Eksperimentel protokol til at manipulere Plant-induceret Soil Heterogenitet

Summary

Forståelse rolle miljømæssige heterogenitet i arter sameksistens har typisk fokuseret på typer af heterogenitet, der hænger direkte sammen med samfundets artssammensætning. Vi leverer nye detaljerede metoder til at skabe jord heterogenitet behandlinger ved hjælp af jord omfattet af plante-jord-feedback condition eller heterogenitet iboende til fællesskabet sammensætning.

Abstract

Sameksistens teori er ofte behandlet miljømæssige heterogenitet som uafhængig af fællesskabet sammensætning, men biotiske feedbacks såsom plante-jord feedbacks (PSF) med har store effekter på plante ydeevne og skabe miljømæssige heterogenitet, der afhænger af fællesskabet sammensætning. Forstå vigtigheden af ​​PSF til plantesamfund samling nødvendiggør forståelse af den rolle heterogenitet i PSF, ud over at betyde PSF effekter. Her beskriver vi en protokol for at manipulere plante-induceret jord heterogenitet. To eksempler eksperimenter præsenteres: (1) et markforsøg med en 6-patch gitter af jord for at måle plante befolknings reaktioner og (2) et drivhus eksperiment med 2-patch jord for at måle de enkelte plante-svar. Jordbunden kan afhentes fra den zone af roden indflydelse (jord fra rhizosfæren og støder direkte op til rhizosfæren) af planter i marken fra conspecifikt og heterospecific plantearter. Repliker indsamleioner bruges til at undgå pseudoreplicating jordprøver. Disse jorder er derefter placeret i separate patches til heterogene behandlinger eller blandet til en homogeniseret behandling. Der bør udvises omhu for at sikre, at heterogene og homogeniserede behandlinger opleve den samme grad af jordbearbejdningen. Planter kan derefter placeres i disse jordbehandlinger at bestemme virkningen af ​​plante-induceret jord heterogenitet på planternes ydeevne. Viser vi, at plante-induceret heterogenitet resultater i forskellige udfald end forudsagt af de traditionelle sameksistens modeller, måske på grund af den dynamiske karakter af disse feedbacks. Teori, der inkorporerer miljømæssige heterogenitet påvirket af samling samfund og yderligere empirisk arbejde er nødvendig for at bestemme, hvornår heterogenitet iboende samling samfund vil resultere i forskellige montage udfald sammenlignet med heterogenitet ydre til fællesskabet sammensætning.

Introduction

Et af de primære mål for fællesskabet økologi er at forklare og forudsige processer, der styrer samfundet forsamling. Men plantesamfund er ofte mere forskelligartet end forudsagt af sameksistens teori ^1, og restaurering økologer nødt til at forstå sameksistens mekanismer til succes genoprette forskellige indfødte samfund ^2. Environmental heterogenitet er en teoretisk vigtig mekanisme, der kan hjælpe med at forklare høje niveauer af samfundet mangfoldighed, men eksperimentelle manipulationer af heterogenitet er sjældne ³ og fokusere på abiotisk heterogenitet (f.eks revideret i Lundholm ^4). Teori, der inkorporerer heterogenitet typisk antager, at heterogenitet er ydre til samling samfund. Ydre heterogenitet er styret af faktorer såsom landskab typologi, som er uafhængige af fællesskabet sammensætning. Ydre heterogenitet kan resultere i sameksistens gennem niche partitionering (reviegift i Melbourne et al. ^3, fx Pacala og Tilman ⁵ og Chesson ^6). Meget af den miljømæssige heterogenitet relevant for plantesamfund kan dog være en iboende del af fællesskabet, udvikler sig som samfundet samler og afhængigt af identiteten af de arter i samfundet. Iboende heterogenitet kan skyldes biotiske tilbagekoblinger, hvilket kan føre til sameksistens gennem negativ frekvens-afhængighed (f.eks Bever et al. ^7). Her beskriver vi en ny metode til at manipulere plante-induceret jord heterogenitet, en type jord heterogenitet, der er uløseligt forbundet med samfundet og opstår fra plante-jord feedbacks.

Plant-jord feedbacks (PSF) opstår, når planterne har indflydelse på jordens struktur, kemi eller biota på en måde, der påvirker efterfølgende plante præstation i denne jord, og PSF har store gennemsnitlige effekter på planternes ydeevne i native plantesamfund ⁸. Undersøgelser af PSF har typisk enten indsamlet jord fra marken eller konditioneret jord eksperimentelt, spurgte hvordan planter udføre i conspecifikt jord i forhold til heterospecific eller steriliseret jord ^9. Hvis planterne klarer sig bedre i conspecifikt jord i forhold til reference jord, så PSF er positive, mens hvis planterne klarer sig bedre i reference-jord, PSF er negative. Gensidige negativ PSF kan føre til frekvens-afhængige sameksistens mellem arterne ^7. Mens de gennemsnitlige effekter af PSF er godt karakteriseret ^8, er virkningerne af rumlig heterogenitet i PSF dårligt forstået ^10..

