Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Environment

Экспериментальный протокол для работы с завод-индуцированной неоднородности почвы

Published: March 13, 2014 doi: 10.3791/51580

Summary

Понимание роли экологической гетерогенности видового сосуществования обычно сосредоточены на виды неоднородности, которые внешними по отношению к видовому составу сообщества. Мы предоставляем новые подробные методы для создания почвы неоднородности процедуры с использованием почвы, подлежащих завод-почвенного обратной воздуха, или неоднородности внутренней составу сообщества.

Abstract

Теория Сосуществование часто рассматривается экологической гетерогенности как не зависит от состава сообщества, однако биотические обратные связи, такие как завод-почвенных обратных связей (ФСФ) имеют большое влияние на производительность растений, а также создавать экологическую неоднородность, которая зависит от состава сообщества. Понимая важность PSF для сборки растительных сообществ требует понимания роли неоднородности в PSF, в дополнение к средней эффекты ФСФ. Здесь мы описываем протокол для управления завода-индуцированной неоднородности почвы. Два примера эксперименты представлены: (1) полевой эксперимент с 6-патч сетки почв для измерения растений ответов населения и (2) парниковых эксперимент с 2-патч почв для измерения индивидуальных реакцию растений. Почвы могут быть собраны из зоны корень влияния (почв от ризосфере и непосредственно примыкает к ризосфере) растений в области от конспецифичный и гетероспецифических видов растений. Репликация собиратьионы используются, чтобы избежать pseudoreplicating образцы почвы. Эти почвы помещают в отдельные участки для гетерогенных лечения или смешанная для гомогенизированный лечения. Следует проявлять осторожность, чтобы гарантировать, что гетерогенные и гомогенизированные лечения испытать такую ​​же степень возмущения почвы. Растения могут быть помещены в эти обработки почв для определения влияния растительного вызванной неоднородностью почвы на производительность растений. Мы демонстрируем, что растительные вызванной неоднородности результатов в различных результатов, чем предсказанные традиционных моделей сосуществования, возможно, из-за динамичного характера этих обратных связей. Теория, которая включает экологическую неоднородность зависит от сборки сообщества и дополнительной эмпирической работы, чтобы определить, когда неоднородность присуща сборочной сообщества приведет к разным результатам сборки по сравнению с неоднородности внешними по отношению к составу сообщества.

Introduction

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Одна из основных задач экологии сообществ является для объяснения и прогнозирования процессов, регулирующих сборку сообщества. Тем не менее, растительные сообщества, часто более разнообразны, чем предсказывает теория сосуществования 1, и реставрационные экологи должны понимать механизмы сосуществования успешно восстановить различные родные общины 2. Экологическая гетерогенность является теоретически важным механизмом, который может помочь объяснить высокие уровни сообщества разнообразия, но экспериментальные манипуляции неоднородности являются нечастыми 3 и сосредоточиться на абиотической неоднородности (например отзывы в Lundholm 4). Теория, которая включает неоднородность обычно предполагает, что неоднородность внешними по отношению к сборочной сообщества. Внешняя неоднородность регулируется такими факторами, как ландшафтного типологии, которые не зависят от состава сообщества. Внешняя неоднородность может привести к сосуществованию через нишу разделения (Ревипоженились в Мельбурне и др.. 3, например Пакала и Тильман 5 и Chesson 6). Тем не менее, большая часть экологической неоднородности, имеющей отношение к растительных сообществ может быть присущи общине, развивается как община собирает и в зависимости от идентичности видов в сообществе. Внутренняя неоднородность может быть результатом биотических обратных связей, которые могут привести к сосуществованию через отрицательной частотной зависимости (например Бевер др.. 7). Здесь мы описываем новый метод для манипулирования завод-индуцированной неоднородности почвы, тип неоднородности почвы, которая присуща сообщества и возникает из растительного грунта обратных связей.

Завод-почвенные отзывы (PSF) возникают, когда растения влияют на структуру почвы, химию, или биоты в манере, которая влияет на последующую производительность предприятия в этой почве, и PSF обладают большой длиной воздействие на производительность завода в родных растительных сообществ 8. Исследования PSF, как правило, либо собраны почв от области или условных почвы экспериментально, а потом спросил, как растения выполняют в конспецифической относительно почвы для гетероспецифических или стерилизовать почву 9. Если растения лучше работать в конспецифической относительно почвы для ссылки почвы, то PSF положительны, в то время как если растения лучше работать в справочных почв, PSF отрицательны. Взаимное отрицательный PSF может привести к частотно-зависимого сосуществования видов 7. В то время как средние эффекты PSF хорошо характеризуется 8, эффекты пространственной неоднородности в PSF мало изучены 10.

