Protocole expérimental pour l'hétérogénéité du sol Manipulation des plantes induite

Summary

Comprendre le rôle de l'hétérogénéité de l'environnement dans la coexistence des espèces ont généralement porté sur les types d'hétérogénéité qui sont extrinsèques à la composition des espèces de la communauté. Nous fournissons de nouvelles méthodes de création des traitements de l'hétérogénéité du sol en utilisant des sols soumis à sol-plante commentaires conditionné, ou l'hétérogénéité intrinsèque de la composition de la communauté.

Abstract

la théorie de la coexistence a souvent traité l'hétérogénéité environnementale comme étant indépendante de la composition de la communauté, mais des évaluations biotiques tels que des évaluations plante-sol (PSF) ont des effets importants sur la performance de l'usine, et de créer l'hétérogénéité de l'environnement qui dépend de la composition de la communauté. Comprendre l'importance de PSF pour l'assemblage de la communauté végétale nécessite la compréhension du rôle de l'hétérogénéité des PSF, en plus de signifier effets de PSF. Ici, nous décrivons un protocole pour la manipulation de l'hétérogénéité du sol induite par plante. Deux exemples d'expériences sont présentés: (1) une expérience de terrain avec une grille 6-patch de sols pour mesurer les réactions des populations végétales et (2) une expérience à effet de serre avec des sols 2 patchs pour mesurer les réponses individuelles de plantes. Les sols peuvent être collectées à partir de la zone d'influence de la racine (sols de la rhizosphère et juste à côté de la rhizosphère) des plantes dans le domaine d'espèces de plantes de la même espèce et hétérospécifiques. Répliquer recueillirions sont utilisés pour éviter pseudoreplicating échantillons de sol. Ces sols sont ensuite placés dans des patches séparés pour les traitements hétérogènes ou mixte pour un traitement homogène. Des précautions doivent être prises pour s'assurer que les traitements hétérogènes et homogénéisés éprouvent le même degré de perturbation du sol. Les plantes peuvent alors être placés dans ces traitements de sol pour déterminer l'effet de l'hétérogénéité du sol induite plantes sur le rendement de la plante. Nous démontrons que les résultats de l'hétérogénéité induite plantes à des résultats différents que prédit par les modèles de coexistence traditionnels, peut-être en raison de la nature dynamique de ces évaluations. Théorie qui intègre l'hétérogénéité de l'environnement influencé par la communauté d'assemblage et les travaux empiriques supplémentaires sont nécessaires pour déterminer le moment où l'hétérogénéité intrinsèque à la communauté d'assemblage se traduira par des résultats différents de montage par rapport à l'hétérogénéité extrinsèque à la composition de la communauté.

Introduction

L'un des principaux objectifs de l'écologie des communautés est d'expliquer et prédire les processus régissant les réunions de la communauté. Toutefois, les communautés végétales sont souvent plus diversifié que prévu par la théorie de la coexistence ^1, et les écologistes de restauration ont besoin de comprendre les mécanismes de coexistence pour restaurer avec succès diverses communautés autochtones ^2. Hétérogénéité environnementale est un mécanisme théorique important qui peut aider à expliquer les niveaux élevés de diversité de la communauté, mais des manipulations expérimentales de l'hétérogénéité sont rares ³ et se concentrer sur l'hétérogénéité biologique (par exemple examiné dans Lundholm ^4). Théorie qui intègre l'hétérogénéité suppose généralement que l'hétérogénéité est extrinsèque à la communauté d'assemblage. Hétérogénéité extrinsèque est régie par des facteurs tels que la typologie des paysages, qui sont indépendants de la composition de la communauté. Hétérogénéité extrinsèque peut entraîner la coexistence à travers la séparation des niches (Reviemarier à Melbourne et al. ^3, par exemple Pacala et Tilman ⁵ et Chesson ^6). Cependant, une grande partie de l'hétérogénéité environnementale pertinente pour les communautés de plantes peut être intrinsèque à la communauté, le développement de la communauté et assemble selon l'identité de l'espèce dans la communauté. Hétérogénéité intrinsèque peut résulter d'évaluations biotiques, ce qui peut conduire à la coexistence par fréquence dépendance négative (par exemple, Bever et al. ^7). Ici, nous décrivons une nouvelle méthode pour manipuler l'hétérogénéité du sol induite par plante, un type de l'hétérogénéité du sol qui est intrinsèque à la communauté et pose de rétroactions plantes-sol.

Évaluations plante-sol (PSF) se produire lorsque les plantes influencer la structure du sol, la chimie ou le biote de manière qui affecte la performance subséquente de la plante dans ce sol, et PSF avoir des effets importants moyens sur la performance des usines dans les communautés de plantes indigènes ⁸. Études de PSF ont généralement soit recueilli des sols sur le terrain ou les sols climatisées expérimentalement, a ensuite demandé comment les plantes produisent dans le sol par rapport à la même espèce hétérospécifiques ou stérilisé sol ^9. Si les plantes obtiennent de meilleurs résultats dans le sol de la même espèce par rapport à la référence des sols, alors PSF sont positifs, alors que si les plantes obtiennent de meilleurs résultats dans les sols de référence, PSF sont négatifs. PSF négative réciproque peut conduire à la coexistence dépendant de la fréquence entre les espèces ^7. Alors que les effets moyens de PSF sont bien caractérisés ^8, les effets de l'hétérogénéité spatiale dans PSF sont mal comprises ^10.