Fordi PSF forekomme på grund af den enkelte planter ⁷ og fordi planterne er ofte nonrandomly fordelt i tid og rum, PSF vil sandsynligvis føre til jordens heterogenitet, som vi kalder plante-induceret jord heterogenitet. I modsætning til mange andre former for heterogenitet (f.eks landskab topologi), er denne heterogeneity er uløseligt forbundet med samling samfund, og kan således påvirke samfund samling anderledes end mere ydre former for heterogenitet. For at forstå indflydelsen af ​​denne form for heterogenitet på planternes ydeevne og sameksistens, har vi brug eksperimentelle metoder, der manipulerer plante-induceret jord heterogenitet. Her viser vi en sådan fremgangsmåde, som bruger jord betinget af to arter til at skabe en heterogen behandling med separate pletter fra to jord oprindelse og en homogen behandling, som er en blanding af de to jord oprindelse. Denne jord blanding kunne repræsentere mindst to plausible scenarier i feltet: (1) forstyrrelser (fx gnaver, landbrug), der blander jord af forskellig oprindelse eller (2) planter af to arter, der vokser i umiddelbar nærhed, sådan at deres zoner af rod indflydelse blande og homogeniseres.

Vi præsenterer to eksempler eksperimenter, der bruger plante-induceret jord heterogenitet at besvare centrale spørgsmål på forskellige nivls af økologisk organisation: (1) Må plantepopulationer reagere på plante-induceret jord heterogenitet? og (2) Må enkelte planter reagere på plante-induceret jord heterogenitet? Vi beskriver et felt eksperiment ved hjælp af 6 jord patches til at behandle det første spørgsmål og et drivhus eksperiment med 2 jord patches til at behandle det andet spørgsmål. Kvantificere både befolkning og enkelte plante reaktioner på jord heterogenitet er afgørende for at forstå, hvordan heterogenitet påvirker samfund forsamling.

Protocol

1.. Saml Field Jordbunden at producere heterogene og homogene jordbehandling

1. Identificer to cooccurring plantearter i lignende habitater og jordtyper for undersøgelsen (f.eks figur 1a). Bestem mængden af jord nødvendig baseret på jord patch størrelse til brug i eksperimentet (fx en tredjedel til halvdelen af de centrale arter primære rodzonen, eller volumen omfattet af rodklumpen) og antallet af patches er nødvendige for eksperimentet (se protokol nr. 2 og 3, nedenfor).
   1. For Rumex spp. (Figur 1a), skal du bruge jord pletter af 10 cm x 10 cm x 18 cm (længde x bredde x dybde) for omtrentlig rodzone 10 cm radius fra bunden af anlægget til 18 cm dybde (5.655 ^cm3 jord fra dette definerede zone rod indflydelse for en enkelt plante giver 3 jord pletter af 1.800 ³⁾ cm.
2. Undersøgelse felt site for at finde voksne individer af de to centrale arter. Undgå personer, hvis root zone sandsynligvis overlapper med de andre vigtige arter (f.eks Rumex individer placeret inden for 0.25 m af de andre arter). Markere antallet af personer, der er nødvendige for at opnå den nødvendige mængde jord med pin flag.
   1. Mark 20 tilfældigt udvalgte individer af hver Rumex spp. 20 eksperimentelle enheder (2 arter x 2 jordbehandling x 5 gentagelser), at hver kræver 3 jord patches fra hver focal arter (som i protokol nr. 2, nedenfor).
3. Sterilisere jord indsamle udstyr (skovle, handsker, der transporterer containere) med en ca 1:10 blanding af blegemiddel (5-10% NaClO) og vand for at fjerne alle jordpartikler. Tør udstyr før brug for at undgå blegemiddel virkninger på jord biota. Mærk hvert stykke udstyr med laboratorie tape til at angive den centrale arter, hvis jord det vil indsamle eller transport for at undgå krydskontaminering (fx etiket en skovl for arter A og en anden skovl for arter B).
4. Tjek vejr og jord betingelsertioner, før du begynder indsamlingen jord til de seneste nedbørshændelser. Undgå at indsamle jord, der er for vådt (mudret eller helt mættet), eller indsamle jord under en udfældning begivenhed for at minimere jordpakning. Undgå at indsamle jord, der er for tør (meget hårdt og vanskeligt at indsætte en skovl ind i) at hjælpe med at adskille jord fra rødderne.
5. Saml markjord fra afmærkede individer af de to omdrejningspunkter arter i replikere partier for at undgå pseudoreplication (fx en enkelt jordprøve indeholder en sjælden patogen bliver efterfølgende blandet på tværs af eksperimentelle gentagelser).
   1. Opgrave fuldstændig rodzonen af ​​en individuel arter A (som defineret i trin 1.1) med en passende mærket steril skovl fjerne synlige grove rødder fra jorden med passende mærkede sterile handsker, og placere jorden i passende mærkede steril transportbeholder (f.eks spand). For et eksperiment med 4 eksperimentelle enheder i hver blok og 1 enkelt anlæg'S rodzonen leverer nok jord for 1 eksperimentel enhed (som i afsnit 1.2.1), skal du gentage denne procedure for yderligere 3 individer af arterne A.
   2. Gentag afsnit 1.5.1 for arter B.
   3. Transporter replikat samling jord fra begge arter til den eksperimentelle site. Placer jord i eksperimentelle enheder for blok 1 i forsøget (som i protokol nr. 2 eller 3, nedenfor), hvor en blok indeholder en eksperimentel enhed fra hver kombination behandling (dvs. hver art x hver jordbehandling).
   4. Gentag afsnit 1.5.3.
   5. Gentag afsnit 1.5.1-1.5.4 for de resterende blokke i eksperimentet. Saml jord fra grupper af individer mindst 1 m væk fra tidligere indsamlingssteder steder for hver replikat indsamling for at minimere pseudoreplication.

