Journal of Ecology

Tại một cánh đồng ven biển ở California, chúng tôi đã nghiên cứu tác động của các bệnh lá đến hiệu suất của 17 loài đồng tồn tại của Trifolium và Medicago ("cỏ ba lá"). Chúng tôi đã chuyển cây cỏ ba lá vào các sắp xếp ngẫu nhiên vào cộng đồng đồng cỏ tự nhiên trong 3 năm thực nghiệm vườn chung. Chúng tôi đã định lượng tỷ lệ nhiễm bằng cách cách ly nấm từ lá và đo độ nghiêm trọng của bệnh dưới dạng phần trăm diện tích lá bị hư hại. Trong một thí nghiệm về thuốc diệt nấm, chúng tôi đã đo tác động của sự nhiễm bệnh đến sinh khối và tỷ lệ sống sót. Chúng tôi đã đánh giá liệu bệnh ở những cây chuyển giao có mối liên hệ tích cực với sự phong phú tự nhiên của loài đó trong cộng đồng xung quanh, mà chúng tôi đã theo dõi trong 5 năm. Chúng tôi đã đánh giá các sự đánh đổi trong lịch sử sinh học bằng cách kiểm tra liệu các loài phát triển nhanh hơn có nhạy cảm hơn với các tác nhân gây bệnh hay không.

Cấu trúc phong phú của các loài cỏ ba lá đã ổn định trong suốt 5 năm mặc dù có những biến động môi trường đáng kể. Đối với các vật chủ, sự nhiễm nấm không có liên quan tuyến tính với mật độ, mặc dù các cây chuyển giao của các loài không có mặt tại địa phương cho thấy sự nhiễm trùng thấp hơn và biến động hơn. Độ nghiêm trọng của bệnh cao hơn ở các loài phong phú hơn, nhưng chỉ trong 1 trong 3 năm, và phản ứng với thuốc diệt nấm không mạnh hơn ở các loài phong phú hơn. Như đã được dự đoán bởi sự đánh đổi trong lịch sử sinh học, các loài phát triển nhanh hơn phải chịu sự nhiễm nấm cao hơn. Tuy nhiên, tác động của sự nhiễm trùng đó ít tiêu cực hơn, không tiêu cực hơn, đối với các loài phát triển nhanh hơn.

Kết quả của chúng tôi gợi ý rằng các sự đánh đổi trong lịch sử sinh học trong các tương tác giữa thực vật và tác nhân gây bệnh có thể ảnh hưởng đến các cơ chế bình đẳng giữa các loài trong nhóm này, nhưng các tác động kết hợp của sự nhiễm trùng cao hơn với khả năng chịu đựng cao hơn có thể hạn chế thay vì thúc đẩy sự đồng tồn tại. Chúng tôi cũng phát hiện bằng chứng khiêm tốn rằng bệnh phụ thuộc mật độ có thể góp phần vào các cơ chế ổn định. Thiếu tính đặc hiệu của vật chủ, tiến hóa nhanh chóng trong việc sử dụng vật chủ và biến động tạm thời trong các điều kiện khí hậu có thể ảnh hưởng đến vai trò của các tác nhân gây bệnh trong sự đồng tồn tại của những cây liên quan chặt chẽ này.

Chúng tôi đã đo lường các đặc điểm rễ nhỏ, thân và lá cũng như tốc độ sinh trưởng tương đối trên từng cây con của 66 loài cây trong điều kiện được kiểm soát. Mục tiêu của chúng tôi là (i) xác định xem có nhiều đặc điểm rễ có đồng nhất với tốc độ sinh trưởng, các đặc điểm lá và thân và với nhau hay không và (ii) định lượng các mối quan hệ giữa các đặc điểm rễ trung bình được trọng số theo cộng đồng và hai gradient độ phì nhiêu của đất mạnh mẽ khác nhau về phạm vi không gian và thành phần cộng đồng.