Parce que PSF se produire à l'échelle de plantes individuelles ⁷ et parce que les plantes sont souvent distribués de façon non aléatoire dans l'espace et le temps, PSF sont susceptibles de conduire à l'hétérogénéité du sol, que nous appelons l'hétérogénéité du sol induite usine. Contrairement à de nombreuses autres formes d'hétérogénéité (par exemple paysage topologie), ce heterogeneity est intrinsèque à la communauté d'assemblage et peut ainsi influencer assemblée communautaire différemment que les formes plus extrinsèques de l'hétérogénéité. Afin de comprendre l'influence de cette forme d'hétérogénéité sur la performance de l'usine et de la coexistence, nous avons besoin de méthodes expérimentales qui manipulent l'hétérogénéité du sol induite par plante. Ici, nous démontrons une telle méthode, qui utilise les sols conditionnés par deux espèces de créer un traitement hétérogène avec des plaques séparées à partir de deux origines de sol et un traitement homogène, qui est un mélange des deux origines de sol. Ce mélange des sols pourrait représenter au moins les deux scénarios dans le domaine: (1) perturbation (par exemple des rongeurs, agriculture) qui mélangent les sols de différentes origines ou (2) les plantes de deux espèces qui poussent dans la proximité, de sorte que leurs zones d'influence de la racine s'entremêlent et homogénéiser.

Nous présentons deux expériences exemple qui utilisent l'hétérogénéité du sol induite usine pour répondre aux questions clés au leve différentels de l'organisation écologique: (1) Les populations de plantes répondent à planter induite par l'hétérogénéité du sol? et (2) Les plantes individuelles répondre à l'hétérogénéité des sols induite par l'usine? Nous décrivons une expérience sur le terrain à partir de 6 patchs de sol pour répondre à la première question et une expérience à effet de serre en utilisant deux plaques de sol pour répondre à la deuxième question. Quantifier à la fois la population et les réponses des plantes individuelles à l'hétérogénéité du sol est essentielle pour comprendre comment ensemble des influences de l'hétérogénéité de la communauté.

Protocol

Une. Recueillir des sols sur le terrain pour produire des traitements de sol homogènes et hétérogènes

1. Identifier les deux espèces de plantes cooccurring dans des habitats similaires et les types de sol pour l'étude (par exemple, la figure 1a). Déterminer la quantité de sol nécessaire basée sur le sol la taille des parcelles à utiliser dans l'expérience (par exemple, un tiers à la moitié de la zone racine primaire les espèces focales de, ou le volume englobé par la motte) et le nombre de correctifs nécessaires pour l'expérience (voir protocole n ° 2 et 3, ci-dessous).
   1. Pour Rumex spp. (Figure 1a), utiliser des patches de sol de 10 cm x 10 cm x 18 cm (longueur x largeur x profondeur) pour la zone racine approximative de 10 cm de rayon de base de la plante à 18 cm de profondeur (5655 cm ³ du sol de cette zone définie influence de la racine pour une plante individuelle donne 3 patchs de sol de 1800 ³⁾ cm.
2. champ Site de l'enquête pour localiser les individus adultes des deux espèces focales. Évitez les individus dont le roozone t chevauche probablement avec les autres espèces focales (par exemple, les personnes Rumex situés dans 0,25 m d'autres espèces). Marquez le nombre de personnes nécessaires pour obtenir la quantité requise de sol avec des drapeaux de broches.
   1. Mark choisi au hasard 20 personnes de chaque Rumex spp. pour 20 unités expérimentales (2 x 2 espèces traitements de sol x 5 répétitions) qui nécessitent chacune trois taches du sol de chaque espèce focale (comme dans le protocole no 2, ci-dessous).
3. Stériliser le sol équipement de collecte (pelles, gants, transportant des conteneurs) avec un mélange d'environ 1:10 d'eau de Javel (5-10% NaClO) et de l'eau pour enlever toutes les particules de sol. Équipements sec avant utilisation pour éviter les effets de blanchiment sur le biote du sol. Étiqueter chaque pièce d'équipement avec du ruban de laboratoire pour indiquer l'espèce focale dont le sol, il permettra de recueillir ou de transport pour éviter la contamination croisée (par exemple, l'étiquette d'une pelle pour les espèces A et une deuxième pelle pour les espèces B).
4. Consultez la météo et conditions du soltions avant de commencer la collecte de sol pour les événements de précipitations récentes. Éviter de recueillir des sols trop humides (boueux ou totalement saturé) ou la collecte de sol lors d'un événement de précipitation de minimiser le compactage du sol. Éviter de recueillir des sols qui sont trop secs (très dur et difficile à insérer une pelle en) pour aider à séparer le sol à partir des racines.
5. Recueillir le sol sur le terrain des individus marqués des deux espèces focales dans les lots répétés pour éviter pseudoréplication (par exemple un échantillon de sol unique contenant un agent pathogène rare étant ensuite mélangé à travers les répétitions expérimentales).
   1. Creusez la zone racinaire d'un individu de l'espèce A (tel que défini dans l'étape 1.1) avec la pelle stérile appropriée marqué, enlever les grosses racines visibles depuis le sol avec les gants stériles convenablement étiquetés, et placer le sol dans la manière appropriée marqué conteneur de transport stérile (par exemple seau). Pour une expérience de 4 unités expérimentales dans chaque bloc et une plante individuelleDe la zone racine fournir assez de terre pour 1 unité expérimentale (comme dans la section 1.2.1), répétez cette procédure pour 3 personnes supplémentaires d'espèces A.
   2. Répéter la section 1.5.1 pour les espèces B.
   3. Transporter la collection du sol répétition des deux espèces sur le site expérimental. Placez sol dans les unités expérimentales pour le bloc 1 de l'expérience (comme dans le protocole 2 ou 3, ci-dessous), où un bloc contient une unité expérimentale de chaque combinaison de traitement (c.-à chaque espèce x chaque traitement du sol).
   4. Répétez la section 1.5.3.
   5. Répétez les sections 1.5.1-1.5.4 pour les blocs restants dans l'expérience. Recueillir le sol de groupes d'individus au moins 1 m de distance à partir d'emplacements de collecte précédentes pour chaque répétition collection de minimiser pseudoréplication.

