用于操纵植物诱导土壤异质性的实验协议

摘要

理解物种共存的环境异质性的作用通常专注于各类异质性是外在的社会的物种组成。我们提供新的详细的方法使用土壤受植物 - 土壤反馈调节，或异质性固有的群落组成产生土壤异质性的治疗方法。

摘要

共存理论常常被环境异质性作为独立的群落组成的，但生物反馈，如植物 - 土壤反馈（PSF）对植物的性能有很大的影响，并创造环境异质性依赖于群落组成。理解的PSF对植物群落组件的重要性就必须异质性的PSF的作用，除了意味着PSF作用的理解。在这里，我们描述了一个协议，用于操纵植物引起的土壤异质性。两个实验的例子给出：（1）现场实验用6片栅格的土壤测量植物种群的反应和（2）的温室实验2补丁土壤测量单株反应。土壤可以从根影响（从根圈土壤和直接相邻的根际）领域植物从同种和异种的植物物种的区被收集。复制收集离子被用来避免pseudoreplicating土壤样品。这些土壤，然后放入异构治疗或混合的均匀化处理单独的补丁。应注意，以确保异质和同质化的治疗体会土壤扰动程度相同。植物可以被放置在这些土壤处理，以确定植物引起的土壤异质性对设备性能的影响。我们证明了植物诱导异质性的结果，也许是因为这些反馈的动态性质不同的结果比预测由传统的共存模式。理论，结合环境异质性的装配社区和额外的实证工作的影响是必要的，以确定何时异质性内在的组装社会将导致与外在的异质性对群落组成比较不同的装配结果。

引言

一个群落生态学的主要目标是解释和预测管辖社区组装的过程。然而，植物群落往往比预测的共存理论^更多的多样化，并恢复生态学家需要了解的共存机制，成功还原多样化当地社区^2。环境异质性是可以帮助解释高水平群落多样性的一个理论上的重要机制，但非均质性的实验操作是罕见^3，专注于非生物异质性（ 例如，在Lundholm ^4日 ）。理论，结合异质性通常假定异质性是外在的组装社区。外在的异质性是由因素，如景观类型学，它是独立的群落组成的管辖。外在的异质性可以通过生态位分化（里维会导致共处星期三在墨尔本等^。3，如帕卡拉和蒂尔曼⁵和切森^6）。然而，还有许多相关的植物群落对环境的异质性可能是内在的社会，发展成为社会各界及组装根据物种在社会上的身份。内在的异质性可导致生物反馈，可通过负的频率依赖性（ 如贝沃等^。7）导致共存。在这里，我们描述了操纵植物引起的土壤异质性，一个类型的土壤异质性是固有的社会和来自植物 - 土壤反馈的新方法。

植物-土壤反馈（PSF）发生时，植物影响土壤结构，化学，生物或在影响着土壤后续工厂绩效的方式，和PSF对原生植物群落⁸工厂性能大的平均效应。涤纶短纤的研究通常是收集来自现场的土壤或土壤条件实验，然后问植物在土壤中相对同种的表现如何，以异种或灭菌土^9。如果植物在土壤相对同种更好的表现来引用的土壤，然后PSF是积极的，而如果植物在土壤中引用有更好的表现，PSF是否定的。友情负PSF可以导致物种⁷之间的频率依赖性并存。而PSF的平均效果是充分表征^8，空间异质性在PSF的影响知之甚少^10。

由于PSF发生在个别工厂⁷的规模和因为植物往往是非随机分布在空间和时间，涤纶短纤有可能导致土壤异质性，我们称之为植物引起的土壤异质性 。不像许多其他形式的异质性（ 如风景的拓扑结构），这heterogeneity是固有的装配社区，从而可能影响社会装配不同于异质性更外在形式。为了了解这种形式的异质性对植物的性能和共存的影响，我们需要操纵植物引起的土壤异质性的实验方法。在这里，我们展示了这样一种方法，即用土壤的两个物种空调创建具有两个土起源和均质处理，这是两个土起源的混合物单独的补丁异构处理。这种土壤混合可以代表在现场至少有两个可能的情况下：（1）干扰（ 如啮齿类动物，农业），其中混合不同来源的土壤或两种接近的成长（2）植物，使得根系影响其区域交融，均质。