Để kiểm tra mối quan hệ giữa các nhóm chức năng thực vật (FG: cỏ, thảo mộc nhỏ, thảo mộc cao, đậu) và các đặc điểm thực vật liên quan đến PSF, chúng tôi đã trồng 48 loài cỏ ở đất đã tiệt trùng, đất đã tiệt trùng với mẫu đất của cùng loài và đất đã tiệt trùng với mẫu đất từ tất cả các loài, đồng thời định lượng tỷ lệ tăng trưởng tương đối (RGR), diện tích lá riêng (SLA), chiều dài rễ riêng (SRL) và tỷ lệ nấm mycorrhiza dạng củ ( %AMF).

Phản ứng tăng trưởng của thực vật đối với sinh vật đất của loài thực vật đó so với đất đã tiệt trùng (PSFsterilized) phản ánh tác động ròng của tất cả (chiến lược gia + chiến lược chuyên biệt) sinh vật đất. Phản ứng tăng trưởng đối với sinh vật đất của loài thực vật đó so với sinh vật đất của tất cả các loài thực vật (PSFaway) tiết lộ các tác động từ các sinh vật đất chuyên biệt hơn.

PSFsterilized cho thấy rằng cỏ và thảo mộc nhỏ phản ứng tiêu cực và thảo mộc cao phản ứng tích cực với sinh vật đất của chính chúng, trong khi đậu có phản ứng trung lập. Tuy nhiên, PSFaway cho thấy rằng trung bình, tất cả các FG thực vật đều có lợi khi phát triển với sinh vật đất của loài khác, gợi ý rằng các tác nhân gây bệnh có tính chuyên biệt hơn sinh vật đất thúc đẩy tăng trưởng thực vật. Phản hồi đối với sự tăng trưởng thực vật từ tất cả sinh vật đất (PSFsterilized) mạnh hơn từ sinh vật đất chuyên biệt hơn (PSFaway) và có thể được dự đoán từ SRL và đặc biệt là %AMF được định cư. Các loài có SRL cao và %AMF thấp khi phát triển trong đất của loài khác sẽ trải qua phản hồi đất tiêu cực nhiều nhất.

Chúng tôi đã tiến hành một thí nghiệm phản hồi giữa thực vật và đất quy mô lớn sử dụng 49 loài thực vật đồng thời xuất hiện từ miền Nam Ontario, Canada, đại diện cho một dải hệ động vật phong phú. Chúng tôi đã thử nghiệm xem liệu các tác động của việc điều hòa đất có khác nhau giữa các loài này hay không và liệu các loài tập trung khác nhau có phản ứng tương tự với cùng một điều hòa đất hay không. Tiếp theo, chúng tôi đã điều tra xem liệu các đặc điểm thực vật và các phản hồi đất có phụ thuộc vào sự tương đồng về hệ phát sinh hay không và các đặc điểm thực vật nào ảnh hưởng đến phản hồi giữa thực vật và đất giữa các cặp loài thực vật. Cuối cùng, chúng tôi đã sử dụng kết quả thí nghiệm để kiểm tra xem các phản hồi đất có ảnh hưởng đến sự đồng xuất hiện của các loài ở hiện trường hay không.

Chúng tôi đã tìm thấy bằng chứng về cả phản hồi đất tích cực mạnh và tiêu cực giữa các cặp loài thực vật. Phương pháp điều hòa đất của chúng tôi giải thích gần 20% sự biến động trong hiệu suất của các loài tập trung.

Sự liên quan về hệ phát sinh và sự tương đồng hình thái giữa các loài thực vật không có mối liên hệ với sức mạnh của phản hồi đất của chúng. Tuy nhiên, nhiều đặc điểm thực vật của các loài điều hòa ảnh hưởng đến sức mạnh của phản hồi đất đối với các loài tập trung, bao gồm diện tích lá cụ thể và năng suất sinh vật trên mặt đất tổng. Những khác biệt về đặc điểm giữa các loài cũng dự đoán các phản hồi giữa thực vật và đất, mặc dù đối với một số cặp loài, sự gia tăng khác biệt về đặc điểm đi kèm với phản hồi giữa thực vật và đất tích cực và đối với những loài khác, sự khác biệt về đặc điểm gắn liền với phản hồi giữa thực vật và đất tiêu cực.

