Root morphological plasticity and nitrogen uptake of 59 plant species from the Great Plains grasslands, U.S.A.

Summary We investigated 59 plant species from the Great Plains grasslands with the following objectives: (1) Determine the ability of individual plant species to: (a) redirect root surface area growth to patches with high N and P concentrations; and (b) alter their root:shoot ratio in response to a non-uniform distribution of soil N and P. (2) Determine how a patchy distribution of soil N and P within a plant's rooting zone affects biomass, total root surface area, N uptake, %N in plant tissue, and N uptake per unit of root surface area. Results showed a diversity of responses with some important common patterns. (1) Root responses (defined as total RSA, allocation of RSA, and R:S ratio) were twice as prevalent as whole plant responses (defined as total N uptake, %N in plant tissue, and plant biomass). (2) The percentage of species with the ability to allocate their RSA to nutrient rich patches was 9 times higher in forbs than in grasses, but there were proportionally more grasses than forbs that increased their R:S ratios in response to nutrient patchiness. (4) The proportions of late successional forbs that responded to nutrient patchiness was higher than that of mid successional ones, but the size of the response was substantially larger in the latter. (4) We found a very weak coupling between root plasticity and plant performance. (5) Our results tend to suggest that: (a) most plants have sufficient plasticity in root system development to track the scale of soil nutrient heterogeneity and thus show similar performance regardless of the degree of nutrient patchiness; and (b) the benefits of root plasticity may be more critical for subdominant species as a general adaptation to compete for soil nutrients in mixed plant communities regardless of the extent of soil nutrient heterogeneity. Wir haben 59 Pflanzenarten der Prarie in den Great Plains mit folgenden Zielen untersucht: (1) Feststellung der Fahigkeiten der einzelnen Pflanzenart in Bezug auf: (a) die Steuerung des Wurzelwachstums in den oberflachennahen Bodenschichten in Bereiche mit hohem N- and P-Gehalt; und (b) Veranderung des Verhaltnisses Wurzelmasse: Pflanzenmasse als Reaktion auf eine uneinheitliche Verteilung des N und P im Boden. (2) Festzustellen, wie die Verteilung der verschiedenen Zonen des N- und P-Gehaltes innerhalb der Wurzelzone einer Pflanze sich auf die Biomasse, die gesamte durchwurzelte Flache, die N-Aufnahme, den N-Gehalt (%) in der Pflanzenmembran und die N-Aufnahme pro Einheit der Wurzeloberflache auswirkt. Die Ergebnisse zeigten eine Vielfalt an Reaktionen mit einigen wichtigen allgemeinen Mustern. (1) Wurzelreaktionen (definiert als Total RSA, Lokalisierung der RSA und R:S ratio) waren doppelt so ausgepragt wie die Reaktionen der gesamten Pflanze (definiert als Gesamt N-Aufnahme, N-Gehalt (%) in der Pflanzenmembran und Biomasse der Pflanze). (2) Die Prozentzahl der Arten mit der Fahigkeit, ihre RSA in nahrstoffreiche Bodenzonen zu dirigieren war bei Blattpflanzen neunmal hoher als bei Grasern, aber es waren propotional mehr Graser als Blattpflanzen, die ihr R:S ratio als Reaktion auf die Nahrstoffverteilung veranderten. (3) Die Reaktion derjenigen Blattpflanzen, die sich erst spater ansiedeln war groser als die der Mittelansiedler, wobei die Anzahl der Reaktionen unter den letzteren uberwog. (4) Wir stellten eine sehr schwache Verknupfung zwischen Wurzelflexibilitat und der Leistung der Pflanze fest. (5) Unsere Ergebnisse lassen folgende Schlusse zu: (a) die meisten Pflanzen haben eine ausreichende Flexibilitat in ihrer Wurzelsystementwicklung um Nahrstoffuneinheitlichkeiten im Boden zu begegnen und zeigen deshalb unveranderte Leistungsfahigkeit unabhangig von der Nahrstoffverteilung; und (b) der Nutzen der Wurzelflexibilitat kann fur nichtdominante Arten entscheidender sein, da in gemischten Pflanzenpopulationen generell die einzelnen Arten in Konkurrenz um die Nahrstoff stehen unabhangig von der inhomogenen Nuhrstoffverteilung.