我们目前使用的植物引起的土壤异质性在不同LEVE回答关键问题的两个示例实验生态组织的LS：（1）不要植物种群应对种植引起的土壤异质性？及（2）不要单独植物植物引起的土壤异质性反应？我们描述了现场实验用6土壤补丁使用2土壤补丁来解决第二个问题，解决的第一个问题和一个温室试验。量化人口和个别植物对土壤异质性是必不可少的理解异质性影响的社区如何组装。

方案

1。收集现场土壤，产生异构和同构土壤处理

1. 识别两个cooccurring植物类似的栖息地和土壤类型的研究（ 例如 图1a）。确定的量的土壤需要根据土壤的贴片尺寸的实验（ 例如三分之一到二分之一的焦点物种的初生根区域或体积由根球包含的）和实验所需的补丁的数量使用（参见方案2和3，下面）。
   1. 对于鲁梅克斯属。 （ 图1a），使用10厘米土壤斑块×10cm的x 18厘米（长x宽x深）为10厘米半径从植物的基部至18厘米深的近似根区（5655厘米^3个土从这个定义中区一个单独的植物根系产生影响1,800 ^立方厘米 ）3土壤斑块。
2. 调查野外现场找到两个重点物种的成年个体。避免个人的袋鼠T区可能重叠与其他重点物种（位于内的其他物种为0.25m 如鲁梅克斯个人）。标记需要获得所需的土壤的量与针标志的个体的数量。
   1. 马克20随机选择各酸模属的个体。 20试点单位（2种×2土壤处理×5个重复），每个需要来自各重点品种3个土补丁（如在协议2，下图）。
3. 消毒土壤采集设备（铁锹，手套，运输容器）用漂白剂的约1点10分混合物（5-10％次氯酸钠）和水以去除所有土壤颗粒。使用前干燥设备，以避免对土壤生物漂白效果。标签每件设备与实验室磁带指示重点物种，其土壤它将收集或运输，以避免交叉污染（ 如标签1铲物种A和第二铲物种B）。
4. 检查天气和土壤条件土壤开始收集近期降水事件之前，系统蒸发散。避免收集土壤过于潮湿（泥泞或完全饱和），或在降雨事件，以减少土壤板结采集土壤。避免收集土壤过于干燥（非常坚硬，不易插入铲进）从根部土壤中分离到帮助。
5. 收集田间土壤从两个焦点物种的重复分批个人标记，以避免pseudoreplication（ 例如含有一种罕见的致病菌整个实验重复随后被混合的一个土壤样品）。
   1. 挖种A（定义见步骤1.1）与适当标记的无菌铲，从与适当标记的无菌手套土壤去除可见的粗根，然后将土壤中的适当标记的个体的完整的根区无菌运输容器（ 如桶）。对于实验4实验台，每个块和1株的根区提供足够的土壤1实验装置（如第1.2.1节），重复此过程物种A的另外3个人
   2. 物种B。重复第1.5.1节
   3. 从两个物种传递复制的土壤收集到的实验场地。放置在土壤实验单位为实验的块1（如在方案2或3，下图），其中一个块中包含从每个处理组合的实验单元（ 即各物质X的每个土壤处理）。
   4. 重复第1.5.3节。
   5. 在实验中剩余的数据块重复第1.5.1-1.5.4。从个人团体至少1米以前每次采集地点遥远的复制项目的集合，以尽量减少pseudoreplication收集的土壤。

FIGUR区1。实例字段的实验设计操纵植物诱导土壤的异质性。（ 一 ）土壤是从同种（α）和heterospecifics（β）中的字段的根影响的区域收集，下列标准协议用 ​​于研究植物的土壤的效果进行反馈⁹ 。 （b）与来自植物A（α土壤）土壤组成的非均匀土壤和植物乙（'β'土）土的试验治疗是排列在网格中，并与来自这两个来源的土壤的等量混合物中创建均质土壤处理。在这个例子中，字段的土壤栅格插入凹陷入地面的大直径盆和每个网格周围的区域填充有粗，灭菌砂。这个数字已经被修改勃兰特等人 ¹⁰