Потому что PSF происходят в масштабе отдельных предприятий 7 и потому растения часто неслучайно распределены в пространстве и времени, PSF, скорее всего, приведет к неоднородности почвы, которую мы называем завод-индуцированной неоднородности почвы. В отличие от многих других форм неоднородности (например пейзаж топологии), это heterogeneitу присуща сборочной сообщества и может таким образом влиять сборку сообщества иначе, чем более внешних форм неоднородности. Для того чтобы понять влияние этой формы неоднородности на производительность растений и сосуществования, мы должны экспериментальные методы, которые манипулируют завод-индуцированной неоднородности почвы. Здесь мы продемонстрировать такой способ, который использует почвы, обусловленные двух видов для создания гетерогенного лечение отдельные участки почвы от двух происхождения и однородной обработки, которая представляет собой смесь двух почвы происхождения. Это смешение почвы могут представлять по меньшей мере два возможных сценариев в области: (1) возмущений (например, грызунов, сельское хозяйство), который смешивает почвы различного происхождения или (2) растения двух видов, растущих в непосредственной близости, например, что их зоны корневой влияния смешиваются и гомогенизации.

Приведем два примера эксперименты, которые используют завода-индуцированной неоднородности почвы ответить на ключевые вопросы на разных Левелс из экологической организации: (1) популяции растений реагировать ли посадить вызванной неоднородность почвы? и (2) индивидуальные растения реагируют ли на завод-индуцированной неоднородности почвы? Мы описываем поле эксперимент с использованием 6 почвы патчи для решения первого вопроса и парниковый эксперимент с использованием 2 почвы патчи для решения второго вопроса. Количественная как население и индивидуальные реакции растений на неоднородности почвы имеет важное значение для понимания того, как узел неоднородность влияния сообщества.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

1. Сбор полей Грунты для производства продуктов гетерогенных и гомогенных обработки почв

  1. Определите два cooccurring видов растений в подобных мест обитания и типов почв для исследования (например, рис 1а). Определить количество почвы необходимо на основе почвы размера пятна использовать в эксперименте (например, один третьей до половины первичной корневой зоне фокальной биологических видов или объема охваченной корневой ком) и количество патчей, необходимых для эксперимента (см. схемы 2 и 3, ниже).
    1. Для Румекс SPP. (Рис. 1а), использовать почвенные участки 10 см х 10 см х 18 см (длина х ширина х глубина) для приближенного корневой зоне 10 см радиусе от основания завода до 18 см глубиной (5655 см 3 почвы от этой определенной зоне корень влияние на один отдельного растения дает 3 почвы участки 1800 3) см.
  2. Обследование поле сайт, чтобы найти взрослых особей двух координационных видов. Избегайте людей, чьи кенгурут зона всего перекрывается с другими координационных видов (например Rumex лица находится в пределах 0,25 м от других видов). Отметить количество лиц, необходимых для получения необходимого количества грунта с контактными флагов.
    1. Марк 20 случайно выбранных особей каждого Румекс SPP. в течение 20 экспериментальных установок (2 вида х 2 обработки почв х 5 повторов), что каждый требуют 3 почвы патчи от каждой тематической видов (как в Протоколе 2, ниже).
  3. Стерилизовать почвы сбора оборудования (лопаты, перчатки, перевозящие контейнеры) с примерно 1:10 смеси хлорной извести (5-10% NaClO) и водой, чтобы удалить все частицы грунта. Сухой оборудование перед использованием, чтобы избежать отбеливания воздействие на почвенной биоты. На каждом часть оборудования с лабораторной ленты, чтобы указать фокусное видов, чьи почвы он будет собирать или транспортной, чтобы избежать перекрестного загрязнения (например метки одна лопатка для видового А и второй лопатой для видового B).
  4. Проверьте погоду и Конди почвыTIONS перед началом сбора почвы для недавних событий осадков. Избегайте сбора почвы, которые являются слишком влажный (мутная или полностью насыщенный) или сбора почву во время осадков случае свести к минимуму уплотнение почвы. Избегайте сбора почвы, которые являются слишком сухой (очень трудно, и трудно вставить лопату в) для оказания помощи в отделении почву от корней.
  5. Соберите поля почву от отмеченных лиц двух координационных видов в повторных партий, чтобы избежать pseudoreplication (например, одного образца почвы, содержащей редкие патоген время впоследствии смешанный через экспериментальных повторах).
    1. Выкопайте полную корневую зону индивида видового А (как определено в пункте 1.1) с соответствующим-меченого стерильной лопатой, удалить видимые грубые корни из почвы с соответствующим меченных стерильные перчатки, и поместите почву в соответствующим образом помечены стерильной транспортный контейнер (например, ведро). Для эксперимента с 4 экспериментальных установок в каждом блоке и 1 отдельного растения'Ы корневой зоны обеспечивая достаточно почву для 1 экспериментального блока (как в разделе 1.2.1), повторите эту процедуру в течение 3 дополнительных особей вида A.
    2. Повторите Раздел 1.5.1 для видов B.
    3. Транспорт реплику коллекцию почвы от обоих видов в экспериментальной площадки. Наведите почву в экспериментальных установок для блока 1 эксперимента (как в Протоколе 2 или 3, ниже), где блок содержит экспериментальную устройство от каждой комбинации лечения (то есть каждый вид х каждой обработки почвы).
    4. Повторите раздел 1.5.3.
    5. Повторите положений разделов 1.5.1-1.5.4 для остальных блоков в эксперименте. Сбор почву от групп лиц не менее 1 м на расстоянии от предыдущих местах сбора подписей для каждой параллельной коллекция минимизировать pseudoreplication.

