北方草地植物种子功能性状的地理变异规律及环境驱动机制

The relationship between plant functional traits and environment, as well as ecosystem function has been hot field in recent years under the background of global climate change. However, researchers mostly pay attention to leaf traits and the whole plant traits. Plant reproduction traits are ignored. Seed is the reproductive organ and potential plant. The research on geographic variation of seed functional traits has important sifnificance for predicting vegetation change in the future. This project focuses on plants from typical grassland, meadow steppe and desert steppe in northern China. Through field investigation, indoor experiments, meta-analysis, we study the relationship between the morphological, physiological traits of seeds and actors like longitude, latitude, altitude, atmospheric temperature, precipitation, plant life forms, soil moisture and nutrient contents etc. The seed traits include colour, dimension, shape, mass, seed coat thickness, hormone contents, dormancy extent, germination responses etc. The relationship between seed functional traits, the relationship between seed functional traits and plant trais such as height, crown diamete and the key environment driving factor will be also tested. This project aims to provide theoretical evidence and new angle of view for understanding the long term adaptation and evolution of plants to the specific environment and ecological processes under climate change like community composition and reproduction strategy.

在全球气候变化的背景下，植物功能性状与环境及生态系统功能的关系研究近年来成为热门领域。然而研究者多关注叶片性状、全株性状等而忽略了繁殖性状。种子作为植物的有性繁殖器官和潜在植物体，其功能性状的大尺度地理变异规律研究对于预测未来植被发展趋势具有重要意义。本项目以北方典型草原、草甸草原和荒漠草原植物种子为研究对象，采用野外调查研究、室内实验及文献数据收集相结合的方法，研究种子颜色、尺寸、形状、重量、种皮厚度、激素含量、碳氮磷含量、休眠程度、萌发能力等形态生理性状多样性及与经纬度、海拔、气温、降雨量、植物生活型、土壤水分、养分状况等因素的相关性程度，揭示种子主要功能性状之间的关系，探究种子功能性状的主要环境驱动因素及与植物自身特征如株高、冠幅的关系。本研究旨在为理解植物对环境的长期适应与进化以及气候变化条件下草地植物繁殖对策和群落组成变化等生态过程提供理论依据和新视角。

植物功能性状与环境的关系及其决定的植物适合度研究近年来成为热门领域，然而以往研究主要集中于叶片性状、根性状或全株性状（如植物高度）对自然环境和人为干扰的响应，而对繁殖性状特别是种子性状的研究相对较少。本项目从北方草地（鄂尔多斯，锡林郭勒，松嫩，呼伦贝尔）种子性状多样性及其地理变异规律，主要功能性状间的关系及种子功能性状影响因素三方面内容开展研究。研究发现我国北方草地种子重量变异跨度4-5个数量级，随着温度增加而增加。草地植物种子贮藏物类型和含量不影响萌发率和萌发速率，萌发过程中先利用淀粉，而后利用可溶性蛋白作为能量，脂肪含量保持不变。种子大小和数量存在权衡关系，并且植株地上干重加权后会改变这种权衡关系的异速指数。鄂尔多斯荒漠草原植物种子萌发的最低水势显著低于松嫩草原植物，从种子萌发和幼苗出土角度证明了鄂尔多斯植物抗旱性更强。种子重量、体积、传播类型和植物系统发生分组都显著影响萌发率，其中植物系统发生分组有最大的解释度。我们对植物有性和无性繁殖可能性的纬度地带性规律及其影响因素的研究结果表明，纬度越低，植物越倾向于有性繁殖，纬度越高，植物越倾向于无性繁殖。与环境因素相比，植物自身特征的影响更大，即植物越高、双子叶植物和木本植物更倾向于进行有性繁殖。光照强度影响种子萌发和生物量分配，但这种影响是具有物种特异性的。氮素和水分交互作用对锡林郭勒不同优势植物有不同的影响。不同的盐参数中，钠离子浓度和盐含量与植物萌发和出土关系最大。氮素添加能提高盐条件下氮敏感物种的幼苗建植。这些研究结果对于我们理解作物种与野生种的差异，理解植物对环境的适应和进化，以及气候变化条件下草原生态系统群落组成和生物多样性等变化具有理论意义；对于盐碱地恢复及盐碱土地利用等方面具有重要的实践意义。