Các giảm sút về sinh khối cỏ bản địa liên quan đến hạn hán làm thuận lợi cho sự xâm lấn của một loại cỏ ngoại lai vào một hệ thống đồng cỏ mô hình

Oecologia - Tập 181 - Trang 175-183 - 2016
Anthony Manea1, Daniel R. Sloane1, Michelle R. Leishman1
1Department of Biological Sciences, Macquarie University, North Ryde, Australia

Tóm tắt

Sự thành công của cuộc xâm lấn của các loài thực vật ngoại lai thường phụ thuộc vào sự sẵn có của nguồn lực. Các khía cạnh của biến đổi khí hậu như nồng độ CO2 trong khí quyển gia tăng và các sự kiện khí hậu cực đoan sẽ trực tiếp và gián tiếp thay đổi sự sẵn có của nguồn lực trong các cộng đồng sinh thái. Việc hiểu cách mà những thay đổi liên quan đến biến đổi khí hậu này trong sự sẵn có của nguồn lực tương tác với nhau để ảnh hưởng tới sự thành công của cuộc xâm lấn của các loài thực vật ngoại lai là một vấn đề phức tạp. Mục tiêu của nghiên cứu này là đánh giá sự thành công trong việc thiết lập của một loài ngoại lai xâm lấn trong phản ứng với sự thay đổi trong sự sẵn có của nguồn lực liên quan đến biến đổi khí hậu (mức CO2 và sự sẵn có của nước trong đất) do hạn hán cực đoan. Chúng tôi đã trồng các mô hình đồng cỏ bao gồm bốn loài cỏ bản địa đồng sinh phổ biến ở Rừng Cumberland Plain thuộc miền Tây Sydney, Úc, dưới các mức CO2 tự nhiên và cao hơn, và áp dụng cho chúng một phương pháp xử lý hạn hán cực đoan. Sau đó, chúng tôi đã thêm hạt giống của một loài cỏ C3 xâm lấn cao, Ehrharta erecta, và đánh giá sự thành công trong việc thiết lập của nó (sản xuất sinh khối và sản lượng sinh sản). Chúng tôi phát hiện rằng sự giảm sản xuất sinh khối của các loài cỏ bản địa trong phản ứng với phương pháp xử lý hạn hán cực đoan đã tăng cường sự thành công trong việc thiết lập của E. erecta bằng cách tạo ra các xung nguồn lực trong ánh sáng và không gian. Thật bất ngờ, mức CO2 không ảnh hưởng đến sự thành công trong việc thiết lập của E. erecta. Kết quả của chúng tôi cho thấy rằng rủi ro xâm lấn của các đồng cỏ trong tương lai có thể liên kết với sự sẵn có của nước trong đất và phản ứng tiếp theo của thảm thực vật bản địa đang cư trú, do đó làm cho nó phụ thuộc mạnh vào bối cảnh.

Từ khóa

#biomass #climate change #exotic species #resource availability #invasion success