Figure 1. champ Exemple de manipulation expérimentale de conception hétérogénéité des sols induite par l'usine. (a) Les sols sont collectées à partir de la zone d'influence de la racine de leurs congénères (α) et hétérospécifiques (β) dans le domaine, à la suite de protocoles standard pour l'étude des effets de la plante-sol rétroactions ⁹ . (B) Les traitements expérimentaux avec des sols hétérogènes composées de sols de l'usine A (α sols) et les sols de l'usine B (sols »de β ') sont disposés dans une grille, et le traitement des sols homogénéisés créés avec un mélange égal des sols de ces deux origines . Dans cet exemple, les grilles des sols sur le terrain sont insérés dans des pots de grand diamètre enfoncés dans le sol et la zone autour de chaque grille est remplie de gros, du sable stérilisé. Ce chiffre a été modifié depuis Brandt et al. ¹⁰

2. Une expérience Champ Exemple, créer des grilles de sol hétérogène et homogène pour mesurer les réponses de la population des plantes

1. Utilisation des sols à partir d'une collection de terre de champ de répétition (protocole 1) pour produire un traitement hétérogène (c'est à dire les cellules de grille alternatif contiennent sol recueilli à partir de l'espèce A ou de l'espèce B) et un traitement homogène (c'est à dire chaque cellule de la grille contient un mélange 1:1 de sol à partir de les espèces A et B) (figure 1b) pour le bloc 1 de l'expérience, dans les étapes suivantes.
   1. Stériliser le matériel du sol de manipulation (truelles, des gants, grille en plastique) avec un mélange d'environ 1h10 de l'eau de Javel (5-10% NaClO) et de l'eau pour enlever toutes les particules de sol. Équipements sec avant utilisation pour éviter les effets de blanchiment sur le biote du sol. Étiqueter chaque pièce d'équipement avec du ruban de laboratoire pour indiquer l'espèce focale dont le sol, elle pourra traiter pour éviter la contamination croisée (par exemple, l'étiquette d'une truelle pour les espèces A et un deuxième truelle pour les espèces B) et la grille en plastique pour indiquer si elle sera utilisée pour le traitement du sol hétérogène ou homogène.
   2. Placer la grille en plastique amovible dansun pot en contrebas dans le sol [ou autre parcelle ou un récipient assez grand pour accueillir la grille] pour être rempli de matière collectée sol (par exemple, 1 800 cm ³ cellules / grille comme dans l'étape 1.1.1). Utilisez une grille construite sur mesure des dimensions souhaitées, par exemple une grille de 2 x 3 avec 6 cellules de la taille déterminée dans l'étape 1.1 (figure 1b).
      1. Pour le traitement hétérogène d'une alternance de types de brassage du sol, endroit pelletées de terre de l'espèce A dans les cellules de la grille pour α sol et des sols de l'espèce B dans les cellules pour sol β (figure 1b).
      2. Pour le traitement homogène, placer pelletées alternées de sols a et b dans chaque cellule de la grille, en prenant soin de répartir uniformément les deux types de sol et d'éviter la formation de couches de chaque type de sol (figure 1b). Pour le patch de 1800 cm ³ par exemple des sols (section 1.1.1), placer 900 cm ³ de chaque type de sol dans chaque cellule de la grille.