2。一个例子田间试验，建立异构和同构土壤网格来衡量植物种群回复

1. 使用土壤从复制田间土壤采集（协议1）产生一个异类治疗（ 即交替网格单元包含土壤物种或物种乙收集），并均匀处理（ 即每个网格单元包含土为1:1的混合物从物种A和B）（ 图1b）用于实验在以下步骤中的数据块1。
   1. 土壤消毒处理设备（镘刀，手套，塑料网格）与漂白剂的约1点10分混合物（5-10％次氯酸钠）和水以去除所有土壤颗粒。使用前干燥设备，以避免对土壤生物漂白效果。标签每件设备与实验室磁带指示重点物种的土壤它会处理，以避免交叉污染（ 如标签1抹子物种A和第二抹子物种B）和塑料格栅，以表明它是否将使用对异构或同构土壤处理。
   2. 将可拆卸的塑料格栅进沉没入地[或其他情节或容器足够大，可以容纳电网]要充满领域的锅采集的土壤（ 如 1800厘米³ /网格单元如步骤1.1.1）。使用所需的尺寸， 例如 ，一个2×3网格的尺寸的6个细胞在步骤1.1确定的一个自定义的构造的网格（ 图1b）。
      1. 对于异构处理土壤交替斑块类型，土壤种类A的地方spadefuls成网格单元为α土壤和种乙土壤进入细胞内的β土（ 图1b）。
      2. 对于均质处理，将土壤A和B交替spadefuls到每个网格单元，同时注意均匀分布两种土壤类型，避免各土壤类型的层的形成（ 图1b）。为1800厘米³的例子土壤补丁（1.1.1节），将每个土壤类型为900 ^立方厘米在每个网格单元。
      3. 是SURE产生干扰等量（ 即分手土土块到相同的程度）创建异类和同类土壤处理时，为避免混淆土壤扰动土壤的异质性。
   3. 如果有任何空白区域仍然围绕电网的外内使用（如在图1b）的大锅里，填补了这一领域，用无菌沙子。使用任何标准的方法（ 如高压灭菌，γ-照射）消毒沙子。
   4. 提起塑料格栅垂直出锅，留在土壤补丁完好无损。这允许来自不同个体的根在土壤中，每个工厂交互体验多个补丁，这是用于使植物的根生长成多个土壤斑块（ 即网格单元）是必不可少的。
   5. 重复第2.1.2-2.1.4的第二对试点单位产生一个完整的实验块（ 即混合土的网格成种植每福卡l种类和均质土成植物各重点品种，共计4试点单位）的网格。
2. 在实验中，其余剩下的泥土块重复步骤2.1复制集合（协议1）。块内的随机块，并重复整个实验区，利用周围如果需要，重复横向织物，以保持遮阳从外植在最低限度（未示出）。
3. 植物种子重点物种的进入每个实验锅（2焦点物种×2土壤处理）的每个网格单元。使用共用的种子，以避免混淆基因型植物或种子表面微生物群落与土壤处理。例如，植物种子每羊蹄属植物。放入锅中该物种（ 图1a）分别粘在塑料牙签用水溶性胶水在12种职位（每个网格单元的2个位置），以清楚地识别个体种植。
4. 衡量人口水库实验单位，如发芽和生存，通过个人的定期普查的ponses标志着种子的种植地点（ 例如，使用牙签如步骤2.3）。尽量减少土壤测量，以避免土壤混合斑块之间的任何响应的干扰。
   1. 确定基于对重点物种种群反应的预期收益率相应的普查间隔。例如，每周进行普查的鲁梅克斯属。能迅速发芽。
   2. 继续实验的基础上，重点物种的生活史一个适当的时间。例如，继续实验至少2年短暂的常年酸模属。获得所有生命阶段的数据。