Figure 1. Eksempel felt eksperimentelle design manipulere plante-induceret jord heterogenitet. (A) Jord er indsamlet fra den zone af roden indflydelse af artsfæller (α) og heterospecifics (β) på området, efter standardprotokoller til at studere effekterne af plante-jord feedbacks ⁹ . (B) Forsøgsanlæg behandlinger med heterogene jord består af jord fra fabrik A (α jord) og jord fra plante B ('β' jord) er arrangeret i et gitter, og homogeniseret jordbehandling oprettet med en lige blanding af jord fra disse to oprindelser . I dette eksempel er gitre af marken jord indsat i potter med stor diameter forsænket i jorden og området omkring hvert gitter er fyldt med grove, steriliseret sand. Dette tal er blevet ændret fra Brandt et al. ^10.

2. Et eksempel markforsøg, Oprettelse Grids af heterogene og homogene Jord til måling Beplantningstaethed Responses

1. Brug jord fra en gengivelse samling markjord (Protokol 1) at producere en heterogen behandling (dvs. skiftende gitterceller indeholder jord indsamlet fra art A eller art B) og en homogen behandling (dvs. hver grid celle indeholder en 1:1 blanding af jord fra arterne A og B) (figur 1b) for blok 1 i eksperiment i de følgende trin.
   1. Sterilisere jorden håndteringsudstyr (trowels, handsker, plastik gitter) med en ca 1:10 blanding af blegemiddel (5-10% NaClO) og vand for at fjerne alle jordpartikler. Tør udstyr før brug for at undgå blegemiddel virkninger på jord biota. Mærk hvert stykke udstyr med laboratorie tape til at angive den centrale arter, hvis jord det vil håndtere at undgå krydskontaminering (fx etiket en murske for arter A og en anden murske for arter B) og plastik gitter at oplyse, om den vil blive brugt for det heterogene eller homogene jordbehandling.
   2. Placer flytbare plastik gitter inden gryde sunkne i jorden [eller anden plot eller beholder stor nok til at rumme nettet] for at blive fyldt med felt indsamlede jord (1.800 cm ³ / grid celle som i trin 1.1.1). Anvend en brugertilpasset konstrueret gitter af de ønskede dimensioner, fx en 2 x 3 gitter med 6 celler af størrelse bestemt i trin 1.1 (fig. 1b).
      1. For den heterogene behandling af vekslende jordbundsforhold patch typer, sted spadefuls jord fra art A i gitterceller for α jord og jord fra arterne B i celler for β jord (Figur 1b).
      2. For den homogene behandling, placere vekslende spadefuls af jord a og b i hver grid celle, der tager sig at fordele de to jordtyper og undgå dannelse af lag af hver jordtype (figur 1b). For eksempel jord plaster på 1.800 cm ³ (afsnit 1.1.1), som anbringes 900 cm ³ af hver jordtype i hver grid celle.
      3. Være sure til at producere lige store mængder af forstyrrelser (dvs. bryde op jord knolde i samme grad), når du opretter heterogene og homogene jordbehandling at undgå confounding jordbearbejdningen med jord heterogenitet.
   3. Hvis et tomt område forbliver omkring ydersiden af nettet i den store gryde der anvendes (som i figur 1b), udfylde dette område med sterilt sand. Steriliser sand ved hjælp af enhver standard metode (f.eks autoklavering, gamma-bestråling).
   4. Løft plastik gitter lodret ud af potten, forlader jorden patches intakt. Dette gør det muligt rødder fra forskellige individer til at interagere i jorden og hver plante til at opleve flere plastre, som er afgørende for at tillade planterødder at vokse i flere jord patches (dvs. grid celler).
   5. Gentag afsnit 2.1.2-2.1.4 for et andet par af eksperimentelle enheder til at producere en komplet eksperimentel blok (dvs. et gitter af heterogen jord ind som at plante hver focal arter og et gitter af homogen jord ind som at plante hvert knudepunkt arter, i alt 4 eksperimentelle enheder).
2. Gentag trin 2.1 for de resterende blokke i forsøget med den resterende jord replikere samlinger (Protokol 1). Tilfældig blokke, og grunde i blokke, i hele den eksperimentelle område, ved hjælp af landskabet stof omkring parceller, hvis det ønskes, for at holde skygge udefra vegetation på et minimum (ikke vist).
3. Plant frø af vigtige arter i hvert grid celle i hver eksperimentel pot (2 vigtige arter x 2 jordbehandling). Brug pooled frø for at undgå confounding plante genotyper eller frø-overflade mikrobielle samfund med jordbehandling. For eksempel plantefrø af hver Rumex spp. i potten for denne art (figur 1a) individuelt limet til plastik tandstikkere med vandopløselig lim i 12 positioner plantning (2 positioner pr netkvadrat) til klart at identificere de plantede individer.
4. Måle befolkningens responses af de eksperimentelle enheder, såsom spiring og overlevelse gennem en regelmæssig optælling af individuel markeret plantningslokaliteter frø (fx anvendelse af tandstikkere som i trin 2.3). Minimer forstyrrelse af jorden for enhver reaktion målt for at undgå at blande jord blandt patches.
   1. Bestem de relevante folketælling intervaller baseret på den forventede vækst på befolkningens svar for de centrale arter. For eksempel gennemføre ugentlige folketællinger til Rumex spp. der kan spire hurtigt.
   2. Fortsæt eksperimentet for en passende længde baseret på livshistorie af de centrale arter. For eksempel fortsætte forsøget i mindst 2 år, for kortlivet staude Rumex spp. at indhente oplysninger om alle stadier af livet.

