植物功能性状(Plantfunctionaltraits)通常是指与植物生长、发育和繁殖等密切相关的可测量的特征参数,如叶片大小、厚度、比叶面积、氮含量,根长度、密度、比根长等。长期以来,科研人员常使用器官或物种水平的功能性状及其变异规律来解释植物对环境的适应机制和功能优化机制;近期,Violleetal.()探讨了其在群落和生态系统尺度的潜在生态学意义、Heetal.()发展了植物群落功能性状理论体系,建立了传统功能性状与宏观生态研究的桥梁。植物群落功能性状被定义为“在群落尺度可被单位土地面积标准化的、能体现生物(植物、动物、微生物)对环境适应、繁衍和生产力优化的任何可量度的性状(以强度或密度形式呈现)(Heetal.,)。根据该定义,我们进一步发展了植物群落功能性状的二维特征;即表征单位面积之性状密度的功能性状和表征单位面积之性状强度的功能性状。以叶片氮为例,单位土地面积上群落叶片平均氮含量(gg–1)和累计氮储量(gm–2)就分别代表了效率性状和数量性状,共同调控着植物群落的单位时间生产速率(Zhangetal.,)。
图1青藏高原植物群落氮分配关系的理论框架
氮(N)是植物生长和生存所必需的营养物质之一,无论是构建植物光合器官,还是整个生态系统的物质周转和养分循环,均处于核心地位。因此,对N含量在群落不同器官间的变异和分配机制的研究,是了解群落结构稳定和功能优化机制的基础,同时以N含量作为植被群落功能性状中效率性状的研究也将更具有代表性和科学性。然而,过去大多数研究多基于物种或特定器官(如叶和根)的研究,群落水平的区域研究非常罕见。
图2不同植被类型植物器官N含量(mg/g)的变异
研究人员以青藏高原个天然植物群落为研究对象,采用0.5o标准化空间网格采样方法,系统地测定了植物不同器官(叶、枝、干、根)的N含量。本研究的目的在于探讨青藏高原植物群落不同器官间N含量的空间变异特征,揭示N在大尺度上的分配关系和潜在机制(图1)。并进一步验证三个假设:(1)群落水平上N含量在较活跃的器官中积累较多,(2)群落中N的分配规律是相对保守的,以及(3)虽然青藏高原植物受到各种环境因子的影响,但植物群落不同器官的N含量仍具有较高的内稳态。
图3采用通径分析探讨环境因子对植物不同器官N含量(mg/g)的直接和间接影响
研究结果表明,青藏高原植物叶、枝、干、根中N平均含量分别为19.21、4.12、1.14和10.86mgg-1。植物群落各器官中,叶片活性最强,同时拥有最高N含量,该结果验证了“群落水平上N含量在较活跃的器官中积累较多”的假设。在不同植被类型中(图2),以草本植物为优势种的群落N含量高于以木本植物为主的群落。总体上,N在不同植物器官间表现为异速分配关系,且不受植被类型和环境因子的显著影响,分配关系是保守的。通径分析(图3)结果显示,植物N具有较高内稳性,受环境因子的影响较小,具有较高内稳性。此外,青藏高原地区的不同植物器官N分配策略与全国区域的N分配策略基本一致。本研究基于野外网格化调查数据系统地探讨了青藏高原天然植物群落氮的空间变异特征及其异速生长机制,不仅为优化氮循环模型参数提供了较好地支持;同时,还从植物群落功能性状的效率性状角度开展了新的探索,为植物群落生产力时空变异的重要调节机制的研究奠定基础。
相关研究论文近期于《FrontiersinPlantScience》在线发表。第一作者为中国科学院地理科学与资源研究所博士研究生李欣,通讯作者为地理资源所何念鹏研究员和李明旭博士;其他贡献作者分别为徐丽博士、刘聪聪博士以及博士研究生赵文宗和程昌锦。该研究受到国家自然科学基金委基础科学中心项目、重点项目(,)和第二次青藏高原综合科学考察研究项目(STEP,QZKK)的资助。衷心希望通过中文编译的形式,与国内同行更广泛的交流和探讨,推动植物群落功能性状理论体系能更快、更广地应用到生态学相关领域。敬请批评指正。
论文详细信息:LiX,LiMX,XuL,LiuCC,ZhaoWZ,ChengCJ,HeNP..Allometryanddistributionofnitrogeninnaturalplant