Tài liệu tham khảo

Ainsworth EA, Long SP (2005) What have we learned from 15 years of free-air CO2 enrichment (FACE)? A meta-analytic review of the responses of photosynthesis, canopy properties and plant production to rising CO2. New Phytol 165:351–372 Ainsworth EA, Rogers A (2007) The response of photosynthesis and stomatal conductance to rising [CO2]: mechanisms and environmental interactions. Plant Cell Environ 30:258–270 Asner GP, Elmore AJ, Olander LP, Martin RE, Harris TA (2004) Grazing systems, ecosystem responses and global change. Annu Rev Environ Resour 29:261–299 Baruch Z, Jackson R (2005) Responses of tropical native and invader C4 grasses to water stress, clipping and increased atmospheric CO2 concentration. Oecologia 145:522–532 Beierkuhnlein C, Thiel D, Jentsch A, Willner E, Kreyling J (2011) Ecotypes of European grass species respond differently to warming and extreme drought. J Ecol 99:703–713 Benson D, Howell J (2002) Cumberland Plain Woodland ecology then and now: interpretations and implications from the work of Robert Brown and others. Cunninghamia 7:631–650 Blumenthal DM (2006) Interactions between resource availability and enemy release in plant invasion. Ecol Lett 9:887–895 Blumenthal DM, Resco V, Morgan JA, Williams DG, LeCain DR, Hardy EM, Pendall E, Bladyka E (2013) Invasive forb benefits from water savings by native plants and carbon fertilization under elevated CO2 and warming. New Phytol 200:1156–1165 Bradley BA, Blumenthal DM, Wilcove DS, Ziska LH (2010) Predicting plant invasions in an era of global change. Trends Ecol Evol 25:310–318 Cavaleri MA, Sack L (2010) Comparative water use of native and invasive plants at multiple scales: a global meta-analysis. Ecology 91:2705–2715 Daehler CC (2003) Performance comparisons of co-occurring native and alien invasive plants: implications for conservation and restoration. Annu Rev Ecol Evol Syst 34:183–211 Davis MA, Grime JP, Thompson K (2000) Fluctuating resources in plant communities: a general theory of invasibility. J Ecol 88:528–534 De Boeck HJ, Dreesen FE, Janssens IA, Nijs I (2010) Climatic characteristics of heat waves and their simulation in plant experiments. Glob Change Biol 16:1992–2000 Dietz H, Edwards PJ (2006) Recognition that causal processes change during plant invasion helps explain conflicts in evidence. Ecology 87:1359–1367 Diez JM, D’Antonio CM, Dukes JS, Grosholz ED, Olden JD, Sorte CJB, Blumenthal DM, Bradley BA, Early R, Jones SJ, Lawler JJ, Miller LP (2012) Will extreme climatic events facilitate biological invasions? Front Ecol Environ 10:249–257 Dijkstra FA, Blumenthal D, Morgan JA, LeCain DR, Follett RF (2010) Elevated CO2 effects on semi-arid grassland plants in relation to water availability and competition. Funct Ecol 24:1152–1161 Dukes JS, Mooney HA (1999) Does global change increase the success of biological invaders? Trends Ecol Evol 14:135–139 Dukes JS, Chiariello NR, Loarie SR, Field CB (2011) Strong response of an invasive plant species (Centaurea solstitialis L.) to global environmental changes. Ecol Appl 21:1887–1894 Fay PA, Kaufman DM, Nippert JB, Carlisle JD, Harper CW (2008) Changes in grassland ecosystem function due to extreme rainfall events: implications for responses to climate change. Glob Change Biol 14:1600–1608 Funk JL, Vitousek PM (2007) Resource-use efficiency and plant invasion in low-resource systems. Nature 446:1079–1081 Funk JL, Zachary V (2010) Physiological responses to short-term water and light stress in native and invasive plant species in southern California. Biol Invasions 12:1685–1694 Ghannoum O (2009) C4 photosynthesis and water stress. Ann Bot 103:635–644 Going B, Hillerislambers J, Levine J (2009) Abiotic and biotic resistance to grass invasion in serpentine annual plant communities. Oecologia 159:839–847 Grotkopp E, Rejmanek M (2007) High seedling relative growth rate and specific leaf area are traits of invasive species: phylogenetically independent contrasts of woody angiosperms. Am J Bot 94:526–532 IPCC (2011) Summary for policymakers. In: Field CB, Barros V, Stocker TF, Qin D, Dokken D, Ebi KL, Mastrandrea MD, Mach KJ, Plattner G-K, Allen SK, Tignor M, Midgley PM (eds) Managing the risks of extreme events and disasters to advance climate change adaptation. Cambridge University Press, Cambridge IPCC (2013) Climate change 2013: a physical science basis. In: Joussaume S, Penner J, Tangang F (eds) Working group I contribution to the IPCC fifth assessment report. Cambridge University Press, Cambridge Jiménez MA, Jaksic FM, Armesto JJ, Gaxiola A, Meserve PL, Kelt DA, Gutiérrez