, Holmes WE, White DC, Peacock AD, Tilman D (2003) Plant diversity, soil microbial communities, and ecosystem function: are there any links? Ecology 84:2042–2050