摘要：理论预测，在养分富集和草食性丧失的情况下，草地多样性下降，其中一个可能的原因是幼苗更新受阻。在幼苗时期多样性降低的两个潜在驱动因素是周围植被引起的光可利用性降低和死亡生物量的积累。为了检验这两种机制在早期幼苗更新中的重要性，在德国中部的一个实验草地中添加了15种草本植物的种子，并在一个生长季监测了播种和自然出苗的情况，在施肥和排除食草动物的情况下进行了光照添加和凋落物去除的全因子田间试验。使用现代LED灯，模拟自然太阳光的光谱，为小高度的林下植物提供光照。
关键词：多样性下降，种子萌发，去除凋落物，养分富集
文 章 信 息
译名：凋落物积累而非光照限制驱动早期植物更新
发表时间：2023年3月7日
期刊影响因子：5.3（2024）
第一单位:德国生物多样性综合研究中心
通讯单位:德国生物多样性综合研究中心
文 章 亮 点
1.凋落物积累与光照限制对幼苗定居的影响。
2.凋落物积累是驱动早期植物定居的主要因素。
3.凋落物去除增加了幼苗的数量和丰富度。
4.光照的增加对幼苗定居没有显著的主要影响。
文 章 简 介
1.研究意义
人为和实验养分富集会实质性地降低植物多样性。养分富集导致的物种丧失可以通过限制资源从养分转移到光照和减少资源小生境数量来解释，这导致物种的灭绝取决于物种的初始丰度和特征。养分富集除了导致物种灭绝外，也会影响物种获得，并已被证明是种子定殖的重要障碍。养分富集下多样性丧失的一个机制是成年植株和幼苗之间的光可利用性不等，即遮阴导致茂密植被的光量减少。表明通过干扰的定殖和再生动态导致物种收益降低。尽管已证明光照竞争是在施肥条件下导致多样性丧失的重要机制，但光照竞争在早期补充（即控制物种入驻）过程中的重要性仍未得到验证。尽管许多研究已经通过间接方式探讨了光照对补充（如将未受人为干预的光照强度与补充成功相关联，或使用枯枝落叶和/或生物量去除法，或将周围植被捆绑起来以增加种子和幼苗可获得的光照）的影响，但这些研究并未反映因果关系，或可能因方法原因而产生混淆的结果。例如，去除生物量可能会从根部释放养分，从而产生施肥效应，并改变温度和湿度，这并不一定反映光照是因果关系中的因素。因此，要检验光照在影响补充过程中的因果作用，需要在补充发生的林下层直接增加光照进行实验。
2.研究方法
2.1试验地概括
实验点位于德国巴德劳赫施塔特野外研究站（纬度51°22'060"N，经度11°50'060"E）进行。该地区多年平均降水量为489 mm，年平均气温为8.9℃。土壤为肥沃的普通黑钙土。实验在全球变化实验设施内进行，该设施结合了土地利用类型和气候变化研究。本试验在GCEF的环境气候条件下，使用了5种广泛使用的牧草。这五个牧场每年会受到大约20 sheep德国黑头羊组成的羊群两到三次的放牧，具体次数取决于植被生物量的多少。每块牧场（16 m ×24 m）会经历一次为期24 h的高强度短期放牧。2018 年和2019 年都是中欧的严重干旱年，其特征是夏季严重缺水，中欧牧场的绿色植被大幅减少；在这两年里，牧场被放牧了两次。整个实验区域都被围栏围起来，以防止自然出现的鹿类进入。
2.2试验设计
2017年，开展了施肥和排除草食动物的全因子试验；在5个牧场各设置4个1.4 m × 1.4 m的样地，每个样地之间用1 m的缓冲区隔开，共20个样地。每个牧场内的四个样地随机分配至四种处理组合中的一种（放牧、施肥+放牧、封闭、施肥+封闭）。因此，这五个牧场被视为区组因素。在每个生长季节（3月末至5月和6月）向施肥样地分两次施用缓释颗粒状氮磷钾复合肥和硫酸钾肥料。施肥处理于2017年5月底第一轮施肥时开始。在2017年8月底，开始进行草食动物排除处理。