3. Et eksempel Greenhouse Experiment, heterogene og homogeniseret jord i Pots at måle enkelte plante Responses

1. Brug jord fra en gengivelse markjord samling (Protokol 1)til at producere en heterogen behandling (dvs. hver halvdel af en potte fyldt med jord indsamlet fra art A eller arter B) og en homogen behandling (dvs. puljen indeholder en 1:1-blanding af jord fra arter A og B) (figur 2a) for blok 1 af forsøget i de følgende trin.
   1. I transportsektoren beholder (f.eks spand), og før potning, bland feltet indsamlet jord fra hver art med sterilt sand til at producere en 1:1 blanding. Gør dette til at afbøde jordpakning og forbedre dræning i potter, hvilket især er nyttigt for vask rødder lette adskillelsen af ​​rødderne fra jorden. Steriliser sand ved hjælp af enhver standard metode (f.eks autoklavering, gamma-bestråling).
   2. Vær sikker på at producere lige store mængder af forstyrrelser (dvs. bryde op jord knolde i samme grad), når blanding hvert parti markjord med sand.
2. Sterilisere jorden håndteringsudstyr (trowels, handsker, plastfolie) med en APkring 01:10 blanding af blegemiddel (5-10% NaClO) og vand for at fjerne alle jordpartikler. Tør udstyr før brug for at undgå blegemiddel virkninger på jord biota. Mærk hvert stykke udstyr med laboratorie tape til at angive den centrale arter, hvis jord det vil håndtere at undgå krydskontaminering (fx etiket en murske for arter A og en anden murske for arter B) og på hver side af en stiv plastik for at angive, hvilke jordtype vil være pottet på hver side af det i den heterogene jordbehandling.
3. Opret en heterogen jordbehandling ved brug af feltet jord-sand-blandinger fra de to vigtige arter (fra afsnit 3.1.1).
   1. Placer stiv plastfolie i centrum af en gryde til at opdele det i halvdelen (figur 2a). Brug en gryde dimensioneret, at halvdelen af ​​det er tilsvarende i mængde til den passende jord plasterstørrelse (trin 1.1). For eksempel bruger en gryde med en 15 cm i diameter og 18 cm dybde for Rumex spp. i figur 1a (den totale mængde3.181 ^cm3).
   2. Har to forskere samtidig tilføje feltet indsamlet jord fra hver art til den relevante side af potten (fx α jord fra art A) med passende mærkede trowels, for at holde siderne, selvom puljen er fyldt.
   3. Fjern plastik skillevæg ved at løfte den lodret op af jorden, forlader jorden patches intakt. Dette giver planterne til at opleve både pletter af jord i en gryde, der er afgørende for planterne at opleve heterogenitet.
   4. Gentag afsnit 3.3.1-3.3.3 for 3 ekstra eksperimentelle enheder til at producere en komplet blok af den heterogene jordbehandling (2 arter x 2 jord patch typer i den heterogene behandling figur 2).
4. Opret en homogen jordbehandling ved brug af feltet jord-sand-blandinger fra de to vigtige arter (fra afsnit 3.1.1).
   1. Gentag afsnit 3.3.1. Har to forskere samtidig tilføje både α og β jord til bådesider af potten med passende-mærkede trowels jævnt distribuere både jordtyper inden for hver lap og undgå oprettelsen af ​​lag. Gentag punkt 3.3.3.
   2. Gentag afsnit 3.4.1 for en anden eksperimentel enhed til at producere en komplet blok af den homogene jordbehandling (en pot for hver af de 2 omdrejningspunkt art).
5. Gentag trin 3,2-3,4 for resterende blokke i forsøget med den resterende jord replikere samlinger (Protokol 1). Tilfældig blokke, og grunde inden for blokke, på tværs af drivhus bænken.

