南北样带温带区栎属树种功能性状及其与环境因子的关系

论文摘要

本文主要研究南北样带温带区主要树种典型植物功能性状的地理分布,重点揭示栎属树种功能性状的数量特征与变化幅度,阐述植物功能性状之间及其与环境因子（气象、土壤等）之间的响应关系;最后,寻求南北样带上栎属树种地理替代的环境驱动因子,并对其环境驱动机制进行了一定的探讨。本研究于2006年7月至10月对东北及华北共11个栎属树种核心分布区（包括帽儿山、长白山、清源、草河口、老秃顶子、桓仁、雾灵山、仙人洞、济源、栾川及宝天曼等）的55种落叶乔木树种进行了叶片干物质含量、比叶重及树皮胸径比等功能性状的采集及分析。此外,对其中在南北样带上呈现地理替代分布的8种栎属树种,包括蒙古栎（Q.mongolica）、辽东栎（Q.liaotungensis）、槲树（Q.dentata）、槲栎（Q.aliena）、锐齿槲栎（Q.aliena var. acuteserrata）、短柄枹栎（Q.serrata var. brevipertiolata）、栓皮栎（Q.variabilis）和麻栎（Q.acutissima）等进行了叶片最大净光合速率、叶片养分（叶片氮、磷及钾含量）及种子性状等信息的采集并做重点分析。定量分析了植物功能性状间关系及植物功能性状与环境因子的关系。结果表明:（1）在南北样带上呈现地理替代分布的栎属树种其功能性状随着纬度变化也呈现一定的规律性分布,如由北至南,沿着蒙古栎（Q.mongolica）到栓皮栎（Q.variabilis）的地理替代分布梯度,栎属树种的叶片单位重量氮、磷、钾含量均在不同程度上呈下降趋势,而比叶重则在一定程度上呈上升趋势;沿着蒙古栎（Q.mongolica）到短柄枹栎（Q.serrata var. brevipertiolata）的地理替代分布梯度,栎属树种的叶片单位重量最大净光合速率、单位面积最大净光合速率也均在一定程度上呈下降趋势;栎属树种的功能性状均具有一定的变化幅度,对栎属树种而言,叶片干物质含量均分布在324.07-449.94 g kg-1内、树皮胸径比均分布在0.037 9-0.129 1 cm cm-1内、比叶重均分布在42.97-87.70 g m-2内、叶片单位重量氮含量均分布在1.113-3.085 g 100g-1内、叶片单位面积氮含量均分布在0.568-1.996 g m-2内、叶片单位重量磷含量均分布在0.157-0.341 g 100g-1内、叶片单位面积磷含量均分布在0.075-0.209 g m-2内、叶片单位重量钾含量均分布在0.553-1.050 g 100g-1内、叶片单位面积钾含量均分布在0.361-0.627 g m-2内、叶片单位重量最大净光合速率均分布在230.60-339.38 nmolCO2g-1s-1内、叶片单位面积最大净光合速率均分布在10.39-18.62μmolCO2m-2s-1内、种子去皮干重均分布在0.47-2.37 g内等;而对55种落叶乔木（包括栎属树种在内）来说,叶片干物质含量均分布在170.47-473.93 g kg-1内、比叶重均分布在23.28-125.71 g m-2内、树皮胸径比均分布在0.018 9 -0.129 1 cm cm-1内。（2）沿着南北样带环境因子梯度,植物以其各自特有的功能性状组合来适应环境。由南至北,随着温度的下降,栎属树种的生长季随之缩短（叶寿命缩短）、比叶重下降（r=0.294,P=0.145）,而叶片最大净光合速率增加（r=-0.647,P=0.059,叶片单位面积最大净光合速率;r=-0.454,P=0.219,叶片单位重量最大净光合速率）,这使得植物在有限时间内的干物质生产提高,从而维持其自身的生理活动所需,同时,种子去皮干重均随着纬度的上升（温度的降低）而增加（r=-0.861,P<0.01）,这无疑是栎树树种在变化环境下对种子成活能力调整的结果;而对于55种落叶乔木来说,随着温度的降低,其比叶重也呈下降（r=0.072 ,P=0.433）趋势,此外,树皮胸径比也会随着温度降低（r=-0.194,P<0.05）,日照时数的增加而增大（r=0.198,P<0.05）,这也是它们对于树皮抵御寒冷及强光照能力调解的结果。