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植物的光合作用是陆地生态系统初级生产力的主要来源,为植物从环境中吸收营养物质提供能量,并支撑整个植株的新陈代谢。叶片是植物光合作用的主要场所,叶性状直接影响光合作用的速率和持久性,对于植物个体的生存与繁殖极为重要。植物的叶性状能够反映植物适应环境的策略,同时深刻影响着生态系统的生产力水平、能量流动和物质循环。对植物叶性状、叶性状之间的关联、叶性状与环境、气候关系的研究一直是植物生态学的一个重要领域。
植物的叶性状同时受到物种遗传背景、小环境以及气候的影响。在研究植物叶性状之间的关联时应该考虑到物种间不同进化历史的影响;在研究植物叶性状与气候关系时有必要考虑群落内部环境的作用。
中国东部有着从热带雨林季雨林到寒温带针叶林的一系列连续的森林植被带,并且中国东部是中国森林的主要分布区。因此,中国东部的典型森林群落是研究植物叶性状及其对环境和气候响应的理想平台。
本研究采集了中国东部从南到北7个典型森林群落中174种常见木本双子叶植物,收集了各物种在群落内的相对高度(HR),以及比叶重(LMA)、叶片氮磷含量(Narea、Parea)、叶片氮磷浓度(Nmass、Pmass)、和氮磷比(N∶P)等6个叶性状数据以及各采样地的年均温和年降水量资料,主要进行了以下6个方面的探讨:1,中国东部典型森林植物叶性状的总体特征如何?2,植物叶性状与物种进化历史的关系是否密切?3,植物叶性状相互之间有何联系?4,物种在群落中的相对高度对叶性状有何影响?5,群落内不同层次植物的叶性状与气候的关系有何差别?6,中国东部森林常见木本植物的叶性状如何响应气候变化?
主要研究结果有以下几个方面。中国东部森林群落常见阔叶木本植物叶性状的差异主要表现在常绿林和落叶林两个不同的群落类型之间。与落叶林群落相比,常绿林群落常见阔叶木本植物的LMA较高,Nmass、Pmass较低,N∶P较高。同时,常绿林中LMA的调节作用对于缩小林冠层Narea、Parea在群落间的差异具有重要作用。
中国东部森林常见阔叶木本植物的LMA、Narea、Parea、Nmass、Pmass、N∶P这6个叶性状与物种谱系联系紧密。LMA与Narea、Nmass与Pmass、Narea与Parea、Narea与Nmass、Parea与Pmass这五组叶性状在跨群落类型尺度,常绿林群落和落叶林群落整体和各群落内部的多个尺度上有稳定的正向关联。LMA与Parea,N∶P与Nmss,LMA与Nmass、Pmass等叶性状间的关联在各尺度表现不同。
群落内部,基于面积的LMA、Narea、Parea等叶性状随物种HR增加而增加的现象在常绿林和落叶林群落内部普遍存在,并且落叶林群落内部基于面积的叶性状与HR的相关性更强;而基于干重的叶性状Nmass、Pmass和N∶P随HR变化总体不显著。在特定气候条件下,林冠层物种叶性状变异程度较小。
中国东部森林常见阔叶木本植物的LMA、Nmass、Pmass、Narea、Parea以及N∶P等叶性状随气候变化的趋势主要受年均温影响,年降水量的影响总体较弱。常见阔叶木本植物,特别是群落冠层物种或乔木,其叶片LMA、Nmass、Pmass以及N∶P等性状随MAT的变化在落叶和常绿两种生活型间总体呈相反趋势。随着年均温增加,落叶木本植物LMA增加,Nmass、Pmass降低,N∶P增加;而常绿木本植物LMA减小,Nmass、Pmass增加,N∶P降低。
群落内部环境对于植物叶性状有较大影响,在研究植物叶性状与气候关系时考虑物种在群落中的位置将有助于明确植物叶性状对气候的响应方式。同时,常绿与落叶阔叶木本植物的对气候的响应方式有较大差异,在进一步探讨植物性状与气候关系时应该将这两种生活型的植物分别进行分析。