Figur 2. Eksempel drivhus eksperimentelle design manipulere plante-induceret jord heterogenitet. (A) Jord er indsamlet fra den zone af roden påvirkning af arterne A (α jord), og art B (β jord) i feltet er pladsd i hver halvdel af en gryde (heterogen behandling) eller blandes i hele puljen (homogen behandling). (B) Anlæg af arter A derefter plantet i eksperimentet i hver jordtype patch type i heterogene behandling og på den ene side af en ensartet behandling. Her er kun én art (A) vist plantet ind i dette design. En fuldt gensidig design ville omfatte planter af den anden vigtige arter (B) plantet i hver jordbehandling og patch typer indenfor den heterogene behandling.

6. Kimplanter vigtige arter A og B i hver jord patch type i en faktordesign (2 arter x 3 jord patch typer [α jord, β jord, og en homogen blanding af α og β jord] figur 2b).
7. Mål eventuelle individuelle plante reaktioner viser, plante ydeevne, såsom plante størrelse, produktion af biomasse, eller funktionelle egenskaber. Passende træk at måle, vil afhænge af de centrale arter og videnskabelige spørgsmålinteresse.
   1. Fortsæt eksperimentet indtil planterne ser store i forhold til jord patches (f.eks cirka 1,5 x bredden af jorden patch til roset-dannende forbs) for at sikre planternes rødder vokser ind i både jord patches. Eksperimentel varighed vil således afhænge af væksten i vigtige arter.
   2. Harvest planter og / eller måle reaktioner før planterne bliver pot-bundet (dvs. rodvækst er begrænset af rammerne af potten, og rødderne cirkel i bunden af puljen), hvis der ønskes realistiske svar til jordmiljøet. For eksempel er det usandsynligt, at føde hele jordsøjlen på en måde svarende til planter i marken rødder pot-bundne planter.

Representative Results

Arter reagerede på plante-induceret jord heterogenitet på forskellige måder på både befolkningen og individuelt niveau (figur 3 og 4), med konsekvenser for fællesskabet forsamling. For at bestemme om plantepopulationer reagere på plante-induceret jord heterogenitet blev et felt eksperiment etableret som i protokol nr. 2 ved hjælp af tre congeneric par af arter. Plant populationer blev censused ugentligt i tre måneder og den samlede andel af plantede frø, der spirede og den samlede andel af disse frøplanter, der døde i den første vækstsæson (hvor dødeligheden er den inverse af overlevelse) blev beregnet (figur 3). Vi fandt signifikante plante befolknings reaktioner på plante-induceret jord heterogenitet, hvilket tyder på, at dette forsøg var en succes i at manipulere heterogenitet som påvirkede plante populationer. Nogle arter udstillet nonadditive reaktioner på jord blanding, således at respons observeret ihomogen behandling (αβ jord patches) var ikke en mellemliggende svar på de to jordtyper, der blev blandet for at skabe denne behandling (α, eller conspecifikt, jord patches og β, eller congener, jord patches). For eksempel Solanum carolinense havde lavere spiring og Rumex crispus havde større dødelighed i en homogeniseret blanding af conspecifikt og kongener jordbund end enten jordtype alene (figur 3) ^10. Disse resultater giver potentielle mekanismer, som homogene jordmiljøer kunne lette sameksistens, hvor reducerede spiring eller øget dødelighed af en art kunne give åbne patches for andre arter at kolonisere.