Рисунок 1
Figurе 1. Пример поля опытно-конструкторских манипулирования завод-индуцированной неоднородности почвы. (А) Почвы собраны из зоны корневой влиянием горбачей (α) и heterospecifics (β) в области, в соответствии со стандартными протоколами для изучения эффектов растительного слоя почвы обратные связи 9 . (Б) Экспериментальные процедуры с гетерогенных почв, состоящих из почв от растений А (α почв) и почв от растений B ('β' почвы) расположены в сетке, и гомогенизированные лечения почвы создается с равным смеси почв от этих двух начал . В этом примере, сетки полевых почвах вставляются в горшках большого диаметра затонувших в землю и область вокруг каждой сетки наполняется крупным, стерилизованного песка. Эта цифра была изменена от Брандт и др. 10.

2. Пример полевой эксперимент, Создание Сетки гетерогенных и гомогенных почвы измерить реакции популяций растений

  1. Используйте почв от реплики с коллекции поле почвы (протокол 1) производить гетерогенную лечение (т.е. переменное ячейки сетки содержат почву, собранную из видов А или вида Б) и однородную лечение (то есть каждая ячейка сетки содержит смесь 1:1 почвы от видов А и В) (рис. 1б) для блока 1 эксперимента в следующих шагах.
    1. Стерилизовать оборудование для обращения почвы (мастерки, перчатки, пластиковую решетку) с примерно 1:10 смеси хлорной извести (5-10% NaClO) и водой, чтобы удалить все частицы грунта. Сухой оборудование перед использованием, чтобы избежать отбеливания воздействие на почвенной биоты. На каждом часть оборудования с лабораторной ленты, чтобы указать фокусное видов, чьи почвы он будет обрабатывать, чтобы избежать перекрестного загрязнения (например, этикетки один шпатель для видового А и второй шпатель для видового B) и пластиковую решетку, чтобы указать, будет ли использоваться это для гетерогенной или гомогенной обработки почвы.
    2. Поместите съемный пластиковую решетку вгоршок затонувшего в землю [или другой участок или контейнера, достаточно большой, чтобы разместить сетку] должны быть заполнены с собранной на местах почву (например, 1800 см 3 / ячейки сетки, как в пункте 1.1.1). С помощью пользовательского возведенных сетку желаемых размеров, например 2 х 3 сетки с 6 клетках размером определено на этапе 1,1 (рис. 1b).
      1. Для гетерогенной лечения переменного почвы типы патч, размещать spadefuls почвы от видового А в ячейках сетки для α почвы и почвы от вида B в клетки для β почвы (рис. 1b).
      2. Для однородной лечения, разместить чередующиеся spadefuls почв а и б в каждой ячейки сетки, заботясь, чтобы равномерно распределить два типа почвы и избежать образования слоев каждого типа почвы (рис. 1b). Для патча пример почвенной 1800 см 3 (раздел 1.1.1), поместите 900 см 3 каждого типа почвы в каждой ячейки сетки.
      3. Будьте сЮр, чтобы произвести одинаковое количество нарушений (т.е. разбить почвы комья в той же степени) при создании гетерогенных и гомогенных лечения почвы, чтобы избежать оправдав нарушение почвенного покрова с неоднородностью почвы.
    3. Если пустое пространство остается вокруг внешней части сетки в большом горшке, используемого (как на рисунке 1b), заполнить эту область стерильной песка. Стерилизовать песок, используя любой стандартный метод (например, автоклавирования, гамма-облучение).
    4. Поднимите пластиковую решетку вертикально из горшка, оставляя почвы патчи нетронутыми. Это позволяет корни от разных людей, чтобы взаимодействовать в почве и на каждом заводе, чтобы испытать несколько патчей, что очень важно для обеспечения возможности корни растений расти на несколько патчей почвы (т.е. ячеек).
    5. Повторите положений разделов 2.1.2-2.1.4 для второй пары экспериментальных установок для создания полного экспериментальный блок (т.е. сетка гетерогенной почвы, в которую посадить каждый Фокал видов и сетка однородной почве, в которую посадить каждый фокусное видов, в общей сложности 4 экспериментальных установок).
  2. Повторите шаг 2.1 для оставшихся блоков в эксперименте с оставшейся почвы повторить коллекции (протокол 1). Случайно блоки и участки в пределах блоков, на протяжении экспериментального зоне, используя пейзаж ткани вокруг участков При желании сохранить затенение от внешнего растительности как минимум (не показан).
  3. Семена растений координационных видов в каждой ячейки сетки каждого экспериментального горшок (2 координационных видов х 2 обработки почв). Используйте пула семя, чтобы избежать вмешивающихся генотипов растений или семян поверхности микробных сообществ с обработки почвы. Например, семена растений из каждой Румекс SPP. в банк для этого вида (рис. 1а) индивидуально приклеенной к пластиковых зубочисток водорастворимым клеем в 12 позиций посадки (2 положения в ячейке сетки), чтобы четко определить, посаженные лиц.
  4. Измерьте Рез населенияponses экспериментальных единиц, таких как прорастание и выживание, через регулярной переписи человека отмечены места посадки семян (например, с помощью зубочистки, как в пункте 2.3). Свернуть нарушение почвы для любого ответа, измеренного, чтобы избежать смешивания почвы среди патчей.
    1. Определите соответствующие интервалы переписи на основе ожидаемой нормы реакции популяций для координационных видов. Например, проводить еженедельные переписей для Румекс SPP. , которые могут прорасти быстро.
    2. Продолжить эксперимент для соответствующей продолжительности, основанного на истории жизни координационных видов. Например, продолжить эксперимент не менее 2 лет для недолгой многолетних Румекс SPP. для получения данных о всех этапах жизни.