Sự đồng xuất hiện của các loài thực vật ở hiện trường liên quan đến các phản hồi đất được xác định qua thí nghiệm của chúng tôi, nhưng chỉ đối với một số loài thực vật cụ thể.

Tổng hợp. Kết quả của chúng tôi minh họa cách mà lịch sử tiến hóa và sự biến đổi hình thái định hình phản hồi giữa thực vật và đất và nhấn mạnh sự cần thiết của các nghiên cứu dựa trên đặc điểm. Do lịch sử tiến hóa độc đáo của các đặc điểm riêng lẻ và sự biến động của tầm quan trọng của chúng trên tất cả các loài tương tác có thể có, chúng tôi cho thấy rằng các chỉ số về sự liên quan tổng thể về hình thái và hệ phát sinh là những dự đoán kém về phản hồi giữa thực vật và đất ở quy mô hệ phát sinh lớn. Chúng tôi kết luận rằng một cách tiếp cận chi tiết dựa trên đặc điểm có thể được sử dụng để dự đoán phản hồi giữa thực vật và đất, và các biện pháp phản hồi đất trong phòng thí nghiệm có thể giải thích các mẫu đồng xuất hiện trong tự nhiên.

Đã tiến hành thu thập mẫu thực vật tại các khu vực đã bị xâm lấn và chưa bị xâm lấn với các điều kiện địa điểm tương tự. Tất cả các loài thực vật mạch máu đều được ghi nhận, diện tích phủ của chúng được ước lượng và sử dụng làm giá trị quan trọng để tính toán chỉ số đa dạng Shannon H′, độ đồng đều J và chỉ số tương đồng Sørensen giữa thảm thực vật bị xâm lấn và chưa bị xâm lấn.

Với sự ngoại lệ của hai loài xâm lấn, sự phong phú loài, đa dạng và độ đồng đều đã giảm trong các khu vực bị xâm lấn. Các loài có ảnh hưởng lớn nhất đã giảm số lượng loài trong mỗi khu vực và tổng số loài được ghi nhận trong các cộng đồng được thu thập gần 90%. Sự giảm mạnh về số lượng loài ở quy mô khu vực đã dẫn đến sự giảm rõ rệt tổng số loài ở quy mô cảnh quan, và sự tương đồng ít hơn giữa thực vật bị xâm lấn và chưa bị xâm lấn. Sự giảm trong sự phong phú loài ở các khu vực bị xâm lấn so với các khu vực chưa bị xâm lấn chủ yếu được điều khiển bởi danh tính của các loài xâm lấn, trong khi các yếu tố quyết định chính của sự giảm trong đa dạng Shannon và độ đồng đều là diện tích phủ và chiều cao của các loài xâm lấn, và sự khác biệt giữa chiều cao và diện tích phủ của các loài xâm lấn và các loài bản địa thống trị, không phụ thuộc vào danh tính loài.

Tổng hợp. Các quyết định quản lý dựa trên tác động cần phân biệt giữa các loài xâm lấn, vì tác động của chúng đến đa dạng và thành phần của thực vật cư trú rất khác nhau. Các loài xâm lấn cao, có khả năng hình thành các quần thể với diện tích phủ lớn hơn nhiều so với các loài bản địa thống trị, sẽ gây ra những tác động nghiêm trọng nhất đến đa dạng và độ đồng đều của loài. Vì tác động mạnh ở quy mô cộng đồng liên quan đến sự giảm đa dạng loài ở các quy mô cao hơn, các loài xâm lấn có tác động lớn đại diện cho một mối nguy hiểm nghiêm trọng cho cảnh quan.