3。一个例子温室实验，在花盆异构和均质土壤衡量个人植物影响

1. 使用从复制田间土壤集合（协议1）土壤产生异质性处理（填充用土从一个物种或物种乙收集了锅，即各占一半）和均匀处理（ 即锅含有土壤的物种A和B的1:1混合物）（ 图2a）块1实验在下面的步骤中。
   1. 在运输容器（ 如桶）和灌封前，混合场采集的土壤从每个物种用无菌砂生产1:1的混合物。为此，以减轻土壤板结和改善排水盆，它是用于清洗根部特别有用，促进根系从土壤中分离。使用任何标准的方法（ 如高压灭菌，γ-照射）消毒沙子。
   2. 一定要产生干扰等量（ 即分手土土块到相同的程度）混合每批田间土壤砂时。
2. 土壤消毒处理设备（镘刀，手套，塑料片材）与AP漂白剂的近因1:10混合物（5-10％次氯酸钠）和水以去除所有土壤颗粒。使用前干燥设备，以避免对土壤生物漂白效果。标签每件设备与实验室磁带指示重点物种的土壤它会处理，以避免交叉污染（ 如标签1抹子物种A和第二抹子物种B）和硬塑料片的每一面，以指示哪些土壤类型将在异质土壤处理盆栽在它的两侧。
3. 创建一个使用来自两个重点物种（从第3.1.1节）的田间土壤砂混合物异构土壤处理。
   1. 将硬塑料片在一个锅里中心划分成两半（ 图2a）。使用锅的大小吧，这样一半是在体积等同于相应的土壤斑块大小（步骤1.1）。例如，使用一个锅一个直径为15厘米和18厘米深的土大黄属。在图1a中 （总体积为3181厘米^3）。
   2. 有两个研究人员同时从每个品种（从物种如 α土）与适当标记的镘刀加场采集的土壤锅的正确一侧，以保持双方甚至在锅里装满。
   3. 通过垂直抬起，土壤，离开土壤斑块完好卸下塑料护栏。这使得工厂体验到土壤内锅两个补丁，用于植物必需经历的异质性。
   4. 重复第3.3.1-3.3.3 3个额外的试点单位，以产生非均质土壤处理一个完整的块（2种×2土壤补丁中的异类治疗类型， 图2）。
4. 创建一个使用来自两个重点物种（从第3.1.1节）的田间土壤砂混合物均匀土壤处理。
   1. 重复第3.3.1节。有两个研究人员同时添加α和β的土壤既用适当标记的镘刀，均匀地分布在每个色块内两种土壤类型和避免产生层的锅面。重复第3.3.3节。
   2. 重复第3.4.1节的第二个试点单位，以产生均匀的土壤处理（一锅为每2个重点物种的）的一个完整的块。
5. 对于剩余的块在实验中，其余土壤重复步骤3.2-3.4复制集合（协议1）。块中的随机块，地块，整个温室的长凳上。

图2。例如温室实验设计操纵植物引起的土壤异质性。（一 ）从物种A的根影响力在该领域的区域（α土壤）和物种B（β土）采集土壤是地方D在一壶茶（异构处理）各占一半，或整个锅（均质处理）混合。 （二）物种A的植物，然后种植到实验中各土壤接插型的异构治疗和均质处理的一侧。这里，只有一个物种（A）示出植入这种设计。一个完全对等的设计将包括种植到内非均质处理各土壤处理和贴片式第二焦点物种（B）的植物。

6. 重点物种A和B到每个土壤斑块类型的析因设计的植物幼苗（2种×3的土壤斑块类型[α土壤，土壤β，α和β土的均匀混合物]; 图2b）。
7. 测量任何单个工厂的答复表明，设备性能，如工厂规模，生物质生产，或功能特性。适当的特征来衡量取决于重点物种和科学问题兴趣。
   1. 继续实验，直到植物大相出现土壤斑块（ 例如约1.5倍的土壤补丁花环形成杂类草的宽度），以确保植物的根都长成这两种土壤补丁。因此，实验持续时间将取决于重点物种的生长速度。
   2. 收获的植物和/或测量响应之前成为植物盆栽绑定，如果现实的反应，土壤环境是理想的（ 即根的生长是由锅和根圆锅底的范围限制）。例如，锅结合的植物的根系是不可能在整个以类似的方式在土壤柱觅食，在该领域的植物。