而当降水条件变化时,植物还会通过调节其叶片干物质含量（r=-0.490,P<0.01,栎属树种;r=-0.391 ,P<0.01,55种落叶乔木）、比叶重（r=-0.603,P<0.01,栎属树种;r=-0.192 ,P<0.05,55种落叶乔木）来适应生境;在环境因子中,气象因子对于栎属树种的分布起到了更大的作用。取样尺度不同,起主导作用的气象因子也有所不同。栎属树种功能性状在南北样带上的分布主要受水分的影响,温度次之,而对于55种落叶乔木来说,温度和水分对于其功能性状分布均起到了主要作用。土壤因子中,土壤有机质及氮含量对于栎属树种功能性状的分布起主导作用,而土壤磷含量对55种落叶乔木功能性状的分布起主导作用。（3）植物功能性状之间的关系相对比较复杂,如,叶片干物质含量与比叶重均呈极显著正相关关系（r=0.782,P<0.01,栎属树种;r=0.367 ,P<0.01,55种落叶乔木）;叶片最大净光合速率随着比叶重的增加而增加（r=0.674,P<0.05,叶片单位面积最大净光合速率;r=0.159,P=0.682,叶片单位重量最大净光合速率）;随着叶片氮含量的增加,叶片单位面积最大净光合速率随之增加（r=0.472,P=0.200,叶片单位面积氮含量;r=0.215,P=0.578,叶片单位重量氮含量）,但叶片单位重量最大净光合速率变化不大;随着叶片单位面积氮、磷、钾含量的增加,叶片干物质含量（r=0.493,P<0.05;r=0.617,P<0.05;r=0.481,P<0.05）及比叶重（r=0.685,P<0.01;r=0.769,P<0.01;r=0.717,P<0.01）随之增加;叶片单位面积氮、磷、钾含量间均成正相关关系（r=0.721,P<0.01,叶片单位面积氮与磷含量;r=0.704,P<0.01,叶片单位面积氮与钾含量;r=0.801,P<0.01,叶片单位面积磷与钾含量）。温度及水分是栎属树种在南北样带上呈现地理替代分布的主要驱动因子,环境因子对于植物的影响可通过植物功能性状的变化来反应。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究目的和意义
• 1.2 国内外研究现状与评述
• 1.2.1 叶片干物质含量
• 1.2.2 比叶重
• 1.2.3 树皮胸径比
• 1.3 项目来源与经费支持
• 1.4 技术路线
• 第二章 研究地区概况与研究方法
• 2.1 研究地区概况
• 2.1.1 地形地貌
• 2.1.2 气候
• 2.1.3 土壤
• 2.1.4 植被
• 2.1.5 研究树种
• 2.2 研究方法
• 2.2.1 光合生理功能性状的测量方法
• 2.2.2 其他生理及形态功能性状的测定方法
• 2.2.3 气象数据的获得
• 2.2.4 数据处理方法
• 第三章 结果与分析
• 3.1 环境因子及其间相互关系
• 3.2 植物功能性状与环境因子关系
• 3.2.1 栎属树种功能性状与环境因子关系
• 3.2.1.1 栎属树种功能性状与气象因子关系
• 3.2.1.1.1 栎属树种叶片功能性状与气象因子关系
• 3.2.1.1.2 栎属树种其他功能性状与气象因子关系
• 3.2.1.2 栎属树种功能性状与土壤因子关系
• 3.2.2 55 种落叶乔木功能性状与环境因子关系
• 3.2.3 小结
• 3.3 植物功能性状间的关系
• 3.3.1 栎属树种功能性状间的关系
• 3.3.2 55 种落叶乔木功能性状间的关系
• 3.3.3 小结
• 3.4 栎属树种主要植物功能性状特征
• 3.4.1 栎属树种主要功能性状特征及范围
• 3.4.2 55 种落叶乔木功能性状特征
• 3.4.3 小结
• 第四章 结论与讨论
• 4.1 结论
• 4.2 讨论
• 4.2.1 环境因子间的相互关系
• 4.2.2 植物对环境适应的协同进化
• 4.2.3 植物功能性状间关系
• 4.3 展望
• 参考文献
• 在读期间的学术研究
• 致谢