      3. Soyez sure à produire des quantités égales de perturbation (c.-à-briser les mottes de terre au même degré) lors de la création de traitements de sols hétérogènes et homogènes pour éviter de confondre la perturbation du sol à l'hétérogénéité du sol.
   3. Si une zone vide demeure à l'extérieur de la grille dans la grande casserole utilisée (comme dans la figure 1b), remplir cette zone avec du sable stérile. Stériliser sable en utilisant une méthode standard (par exemple en autoclave, irradiation gamma).
   4. Soulever la grille de plastique à la verticale hors du pot, ce qui laisse les taches de sol intact. Cela permet racines de différents individus d'interagir dans le sol et chaque plante d'expérimenter plusieurs correctifs, ce qui est essentiel pour permettre les racines des plantes de se développer dans plusieurs correctifs du sol (c.-à-cellules de la grille).
   5. Répétez les sections 2.1.2-2.1.4 pour une seconde paire d'unités expérimentales pour produire un bloc expérimental complet (c'est à dire une grille de sol hétérogène dans lequel planter chaque OFACespèces de l et une grille de sol homogène en ce qui à planter chaque espèce focale, pour un total de 4 unités expérimentales).
2. Répétez l'étape 2.1 pour les blocs restants de l'expérience avec le reste du sol reproduire collections (Protocole 1). Aléatoire blocs et parcelles dans des blocs, tout au long de la zone expérimentale, utilisant le tissu du paysage autour des parcelles si on le souhaite, de garder l'ombrage de la végétation à l'extérieur à un minimum (non représenté).
3. Plantez des graines d'espèces focales dans chaque cellule de la grille de chaque pot expérimental (2 espèces focales x 2 traitements du sol). Utiliser des semences mis en commun pour éviter génotypes de confusion ou communautés microbiennes semences surface avec les traitements du sol. Par exemple, les graines de plantes de chaque Rumex spp. dans le pot pour cette espèce (figure 1a) collé individuellement à des cure-dents en plastique avec de la colle soluble dans l'eau en 12 positions de plantation (2 positions par cellule de grille) d'identifier clairement les individus plantés.
4. Mesurer res de la populationponses des unités expérimentales, comme la germination et la survie, à travers un recensement régulier des particuliers marqués plantation emplacements des graines (par exemple en utilisant des cure-dents comme dans l'étape 2.3). Minimiser les perturbations du sol pour toute réponse mesurée pour éviter de mélanger le sol entre les parcelles.
   1. Déterminer les intervalles de recensement appropriées en fonction du taux prévu de réactions de la population pour les espèces focales. Par exemple, effectuer des recensements hebdomadaires pour Rumex spp. qui peut germer rapidement.
   2. Poursuivre l'expérience pour une durée appropriée basée sur l'histoire de vie des espèces focales. Par exemple, poursuivre l'expérience pendant au moins 2 ans vivace de courte durée Rumex spp. pour obtenir des données sur toutes les étapes de la vie.

3. Un effet de serre Expérience exemple, avec le sol hétérogène et homogénéisé dans les pots pour mesurer les réponses des plantes individuelles