3. Пример парниковых Эксперимент с гетерогенной и усредненного почвы в горшках к измерению отдельных реакций растений

  1. Используйте почв от реплики с поля коллекции почвы (протокол 1)производить гетерогенную лечение (то есть каждая половина горшок, заполненный почвой, полученной от видов А или вида Б) и однородную лечение (то есть банк содержит смесь 1:1 почвы от видов А и В) (рис. 2а) для блока 1 из эксперимента в следующих шагах.
    1. В транспортном контейнере (например, ковш) и перед заливкой, смешать, собранной на местах почву от каждого вида стерильной песка с получением смеси 1:01. Сделайте это, чтобы смягчить уплотнение почвы и улучшить дренаж в горшках, что особенно полезно для корней стиральных, облегчая отделение корней из почвы. Стерилизовать песок, используя любой стандартный метод (например, автоклавирования, гамма-облучение).
    2. Будьте уверены, чтобы произвести одинаковое количество нарушений (т.е. разбить почвы комья в той же степени) при смешивании каждую партию почвой с песком.
  2. Стерилизовать оборудование для обращения почвы (мастерки, перчатки, фольга), с точкой доступаприближенно 1:10 смесь хлорки (5-10% NaClO) и воды, чтобы удалить все частицы грунта. Сухой оборудование перед использованием, чтобы избежать отбеливания воздействие на почвенной биоты. На каждом часть оборудования с лабораторной ленты, чтобы указать фокусное видов, чьи почвы он будет обрабатывать, чтобы избежать перекрестного загрязнения (например, этикетка один шпатель для видового А и второй шпатель для видового B) и каждую сторону жесткой пластиковый лист, чтобы указать, какие тип почвы будет сыгран на каждой стороне его в гетерогенной обработки почвы.
  3. Создание гетерогенную обработку почвы, используя поле почвенно-песчаных смесей из двух координационных видов (из раздела 3.1.1).
    1. Поместите жесткий пластиковый лист в центре горшка, чтобы разделить его пополам (рис. 2а). Используйте горшок такой размер, что половина из них эквивалентна по объему до соответствующего размера патч почвы (этап 1.1). Например, можно использовать горшок диаметром 15 см и 18 см глубиной на Румекс SPP. на рисунке 1a (общий объем3181 см 3).
    2. Есть два исследователя одновременно добавить, собранной на местах почву от каждого вида к соответствующему стороны горшка (например α почву от вида A) с соответствующим меченных мастерки, чтобы держать стороны, как раз когда горшок заполняется.
    3. Снимите пластиковый делитель, подняв ее вертикально из почвы, оставляя почвы патчи нетронутыми. Это позволяет растениям испытать оба пятна почвы в пределах горшок, необходимые для растений, чтобы испытать неоднородность.
    4. Повторите положений разделов 3.3.1-3.3.3 течение 3 дополнительных экспериментальных установок для создания полного блок гетерогенной обработки почвы (2 вида х 2 почвенные виды патч в гетерогенной лечения; рис. 2).
  4. Создание однородную обработку почвы, используя поле почвенно-песчаных смесей из двух координационных видов (из раздела 3.1.1).
    1. Повторите раздел 3.3.1. Были два исследователя одновременно добавить как α и β почвы для обоихстороны горшок с соответствующим меченных мастерки, равномерно распределяя оба типа почвы в пределах каждого патча и избежать создания слоев. Повторите Раздел 3.3.3.
    2. Повторите разделе 3.4.1 на второй экспериментальной установки для создания полного блока однородной обработки почвы (один горшок для каждого из видов фокальной 2).
  5. Повторите шаги 3.2-3.4 для оставшихся блоков в эксперименте с оставшейся почвы повторить коллекции (протокол 1). Случайно блоки и участки в пределах блоков, через парниковый скамейке.

