Plant volatiles inhibit restoration of plant species communities in dry grassland

Benefits from livestock grazing have declined in regions where vegetation has been degraded by overgrazing. The vegetation can be restored by excluding livestock for a period, but it takes longer in drier regions. Here we propose a possible mechanism for delays in the recovery of poor vegetation for livestock grazing in dry grassland, introducing a case in Mongolia where steppe vegetation dominated by Stipa krylovii, a palatable grass, can become dominated by Artemisia adamsii, an unpalatable forb, when the grassland is overgrazed. Our long-term field experiment shows that the exclusion of livestock has not enhanced the recovery of palatable species in 6 years, indicating that A. adamsii is a strong competitor in the plant community. To understand why livestock exclusion is ineffective, we examined the ecological significance of volatile organic compounds (VOCs) released by A. adamsii. In ex situ experiments, the VOCs promoted photosynthesis of S. krylovii with enhanced stomatal conductance, and S. krylovii grew faster and consumed more water when exposed to the VOCs even with water deficiency. These findings imply that S. krylovii would be more likely to face severe drought before the next rain falls. We therefore conclude that plant volatiles may reduce the resilience of overgrazed vegetation in arid environments.

ZusammenfassungDie Erträge der Viehbeweidung sind in Regionen zurückgegangen, in denen die Vegetation durch Überweidung geschädigt wurde. Die Vegetation kann sich erholen, wenn das Vieh für eine gewisse Zeit ausgeschlossen wird, was aber in trockenen Gebieten länger dauert. Wir schlagen hier einen möglichen Mechanismus vor, der für die Verzögerung bei der Erholung spärlicher Vegetation für die Viehbeweidung in trockenen Steppen verantwortlich ist, indem wir einen Fall in der Mongolei vorstellen, bei dem die Steppenvegetation, die durch das fressbare Gras Stipa kryvlovii dominiert wird, bei einer Überbeweidung des Graslandes durch Artemisia adamsii dominiert wird, das ein nicht fressbares Kraut ist. Unsere langfristigen Freilandexperimente zeigen, dass der Ausschluss des Viehs die Erholung der fressbaren Arten in 6 Jahren nicht gefördert hat, und weisen darauf hin, dass A. adamsii in der Pflanzengemeinschaft ein starker Konkurrent ist. Um zu verstehen, warum der Ausschluss des Viehs nicht effektiv ist, untersuchten wir die Bedeutung von flüchtigen organischen Substanzen (VOCs), die von A. adamsii freigesetzt werden. In Laborexperimenten förderten die VOCs die Photosynthese von S. kryvlovii über eine stärkere Durchlässigkeit der Stomata, und S. kryvlovii wuchs schneller und verbrauchte mehr Wasser, wenn es den VOCs ausgesetzt war, selbst wenn es Wassermangel gab. Diese Ergebnisse lassen vermuten, dass S. kryvlovii mit größerer Wahrscheinlichkeit vor dem nächsten Regen ernste Austrocknungserscheinungen zeigen würde. Wir schließen daraus, dass flüchtige Pflanzensubstanzen die Widerstandfähigkeit einer überweideten Vegetation in trockenen Umgebungen reduzieren können.