Concurrent anthropogenic stressors affect plant–soil systems with different plant diversity levels

IF 8.3 1区生物学 Q1 PLANT SCIENCES

New Phytologist Pub Date : 2025-06-04 DOI:10.1111/nph.70275

Yanjie Zhu, Peter Meidl, Huiying Li, Mohan Bi, Masahiro Ryo, Matthias C. Rillig

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同时存在的人为压力源对不同植物多样性水平的植物-土壤系统产生影响

土壤支撑着广泛的基本生态系统功能和服务，而由人为活动驱动的全球环境变化正逐渐威胁土壤健康(Barnosky等人，2012；Oliver等人，2015；Zandalinas et al., 2024)。几十年来，研究一直局限于单一或双重压力源（Rillig et al., 2019），最近，研究开始接受气候变化和化学污染等多种全球变化压力源的同时作用(Zandalinas &amp；Mittler, 2022)。一些研究报告了随着压力源数量的增加而出现的有害影响，例如，抑制养分循环、破坏土壤团聚体的稳定、减少微生物多样性和植物生产力(Komatsu et al., 2019；Rillig等人，2019；Zandalinas et al., 2021；Speißer et al., 2022；Yang et al., 2022；Sinha et al., 2023；Bi et al., 2024；Liu et al., 2024)，强调全球变化研究需要关注众多压力源的联合效应。当多个压力源共同作用时，联合影响可以简单地相加，相当于它们各自独立作用的总和，或者它们可能以协同或拮抗的方式相互作用。应激源是否以及如何相互作用通常取决于治疗时间、强度和所考虑的功能类型(Zhou et al., 2016；Ma等人，2020)。这种相互作用背后的机制是复杂的；一个因素在影响目标系统之前可以直接影响另一个因素，而它们也可能通过植物和土壤生物群的媒介间接相互作用(Rillig et al., 2021a；Zandalinas et al., 2024)。随着共同作用的人为压力源数量（以下简称压力源数量）的增加，可能会由于因素相互作用而产生不可预见的后果，并且预测生态系统响应的不确定性更高(Rillig et al., 2019；Zhou et al., 2023)。偶尔，尽管单个压力源的个体影响可以忽略不计，但它们的联合效应可能出乎意料地强大(Rillig等人，2019；Zandalinas et al., 2021；Speißer et al., 2022；Bi et al., 2024)。因此，确定因素相互作用，特别是高阶相互作用，在多因素全球变化研究中至关重要（Rillig et al., 2021a）。植物-土壤系统对于破译全球变化的生态影响至关重要（Rillig等人，2021a），但它们如何受到大量（例如多达6个）并发应激源的影响却很少进行实验研究。针对单一植物物种的研究发现，多种应激源对植物健康有很强的综合影响(Zandalinas et al., 2021；Sinha et al., 2023；Peláez-Vico et al., 2024)，而一项研究扩大到群落水平，显示植物群落结构随着胁迫因子数量的增加而发生方向性变化（Speißer et al., 2022）。在植物群落中，物种数量方面的植物多样性被认为对植物-土壤系统的性能至关重要（Lange et al., 2015），并且经常报道其对受干扰条件下生态系统的抗性和恢复力的积极贡献（Isbell et al., 2015）。例如，植物多样性稳定了草地群落的生产力，因为某些物种的生物量减少可以通过其他物种的增加来补偿(Tilman等，2006；Hector et al., 2010)。不同的植物群落提供不同的凋落物和根系分泌物输入，从而增强微生物群落的抗性（Li et al., 2022）。不同的根系类型也可能提高土壤团聚体的稳定性（Pohl et al., 2009）。土壤温度变化也被植物多样性所缓冲，通过增加土壤有机碳浓度和植物叶面积指数（Huang et al., 2024）。植物多样性与生态系统功能之间的关系可能会受到全球变化的影响（de Gea et al., 2023）。研究表明，养分富集和干旱等人为干扰会破坏植物多样性的有利效应(Hautier et al., 2014, 2020；侯等人，2024)。然而，目前对植物多样性如何介导植物-土壤系统对全球变化的多个同时发生的应激源的响应，以及应激源数量如何塑造植物多样性与植物-土壤生态系统功能之间的关系的认识完全缺乏。为了解决这些差距，我们在受控环境室内进行了中生态实验，对植物多样性低和高的草地群落（3个植物功能群3个vs 9个）施加了越来越多的应激源（0、1、2、5和8个）。这种多因子研究的一个主要挑战是组合爆炸问题；即当应力源数量增加时，可能的组合数量迅速增加（Rillig et al., 2021b）。受生物多样性实验设计的启发（Tilman et al., 1997）， Rillig et al.（2019）提出了一种方法，该方法使用从预定义因子库中提取的压力源的随机组合来创建压力源数量梯度。这种设计绕过了组合爆炸问题，同时又不失研究的通用性。采用该方法，首先构建胁迫源库和植物物种库，然后在每个实验单元随机选择胁迫源和植物，实现植物多样性和胁迫源数量的同步调控。维持植物-土壤中生态系统4个月后，测定土壤呼吸、凋落物分解、胞外酶活性、水稳性团聚体（WSAs）、pH、总根质量和茎质量等一系列响应变量，研究土壤性质、功能和植物群落组成的变化。我们假设：(1)增加人为胁迫因子的数量会导致这些响应变量的方向性变化；(2)植物多样性有助于维持多因子胁迫组合下的生态系统功能；(3)多种胁迫因子的共存消除了植物多样性对生态系统功能的影响。

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New Phytologist 生物-植物科学

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期刊介绍： New Phytologist is an international electronic journal published 24 times a year. It is owned by the New Phytologist Foundation, a non-profit-making charitable organization dedicated to promoting plant science. The journal publishes excellent, novel, rigorous, and timely research and scholarship in plant science and its applications. The articles cover topics in five sections: Physiology & Development, Environment, Interaction, Evolution, and Transformative Plant Biotechnology. These sections encompass intracellular processes, global environmental change, and encourage cross-disciplinary approaches. The journal recognizes the use of techniques from molecular and cell biology, functional genomics, modeling, and system-based approaches in plant science. Abstracting and Indexing Information for New Phytologist includes Academic Search, AgBiotech News & Information, Agroforestry Abstracts, Biochemistry & Biophysics Citation Index, Botanical Pesticides, CAB Abstracts®, Environment Index, Global Health, and Plant Breeding Abstracts, and others.