结果

种反应以种植引起的土壤异质性不同的方式在人口和个体水平（ 图3和图4），与社区组装的影响。要确定植物种群是否对植物引起的土壤异质性反应，现场试验，采用三对同类物种的确立为协议2。植物种群censused每周三个月，并种植种子发芽和那些苗的总比例，在第一个生长季死亡（其中死亡率表示的生存的倒数）进行计算（ 图3）的总比例。我们发现有显著的植物种群应对植物引起的土壤异质性，这表明这个实验是成功的操作是影响植物种群的异质性。一些物种表现出非加性反应，土壤的混合，使得在观察到的响应均质处理（αβ土壤补丁）是不会将混合以创建处理（α，或同种，土壤斑块和β，或同类，土壤补丁）两种土壤类型的中间反应。例如， 龙carolinense有较低的发芽和酸模草具有更大的死亡率在同种和同类物的土壤的均匀混合物比在任一土壤类型单独（ 图^3）10。这些结果提供了由均质土壤环境可能有利于共存，其中降低发芽或一个物种死亡率上升可能对其他物种拓殖提供开放的补丁潜在机制。

...

讨论

植物引起的土壤异质性极有可能在自然群落的植物，因为对它们的土壤环境中的大型和经常特定物种的影响和体验，土壤（ 如彼得曼等 ^13）随后的植物。然而，我们这种类型的异质性对植物群落的角色的理解是最小的^10,14。在这里，我们提出了操纵植物引起的土壤异质性，利用土壤不同来源（不同树种根系的影响，即区域）在该领域的方法。在协议中的关键步骤，以避免混淆植物诱导土壤异质与影响植物对其它的变量是：（1）避免了从现场收集并置于试验台的土壤样品的pseudoreplication和（2）均压土壤的干扰的量对农田土壤放入异类和同类土壤处理。 PseudoreplicationØ如果多相和均相处理接收从土壤中的字段不同个体植物或收集位置，这可避免从适当间隔的位置（步骤1.5）收集土壤中复制分批收集可能发生f土壤样品。如果，例如，一个罕见的病原体发生在外地一家工厂，而工厂的土壤根区仅放置在两个土的治疗方法之一Pseudoreplication会影响研究的结果。此外，在该领域收集位置可以不同的管理，植被的历史，或土壤性质，因此土壤从每个收集位置应在两个实验性治疗中使...

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
铲	任何	NA	至少有两把铲子是有帮助的，每种土壤来源都有一把。
抹子	任何	NA	必须至少有两把相同大小的抹子，每种土壤来源一把。
手套	任何	NA	园艺手套都可以使用。
稀释漂白剂	任何	NA	我们使用 ~1：10 浓度的家用漂白剂（含有 5-10% NaClO）到水中，在两次土壤收集之间对所有设备进行消毒。
塑料网格	任何	NA	CUSTOM.我们使用建造温室墙壁的塑料布来创建田间实验中使用的网格。但是，可以使用任何可以纵的坚硬塑料。拥有三个网格来产生互惠的异质处理和均质处理是有帮助的，而无需在每个实验单元之间进行消毒。
塑料隔板	Any	NA	CUSTOM.我们使用了坚硬的塑料片，切割成适合花盆的最小宽度，这样它们就可以滑到花盆底部进行温室实验。如果研究人员想要随机化区组内实验单元的填充顺序，而无需对每个实验单元之间的分隔器进行消毒，那么至少有两个分隔器是有帮助的，一个用于异质性，一个用于均质处理。
铲斗或手推车	任何	NA	任何用于运输土壤的容器。
种子	任何	NA	我们在田间手工收集种子。如果合适，也可以从园艺供应商处订购种子。
塑料牙签	Soodhalter Plastics， Inc.	805KP	我们在田间实验中种植了粘在牙签上的单个种子，以方便监测个体的发芽和存活。
水溶性胶水	Elmer's	Elmer's Glue-all	任何水溶性胶水都可用于将种子粘附在塑料牙签上。
花盆	任何	NA	花盆的大小将取决于所使用的实验植物和所需的土壤斑块数量（例如 2 或 6）。
沙子	任何	NA	沙都可以与田间土壤混合，以改善花盆中的排水。
实验室胶带	任何	NA	胶带都可用于标记用于处理具有原产物种的土壤的设备。
固定标记	任何	NA	标记都可用于在土壤收集之前识别田间的个体。
景观布	任何		NA景观布都可以在田间使用，以尽量减少实验地块外植物的生长。