Рисунок 2
Рисунок 2. Пример парниковых опытно-конструкторских манипулирования завод-индуцированной почвы неоднородность. (А) Почвы, собранные из зоны корневой влиянием видов A (α почв) и видового B (β почвы) в области являются местомг в каждой половине горшке (гетерогенная лечения) или смешивают на протяжении всего горшок (однородная лечения). (Б) Растения сорта а затем высаживают в эксперименте в каждого типа пластыря почвы в гетерогенной лечения и на одной стороне однородной обработки. Здесь только один вид (А) показан посажены в этой конструкции. Полностью обратная дизайн будет включать заводы вторых координационных видов (B), посаженных в каждой обработки почвы и типа патч в гетерогенной лечения.

  1. Саженцы растений из фокальной видов А и В в каждом типе патч почвы в факторного плана (2 вида х 3 типа патч почвы [α почвы, β почвы и однородная смесь α и β почвы]; рис. 2б).
  2. Измерьте любые индивидуальные реакцию растений, которые указывают производительность предприятия, такие как размер растений, производства биомассы, или функциональных признаков. Соответствующие черты для измерения будет зависеть от координационных видов и научных вопросахинтерес.
    1. Продолжить эксперимент, пока растения не появляются большой относительно почвы патчи (например примерно 1.5x ширину пластыря почвы для розеточных формирования разнотравья), чтобы обеспечить корни растений растут в обоих почвы патчей. Экспериментальная продолжительность, будет зависеть от темпов роста координационных видов.
    2. Урожай растений и / или ответы измерения перед растения становятся горшком (т.е. рост корней ограничена пределами горшка и корней круга в нижней части горшка), если реалистичные реакции на окружающую среду почвы желательны. Например, корни горшком растений, вряд ли корм по всей колонне почвы в аналогичным образом для растений в поле.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Виды ответил посадить-индуцированный неоднородность почвы по-разному как на население и на индивидуальном уровне (рисунки 3 и 4), с соответствующими последствиями для сборки сообщества. Чтобы определить, является ли популяции растений реагировать на завод-индуцированной неоднородности почвы, эксперимент поле была создана, как и в Протоколе 2 с помощью трех одному роду пары видов. Популяций растений были учет численности в неделю в течение трех месяцев, а общая доля посаженных семян, которые проросли и общая доля этих саженцев, что умер в первой вегетации (где смертность представляет обратную выживания) были рассчитаны (рис. 3). Мы обнаружили значительные растений ответов населения на завод-индуцированной неоднородности почвы, предполагая, что этот эксперимент был успешным в манипулировании неоднородность, которая влияла популяции растений. Некоторые виды выставлены неаддитивных ответов на смешивания почвы, таким образом, что наблюдалось в ответоднородная обработка (αβ почвенные участки) не был промежуточным ответом на двух типах почв, которые были смешаны, чтобы создать, что лечение (α или конспецифичный, почвы патчи и β, или сородич, почвы патчи). Например, Solanum carolinense имели более низкую всхожесть и Румекс Крисп был большую смертность в гомогенизированный смеси конспецифичный и сородич-х почв, чем в любом почве введите только (рис. 3) 10. Эти результаты обеспечивают потенциальные механизмы, посредством которых однородные среды почвы могли бы облегчить сосуществование, где снижается всхожесть или увеличение смертности от одного вида может обеспечить открытые патчи для других видов колонизировать.

Рисунок 3
Рисунок 3. Пример результатов от полевого эксперимента с гетерогенных и гомогенных почв. ( (б) доля смертности из 3 пар одному роду видов посадили в пятнами конспецифической почвы, конгенеров почвы, или однородной смеси двух типов почв. Некоторые виды ответил на почве смешения в неаддитивной образом, например, Румекс Крисп был большую смертность в однородном лечения, чем в любом конспецифичный или ПХБ (Р. obtusifolius) почвы патчей в гетерогенной лечения. PLALAN = подорожника ланцетный, PLAMAJ = Р. майор, RUMCRI = Р. Крисп, RUMOBT = Р. obtusifolius, SOLCAR = Solanum carolinense и SOLDUL = С. Dulcamara. * Р <0,05 от ортогональных контрастов однородных против несмешанной почвы и конспецифической против конгенеров почвы в каждого вида в смешанной эффектов модели с биномиального распределения погрешностей в R статистического окружающей среды 11. Средние пропорции представлены (общее количество деленное на общей выборке,на предмет соответствия статистических методов 12). Эта цифра была изменена от Брандт и др.. 10 См. Брандт и др. 10. Подробные методов анализа.