1. Utilisez les sols d'une collection de sol du champ de répétition (Protocole 1)pour produire un traitement hétérogène (c'est à dire de chaque moitié d'un pot rempli de terre recueillie à partir de l'espèce A ou de l'espèce B) et un traitement homogène (c'est-pot contient un mélange 1:1 de sol à partir de l'espèce A et B) (figure 2a) pour le bloc 1 de l'expérience, dans les étapes suivantes.
   1. Dans le conteneur de transport (par exemple seau) et avant l'empotage, mélanger le domaine de la terre provenant de chaque espèce de sable stérile pour produire un mélange 1:1. Pour ce faire, afin d'atténuer le compactage du sol et améliorer le drainage dans les pots, ce qui est particulièrement utile pour les racines de lavage, ce qui facilite la séparation des racines dans le sol. Stériliser sable en utilisant une méthode standard (par exemple en autoclave, irradiation gamma).
   2. Soyez sûr de produire des quantités égales de perturbation (c.-à-briser les mottes de terre au même degré) lorsque le mélange chaque lot de sol sur le terrain avec du sable.
2. Stériliser le matériel de manutention des sols (truelles, des gants, une feuille de plastique) avec une apron 01:10 mélange d'eau de Javel (5-10% NaClO) et de l'eau pour enlever toutes les particules de sol. Équipements sec avant utilisation pour éviter les effets de blanchiment sur le biote du sol. Étiqueter chaque pièce d'équipement avec du ruban de laboratoire pour indiquer l'espèce focale dont le sol, elle pourra traiter pour éviter la contamination croisée (par exemple, l'étiquette d'une truelle pour les espèces A et un deuxième truelle pour les espèces B) et de chaque côté d'une feuille de plastique rigide pour indiquer qui le type de sol sera en pot de chaque côté de celui-ci dans le traitement du sol hétérogène.
3. Créez un traitement de sol hétérogène en utilisant le champ mélanges sol-sable des deux espèces focales (à partir de la section 3.1.1).
   1. Placer la feuille de matière plastique rigide dans le centre d'un pot pour la diviser en deux (figure 2a). Utilisez un pot de taille que cette moitié correspond en volume à la taille de la parcelle de sol approprié (étape 1.1). Par exemple, utiliser un pot avec un diamètre de 15 cm et 18 cm de profondeur pour le Rumex spp. la figure 1a (volume total de3181 cm ^3).
   2. Demandez à deux chercheurs ajoutent simultanément le domaine de la terre provenant de chaque espèce sur le côté approprié du pot (par exemple α sol des espèces A) avec des truelles appropriée marqués, pour garder les côtés même que le pot est rempli.
   3. Enlevez le séparateur en plastique en le soulevant verticalement sur le sol, en laissant des taches de sol intact. Cela permet aux plantes de vivre les deux plaques de sol dans un pot, essentiels pour les plantes à l'expérience de l'hétérogénéité.
   4. Répétez les sections 3.3.1-3.3.3 pour 3 unités expérimentales supplémentaires pour produire un bloc complet du traitement des sols hétérogènes (2 espèces x 2 types de brassage du sol dans le traitement hétérogène; figure 2).
4. Créez un traitement de sol homogène en utilisant le champ mélanges sol-sable des deux espèces focales (à partir de la section 3.1.1).
   1. Répétez la section 3.3.1. Ont deux chercheurs ajouter simultanément α et β sols à la foiscôtés de la casserole avec truelles appropriée marqués, répartir de façon égale les deux types de sol dans chaque pièce et en évitant la création de couches. Répétez la section 3.3.3.
   2. Répétez la section 3.4.1 pour une seconde unité expérimentale pour produire un bloc complet du traitement de sol homogène (un pot pour chacune des espèces focales 2).
5. Répétez les étapes 3.2 à 3.4 pour les blocs restants dans l'expérience avec le reste du sol reproduisent collections (Protocole 1). Aléatoire blocs et parcelles dans des blocs, sur le banc à effet de serre.

Figure 2. Exemple serre expérimentale conception manipulation hétérogénéité des sols induite par l'usine. (A) Les sols prélevés dans la zone d'influence de la racine de l'espèce A (α sols) et l'espèce B (β sols) dans le domaine sont le lieud dans chaque moitié d'un pot (de traitement hétérogène) ou en mélange dans le pot (traitement homogène). (B) les plantes de l'espèce A sont ensuite plantés dans l'expérience de chaque type de patch du sol dans le traitement hétérogène et sur ​​un côté du traitement homogène. Ici, une seule espèce (A) est représenté planté dans cette conception. Une conception entièrement réciproque inclurait les plantes de la deuxième espèce de liaison (B) plantés dans chaque traitement du sol et le type de patch dans le traitement hétérogène.

6. semis de plantes de focale espèces A et B dans chaque type de patch du sol dans un plan factoriel (2 espèces x 3 types de raccordement du sol [α sol, β sol, et un mélange homogène de α et le sol β]; Figure 2b).
7. Mesurer les réponses des plantes individuelles qui indiquent la performance de l'usine, comme la taille de l'usine, la production de biomasse, ou traits fonctionnels. Traits appropriés pour mesurer dépendent des espèces focales et les questions scientifiquesintérêt.
   1. Poursuivre l'expérience jusqu'à ce que les plantes semblent importantes par rapport aux plaques de sol (par exemple, environ 1,5 fois la largeur de la pièce de terre pour plantes herbacées non formant des rosettes) pour s'assurer que les racines des plantes se développent dans les deux plaques de sol. Durée expérimentale dépendra donc sur le taux d'espèces focales de croissance.
   2. plantes de récolte et / ou des réponses de mesures avant que les plantes deviennent pot-lié (c'est à dire la croissance des racines est limitée par les limites de la casserole et les racines cercle au fond du pot) si les réponses réalistes à l'environnement du sol sont souhaitées. Par exemple, les racines des plantes en pot-lié sont peu susceptibles de se nourrir tout au long de la colonne de sol d'une manière similaire à des plantes dans le champ.