为了实施草食动物排除处理，用1.8 m × 1.8 m，高82 cm，10 cm的矩形便携式金属围栏对草食动物排除处理的样地进行了围栏。对于增光处理，将1.4 m×1.4 m的样地进一步划分为两个更小的子样地，每个子样地面积为0.7 m×1.4 m，其中一个子样地随机分配为增光处理，根据裂区设计，总共得到40个子样地（见图1）。为了增加光照，安装了两个长120 cm、宽3.5 cm的高强度LED灯。增光处理与施肥处理同时开始，即2017年5月底。2019年1月， 40个子样地内分别设置了两个20 cm×20 cm的凋落物移除单元，两个单元之间相隔10 cm，因此共设置了80个移除单元，根据裂裂区设计，这代表了子子样地水平（见图1）。其中一个单元被随机分配为凋落物移除处理，而另一个单元则保持原状。研究幼苗补充（出现）对处理的响应，我们选择了15种中欧草地常见的物种，这些物种在实验样地中数量丰富，并向所有80个凋落物移除单元中每个物种添加了50粒种子。
3.1 凋落物去除、添加光照等处理对幼苗数量和丰富度的影响
15个原产地物种中，至少有13个在部分实验样地中被发现。只有欧独活和欧洲柳穿鱼完全没有发芽。一个实验单元中仅播种的幼苗（仅指播种的物种）最多数量为65株，而一个实验单元中所有幼苗（包括未播种的物种）的最大数量则为85株。一个实验单元中仅播种的幼苗物种丰富度（仅指播种的物种）最高为9种，而一个实验单元中所有物种（包括未播种的物种）的幼苗物种丰富度最高为16种。在整个实验设置中，总共发现了36种不同的幼苗物种。
去除凋落物显著增加了幼苗（包括所有幼苗和仅播种的幼苗）的总数和丰富度（见图3a、3b，表S3，图S4a、S4b）：与未去除凋落物的样地相比，去除凋落物的样地中幼苗的总数平均高出83%，幼苗的丰富度平均高出33%；播种的幼苗数量平均高出112%，播种的幼苗丰富度平均高出33%。
增光对幼苗数量或幼苗丰富度没有显著的主效应或交互效应（见图3a、3b，表S3，图S4a、S4b），但施肥显著降低了幼苗的总数和丰富度（见图3a、3b，表S3）。
比较去除凋落物和增光的效果大小，无论在有光还是无光条件下，凋落物的积累对幼苗的总数和丰富度都有强烈的负面影响，而增光无论单独作用还是与去除凋落物结合使用都没有影响（见图S5a–d）。
3.2 环境变化与幼苗数量和丰富度的关系
播种的幼苗数量和丰富度与光照强度或光谱(图4d、e和5d、e ,表S4)没有显著的相关性。
此外，总幼苗数、播种幼苗数和丰富度与土壤湿度、土壤温度和土壤C：N比(图4b , c , f和5b , c , f ,表S3)均无显著相关性。播种苗数量随凋落物深度的增加而减少，但这种影响仅边缘显著(表S4 )。总幼苗数、总幼苗丰富度和播种幼苗丰富度与凋落物深度均无显著关系。
3.3 去除凋落物、光添加等处理对幼苗个体物种的影响
与幼苗总数一致，在受处理影响的被测物种中，有三种物种在去除凋落物后呈现正向反应：对千叶蓍、野胡萝卜和北车前有显著的正向主效应（见图S6a）。此外，食草动物排除法对白花拉拉藤有积极影响（见图S6b）。虽然对虎耳草茴芹和叉枝蝇子草也进行了测试，但它们对任何处理均未表现出反应。
3.4 去除凋落物、添加光照等处理对幼苗群落的影响
凋落物移除和食草动物排除改变了总幼苗物种群落和播种幼苗物种群落的组成（置换多元方差分析（PERMANOVA）结果；表S5，图S7a、b）。食草动物排除和枯枝落叶移除之间还存在相互作用，共同影响了播种幼苗群落的组成（PERMANOVA结果；表S5，图S7c）。而增光和施肥对总幼苗物种群落和播种幼苗物种群落的组成没有影响。