Чтобы определить, является ли отдельные растения реагируют на завод-индуцированной неоднородности почвы, оранжерея эксперимент был создан как в Протоколе 3 с помощью двух одному роду пары видов. Поскольку мы ожидали растений в ответ на типа пластыря почвы, в которой они были выращены в дополнение к неоднородности почвы горшок уровня, саженцы были посажены в каждого типа пластыря в гетерогенной обработки (как показано на рисунке 2b). Растения выращивались в течение 2 месяцев, а затем собирают для измерения производительности (общей биомассы) и функциональные черты (в том числе конкретной области листа (SLA), как показано на рисунке 4). Наблюдались значительные реакции растений на неоднородности почвы, предполагая, что этот эксперимент был успешным в манипулировании форму гетерогенных почв нородность, что влияет производительность предприятия. Мы наблюдали неаддитивных ответ на перемешивания грунта, в котором виды, как правило, имеют более низкий SLA или толстые листья, в усредненной смеси конспецифической и сородич годов почве, чем в либо ввести самостоятельно почвы = 0,031 с ортогональной отличие однородных против несмешанный почвы в смешанном эффектов модели с завода биомассы в качестве ковариата и блока как случайный эффект, рисунок 4). Удельная лист был также ниже в конспецифичный сравнению с ПХБ почвы патчей = 0,004 с ортогональной отличие типов патч почвы в гетерогенной обработки почвы; рис. 4). Эти результаты позволяют предположить, что стратегии сбора ресурсом растений реагировать посадить вызванной неоднородность почвы, который имеет последствия для эффекта такого неоднородности на рост растений, плодовитости и взаимодействия видов.

es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "ширина =" 500 "/>
Рисунок 4. Пример результатом парникового эксперимента с гетерогенных и гомогенных почв. Удельную площадь листьев (SLA), в пересчете на площади листа, деленной на массу сухого вещества, из 2 пар однородный видов, выращенных в участками конспецифической почвы, конгенеров почвы, или гомогенной смеси два типа почвы. В целом, виды ответил на перемешивания почвы в неаддитивной образом, где SLA была ниже в однородном лечения, чем в любом конспецифичный или ПХБ почвы патчей в гетерогенной лечения. Среднее черты ± 1 SE. PLALAN = подорожника ланцетный, PLAMAJ = Р. майор, RUMCRI = Р. Крисп, RUMOBT = Р. obtusifolius.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

or Start trial to access full content. Learn more about your institution’s access to JoVE content here

Завод-индуцированной неоднородности почвы весьма вероятно, в природных сообществах, потому что растения имеют большие и часто видовой специфическое воздействие на их почвенной среды и последующие растения, которые испытывают, что почва (например Петерман и др.. 13). Тем не менее, наше понимание роли этого вида неоднородности на растительные сообщества минимальна 10,14. Здесь мы представляем метод для манипулирования завод-индуцированной неоднородности почвы, используя почву от различного происхождения (т.е. зон корневой влияния различных видов) в области. Критические шаги в протоколе, чтобы избежать сбивающий растений, вызванных почвы неоднородность с другими переменными, которые влияют на реакцию растений являются: (1) избегать pseudoreplication образцов почвы, собранных с поля и помещенных в экспериментальных установок и (2) выравнивания количества нарушением земель для полевых почвах, помещенных в гетерогенных и гомогенных лечения почвы. Pseudoreplication оОбразцы грунта е может произойти, если разнородные и однородные процедуры получения почву, собранную из разных отдельных растений или сбор мест в области, которых можно избежать путем сбора грунта в повторных партий от хорошо разнесены местах (шаг 1.5). Pseudoreplication может повлиять на результаты исследования, если, например, редкая патоген происходит в корневой зоне одного растения в области, а также грунта завода только размещены в одной из двух обработки почв. Кроме того, сбор местоположения в области могут отличаться в управлении, истории растительности, или свойств почвы, поэтому почвы от каждого накопительного месте должны использоваться в обеих экспериментальных методов лечения, рандомизации через потенциальные вмешивающиеся факторы. Неудобства для полевых почв (т.е. разгоне почвенных комков) увеличивает уплотнение почвы и может повлиять на интерпретацию результатов. Например, если однородное обработка почвы получает больший, чем нарушение гетерогенной обработки, то эффектнеоднородности почвы будет эффект нарушения почвы. Читатели также следует рассмотреть статистическую мощность в их конструкции этих экспериментов, которая будет влиять на общую сумму почве необходимого (шаг 1.1) и количество особей каждого координационных видов, от которых по сбору почвы в поле (шаг 1.2). Предварительные эксперименты могут быть использованы для определения размера эффекта и ожидаемого дисперсию, и эта информация затем может быть использована для разработки эксперимент с достаточной репликации 15.

Этот протокол может быть легко модифицирована для других методов исследования растений почвы обратные связи (например, с помощью почвы обусловленные в теплице 16) и альтернативные экспериментальные проекты (например, различные пространственные или временные масштабы, межвидовой конкуренции 17). Дополнительные эксперименты могут также использовать альтернативные координационные виды. Выбор фокусного видов имеет значение для обеих логистики исследования иинтерпретация результатов, но, прежде всего нужно сделать, чтобы лучше решать вопросы следователя интересов. Мы показываем Представитель результаты тесно связанных пар видов, что позволило нам контролировать в некоторой степени для формы 18 роста и влияния филогении на завод-почвенных ответов обратной связи (например, ожоги и Штрауса 19). Размер фокусного видов определяет масштаб почвы участками, при этом их истории жизни могут влиять на продолжительность эксперимента. Два координационные виды разного размера может по-разному реагировать в том же масштабе растений-индуцированной неоднородности почвы, если мелкие виды не могут интегрироваться между различными типами коммутационных почвы в той же степени, что и крупных видов (например, корневой зоны мелких видов »ограничивается один патч почвы). Кроме того, использование видов с клонального формы роста, скорее всего, для производства различных ответов на неоднородности почвы, чем видов, которые размножаются исключительно семенами (как Reviewed в Рейнольдс и Haubensak 14).