Figur 3. Eksempel skyldes en markforsøg med heterogene og homogene jord. ( (b) andel dødelighed af 3 par congeneric arter plantet i pletter af conspecifikt jord, congener jord, eller en homogen blanding af de to jordtyper. Nogle arter reagerede på jord blanding i en nonadditive måde, for eksempel Rumex crispus havde større dødelighed i den homogene behandling end i enten conspecifikt eller congener (R. obtusifolius) jord pletter i den heterogene behandling. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. større, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, SOLCAR = Solanum carolinense og SOLDUL = S. dulcamara. * P <0,05 fra ortogonale kontraster homogene vs ublandet jord og conspecifikt vs congener jord inden for hver art i et blandet effekter model med en binomial fejl distribution i R Statistisk Environment ^11.. Mean proportioner præsenteres (samlet tæller divideret med den samlede prøve,for overensstemmelse med statistiske metoder ^12). Dette tal er blevet ændret fra Brandt et al. ¹⁰ Se Brandt et al. ¹⁰ for detaljerede analysemetoder.

For at bestemme om de enkelte planter reagere på plante-induceret jord heterogenitet blev et drivhus eksperiment etableret som i protokol nr. 3 ved hjælp af to congeneric par af arter. Fordi vi forventede planter til at reagere på jorden patch, hvor de blev dyrket i tillæg til pot-plan jord heterogenitet blev frøplanter plantet i hver patch inden den heterogene behandling (som i figur 2b). Planterne blev dyrket i 2 måneder og derefter høstet til måling af resultater (total biomasse) og funktionelle egenskaber (herunder specifikt bladareal (SLA), som vist i figur 4). Væsentlige plante reaktioner til jord heterogenitet blev observeret, hvilket antyder, at dette forsøg var vellykket til at manipulere en form for jord heterogen neity der påvirker plante ydeevne. Vi observerede en nonadditive reaktion på jord blanding, i hvilke arter tendens til at have lavere SLA, eller tykkere blade, i en homogeniseret blanding af conspecifikt og congener jordbund end i både jordtype alene (P = 0,031 fra en ortogonal kontrast homogen vs ublandet jord i en blandet effekt model med plantebiomasse som kovariat og blok som en tilfældig effekt, figur 4). Specifik bladareal var også lavere i conspecifikt forhold til congener jord patches (P = 0,004 fra en ortogonal kontrast af jord patch typer i den heterogene jordbehandling, figur 4). Disse resultater tyder på, at erhvervelse plante ressource strategier reagere på plante-induceret jord heterogenitet, hvilket har betydning for virkningen af ​​en sådan heterogenitet på planternes vækst, frugtbarhed, og samspillet mellem arterne.

es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 4.. Eksempel skyldes et drivhus eksperimentere med heterogene og homogene jord. Specifik bladareal (SLA), beregnet som bladareal divideret med tørvægt af 2 par congeneric arter, der dyrkes i pletter af conspecifikt jord, congener jord, eller en homogen blanding af to jordtyper. Samlet set arter reagerede på jord blanding i en nonadditive måde, hvor SLA var lavere i den homogene behandling end i enten conspecifikt eller congener jord pletter i den heterogene behandling. Mean træk ± 1 SE. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. større, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius.

Discussion

Plant-induceret jord heterogenitet er meget sandsynligt i naturlige fællesskaber, fordi planterne har store og ofte artsspecifikke effekter på deres jord miljø og de ​​efterfølgende anlæg, der oplever, at jord (Petermann et al. ^13). Men vores forståelse af den rolle af denne type af heterogenitet på plantesamfund er minimal ^10,14. Her præsenterer vi en metode til at manipulere plante-induceret jord heterogenitet, ved hjælp af jord fra forskellige oprindelser (dvs. zoner af rod indflydelse af forskellige arter) i området. De kritiske skridt i protokollen at undgå confounding plante-induceret jord heterogenitet med andre variabler, som påvirker plante svar er: (1) at undgå pseudoreplication af jordprøver indsamlet fra marken og placeret i eksperimentelle enheder og (2) at udligne mængden af ​​jord forstyrrelse til marken jord placeret i heterogene og homogene jordbehandling. Pseudoreplication of jordprøver kunne forekomme, hvis heterogene og homogene behandlinger modtager jord indsamlet fra forskellige individuelle planter eller indsamling steder i området, som kan undgås ved at indsamle jord i replikat batches fra godt fordelte steder (trin 1.5). Pseudoreplication kan påvirke undersøgelsens resultater, hvis for eksempel opstår en sjælden patogen i rodzonen af ​​en plante på marken, og at anlæggets jord kun placeret i en af ​​de to jordbehandling. Derudover kan indsamle steder i området adskiller sig i ledelse, vegetation historie eller jord egenskaber, og dermed jord fra hver opsamling placering bør anvendes i både eksperimentelle behandlinger, randomizing tværs potentielle forstyrrende faktorer. Forstyrrelser på marken jord (dvs. opbrydning af jord knolde) øger jordpakning og kan påvirke fortolkningen af resultaterne. For eksempel, hvis den homogene jordbehandling modtager større forstyrrelse end heterogene behandling, så effektenjord heterogenitet ville være en effekt af jordbearbejdning. Læserne bør også overveje statistisk styrke i deres design af disse eksperimenter, der ville påvirke den samlede mængde jord påkrævet (trin 1.1), og antallet af individer af hver vigtige arter, hvorfra at indsamle jord i marken (trin 1.2). Indledende forsøg kan anvendes til at bestemme virkningen størrelse og varians forventet, og denne information kan derefter anvendes til at designe et eksperiment med tilstrækkelig replikation ^15.