Representative Results

Espèce répondu hétérogénéité du sol pour planter induite de diverses manières à la fois la population et au niveau individuel (figures 3 et 4), avec des implications pour l'assemblage de la communauté. Pour déterminer si les populations de plantes répondent à l'hétérogénéité des sols induite par l'usine, une expérience sur le terrain a été établi que dans le protocole 2 à l'aide de trois paires d'espèces congénères. populations de plantes ont été recensées par semaine pendant trois mois, et la proportion totale de graines plantées qui ont germé et la proportion totale de ces plants qui sont morts dans la première saison de croissance (où la mortalité représente l'inverse de survie) ont été calculés (Figure 3). Nous avons trouvé végétales importantes populations réponses à l'hétérogénéité du sol induit de plantes, ce qui suggère que cette expérience a été un succès dans la manipulation de l'hétérogénéité qui a influencé les populations de plantes. Certaines espèces ont présenté des réponses non additives à un mélange du sol, de telle sorte que la réponse observée dans l'traitement homogène (patches sol αβ) n'était pas une réponse intermédiaire aux deux types qui ont été mélangés pour créer ce traitement (α, ou de la même espèce, les correctifs de sol et β, ou congénère, les correctifs de sol) sol. Par exemple, Solanum carolinense eu germination inférieur et Rumex crispus eu plus de mortalité dans un mélange homogénéisé des sols de la même espèce et congénère basique que dans les deux type de sol seul (figure 3) ^10. Ces résultats fournissent des mécanismes potentiels par lesquels les environnements de sol homogènes pourraient faciliter la coexistence, où la germination réduit ou accru la mortalité d'une espèce pourraient fournir des correctifs ouvertes pour d'autres espèces à coloniser.

Figure 3. Exemple résulte d'une expérience sur le terrain avec des sols hétérogènes et homogènes. ( (b) la mortalité proportion de 3 paires d'espèces congénères plantés dans des parcelles de terre de la même espèce, sol congénère, ou un mélange homogène de deux types de sol. Certaines espèces répondu à mélange du sol d'une manière non additive, par exemple, Rumex crispus avait une plus grande mortalité dans le traitement homogène que dans les deux de la même espèce ou de congénères (R. obtusifolius) correctifs de sol dans le traitement hétérogène. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. majeur, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius, Solcar = Solanum carolinense, et SOLDUL = S. dulcamara. * P <0,05 de contrastes orthogonaux de homogène vs sol sans mélange et congénère vs sol congénère sein de chaque espèce dans un modèle à effets mixtes avec une distribution d'erreur binomiale dans la R statistique de l'environnement ^11. Proportions moyennes sont présentées (nombre total divisé par l'échantillon total,par souci de cohérence avec les méthodes statistiques ^12). Ce chiffre a été modifié depuis Brandt et al. ¹⁰ Voir Brandt et al. ¹⁰ pour les méthodes d'analyse détaillées.

Pour déterminer si les plantes individuelles répondre à l'hétérogénéité des sols induite par l'usine, une expérience à effet de serre a été établi que dans le protocole 3 en utilisant deux paires d'espèces congénères. Parce que nous nous attendions à répondre aux plantes du type de patch du sol dans lequel elles ont été cultivées, en plus de l'hétérogénéité du sol au niveau du pot, on a planté les plantules dans chaque type de patch à l'intérieur de l'hétérogénéité de traitement (comme sur la figure 2b). Les plantes ont été cultivées pendant 2 mois et ensuite récoltées pour mesurer la performance (de la biomasse totale) et les caractères fonctionnels (y compris la surface foliaire spécifique (SLA), comme le montre la figure 4). Les réponses des plantes importantes à l'hétérogénéité du sol ont été observés, ce qui suggère que cette expérience a été un succès dans la manipulation d'une forme d'hétérogénéité des sols néité qui influe sur la performance des usines. Nous avons observé une réponse non additive de mélange de la terre, dont les espèces ont tendance à avoir SLA inférieur, ou des feuilles plus épaisses, dans un mélange homogénéisé de terre de la même espèce et congénère du qu'en soit le type seul sol (P = 0,031 d'un contraste orthogonal de homogène vs non mélangés sol dans un modèle à effets mixtes avec la biomasse végétale comme covariable et le bloc comme un effet aléatoire; Figure 4). La surface foliaire spécifique était également plus faible dans la même espèce par rapport aux patchs congénères du sol (P = 0,004 d'un contraste orthogonal de types de correction de sol dans le traitement du sol hétérogène; Figure 4). Ces résultats suggèrent que des stratégies d'acquisition de ressources végétales répondent à planter induite par l'hétérogénéité du sol, ce qui a des répercussions sur l'effet de cette hétérogénéité sur la croissance des plantes, de la fécondité, et les interactions entre espèces.

es/ftp_upload/51580/51580fig4highres.jpg "width =" 500 "/>
Figure 4. Exemple résulte d'une expérience à effet de serre avec des sols hétérogènes et homogènes. Surface foliaire spécifique (SLA), calculé comme la surface foliaire divisée par la masse sèche, de 2 paires d'espèces congénères cultivés dans des parcelles de terre de la même espèce, sol congénère, ou un mélange homogène de la deux types de sol. Dans l'ensemble, les espèces ont répondu à un mélange de sol de manière non additive, où SLA a été plus faible dans le traitement homogène que dans des parcelles soit de la même espèce ou de congénères sol dans le traitement hétérogène. Traits ± 1 SE moyenne. PLALAN = Plantago lanceolata, PLAMAJ = P. majeur, RUMCRI = R. crispus, RUMOBT = R. obtusifolius.

