物质能量代谢与分配是所有生命体的基本特征,其代谢与分配规律是生物学家尤其生态学家所关注的重要科学问题。植物的物质能量代谢与分配在生态系统中扮演着重要角色,因为植物光合产物在不同器官间的分配不但影响物种的适合度、产量,还将影响整个生态系统中的物质循环和能量循环与分配及其他生态系统功能。而植物为了适应立地环境条件,其物质能量分配往往受其环境因子以及生物因子的共同调控。然而,温带荒漠植物在其水分、温度等环境因子交替胁迫条件下,其不同生活型植物如灌木和草本的物质能量分配规律尚不清楚。而且这些生物因子和非生物因子将如何调控植物物质能量分配,以及是否存在一般性调控规律也不得而知。因此,本论文主要以干旱荒漠植物以及全球森林为研究对象对上述重要科学问题进行探索。首先,本课题研究了两类不同生活型荒漠植物的物质能量分配规律。同时,基于全球森林数据以及近年来我们调查的荒漠植物数据,建立了非生物因子和生物因子调控植物物质能量分配的一般性理论模型。我们还结合控制论和亲缘选择理论探讨了在邻体间相互作用条件下,植物个体如何实现营养器官和生殖器官间的最优物质能量分配策略。主要研究结果如下:1、干旱荒漠区短命草本植物与灌木的地上地下生物量分配遵循异速分配原则,即生物量分配异速指数不等于1,这与森林植物遵循的等速分配原则明显不同。而且荒漠植物地上部分与地下部分生物量分配的异速指数呈现出物种和环境特异性。短命草本植物生物量分配的异速指数主要受降雨量的驱动,即干旱区与半干旱区的短命植物生物量分配规律明显不同。相反,降雨对灌木的生物量分配异速指数影响不显著。温度对短命草本植物生物量分配的异速指数影响不大,即温带和暖温带的短命植物生物量分配差异不显著。但环境温度对荒漠灌木生物量分配具有显著影响,即在温带与暖温带荒漠灌木植物的生物量分配模式具有明显差异。而且,短命植物和灌木的根冠比与总生物量,地上生物量间的回归关系较弱,但其根冠比与地下生物量间的回归关系较强。这主要由于荒漠短命草本植物为了在生长季(即雨季)迅速完成生活史而相对地把更多物质能量分配到地上部分生长。相反,灌木则需要把更多物质能量分配到地下根系生长来躲避冬季低温的胁迫以及获得土壤深层或地下水。2、不同类型的全球森林数据的分析结果显示生物相互作用间的异速指数与理论预测一致。双变量回归分析显示,叶比重与株高呈反比例关系,而叶比重与密度间呈正比例关系,但叶比重受年均降雨(MAP)与年均温(MAT)的影响较小。森林植物地上比重受株高和密度以及年均温与年均降雨的影响都小。而且,多重回归和结构方程模型的分析呈现类似结果,三个森林数据库分开分析也呈现类似结果。温度对荒漠植物叶比重的影响较强,其他生物和非生物因子对其的影响相对较弱。将森林植物与荒漠植物数据综合分析发现,生物因子对叶比重的影响大于非生物因子对其的影响,而所有生物和非生物因子对植物地上比重的影响均较弱。3、数据显示年均温或年均降雨对叶生物量与总生物量间的异速截距,叶比重与株高间异速截距都有显著影响。对全球森林数据分析发现,尽管气候因子对全球森林树木的地上比重和叶比重影响很微弱,但在不同科水平上气候对叶比重和地上比重的相对变异系数具有较强影响。此外,基于蒙特卡洛模拟分析显示十个科的生物量比重的重合度显著高于气候因子的重合度。该结果表明不同类型的植物受其分布范围的立地环境因子胁迫而呈现出不同的生物量分配模式,而非受到全球范围内的气候变量梯度的驱动。4、正负亲缘选择为植物从营养生长向生殖生长转变过程提供了另外一种解释植物最优生活史策略的机制,并且该理论分析为提高农作物在种群水平上的产量提供理论基础。本论文通过对上述科学问题的探索不仅揭示了不同植物类型和不同环境条件下植物物质能量分配模式及其调控机制,而且初步建立了生物因子和非生物因子调控植物物质能量分配的一般性理论体系。这不仅可以为进一步探讨植物生物量分配等速理论和最适分配理论的普适性奠定了基础,而且在提高农业产量、荒漠化防治和优化森林生态系统管理等方面均具有重要的科学指导意义。