不同水分可利用条件下植物个体发育过程中的功能性状研究

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作为反映植物碳经济和水分运输策略的重要性状,经济性状、水力性状以及二者之间的权衡关系受到了广泛的关注,但对于个体发育过程中这两类功能性状及其关系变化的研究较少。在生长过程中随着树木的升高,受到外界环境水分条件和自身遗传因素的影响,植物的水力环境会发生很大的改变,植物水分利用策略就会相应变化,进而影响经济性状和个体的生存与生长。本文选取了秦岭北部和黄土高原南部的常见木本植物,通过研究功能性状(经济和水力性状)及其权衡关系与大小相关的变化,旨在探讨不同水分可利用条件下,植物在个体发育水平上功能性状的变异模式,这对于揭示植物碳—水经济投资对树高的响应,了解水分条件如何影响植物的生长策略有重要意义。主要研究结果如下:(1)在个体发育过程中,黄土高原和秦岭植物的经济和水力性状存在一些相同的变化趋势。两地大树阶段表现出显著较大的最大净光合速率(Pmax)、比叶重(LMA)、叶片厚度(LT)、气孔密度(SD)、叶脉密度(VD)和较小的气孔长度(SL)、叶片失膨点水势(ψtlp),小树阶段与之相对。两阶段之间性状分化明显,表明随着个体的生长发育,植物的抗旱能力和光合能力得到极大的提高,植物生长速率加快,对外界环境的耐受性增强。功能性状间的相关关系在不同生长阶段间并不是始终存在。两地小树阶段经济性状之间,经济与水力性状之间的相关关系要相对较多且相关性更强,大树阶段相关关系最少且最弱。表明在发育早期阶段,树木对于环境的敏感度更高,因此倾向于形成较为稳定的性状组合以应对外界环境的压力。(2)与经济性状相比,两地的水力性状个体发育水平的变化更为显著,表明水力性状对树高的变化更为敏感。黄土高原和秦岭之间中树阶段水力性状的差异较显著,如气孔密度(SD)、边材密度(WD)和叶面积比边材面积(AL/AS),表明中树阶段的个体水力结构可能对不同土壤水分条件更为敏感。在后续与水力性状相关的研究工作中,应该考虑树高的重要作用。在所有种与共有种的对比研究中,水力性状相较于经济性状表现出更多的差异,表明水力性状有更大的种间变异。此外,相比于经济性状,水力性状在两地各个阶段均缺少相关性。(3)相比于秦岭,黄土高原的植物各个生长阶段有显著更大的LT、叶组织密度(TD)和显著更小的ψtlp、Pmax。这与黄土高原较低的水分可利用性有关,植物通过减少蒸腾,降低光合速率来实现更高的抗旱能力以适应水分亏缺。在共有种和所有种12个功能性状的比较中得出,秦岭的植物功能性状,特别是水力性状的种间差异要高于黄土高原。黄土高原经济性状(除Pmax)的之间的权衡要显著强于秦岭,表明植物通过形成更为稳定的性状组合来应对资源有限的条件。(4)经济性状和水力性状的耦合在两地物种的不同发育阶段存在显著差异。与秦岭相比,黄土高原经济与水力性状间存在更多的权衡关系,黄土高原的权衡关系表现为小树>中树>大树,秦岭表现为小树/大树>中树。在秦岭大树阶段与黄土高原小树阶段存在相似的相关关系。这可能与小树阶段对外界更为敏感,以及秦岭由于较高的物种丰富度大树阶段面临着更为激烈的竞争环境有关,因为植物形成稳定的权衡关系能够减少碳消耗,有利于植物的生存与生长。
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