4.讨论
研究发现，幼苗的定居成功（幼苗数量和丰富度）主要受凋落物存在的影响，而凋落物层以上的增光处理，无论是单独进行还是与去除凋落物相结合，对幼苗早期定居均没有显著影响。此外，所测定的光照强度值在很大范围内与定居成功无相关性，这进一步证实本研究的实验结果，即光照对幼苗早期建立并不重要。这些发现与养分富集和食草作用无关。因此，结果表明，在多种条件下，甚至是在养分富集和排除食草动物的情况下，周围成年植被遮荫导致的光限制并不是阻碍幼苗早期定居和导致多样性丧失的主要驱动因素。相反，与密集凋落物层积累相关的多种因素共同决定了有多少物种和幼苗能够萌发。因此，促进死亡生物量积累的条件可以成为阻止当地物种库中物种定居的重要筛选因素。
此研究的第一个预测得到了支持，因为凋落物移除显著增加了幼苗的数量和丰富度。此外，凋落物移除还增加了本测试的大多数单个物种的幼苗数量，并改变了幼苗群落的组成。这些结果与早期的凋落物移除实验相一致，这些实验表明，凋落物移除会导致幼苗数量或密度的增加。凋落物添加研究也证实了这些结果。这些发现共同强调了未分解凋落物在抑制种子定居方面的重要作用。累积的死生物量可以形成机械屏障，阻碍种子到达土壤表面，从而妨碍幼苗的建立；另一方面，它也可以抑制已经萌发的幼苗。此外，啮齿动物在凋落物的保护覆盖下可能更加活跃，因为死亡的植物材料可以提供遮蔽和掩护，从而增加种子和幼苗被捕食的风险。本研究中，定居成功率与光照强度和质量、土壤湿度、土壤温度或土壤碳氮比无关联，这表明凋落物可能主要起到了机械屏障的作用，而不是通过任何环境变量来影响幼苗的定居。此外，尽管凋落物深度对光照有负面影响，但幼苗的丰富度和数量与凋落物深度无关联，这表明即使是很薄的凋落物层也能独立于其对光照的影响而减少幼苗的定居。此外，凋落物驱动的定居模式可能不仅受单一因素控制，而是受多个因素共同作用的控制，这些因素共同影响着定居过程，并随后影响群落多样性。
第二个预测并未得到支持，因为光照增加并未显著提高幼苗的数量和多样性。此外，即便在去除凋落物的情况下，光照增加也未产生显著影响，这表明周围植被遮荫导致的光照减少并不是影响种子萌发和早期定居的重要因素。这些实验结果得到了本研究观察结果的证实：尽管光照测量值涵盖了非常大的光照强度范围，但光照强度与幼苗的数量和多样性无关联，这验证了本研究结论，即光照对早期定居成功率没有显著影响。在早期的研究中，通过间接方式（如削减生物量、去除凋落物）改变幼苗的光照环境，积极的治疗效果被解释为至少部分反映了光照限制的增加以及与成年植物对光照的竞争。然而，这些研究没有区分光照和凋落物的影响，也没有控制因生物量去除或植被修剪可能引起的养分、温度和湿度水平的变化。我们直接增加光照以及结合去除凋落物的结果表明，是凋落物而非光照的可获得性决定了早期定居的成功率。
本研究并未旨在探讨凋落物影响早期发芽的机制，因此无法确切说明为何凋落物会阻碍发芽。要从实验中分离出凋落物对幼苗出土的各种影响将是十分困难的。例如，在不同时干扰和增加空间（即影响凋落物形成的物理屏障）的情况下，仅在凋落物下方增加光照就颇具挑战性。然而，尽管光照减少可能是凋落物抑制发芽的一种机制，但结果表明，即使在无凋落物的情况下增加光照，也并未影响总体的种群补充，这表明光照条件的变化并非主要机制。