Важным ограничением этого метода является то, что механизмы, регулирующие ответов на неоднородности почвы (например, абиотические факторы, такие как химического состава почвы, биотические факторы, такие как микробных почвы общин) не определены без дальнейшей работы. Например, наши результаты показывают, что однородная почвы (т.е. смешанный почвы) может привести к неаддитивных эффектов как на население и на индивидуальном уровне завода, где ответы растений в однородной лечения не были промежуточным по отношению к посадить ответов в двух типах почв, что в составе смесь. Смешивание почвы может происходить в естественных сообществ в результате нарушений, таких как рытье грызунов, или в результате перекрытия корневой зоны влияния как растения разных видов расти в зонах друг друга кровельных. Одним из возможных механизмов для этих выводов является эффектом почвенной биоты, которые могли бы способствовать неаддитивного ответс, если сообщества бактерий, грибков или других микроорганизмов взаимодействуют при смешивании почвы, изменение биотический состав почвы и таким образом реакцию растений на этот почвы. Абиотические механизмы могут также привести к неаддитивных ответов, если завод функциональные ответы на абиотических драйверов (например, уровни питательных веществ) являются нелинейными 20. Дополнительные эксперименты и отбор проб, таким образом, необходимо выявить движущие силы реакции растений на эти обработки почв, с соответствующими последствиями для их применения в природных сообществах. Например, роль почвенных биотических факторов в управлении реакцию растений посадить вызванной неоднородность почвы можно было бы проверить с помощью почвы, обусловленные фокальной видов в теплице по сравнению с стерилизованных почвах, которые обеспечивают отрицательный контроль для проверки роли почвенной биоты.

Мы демонстрируем значительные ответов растения к растению-индуцированной неоднородности почвы, предполагая, что сами растения влияют на окружающую heterogeneiти, который влияет на сборку сообщества растений (рис. 5). Неоднородность может, таким образом, стать неотъемлемой частью композиции сообщества, в отличие от более внешних типов неоднородности, что исследования сообщества сборки завода уже чаще рассматриваются 3. Роман метод, представленный здесь есть потенциал, чтобы примирить конфликтующие прогнозы от теории и результатов экспериментов о связи между окружающей неоднородности и видов сосуществования, или разнообразия 4,14. Теория предсказывает, что экологическая гетерогенность приводит к увеличению видового разнообразия (обзор Мельбурн и др.. 3), однако предыдущие эксперименты непосредственно манипулирования почвы питательных веществ гетерогенность часто находили противоположную тенденцию (обзор в Lundholm 4 и Рейнольдс и Haubensak 14), предполагая, что другие типы неоднородности, такие как те, в результате завод-почвенных обратных связей, должны быть изучены.Этот метод манипулирования завод-индуцированной неоднородности почвы указывает конкретных механизмов сосуществования может быть облегчено в однородных средах. Например, если резиденты растения имеют более низкую всхожесть или более высокую смертность в однородных почвах, как было найдено для некоторых видов (рис. 3), то эти более однородные условия окружающей среды могут быть более invasible, вразрез с традиционными предсказаниями теории. Кроме того, сосуществование прогнозы для каждой пары видов в гетерогенных почв может быть рассчитана 7 с помощью ответов видов каждому типу патч почвы в гетерогенной лечения, что позволяет исследователям определять, по каким видов они могли бы ожидать завод-индуцированной неоднородности почвы для облегчения сосуществование 10.

Рисунок 5
Рисунок 5. Концептуальная обзорот стоимости решения растений, вызванных неоднородность почвы. (а) Традиционный концептуализация влияния неоднородности на сосуществования и собраний сообщества было сосредоточено на влиянии неоднородности внешними по отношению к общине композиции (например пейзаж топологии) по сборке сообщества. (Б) Новые методы, предложенные здесь, включают эффекты растений на неоднородности почвы управляемых завод-почвенных обратных связей, где растения влияют на биоту, химию, или структуру почвы таким образом, что влияет на последующую производительность предприятия в этой почве. Эта перспектива признает, что неоднородность присуща состав сообществ, в том числе обоих биотических и абиотических эффектов, также влияет на сборку.

Манипулирование неоднородность, что присуще сообщества позволяет тщательное тестирование потенциала для частотно-зависимого сосуществования, которые могут возникнуть в результате биотических обратных связей, таких как плаNT-почвенные обратных связей, и объединяет наше понимание этого механизма с большей теле теории сосуществования 9. Поскольку этот тип неоднородности динамичными во времени, его влияние на сборке сообщества будет зависеть от продолжительности времени, которое требуется для растений почвы обратных связей для разработки и длины растений почвы обратной унаследованных эффектов в общинах. Таким образом, дальнейшее эмпирическая работа необходима на временном масштабе в течение которого эти эффекты развития и ухудшить. Будущие приложения, которые могут возникнуть в результате этой работы, таким образом, включают в себя информирование новую теорию, которая включает неоднородность, приводимый в собственных процессов обратной связи (например Fukami и Nakajima 20) и далее эмпирических проверок роли этих внутренних процессов в сборке (например Брандт и др.. 10).