Discussion

Hétérogénéité des sols induite plantes est très probable dans les communautés naturelles, car les plantes ont des effets importants et souvent des espèces spécifiques sur leur environnement de sol et les plantes suivantes qui connaissent que le sol (par exemple Petermann et al. ^13). Cependant, notre compréhension du rôle de ce type d'hétérogénéité sur les communautés végétales est minime ^10,14. Ici, nous présentons une méthode pour manipuler l'hétérogénéité du sol induite par plante, en utilisant des sols de différentes origines (ie les zones d'influence des racines de différentes espèces) dans le domaine. Les étapes critiques dans le protocole pour éviter la confusion hétérogénéité des sols induite plantes avec d'autres variables qui influent sur les réponses des plantes sont: (1) éviter pseudoréplication des échantillons de sol prélevés sur le terrain et placés dans des unités expérimentales et (2) l'égalisation des quantités de perturbation du sol pour les sols extérieurs placés dans le traitement des sols hétérogènes et homogènes. Pseudoréplication oéchantillons de sol f pourraient se produire si les traitements hétérogènes et homogènes reçoivent sol collectées auprès de différentes plantes isolées ou de lieux de collecte sur le terrain, qui peuvent être évitées par la collecte de sol en lots répétés des endroits bien espacées (étape 1.5). Pseudoréplication peut affecter les résultats de l'étude, si, par exemple, un agent pathogène rare se produit dans la zone racinaire d'une plante sur le terrain et le sol de cette plante est seulement placé dans l'un des deux traitements du sol. En outre, la collecte des endroits dans le domaine peuvent différer de la gestion, de l'histoire de la végétation, ou les propriétés du sol; ainsi le sol de chaque lieu de collecte devrait être utilisé dans les deux traitements expérimentaux, la randomisation des différents facteurs de confusion potentiels. Perturbation des sols sur le terrain (c'est à dire la rupture d'mottes de terre) augmente la compaction du sol et peut affecter l'interprétation des résultats. Par exemple, si le traitement du sol homogène reçoit une plus grande perturbation que le traitement hétérogène, alors l'effetde l'hétérogénéité du sol serait un effet de perturbation du sol. Les lecteurs devraient aussi envisager de puissance statistique dans leur conception de ces expériences, ce qui affecterait la quantité totale de sol nécessaire (étape 1.1) et le nombre d'individus de chaque espèce focale à partir de laquelle recueillent sol dans le domaine (étape 1.2). Des expériences préliminaires pourraient être utilisés pour déterminer la taille de l'effet et de la variance attendue, et ces informations peuvent ensuite être utilisées pour concevoir une expérience avec la réplication suffisante ^15.

Ce protocole pourrait être facilement modifié pour s'adapter à d'autres méthodes d'étude des évaluations plante-sol (par exemple en utilisant des sols climatisées dans la serre ¹⁶⁾ et des plans expérimentaux alternatifs (par exemple différentes échelles spatiales ou temporelles, la concurrence interspécifique ^17). Des expériences supplémentaires pourraient également utiliser d'autres espèces focales. La sélection des espèces focales a des implications pour les deux logistique de l'étude etl'interprétation des résultats, mais surtout doit être fait pour répondre au mieux aux questions de l'enquêteur d'intérêt. Nous montrons résultats représentatifs pour les paires d'espèces étroitement apparentées, qui nous a permis de contrôler dans une certaine mesure de la forme de croissance ^{de 18} et un effet de la phylogénie sur la plante-sol rétroaction réponses (par exemple, Burns et Strauss ^19). La taille des espèces focales détermine l'échelle des parcelles de sol utilisé et leur histoire de vie peut affecter la durée de l'expérience. Deux espèces focales de taille différente pourraient réagir différemment à la même échelle de l'hétérogénéité du sol induite plantes si les plus petites espèces ne peuvent pas intégrer les différents types de brassage du sol au même degré que les espèces de grande taille (par exemple la zone des racines des espèces plus petites est limitée à une seul patch de sol). En outre, l'utilisation d'espèces avec une forme de croissance clonale est susceptible de produire des réponses différentes à l'hétérogénéité du sol que les espèces qui se reproduisent uniquement à partir de graines (comme révisionewed dans Reynolds et Haubensak ^14).