Trong khi có sự gia tăng nhanh chóng về hiểu biết các cơ chế sinh học, hóa học và vật lý cũng như sự tương tác giữa chúng trong các phản hồi giữa thực vật và đất, chúng tôi kỳ vọng sẽ đạt được thêm tiến bộ bằng cách áp dụng các kỹ thuật và công nghệ thí nghiệm mới, liên kết các nghiên cứu thực nghiệm với mô hình hóa và các nghiên cứu dựa trên thực địa có thể bao gồm các tương tác phản hồi giữa thực vật và đất trên các khoảng thời gian dài hơn, bao gồm cả các quá trình dài hạn như phân hủy lá và khoáng hóa.

Cũng đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong việc phân tích hậu quả của các phản hồi giữa thực vật và đất đối với mối quan hệ giữa đa dạng sinh học và chức năng, cũng như sự phù hợp và chọn lọc của thực vật.

Để tích hợp hơn nữa các phản hồi giữa thực vật và đất vào lý thuyết sinh thái, sẽ rất quan trọng để xác định nơi và cách mà các mẫu quan sát được có thể được tổng quát hóa và cách chúng có thể ảnh hưởng đến sự tiến hóa.

Tổng hợp. Việc hiểu biết rõ hơn về các phản hồi giữa thực vật và đất cũng như các cơ chế cơ bản của chúng đang nâng cao khả năng dự đoán các hậu quả của những tương tác này đối với thành phần cộng đồng thực vật và năng suất trong nhiều điều kiện khác nhau. Nghiên cứu trong tương lai sẽ cho phép dự đoán và giảm thiểu tốt hơn các hậu quả của những thay đổi toàn cầu do con người gây ra, cải thiện các nỗ lực phục hồi và bảo tồn, và thúc đẩy dịch vụ hệ sinh thái bền vững trong một thế giới đang thay đổi nhanh chóng.

Bằng chứng cho các quang phổ thuộc tính kinh tế tồn tại cho thân và rễ cũng như lá, và cho các thuộc tính liên quan đến nước cũng như carbon và dinh dưỡng. Những điều này áp dụng chung trong và giữa các quy mô (trong và giữa cộng đồng, vùng khí hậu, vùng sinh học và dòng giống).

Có sự liên kết giữa các cơ quan và mối liên hệ giữa các tài nguyên, dẫn đến một quang phổ kinh tế cây tích hợp. Các loài có khả năng di chuyển nước nhanh có mật độ mô thấp, tuổi thọ mô ngắn và tỷ lệ thu nhận và dòng tài nguyên cao ở quy mô cơ quan và cá nhân. Điều ngược lại là đúng với các loài có chiến lược chậm. Các thuộc tính khác nhau có thể quan trọng trong các điều kiện khác nhau, nhưng việc nhanh trong một khía cạnh thường yêu cầu phải nhanh trong các khía cạnh khác, vì vậy việc nhanh hay chậm là một đặc điểm chung của các loài.

Các thuộc tính kinh tế ảnh hưởng đến hiệu suất và sự thích ứng nhất quán với lý thuyết dựa vào thuộc tính về các cơ chế thích nghi cơ bản. Các thuộc tính giúp giải thích sự khác biệt về tăng trưởng và sống sót trên các gradients tài nguyên và do đó giúp giải thích sự phân bố của các loài và quá trình hình thành cộng đồng qua các gradients ánh sáng, nước và dinh dưỡng. Các thuộc tính tăng lên quy mô – các thuộc tính nhanh liên quan đến tốc độ nhanh hơn của các quy trình hệ sinh thái như phân hủy hoặc năng suất sơ cấp, và các thuộc tính chậm liên quan đến tốc độ quy trình chậm.

Tổng hợp. Các thuộc tính là quan trọng. Một quang phổ kinh tế thực vật ‘nhanh-chậm’ duy nhất kết hợp trên lá, thân và rễ là một đặc điểm chính của thế giới thực vật và giúp giải thích các chiến lược sinh thái cá nhân, quy trình hình thành cộng đồng và chức năng của các hệ sinh thái.