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Авторы не имеют ничего раскрывать.

Acknowledgments

Мы благодарим Сквайр Valleevue и Долина Ridge Farms Case Western Reserve University, в том числе А. Locci, С. Бонд, и А. Alldridge, за помощью о создании общей сад. Дж. Крючки, Л. Хаффман, Л. Гонсалес, Южная Каролина Лихи, Б. Ochocki, А. Ubiles, С. Ю., Х. Чжао, Н. М. Циммерман оказана помощь на местах. AJB и JHB финансировались startup средств из CWRU до JHBGAD поддержали летней программы в Бакалавриат исследовательского гранта от CWRU финансируемых Медицинского института Говарда Хьюза. Эта работа была также поддержана Национального научного фонда финансирования в JHB (ДЭБ 1250170).

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.

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Agrawal, A. A., et al. Filling key gaps in population and community ecology. Front. Ecol. Environ. 5, 145-152 (2007).
  2. Suding, K. N. Toward an era of restoration in ecology: successes, failures, and opportunities ahead. Ann. Rev. Ecol. Evol. System. 42, 465-487 (2011).
  3. Melbourne, B. A., et al. Invasion in a heterogeneous world: resistance, coexistence or hostile takeover. Ecol. Lett. 10, 77-94 (2007).
  4. Lundholm, J. T. Plant species diversity and environmental heterogeneity: spatial scale and competing hypotheses. J. Veg. Sci. 20, 377-391 (2009).
  5. Pacala, S. W., Tilman, D. Limiting similarity in mechanistic and spatial models of plant competition in heterogeneous environments. Am. Natural. 143, 222-257 (1994).
  6. Chesson, P. General theory of competitive coexistence in spatially-varying environments. Theor. Pop. Biol. 58, 211-237 (2000).
  7. Bever, J. D., Westover, K. M., Antonovics, J. Incorporating the soil community into plant population dynamics: the utility of the feedback approach. J. Ecol. 85, 561-573 (1997).
  8. Kulmatiski, A., Beard, K. H., Stevens, J. R., Cobbold, S. M. Plant-soil feedbacks: a meta-analytical review. Ecol. Lett. 11, 980-992 (2008).
  9. Bever, J. D., et al. Rooting theories of plant community ecology in microbial interactions. Trends. Ecol. Evol. 25, 468-478 (2010).
  10. Brandt, A. J., de Kroon, H., Reynolds, H. L., Burns, J. H. Soil heterogeneity generated by plant-soil feedbacks has implications for species recruitment and coexistence. J. Ecol. 101, 277-286 (2013).
  11. R: A language and environment for statistical computing. Foundation for Statistical Computing. Vienna, Austria. (2012).
  12. Crawley, M. J. The R Book. John Wiley & Sons, Ltd. (2007).
  13. Petermann, J. S., Fergus, A. J. F., Turnbull, L. A., Schmid, B. Janzen-Connell effects are widespread and strong enough to maintain diversity in grasslands. Ecology. 89, 2399-2406 (2008).
  14. Reynolds, H. L., Haubensak, K. A. Soil fertility, heterogeneity, and microbes: towards an integrated understanding of grassland structure and dynamics. Appl. Veg. Sci. 12, 33-44 (2009).
  15. Sokal, R. R., Rohlf, F. J. Biometry, 3rd edn. W. H. Freeman. (1995).
  16. Klironomos, J. N. Feedback with soil biota contributes to plant rarity and invasiveness in communities. Nature. 417, 67-70 (2002).
  17. Mommer, L., van Ruijven, J., Jansen, C., van de Steeg, H. M., de Kroon, H. Interactive effects of nutrient heterogeneity and competition: implications for root foraging theory? Funct. Ecol. 26, 66-73 (2012).
  18. Felsenstein, J. Phylogenies and the comparative method. Am. Natural. 125, 1-15 (1985).
  19. Burns, J. H., Strauss, S. Y. More closely related species are more ecologically similar in an experimental test. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 5302-5307 (2011).
  20. Fukami, T., Nakajima, M. Community assembly: alternative stable states or alternative transient states. Ecol. Lett. 14, 973-984 (2011).
Экспериментальный протокол для работы с завод-индуцированной неоднородности почвы
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Brandt, A. J., del Pino, G. A., Burns, J. H. Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity. J. Vis. Exp. (85), e51580, doi:10.3791/51580 (2014).More

Brandt, A. J., del Pino, G. A., Burns, J. H. Experimental Protocol for Manipulating Plant-induced Soil Heterogeneity. J. Vis. Exp. (85), e51580, doi:10.3791/51580 (2014).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter