Experimentell Protokoll för Manipulera växt-inducerad Soil Heterogenitet

Summary

Att förstå den roll som miljö heterogenitet i art samexistens har oftast fokuserar på olika typer av heterogenitet som är yttre till samhällets artsammansättning. Vi erbjuder nya detaljerade metoder för att skapa mark heterogenitet behandlingar med hjälp av jordar som är föremål för växt-mark återkoppling konditionering, eller heterogenitet inneboende till samhället sammansättningen.

Abstract

Samexistens teori har ofta behandlat miljö heterogenitet som oberoende av samhället sammansättning, men biotiska återkopplingar såsom växt-jordkopplingar (PSF) har stora effekter på anläggningens prestanda, och skapa miljömässig heterogenitet som beror på samhället sammansättning. Att förstå betydelsen av PSF för växtsamhälle montering kräver förståelse för den roll av heterogenitet i PSF, förutom att betyda PSF effekter. Här beskriver vi ett protokoll för att manipulera växt-inducerad jord heterogenitet. Två exempel experiment presenteras: (1) en fältexperiment med en 6-patch rutnät av jordar för att mäta växtpopulationssvar och (2) ett växthusförsök med 2-patch jordar för att mäta enskilda växtsvar. Jord kan hämtas från zonen av roten påverkan (jordar från rizosfären och i direkt anslutning till rhizosfären) av växter i området från conspecific och hetero växtarter. Replikat samlajoner som används för att undvika pseudoreplicating jordprover. Dessa jordar placeras sedan i separata patchar för heterogena behandlingar eller blandat för en homogeniserad behandling. Försiktighet bör vidtas för att se till att heterogena och homogeniserade behandlingar uppleva samma grad av markstörning. Växter kan sedan placeras i dessa markbehandlingar för att bestämma effekten av växt-inducerad jord heterogenitet på anläggningens prestanda. Vi visar att växt-inducerad heterogenitet ger olika utfall än förutspåtts av traditionella samexistens modeller, kanske på grund av den dynamiska karaktären av dessa återkopplingar. Det behövs teori som innehåller miljö heterogenitet påverkas av monterings gemenskap och ytterligare empiri för att avgöra när heterogenitet inneboende i monterings samhället kommer att leda till olika monterings utfall jämfört med heterogenitet yttre till samhället sammansättningen.

Introduction

Ett av de primära målen för samhällsekologi är att förklara och förutsäga processer som styr samhället församling. Men växtsamhällen är ofta mer varierande än förutsagt av samexistens teori ^1, och restaurering ekologer måste förstå samexistens mekanismer för att lyckas återställa olika infödda gemenskaper ^2. Miljö heterogenitet är ett teoretiskt viktig mekanism som kan bidra till att förklara höga nivåer av gemenskap mångfald, men experimentella manipulationer av heterogenitet är ovanliga ³ och fokusera på abiotiska heterogenitet (t.ex. omdömet i Lundholm ^4). Teori som innehåller heterogenitet förutsätter normalt att heterogenitet är yttre till monteringen samhället. Yttre heterogenitet styrs av faktorer som landskaps typologi, som är oberoende av samhället sammansättningen. Yttre heterogenitet kan resultera i samexistens genom nischade partitionering (reviewed i Melbourne et al. ^3, t.ex. Pacala och Tilman ⁵ och Chesson ^6). Däremot kan mycket av den miljö heterogenitet relevant för växtsamhällen vara inneboende i samhället, att utvecklas som samhället monterar och beroende på identiteten av arten i samhället. Inneboende heterogenitet kan bero på biotiska återkopplingar, vilket kan leda till samexistens genom negativ frekvens-beroende (t.ex. Bever et al. ^7). Här beskriver vi en ny metod för att manipulera växt-inducerad jord heterogenitet, en typ av jord heterogenitet som är inneboende i samhället och härrör från växtjordkopplingar.

Plantera-jordkopplingar (PSF) uppstår när växterna påverkar markstrukturen, kemi, eller biota på ett sätt som påverkar efterföljande växt prestanda i denna jord, och PSF har stora genomsnittliga effekter på växt prestanda i naturliga växtsamhällen ⁸. Studier av PSF har typiskt antingen samlas jord från fältet eller rade jordar experimentellt, sedan frågade hur växter utför i konspecifikt jord i förhållande till hetero eller steriliserad jord ^9. Om växter prestera bättre i konspecifikt jord i förhållande till referens jordar, då PSF är positiva, medan om växter prestera bättre i referensjordar, PSF är negativa. Reciprocal negativ PSF kan leda till frekvensberoende samexistens mellan arter ^7. Medan de genomsnittliga effekterna av PSF är väl karaktäriseras ^8, är effekterna av rumslig heterogenitet i PSF dåligt känd ^10.

Eftersom PSF ske på skalan av enskilda anläggningar ⁷ och eftersom växter är ofta nonrandomly fördelade i tid och rum, kommer sannolikt att leda till mark heterogenitet, som vi kallar växt-inducerad jord heterogenitet PSF. Till skillnad från många andra former av heterogenitet (t.ex. landskap topologi), detta heterogeneity är inneboende i monterings samhället och kan på så sätt påverka samhället montering annorlunda än mer yttre former av heterogenitet. För att förstå påverkan av denna form av heterogenitet på anläggningens prestanda och samexistens, vi behöver experimentella metoder som manipulerar växt-inducerad jord heterogenitet. Här visar vi en sådan metod, som använder jordar betingade av två arter för att skapa en heterogen behandling med separata patchar från två jord ursprung och en homogen behandling, vilket är en blandning av de två jord ursprung. Denna jord blandning skulle kunna utgöra åtminstone två tänkbara scenarier på området: (1) störning (t ex gnagare, jordbruk) som blandar jordar av olika ursprung eller (2) plantor av två arter som växer i närheten, så att deras zoner av rot inflytande blandas och homogenisera.

Vi presenterar två exempel experiment som använder växt-inducerad jord heterogenitet för att svara på viktiga frågor på olika levels av ekologisk organisation: (1) Har växtpopulationer svarar att plantera-inducerad jord heterogenitet? och (2) Har enskilda anläggningar svarar på växt-inducerad jord heterogenitet? Vi beskriver ett fältexperiment med hjälp av 6 jord patchar för att behandla den första frågan och ett växthus experiment med 2 jord patchar för att behandla den andra frågan. Kvantifiera både befolkning och individuella växt svar på marken heterogenitet är viktigt att förstå hur heterogenitet påverkar samhället församling.

Protocol

1. Samla Fält Jord att producera heterogena och homogena Soil Behandlingar

1. Identifiera två cooccurring växtarter i liknande livsmiljöer och jordarter för studier (t.ex. Figur 1a). Bestäm mängd jord som behövs baserat på mark patch storlek som ska användas i försöket (t.ex. en tredjedel till hälften av de viktigaste arterna primära rotzonen, eller volym som omfattas av rotklumpen) och antalet patchar som behövs för experimentet (se protokoll 2 och 3, nedan).
   1. För Rumex spp.. (Figur 1a), använd jord fläckar av 10 cm x 10 cm x 18 cm (längd x bredd x djup) för ungefärlig rotzon av 10 cm radie från basen av växt till 18 cm djup (5,655 cm ³ jord från denna definierad zon rot inflytande för en enskild anläggning ger 3 jord fläckar av 1800 cm ^3).
2. Undersökning fält webbplats för att hitta vuxna individer av de två bränn arter. Undvik individer vars root zon lappar sannolikt med de övriga fokusarter (t.ex. Rumex personer ligger inom 0,25 m av de andra arter). Markera antalet personer som behövs för att uppnå önskad mängd jord med pin flaggor.
   1. Mark 20 slumpmässigt utvalda individer av varje Rumex SPP. för 20 experimentella enheter (2 arter x 2 jord behandlingar x 5 replikat) som var och en kräver tre jord patchar från varje kontaktpunkt arter (som i protokoll 2, nedan).
3. Sterilisera jord samla utrustning (spadar, handskar, transporterar containrar) med en cirka 01:10 blandning av blekmedel (5-10% NaClO) och vatten för att avlägsna alla jordpartiklar. Torr utrustning före användning för att undvika blekmedel effekter på mark biota. Märk all utrustning med laboratorie tejp för att indikera fokus art vars mark det kommer att samla in eller transport för att undvika korskontaminering (t.ex. etikett en spade för art A och en andra spade för art B).
4. Kolla väder och mark villkorningar före början jord kollektion för senaste nederbördshändelser. Undvik att samla jordar som är för blöt (leriga eller helt mättad) eller samla jord under en fällnings händelse för att minimera markpackningen. Undvik att samla jordar som är för torrt (mycket hårt och svårt att sätta en spade i) för att hjälpa till att separera jord från rötter.
5. Samla fältjord från märkta individer av två bränn arter i upprepade omgångar för att undvika pseudoreplication (t.ex. en enda jordprov som innehåller en ovanlig patogen som blandas därefter över experimentella replikat).
   1. Gräv upp hela rotzonen av en individ av arten A (enligt definition i steg 1.1) med den lämpligt märkta sterila spade, ta bort synliga grova rötter från marken med de lämpligt märkta sterila handskar, och placera jorden i lämpligt märkta steril transportbehållare (t ex skopa). För ett experiment med 4 experimentella enheter i varje block och 1 enskild anläggningS rotzonen ger tillräckligt med mark för en experimentell enhet (som i avsnitt 1.2.1), upprepa proceduren för ytterligare 3 individer av arten A.
   2. Upprepa avsnitt 1.5.1 för arten B.
   3. Transportera replikera jordsamling från båda arterna till den experimentella platsen. Placera marken i experimentella enheter för block 1 av experimentet (som i protokoll 2 eller 3, nedan), där ett block innehåller en experimentell enhet från varje behandlingskombination (dvs. varje art x varje markbehandling).
   4. Upprepa avsnitt 1.5.3.
   5. Upprepa avsnitten 1.5.1-1.5.4 för de återstående blocken i experimentet. Samla jord från grupper av individer på minst 1 m avstånd från tidigare uppsamlingsplatser för varje replikat insamling för att minimera pseudoreplication.

Figure 1. Exempel fält experimentell design manipulera växt-inducerad jord heterogenitet. (A) Mark samlas in från zonen av roten påverkan av artfränder (α) och heterospecifics (β) på området, efter standardprotokoll för att studera effekter av växt-mark återkopplingar ⁹ . (B) Experimentella behandlingar med heterogena jordar består av jordar från fabrik A (α jordar) och jordar från anläggning B ("β" jordar) är ordnade i ett rutnät, och homogeniserade jord behandlingar som skapats med en lika blandning av jordar från dessa två ursprung . I detta exempel är gallren i fältjordar införd i krukor med stor diameter nedsänkt i marken och området runt varje galler är fylld med grova, steriliserad sand. Denna siffra har modifierats Brandt et al. ¹⁰

2. Ett exempel fältexperiment, skapa Galler av heterogena och homogena Jord att mäta Planttäthet svar

1. Använd jordar från en kopia fältjordsamling (protokoll 1) för att producera en heterogen behandling (dvs. alternerande rutorna innehåller jord som samlats in från art A eller art B) och en homogen behandling (dvs. varje rutnätscell innehåller en 1:1 blandning av jord från arterna A och B) (figur 1b) för blocket 1 av experimentet i följande steg.
   1. Sterilisera hanteringsutrustning jord (mursleven, handskar, plast nätet) med en cirka 01:10 blandning av blekmedel (5-10% NaClO) och vatten för att avlägsna alla jordpartiklar. Torr utrustning före användning för att undvika blekmedel effekter på mark biota. Märk all utrustning med laboratorie tejp för att indikera fokus art vars mark det kommer att hantera för att undvika korskontaminering (t.ex. etikett en spackel för art A och en andra spackel för art B) och plastgaller för att ange om den kommer att användas för den heterogena eller homogena jordbehandling.
   2. Placera flyttbara plast nätet ien kruka nedsänkt i marken [eller annan tomt eller behållaren tillräckligt stor för att rymma rutnätet] för att fyllas med fält uppsamlades jord (t.ex. 1800 cm ³ / rutnätscell som i steg 1.1.1). Använd en beställnings-constructed rutnät av de önskade dimensionerna, t.ex. en 2 x 3 rutnät med 6 celler av storleken bestäms i steg 1.1 (fig 1b).
      1. För heterogena behandling av omväxlande jord patch typer, plats spadefuls av jord från art A i rutorna för α jord och mark från arter B i celler för β jord (Figur 1b).
      2. För den homogena behandling, placera alternerande spadefuls av jordar a och b i varje rutnätscell, var noga med att fördela de två jordarter och undvika bildandet av lager av varje jordtyp (Figur 1b). Till exempel jord plåster på 1.800 cm ³ (Avsnitt 1.1.1), placerar 900 cm ³ för alla jordarter i varje rutnätscell.
      3. Var sure att producera lika mängder av störning (dvs. bryta upp jordklumpar i samma grad) vid skapande av heterogena och homogena jordbehandlingar för att undvika confounding markstörning med jord heterogenitet.
   3. Om något tomt område förblir runt utsidan av nätet inom den stora krukan används (som i figur 1b), fylla detta område med steril sand. Sterilisera sand med hjälp av någon standardmetod (t ex autoklavering, gamma-strålning).
   4. Lyft plast nätet vertikalt ur potten, lämnar jord patchar intakt. Detta gör att rötter från olika individer att samverka i jorden och varje anläggning för att uppleva flera plåster, vilket är nödvändigt för att låta växternas rötter att växa till flera mark plåster (dvs. rutnätsceller).
   5. Upprepa avsnitt 2.1.2-2.1.4 för ett andra par experimentella enheter för att producera en komplett experimentell blocket (dvs. ett rutnät av heterogen jord in för att plantera varje focal arter och ett rutnät av homogen jord in för att plantera varje kontaktpunkt art, för totalt 4 experimentella enheter).
2. Upprepa steg 2.1 för återstående block i försöket med den återstående marken replikera samlingar (protokoll 1). Slumpa block och tomter inom kvarter, hela försöksområdet, med hjälp av landskapet tyg runt tomter om så önskas, för att hålla skuggning utanför vegetation på ett minimum (visas ej).
3. Plantera frön av bränn arter i varje rutnätscell för varje experimentell pott (2 fokala arter x 2 markbehandlingar). Använd poolade frö att undvika confounding växt genotyper eller frö-ytan mikrobiella samhällen med markbehandlingar. Exempelvis växtfrön varje Rumex spp.. i potten för att arter (Figur 1a) individuellt limmas plast tandpetare med vattenlösligt lim i 12 planteringspositioner (2 positioner per rutnätscell) för att tydligt identifiera de planterade individer.
4. Mät populations responses av de experimentella enheter, t.ex. groning och överlevnad, genom en regelbunden inventering av enskilda markerade plantering platser för frön (till exempel med hjälp av tandpetare som i steg 2.3). Minimera störning av marken för något svar mäts för att undvika att blanda jord bland patchar.
   1. Bestäm lämpliga folkräkningen intervall baserade på den förväntade befolkningssvar för bränn arter. Till exempel genomför veckoräkningar för Rumex spp.. som kan gro snabbt.
   2. Fortsätta försöket under en lämplig tidsperiod baserad på livshistoria av de viktigaste arterna. Till exempel, fortsätta försöket under minst 2 år för kortlivat perenn Rumex spp.. för att få fram data om alla stadier i livet.

3. Ett exempel Växthus Experiment, med heterogena och Homogeniserad jord i krukor för att mäta enskilda Växt Svar

1. Använd jordar från en kopia fältjordsamling (protokoll 1)för att framställa en heterogen behandling (dvs. varje halva av en kruka fylld med jord uppsamlad från art A och art B) och en homogen behandling (dvs. krukan innehåller en 01:01 blandning av jord från art A och B) (figur 2a) för blocket 1 av experimentet i följande steg.
   1. I transportbehållare (t ex skopa) och före ingjutning, blanda fältet samlas jord från varje art med steril sand för att producera en blandning 1:1. Gör detta för att minska jordpackning och förbättra dräneringen i krukorna, vilket är särskilt användbart för att tvätta rötterna, vilket underlättar separationen av rötter från jord. Sterilisera sand med hjälp av någon standardmetod (t ex autoklavering, gamma-strålning).
   2. Var noga med att producera lika mängder av störning (dvs. bryta upp jordklumpar i samma grad) vid blandning varje sats av fältjord med sand.
2. Sterilisera hanteringsutrustning jord (mursleven, handskar, plastfolie) med en apfär 01:10 blandning av blekmedel (5-10% NaClO) och vatten för att avlägsna alla jordpartiklar. Torr utrustning före användning för att undvika blekmedel effekter på mark biota. Märk all utrustning med laboratorie tejp för att indikera fokus art vars mark det kommer att hantera för att undvika korskontaminering (t.ex. etikett en spackel för art A och en andra spackel för art B) och varje sida av en styv plastskiva för att ange vilka jordart ska vara odlade på var sida om det i den heterogena jordbehandling.
3. Skapa en heterogen jordbehandling med hjälp av fält jord-sandblandningar från de två bränn arter (från avsnitt 3.1.1).
   1. Placera styvt plastark i centrum av en kruka för att dela upp den i två halvor (Figur 2a). Använd en pott dimensionerade så att hälften av det motsvarar i volym till lämplig jord patch storlek (steg 1,1). Använd till exempel en gryta med en 15 cm diameter och 18 cm djup för Rumex spp.. i Figur 1a (total volym av3181 cm ^3).
   2. Har två forskare samtidigt lägga till fältet samlas jord från varje art till rätt sida av potten (t.ex. α jord från art A) med lämpligt märkta mursleven, för att hålla sidorna även när potten är fylld.
   3. Ta bort plastavdelare genom att lyfta den vertikalt ur jorden, som lämnar jorden patchar intakt. Detta gör att växterna att uppleva både fläckar av jord i en kruka, som är viktiga för växterna att uppleva heterogenitet.
   4. Upprepa avsnitt 3.3.1-3.3.3 för ytterligare 3 experimentella enheter för att producera ett helt block av heterogena jordbehandling (2 arter x 2 jord patch typer i heterogena behandling, figur 2).
4. Skapa en homogen jordbehandling med hjälp av fält jord-sandblandningar från de två bränn arter (från avsnitt 3.1.1).
   1. Upprepa avsnitt 3.3.1. Har två forskare samtidigt lägga både α och β jordar till bådesidorna av potten med lämpligt märkta mursleven, jämnt distribuerar både jordtyper inom varje lapp och undvika att skapa lager. Upprepa avsnitt 3.3.3.
   2. Upprepa avsnitt 3.4.1 för en andra experimentenhet för att producera ett helt block av den homogena jordbehandling (en pott för var och en av de två bränn arter).
5. Upprepa steg 3,2-3,4 för återstående block i försöket med den återstående marken replikera samlingar (protokoll 1). Slumpa block och tomter inom kvarter, över växthusbänken.

Figur 2. Exempel växthus experimentell design manipulera växt-inducerad jord heterogenitet. (A) Mark som samlats in från zonen av roten påverkan av arter A (α jordar) och art B (β mark) inom området är platsend i varje halva av en pott (ojämn behandling) eller blandas i hela potten (homogen behandling). (B) Växter av arter A sedan planteras in i experiment i varje jord lapp typ i heterogena behandling och på ena sidan av den homogena behandlingen. Här är bara en art (A) visas planterats in i denna design. En helt ömsesidiga design skulle innehålla växter av den andra bränn arter (B) planterade i varje jordbehandling och patch typ inom den heterogena behandling.

6. Plantera plantor av fokal art A och B i alla jordarter lapp i en faktoriell design (2 arter x 3 jord patch typer [α jord, β mark och en homogen blandning av α och β jord], figur 2b).
7. Mät några enskilda växt reaktioner som anger anläggningens prestanda, såsom växtstorlek, produktion av biomassa, eller funktionella egenskaper. Lämpliga egenskaper för att mäta beror på bränn arter och de vetenskapliga frågorna omintresse.
   1. Fortsätta försöket tills växterna verkar stort i förhållande till jord fläckar (t.ex. ungefär 1,5 gånger bredden på marken patch för rosettbildande örter) för att säkerställa växternas rötter växer in i de båda jord patchar. Experimentell varaktighet kommer således att bero på tillväxten i bränn arter.
   2. Skörda växter och / eller mäta svar innan växterna blir pot-bundet (dvs. rottillväxt begränsas av gränserna för krukan och rötterna cirkel i botten av krukan) om realistiska svar på markmiljön önskas. Till exempel rötter pottbundna växter är osannolik till forage genom markytan kolonn på ett liknande sätt på växter på fältet.

Representative Results

Arter svarade att plantera-inducerad jord heterogenitet på olika sätt både befolkningen och individnivå (figur 3 och 4), med konsekvenser för samhället montering. För att avgöra om växtpopulationer svarar på växt-inducerad jord heterogenitet, var ett fältexperiment etablerad som i protokoll nr 2 med hjälp av tre congeneric par av arter. Växtpopulationer var censused varje vecka under tre månader och den totala andelen planterade frön som grott och den totala andelen av de plantor som dog i den första växtsäsongen (där dödligheten representerar inversen av överlevnaden) beräknades (Figur 3). Vi fann betydande växtpopulations svar på växt-inducerad jord heterogenitet, vilket tyder på att detta experiment var framgångsrik i att manipulera heterogenitet som påverkat växtpopulationer. Vissa arter uppvisade icke-additiv reaktioner på jordblandning, så att svaret observeras ihomogen behandling (αβ jord patchar) var inte ett mellanliggande svar på de två jordarter som blandades för att skapa att behandling (α, eller conspecific, jord patchar och β, eller kongen, jord patchar). Exempelvis Solanum carolinense hade lägre groning och Rumex crispus hade högre dödlighet i en homogeniserad blandning av conspecific och congener jordar än i endera jordtyp enbart (Figur 3) ^10. Dessa resultat ger potentiella mekanismer genom vilka homogena markmiljöer skulle kunna underlätta samexistens, där minskad grobarhet eller ökad dödlighet av en art kan ge öppna patchar för andra arter att kolonisera.

Figur 3. Exempel är resultatet av ett fältexperiment med heterogena och homogena jordar. ( (b) andel dödlighet av 3 par congeneric arter planterats in i fläckar av konspecifikt jord, kongen jord, eller en homogen blandning av de två jordtyper. Vissa arter svarat på jord blandas på ett icke-additiv sätt, till exempel, Rumex crispus hade högre dödlighet i den homogena behandling än i både conspecific eller kongen (R. obtusifolius) jord fläckar i heterogena behandling. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. stora, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, SOLCAR = Solanum carolinense och SOLDUL = S. dulcamara. * P <0,05 från ortogonala kontraster homogena kontra oblandad jord och konspecifikt vs kongen jord inom varje art i ett blandade effekter modell med en binomial fel fördelning i R statistik Miljö ^11. Mean proportioner presenteras (totalt antal delat med hela urvalet,för överensstämmelse med statistiska metoder ^12). Denna siffra har modifierats Brandt et al. ¹⁰ Se Brandt et al. ¹⁰ för detaljerade analysmetoder.

För att avgöra om enskilda anläggningar svarar på växt-inducerad jord heterogenitet, var ett växthus experiment etablerad som i protokoll 3 med hjälp av två congeneric par av arter. Eftersom vi förväntade växter att svara på den typen jord lapp där de odlades utöver potten-nivå jord heterogenitet, var plantor planteras i varje lapp inom den heterogena behandling (som i figur 2b). Plantorna odlades i 2 månader och sedan skördas för att mäta prestanda (total biomassa) och funktionella egenskaper (inklusive specifik bladyta (SLA), som visas i Figur 4). Betydande växt svar på marken heterogenitet observerades, vilket tyder på att detta experiment var framgångsrik i att manipulera en form av jordhete neity som påverkar anläggningens prestanda. Vi observerade en icke-additiv respons på jord blandning, där arter som tenderade att ha lägre SLA, eller tjockare blad, i en homogeniserad blandning av conspecific och kongen s jord än i både jord skriver ensam (P = 0,031 från en ortogonal kontrast homogen kontra oblandad jord i en blandad effekter modell med växtbiomassa som kovariat och block som en slumpmässig effekt, fig. 4). Specifik bladyta var lägre även i conspecific jämfört kongenjord plåster (P = 0,004 från en ortogonal kontrast av jord patchtyper i heterogena jordbehandling, fig. 4). Dessa resultat tyder på att anläggningen resurs förvärvsstrategier svarar att plantera-inducerad jord heterogenitet, vilket har konsekvenser för effekten av en sådan heterogenitet på växternas tillväxt, fruktsamhet, och arternas samspel.

es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figur 4. Exempel resulterar från ett växthusförsök med heterogena och homogena jordar. Specifik bladyta (SLA), beräknat som bladyta dividerad med torrvikt, av två par av congeneric arter som odlas i fläckar av konspecifikt jord, kongen jord, eller en homogen blandning av två jordtyper. Sammantaget svarade arter på jordblandning på ett icke-additiv sätt, där SLA var lägre i den homogena behandling än i både conspecific eller kongenjord fläckar i heterogena behandling. Mean drag ± 1 SE. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. stora, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius.

Discussion

Växt-inducerad jord heterogenitet är mycket troligt i naturliga gemenskaper eftersom växter har stora och ofta artspecifika effekter på deras markmiljön och de efterföljande växter som upplever att marken (t.ex. Petermann et al. ^13). Dock är minimal ^10,14 vår förståelse av den roll denna typ av heterogenitet på växtsamhällen. Här presenterar vi en metod för att manipulera växt-inducerad jord heterogenitet, med hjälp av jord från olika ursprung (dvs zoner av rot påverkan av olika arter) inom området. De kritiska stegen i protokollet för att undvika confounding växt-inducerad jord heterogenitet med andra variabler som påverkar växt svar är: (1) undviker pseudoreplication av jordprover som samlats in från fältet och placeras in i experimentella enheter och (2) utjämnande mängderna av markstörning för fältjordar placerade i heterogena och homogena markbehandlingar. Pseudoreplication of jordprov kan uppstå om heterogena och homogena behandlingar får jord samlas in från olika enskilda växter eller samla platser i området, vilket kan undvikas genom att samla in jord i upprepade omgångar från väl fördelade platser (steg 1,5). Pseudoreplication kan påverka studiens resultat om till exempel, förekommer en ovanlig patogen i rotzonen av en anläggning i området och att anläggningens jord endast placeras i en av de två markbehandlingar. Dessutom kan samla platser i området skiljer sig i ledningen, vegetationshistoria, eller jordegenskaper, alltså jord från varje upphovsrätts plats bör användas i både experimentella behandlingar, randomisera över potentiella störfaktorer. Störningar av fält jordar (dvs. bryta upp av jordklumpar) ökar jordpackning och kan påverka tolkningen av resultaten. Till exempel, om den homogena jordbehandling får större störningar än den heterogena behandling, då effektenmark heterogenitet skulle vara en effekt av markstörning. Läsarna bör också överväga statistisk styrka i sin design av dessa experiment, vilket skulle påverka den totala mängden jord krävs (steg 1,1) och antalet individer av varje bränn art för att samla in jord i fält (steg 1,2). Preliminära experiment kan användas för att bestämma effekten storlek och variansen beräknas, och denna information kan sedan användas för att utforma ett experiment med tillräcklig replikering ^15.

Detta protokoll kan lätt modifieras för att rymma andra metoder för att studera växt-jord återkopplingar (t.ex. genom att använda jordar rade i växthus ¹⁶⁾ och alternativa experimentell design (t.ex. olika rumsliga och tidsmässiga skalor, mellanartskonkurrens ^17). Ytterligare experiment kan även använda alternativa bränn arter. Urvalet av fokal art har implikationer för både studiens logistik ochtolkning av resultat, men framför allt bör göras för att bäst ta itu utredarens frågor av intresse. Vi visar Representativa resultat för närbesläktade par av arter, som tillät oss att kontrollera i någon mån för tillväxt blankett ¹⁸ och en effekt av fylogeni på växt-mark återkopplingssvar (t.ex. Burns och Strauss ^19). Storleken på fokal art avgör omfattningen av mark patchar som används och deras livshistoria kan påverka hela experimentet. Två bränn arter av olika storlek kan svara olika på samma skala av växt-inducerad jord heterogenitet om de mindre arterna inte kan integreras i olika jord patch typer i samma utsträckning som de större arterna (t.ex. de mindre artens rotzonen är begränsat till en enda jord patch). Dessutom, med hjälp av arter med en klonal tillväxt formulär kommer sannolikt att ge olika svar på marken heterogenitet än arter som reproducerar enbart från frö (som reviewed i Reynolds och Haubensak ^14).

En viktig begränsning med denna metod är att de mekanismer som styr svaren på marken heterogenitet (t.ex. abiotiska faktorer som markkemi, biotiska faktorer som markmikrobiella samhällen) inte identifieras utan ytterligare arbete. Till exempel våra resultat tyder på att homogen jord (dvs. blandad jord) kan resultera i icke-additiv effekt på både befolkningen och enskilda anläggningarna, där växt svar i den homogena behandlingen var inte mellanliggande relativt plantera svaren i de två jordarter som komponerade blandningen. Jord blandning kan ske i naturliga gemenskaper som en följd av störningar, såsom gnagare "grävande, eller som en följd av överlappande zoner av rot inflytande som växter av olika arter växer in i varandras böka zoner. En möjlig mekanism för dessa resultat är en effekt av jord biota, som kan bidra till icke-additiv responss om samhällen av bakterier, svampar och andra organismer samverkar på jordblandning, ändra biotiska sammansättningen av jorden och därmed växt svar på denna jord. Abiotiska mekanismer kan också leda till icke-additiv svar, om växt funktionella reaktioner på abiotiska förare (t.ex. näringsnivåer) är icke-linjär ^20. Ytterligare experiment och provtagning är därför nödvändigt att identifiera orsakerna till växt svar på dessa markbehandlingar, med konsekvenser för deras tillämpning på naturliga gemenskaper. Till exempel kan rollen av mark biotiska faktorer styr växtsvar att plantera-inducerad jord heterogenitet testas genom att använda jordar rade av fokal arter i växthus jämfört med steriliserade jordar, vilket ger en negativ kontroll för att testa rollen av jord biota.

Vi visar betydande växt svar på växt-inducerad jord heterogenitet, vilket tyder på att växter själva påverka miljö heterogeneity som påverkar växtsamhälle enheten (Figur 5). Heterogenitet kan alltså vara inneboende i samhället sammansättning, i motsats till den mer yttre typer av heterogenitet att studier av växtsamhälle församling har oftare anses ^3. Den nya metod som presenteras här har potential att förena motstridiga förutsägelser från teori och resultat från experiment om förhållandet mellan heterogenitet miljö och arter samexistens, eller mångfald ^4,14. Teorin förutsäger att miljö heterogenitet leder till ökad mångfald arter (över i Melbourne et al. ^3), har dock tidigare experiment direkt manipulera jord näringsämnen heterogenitet ofta funnit det motsatta trenden (över i Lundholm ⁴ och Reynolds och Haubensak ^14), vilket tyder på att andra typer av heterogenitet, till exempel de som följer av växtjordkopplingar, bör undersökas.Denna metod för att manipulera växt-inducerad jord heterogenitet visar specifika mekanismer genom vilka samexistens kan underlättas i homogena miljöer. Till exempel, om bosatta växter har lägre grobarhet eller högre dödlighet i homogena jordar, som hittades för vissa arter (Figur 3), då dessa mer homogena miljöer kan vara mer invasible, mot de traditionella förutsägelser av teorin. Vidare kan samexistens prognoser för varje art par i heterogena jordar beräknas ⁷ med hjälp av svaren arter på alla jordarter lapp i heterogena behandling, där forskarna att avgöra vilka arter de kan förvänta växt-inducerad jord heterogenitet för att underlätta samexistens ^10.

Figur 5. Begrepps översiktav värdet av att ta itu växt-inducerad jord heterogenitet. (a) traditionell konceptualisering av påverkan av heterogenitet på samexistens och gemenskap församling har fokuserat på effekten av heterogenitet extrinsic till samhället sammansättning (t.ex. landskaps topologi) på gemenskap församling. (B) De nya metoder som föreslås här omfattar effekterna av växter på jorden heterogenitet drivs av växt-jordkopplingar, där växter påverkar biota, kemi, eller struktur i marken på ett sätt som påverkar efterföljande växt prestanda i denna jord. Detta perspektiv erkänner att heterogenitet inneboende gemenskap sammansättning, både biotiska och abiotiska effekter, påverkar också montering.

Manipulera heterogenitet som är inneboende i samhället gör rigorösa tester av potentialen för frekvensberoende samexistens som kan bli följden av biotiska återkopplingar, som plant-jordkopplingar och integrerar vår förståelse av denna mekanism med den större kroppen av samexistens teori ^9. Eftersom denna typ av heterogenitet är dynamisk över tiden, kommer dess inverkan på samhället montering beror på hur lång tid det tar för växt-mark återkopplingar för att utveckla och längden på växtjord återkoppling äldre effekter i samhällen. Således är ytterligare empiriska arbete som krävs om tidsskalan över vilken dessa effekter utvecklas och brytas ned. Framtida applikationer som kan uppstå från detta arbete alltså omfatta information till ny teori som inkorporerar heterogenitet som drivs av inre återkopplingsprocesser (t.ex. Fukami och Nakajima ²⁰⁾ och ytterligare empiriska tester av vilken roll dessa inneboende processer i montering (t.ex. 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.