Denne protokol kan let ændres til at rumme andre metoder til at studere plante-jord feedbacks (fx ved hjælp af jord aircondition i drivhuset ¹⁶⁾ og alternative eksperimentelle design (fx forskellige rumlige eller tidsmæssige skalaer, interspecifik konkurrence ^17). Yderligere forsøg kunne også bruge alternative fokale arter. Udvælgelsen af ​​fokale arter har konsekvenser for både undersøgelsens logistik ogfortolkning af resultaterne, men frem for alt bør gøres for at bedst løse investigator spørgsmål af interesse. Vi viser Repræsentative Resultater for nært beslægtede par af arter, som tilladt os at kontrollere i nogen grad for vækst formular ¹⁸ og en effekt af fylogeni på plante-jord feedback-reaktioner (f.eks Burns og Strauss ^19). Størrelsen af ​​fokal arter bestemmer omfanget af jord patches anvendes, og deres liv historie kan påvirke forsøgets varighed. To vigtige arter af forskellig størrelse kan reagere forskelligt på den samme skala plante-induceret jord heterogenitet hvis de mindre arter, der ikke kan integrere på tværs af forskellige jord patch typer i samme grad som de større arter (fx de mindre arter rodzonen er begrænset til en enkelt jord plaster). Derudover anvendes arter med en klonal vækst formular er tilbøjelige til at producere forskellige reaktioner på jord heterogenitet end arter, der formerer sig udelukkende fra frø (som revisionerewed i Reynolds og Haubensak ^14).

En vigtig begrænsning ved denne metode er, at de mekanismer, der regulerer reaktioner på jord heterogenitet (f.eks abiotiske faktorer såsom jordens kemi, biotiske faktorer såsom jord mikrobielle samfund) er ikke identificeret uden yderligere arbejde. For eksempel vores resultater tyder på, at homogen jord (dvs. blandet jord) kan resultere i nonadditive effekter på både befolkningen og enkelte anlæg plan, hvor plante reaktioner i homogen behandling var ikke mellemliggende forhold til plante svarene i de to jordtyper, der komponerede blanding. Jord blanding kunne forekomme i naturlige fællesskaber som følge af forstyrrelser, såsom gnavere 'grave, eller som følge af overlappende zoner af rod indflydelse som planter af forskellige arter vokser ind i hinandens rodnet zoner. En mulig mekanisme for disse fund er en effekt af jordens biota, som kan bidrage til nonadditive svars, hvis samfund af bakterier, svampe eller andre organismer interagerer på jord blanding, ændrer det biotiske sammensætning af jorden og dermed plante reaktioner på denne jord. Abiotiske mekanismer kan også resultere i nonadditive reaktioner, hvis plante funktionelle reaktioner på abiotiske drivere (f.eks næringsstof niveauer) er lineær ^20. Yderligere eksperimenter og prøvetagning er derfor nødvendigt at identificere førere af plante svar på disse jordbehandling, med konsekvenser for deres anvendelse i naturlige fællesskaber. For eksempel kan den rolle jord biotiske faktorer regulerer plante svar på plante-induceret jord heterogenitet afprøves med jord konditioneret med fokal arter i drivhuset sammenlignet med steriliseret jord, som giver en negativ kontrol for at teste rolle Jordbiotaens.

Vi demonstrerer signifikante plante reaktioner på plante-induceret jord heterogenitet, tyder på, at planterne selv påvirke miljøet heterogeneity, der påvirker plante samfund samling (figur 5). Heterogenitet kan således være en iboende del af fællesskabet sammensætning, i modsætning til de mere ekstrinsiske typer af heterogenitet, at undersøgelser af plantesamfund forsamling har oftere betragtes ^3. Romanen, der præsenteres her, har potentiale til at forene modstridende forudsigelser fra teori og resultater fra forsøg om forholdet mellem miljø-heterogenitet og arter sameksistens, eller forskellighed ^4,14. Teori forudsiger, at miljø-heterogenitet fører til øget artsdiversitet (revideret i Melbourne et al. ^3), har dog tidligere eksperimenter direkte manipulere jordens næringsstof heterogenitet ofte fundet den modsatte tendens (revideret i Lundholm ⁴ og Reynolds og Haubensak ^14), tyder på, at andre typer heterogenitet, såsom dem, der følger plante-jord feedbacks, bør undersøges.Denne metode til at manipulere plante-induceret jord heterogenitet angiver specifikke mekanismer, som sameksistens kan lettes i homogene miljøer. For eksempel, hvis hjemmehørende planter har lavere spiring eller højere dødelighed i homogene jord, som blev fundet for nogle arter (figur 3), så disse mere homogene miljøer kan være mere invasible, i modstrid med de traditionelle forudsigelser teori. Endvidere kan sameksistens forudsigelser for hver art par i heterogene jorde beregnes ⁷ anvendes arter svar til hver jord patch typer indenfor den heterogene behandling, som giver forskerne at afgøre, hvilke arter, de kunne forvente plante-induceret jord heterogenitet for at lette sameksistensen ^10.