JR (2011) Extreme climatic events change the dynamics and invasibility of semi-arid annual plant communities. Ecol Lett 14:1227–1235 Kreyling J, Wenigmann M, Beierkuhnlein C, Jentsch A (2008) Effects of extreme weather events on plant productivity and tissue die-back are modified by community composition. Ecosystems 11:752–763 Leakey A, Ainsworth E, Bernacchi C, Rogers A, Long S, Ort D (2009) Elevated CO2 effects on plant carbon, nitrogen and water relations: six important lessons from FACE. J Exp Bot 60:2859–2876 LeCain DR, Morgan JA, Mosier AR, Nelson JA (2003) Soil and plant water relations determine photosynthetic responses of C3 and C4 grasses in a semi-arid ecosystem under elevated CO2. Ann Bot 92:41–52 Leishman MR, Thomson VP (2005) Experimental evidence for the effects of additional water, nutrients and physical disturbance on invasive plants in low fertility Hawkesbury Sandstone soils, Sydney, Australia. J Ecol 93:38–49 Leishman MR, Haslehurst T, Ares A, Baruch Z (2007) Leaf trait relationships of native and invasive plants: community- and global-scale comparisons. New Phytol 176:635–643 Leishman MR, Thomson VP, Cooke J (2010) Native and exotic invasive plants have fundamentally similar carbon capture strategies. J Ecol 98:28–42 Little D (2003) Major weeds of the Cumberland Plain. Bringing the bush back to Western Sydney. Department of Infrastructure, Planning and Natural Resources, Parramatta, Australia Manea A, Leishman MR (2011) Competitive interactions between native and invasive exotic plant species are altered under elevated carbon dioxide. Oecologia 165:735–744 Manea A, Leishman MR (2014) Leaf area index drives soil water availability and extreme drought-related mortality under elevated CO2 in a temperate grassland model system. PLoS ONE 9:e91046 Morgan JA, LeCain DR, Mosier AR, Milchunas DG (2001) Elevated CO2 enhances water relations and productivity and affects gas exchange in C3 and C4 grasses of the Colorado shortgrass steppe. Glob Change Biol 7:451–466 Morgan JA, Pataki DE, Korner C, Clark H, Del Grosso SJ, Grunzweig JM, Knapp AK, Mosier AR, Newton PCD, Niklaus PA, Nippert JB, Nowak RS, Parton WJ, Polley HW, Shaw MR (2004) Water relations in grassland and desert ecosystems exposed to elevated atmospheric CO2. Oecologia 140:11–25 Morgan JA, LeCain DR, Pendall E, Blumenthal DM, Kimball BA, Carrillo Y, Williams DG, Heisler-White J, Dijkstra FA, West M (2011) C4 grasses prosper as carbon dioxide eliminates desiccation in warmed semi-arid grassland. Nature 476:202–205 Osborne CP, Sack L (2012) Evolution of C4 plants: a new hypothesis for an interaction of CO2 and water relations mediated by plant hydraulics. Philos Trans R Soc Lond B 367:583–600 Owensby CE, Ham JM, Knapp AK, Auen LM (1999) Biomass production and species composition change in a tallgrass prairie ecosystem after long-term exposure to elevated atmospheric CO2. Glob Change Biol 5:497–506 Poorter H, Navas M-L (2003) Plant growth and competition at elevated CO2: on winners, losers and functional groups. New Phytol 157:175–198 Scott RL, Hamerlynck EP, Jenerette GD, Moran MS, Barron-Gafford GA (2010) Carbon dioxide exchange in a semidesert grassland through drought-induced vegetation change. J Geophys Res Biogeosci 115:G03026 Seastedt TR, Pysek P (2011) Mechanisms of plant invasions of North American and European grasslands. Annu Rev Ecol Evol Syst 42:133–153 Shaw MR, Zavaleta ES, Chiariello NR, Cleland EE, Mooney HA, Field CB (2002) Grassland responses to global environmental changes suppressed by elevated CO2. Science 298:1987–1990 Smith MD (2011) An ecological perspective on extreme climatic events: a synthetic definition and framework to guide future research. J Ecol 99:656–663 Smith SD, Huxman TE, Zitzer SF, Charlet TN, Housman DC, Coleman JS, Fenstermaker LK, Seemann JR, Nowak RS (2000) Elevated CO2 increases productivity and invasive species success in an arid ecosystem. Nature 408:79–82 Sorte CJB, Ibáñez I, Blumenthal DM, Molinari NA, Miller LP, Grosholz ED, Diez JM, D’Antonio CM, Olden JD, Jones SJ, Dukes JS (2013) Poised to prosper? A cross-system comparison of climate change effects on native and non-native species performance. Ecol Lett 16:261–270 Tangley L (2001) Greenhouse effects: high CO2 levels may give fast-growing trees an edge. Science 292:36–37 White TA, Campbell BD, Kemp PD, Hunt CL (2001) Impacts of extreme climatic events on competition during grassland invasions. Glob Change Biol 7:1–13 Woodward FI (1990) Global change: translating plant ecophysiological responses to ecosystems. Trends Ecol Evol 5:308–311