此外，维持草地植物共存的机制在早期幼苗阶段和后期植物生命阶段之间可能存在差异。在成熟植物群落中，已有研究表明，无论是在温室条件下还是在野外环境中，对光照的竞争都会降低多样性。虽然成年植物会竞争光照以保持正的碳平衡，但早期幼苗可以忍受低光照水平；它们不会与成年植物竞争光照，因为它们在形态上处于劣势，且生理上对光照的需求较低。相应地，它们的子叶和第一片真叶的光合能力也会受到影响。幼苗在一段时间内也可以依赖种子内的资源生存，因此在光合作用完全启动之前，它们并不完全依赖光照来获取资源。因此，周围植被改变后的光照条件可能并不像之前认为的那样对幼苗早期建立至关重要，但随着植物的成熟，其重要性可能会增加。这一观点得到了同一研究系统中发现的支持，即增加光照可以缓解或抵消施肥和排除食草动物对整个群落多样性的负面影响。因此，光照限制的影响可能通过后期生命阶段的物种灭绝来发挥作用；然而，要区分光照在不同生命阶段的影响，还需要更多的研究。
本研究原本预期，在施肥和排除食草动物的情况下，幼苗会受到更强烈的由凋落物或光照驱动的微生境限制。然而，与这一预测相反，即使在施肥和围栏条件下，凋落物的去除和光照的增加对幼苗的定居并没有产生更强的积极影响，尽管特别是排除食草动物极大地增加了死亡生物量。在此实验中，凋落物的去除和食草动物的排除都是通过影响凋落物的数量来同时起作用的，这可能解释了为什么本研究仅发现凋落物去除有显著的处理效果。然而，食草动物排除对凋落物积累的强烈影响表明，食草动物的排除是凋落物积累的重要因素，因此间接影响了幼苗的定居。单独的施肥处理并没有显著增加凋落物的生物量，这可能解释了为什么凋落物对幼苗定居的抑制作用没有因养分富集而放大。
研究发现，仅施肥处理（不考虑凋落物去除和光照增加）就降低了幼苗的数量和丰富度，这表明施肥并非通过增加凋落物积累或光照限制来减少幼苗的定居，这与先前研究中的观点相反。因此，本研究结果更可能与幼苗对施肥样地中较高铵离子水平的生理反应有关，高铵离子水平可能为幼苗创造一个有毒的环境，或者与施肥样地中pH值略有降低有关，这也可能对幼苗产生负面影响。一般来说，较高的铵离子水平还可能有利于病原菌的生长或影响其他可能对幼苗有害的因素，但这些因素在本实验中并未进行测试。研究结果表明，施肥的潜在直接影响可能成为通过幼苗定居影响多样性的又一个障碍，但与凋落物积累的影响相比，这种影响相对较小。幼苗群落对处理的响应主要遵循幼苗数量和丰富度的响应，其中凋落物去除是最具影响力的因素。此外，排除食草动物改变了幼苗群落的组成，这可能是通过影响成年植物群落的组成和凋落物来实现的，也可能是通过践踏来实现的。还有一种物种直接受到放牧的影响，这强调了不同物种的响应也可能存在差异。
5.结论
综上所述，研究结果为理解幼苗定居阶段物种共存和多样性的驱动机制提供了新见解。研究发现，凋落物通过减少物种定居来控制幼苗阶段的物种丰富度和数量，而周围成年植被改变后的光照条件对定居没有显著影响，无论是单独作用还是与凋落物去除相结合。这与成年植物群落的研究结果形成对比，在温室和野外的研究中，增加光照已被证明可以抵消多样性的下降。然而，直接在野外增加光照以测试其对定居影响的研究，也是第一项在幼苗定居早期阶段区分凋落物积累和光照条件作用的研究。我们的结果强调了凋落物积累对种子定居的不利影响，为规划恢复工作所需的知识做出了贡献。这一知识对于使用种子添加来维持自然和半自然草原多样性的恢复实践具有重要意义，这些实践可能会从额外的凋落物去除中受益。
Reference：
Maria T J, et al. (2023)" Litter accumulation, not light limitation, drives early plant recruitment." Journal of Ecology 111:1174-1187.
https://doi.org/10.1111/1365-2745.14099
本期分享来自2023级农艺与种业专业硕士研究生牛紫茎