Figur 5. Conceptual oversigtaf værdien af at behandle plante-induceret jord heterogenitet. (a) Traditionelt konceptualisering af den indflydelse af heterogenitet på sameksistens og fællesskab forsamling har fokuseret på effekten af heterogenitet ydre til fællesskabet sammensætning (f.eks landskab topologi) om EF forsamling. (B) De nye metoder, der foreslås her, omfatter virkningerne af planter på jordens heterogenitet drevet af plante-jord feedbacks, hvor planterne har indflydelse på biota, kemi eller struktur i jorden på en måde, der påvirker efterfølgende plante præstation i denne jord. Dette perspektiv anerkender, at heterogenitet iboende til community sammensætning, herunder både biotiske og abiotiske effekter, har også indflydelse forsamling.

Manipulering heterogenitet, der er uløseligt forbundet med fællesskabet tillader strenge test af potentialet for frekvensafhængig sameksistens, som kan resultere fra biotiske feedbacks, såsom plant-jord feedbacks, og integrerer vores forståelse af denne mekanisme med den større krop af sameksistens teori ^9. Da denne type af heterogenitet er dynamisk over tid, vil dens indflydelse på samfund samling afhænge af længden af ​​tid, det tager for plante-jord feedbacks at udvikle og længden af ​​plante-jord-feedback legacy effekter i fællesskaber. Således er der behov for på den tidsmæssige skala over hvilken disse virkninger udvikle og nedbrydes yderligere empirisk arbejde. Fremtidige applikationer, som kan opstå i dette arbejde omfatter således informere ny teori, der inkorporerer heterogenitet drevet af iboende feedback-processer (f.eks Fukami og Nakajima ²⁰⁾ og yderligere empiriske undersøgelser af, hvilken rolle disse iboende processer i samlingen (fx Brandt et al. ^10).

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Shovel(s)	Any	NA	It is helpful to have at least two shovels, one for each species of soil origin.
Trowel(s)	Any	NA	It is necessary to have at least two trowels of identical size, one for each species of soil origin.
Gloves	Any	NA	Gardening gloves can be used.
Diluted bleach	Any	NA	We use an ~1:10 concentration of household bleach (containing 5-10% NaClO) to water to sterilize all equipment between soil collections.
Plastic grid(s)	Any	NA	CUSTOM. We used plastic sheeting from the construction of greenhouse walls to create the grid used in the field experiment. However any stiff plastic that can be manipulated can be used. It is helpful to have three grids to produce reciprocal heterogeneous treatments and a homogeneous treatment without needing to sterilize between each experimental unit.
Plastic dividers	Any	NA	CUSTOM. We used stiff sheets of plastic, cut to fit the pot minimum width, such that they can slide down to the bottom of the pot for the greenhouse experiment. It is helpful to have at least two dividers, one for heterogeneous and one for homogeneous treatments, if investigators want to randomize the order in which experimental units within a block are filled without needing to sterilize the divider in between each experimental unit.
Buckets or wheelbarrows	Any	NA	Any container for transporting soils.
Seeds	Any	NA	We collect seeds in the field by hand. Seeds can also be ordered from horticultural suppliers, if appropriate.
Plastic toothpicks	Soodhalter Plastics, Inc.	805KP	We plant individual seeds glued on toothpick in the field experiment to facilitate monitoring germination and survival of individuals.
Water soluble glue	Elmer's	Elmer's Glue-all	Any water soluble glue can be used to adhere seeds to plastic toothpicks.
Pots	Any	NA	Pot size will depend on experimental plants used and number of soil patches desired (e.g. 2 or 6).
Sand	Any	NA	Coarse sand may be mixed with field soils to improve drainage in pots.
Lab tape	Any	NA	Tape may be used to label equipment used in handling soils with the species of origin.
Pin flags	Any	NA	Flags can be used to identify individuals in the field prior to soil collection.
Landscape fabric	Any	NA	Landscape fabric can be used in the field to minimize the growth of plants outside experimental plots.