Une limitation importante de cette méthode est que les mécanismes qui régissent les réponses à l'hétérogénéité du sol (par exemple, les facteurs abiotiques tels que la chimie des sols, facteurs biotiques tels que les communautés microbiennes du sol) ne sont pas identifiés, sans autre travail. Par exemple, nos résultats suggèrent que le sol homogène (ie mixte du sol) peut entraîner des effets non additifs à la fois la population et le niveau de chaque usine, où les réactions des plantes dans le traitement homogène n'étaient pas rapport intermédiaire de planter des réponses dans les deux types de sol qui compose l' mélange. mélange du sol pourrait se produire dans les communautés naturelles à la suite de perturbations, comme le creusement de rongeurs, ou en raison du chevauchement des zones d'influence des racines que les plantes de différentes espèces poussent dans des autres zones d'enracinement. Un mécanisme possible de ces résultats est un effet du biote du sol, ce qui pourrait contribuer à la réponse non additives si les communautés de bactéries, de champignons ou d'autres organismes interagissent sur le mélange du sol, modification de la composition biotique du sol et donc les réponses de la plante à ce sol. Mécanismes abiotiques pourrait également entraîner des réponses non additifs, si les réponses fonctionnelles des plantes aux pilotes abiotiques (par exemple, les niveaux d'éléments nutritifs) sont non linéaires ^20. Expériences et d'échantillonnage supplémentaires sont donc nécessaires pour identifier les facteurs de réponse des plantes à ces traitements du sol, avec des implications pour leur application à des communautés naturelles. Par exemple, le rôle des sols facteurs biotiques dans régissant les réactions des plantes à planter induite par l'hétérogénéité du sol pourrait être testé en utilisant les sols conditionnés par des espèces focales dans la serre par rapport aux sols stérilisés, qui fournissent un contrôle négatif pour tester le rôle du biote du sol.

Nous démontrons réponses des plantes importantes à l'hétérogénéité du sol induite plantes, ce qui suggère que les plantes elles-mêmes influencent la heterogenei environnementté qui affecte ensemble de la communauté végétale (figure 5). Hétérogénéité peut donc faire partie intégrante de la composition de la communauté, par opposition aux types plus extrinsèques de l'hétérogénéité que les études de l'ensemble de la communauté végétale ont plus souvent considérés ^3. La nouvelle méthode présentée ici a le potentiel de réconcilier prédictions contradictoires de la théorie et les résultats d'expériences sur la relation entre l'hétérogénéité de l'environnement et de la coexistence des espèces, la diversité ou ^4,14. La théorie prédit que l'hétérogénéité de l'environnement entraîne une augmentation de la diversité des espèces (revu à Melbourne et al. ^3), les expériences cependant précédentes manipulant directement éléments nutritifs du sol hétérogénéité ont souvent constaté la tendance inverse (revue dans Lundholm ⁴ et Reynolds et Haubensak ^14), ce qui suggère que d'autres types de l'hétérogénéité, tels que ceux résultant de rétroactions plantes-sol, devrait être examinée.Cette méthode de manipulation de l'hétérogénéité du sol induite plantes indique mécanismes spécifiques par lesquels la coexistence peut être facilitée dans les environnements homogènes. Par exemple, si les plantes résidents ont germination inférieur ou une mortalité plus élevée dans les sols homogènes, comme on l'a constaté pour certaines espèces (figure 3), alors ces environnements plus homogènes peuvent être plus invasible, à l'encontre des prédictions de la théorie traditionnelle. En outre, les prévisions de coexistence pour chaque paire d'espèces dans les sols hétérogènes peuvent être calculées ⁷ en utilisant les réactions des espèces à chaque type de patch du sol dans le traitement hétérogène, ce qui permet aux chercheurs de déterminer pour quelles espèces ils pourraient attendre l'hétérogénéité du sol induite plantes pour faciliter la coexistence ^10.

Figure 5. Aperçu conceptuelde la valeur de traiter l'hétérogénéité du sol induite par plante. (a) la conceptualisation traditionnelle de l'influence de l'hétérogénéité sur la coexistence et l'ensemble de la communauté a mis l'accent sur ​​l'effet de l'hétérogénéité extrinsèque à la composition de la communauté (par exemple, la topologie du paysage) sur l'assemblage de la communauté. (B) Les nouvelles méthodes proposées ici incluent les effets des plantes sur l'hétérogénéité du sol entraînées par des évaluations plante-sol, où les plantes influencent le biote, la chimie ou la structure du sol d'une manière qui influe sur la performance subséquente de la plante dans ce sol. Cette perspective reconnaît que l'hétérogénéité intrinsèque à la composition de la communauté, y compris les effets biotiques et abiotiques, influe également sur ​​l'assemblage.

Manipulation hétérogénéité qui est intrinsèque à la communauté permet des tests rigoureux du potentiel de fonction de la fréquence coexistence qui pourraient résulter d'évaluations biotiques, telles que l'APLévaluations nt-sol, et intègre notre compréhension de ce mécanisme avec la plus grande corps de la théorie de la coexistence ^9. Parce que ce type d'hétérogénéité est dynamique dans le temps, son influence sur l'assemblage de la communauté dépendra de la longueur de temps qu'il faut pour des évaluations plante-sol de développer et de la longueur de la plante-sol effets hérités de retour dans les communautés. Ainsi, d'autres travaux empiriques sont nécessaires à l'échelle temporelle sur laquelle ces effets se développent et se dégradent. Les applications futures qui pourraient émerger de ce travail incluent donc informer nouvelle théorie qui intègre l'hétérogénéité entraînée par des processus intrinsèques de rétroaction (p. ex FUKAMI et Nakajima ²⁰⁾ et d'autres tests empiriques sur le rôle de ces processus intrinsèques dans l'assemblage (par exemple, 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.