祁连山青海云杉物候表型的空间分异规律及其对生长适合度的影响

Plant phenology, an integrative indicator of ecological environment change, has been increasingly used as an important parameter for studying the relationship between plant growth and climate. In recent years, models to provide insight into how plant phenological processes would be affected by climate changes might give rise to some errors, primarily because of losing sight of the fact that there is an immanent spatial heterogeneity of phenological traits expression. Further study will be needed about how to accurately quantify the effect of environment change on plant phenology and the change of species adaptability. Therefore, the project will be carried out to research the spatial variability of phenological phenotype and fitness of the Picea crassifolia, an evergreen conifer widely distributed in Qilian Mountains in northwestern China. Based on field investigation, common garden experiment, mixed effects model and optimal phenotypic model, three scientific questions will be addressed: ① how the spatial variability of phenological phenotype is characterized in natural populations; ② what triggers off such spatial variability (genetic variation or phenotype plasticity); ③ how does the phenological performance affect the fitness. These findings will provide a scientific basis for accurate prediction of the responses of P. crassifolia phenology to future climate change as well as the alteration of adaptability.

植物物候作为生态环境变化的综合指示器，一直被视为研究植物生长发育与气候关系的重要参量。目前，物种水平上植物物候的模型预测可能存在一定的偏差，主要原因在于忽视了种群间普遍存在的关于物候性状表达的空间异质性。如何准确量化环境改变对植物物候的影响以及进而引起的物种适应能力的变化，仍需要进一步探索。本项目以祁连山广泛分布的典型常绿针叶树种—青海云杉为研究对象，拟开展物候表型的空间分异与生长适合度研究。通过对自然种群的野外观测和同质园移植试验，结合混合效应模型及表型最优化模型的理论分析方法，重点分析：①青海云杉物候表型的空间分异规律；②物候表型分异的内在机制(即遗传分化VS表型可塑性)；③物候表型分异对生长适合度的影响机理。研究结果将为合理准确地预测青海云杉物候对未来气候变化的响应以及所引起的适应能力的改变提供科学依据。

探究种群水平上植物物候表型的空间分异现象及其内在机制，对于准确认识植物物候与生长适合度对环境改变的响应具有重要的理论与实践意义。本项目以祁连山优势常绿树种-青海云杉为研究对象，借助高清相机监测、近地遥感分析、同质园移植实验等方法，开展了自然种群物候分异与生长适合度关系的耦合研究。.主要结论：（1）基于自然种群海拔梯度物候监测系统，揭示了青海云杉物候表型的空间分异规律，对比了幼树与成树的种群物候分异特征，阐明了这两种生活型的物候事件对不同海拔、斑块大小及坡向的敏感性；（2）通过同质园移植实验，辨析了自然种群遗传分化在总表型分异中的贡献（即平均值为12.7%，但未通过显著性检验），确定了引起物候可塑性响应的关键环境因子（即海拔、季前有效积温、季前降水次数、晚春冻害发生次数），阐明了自然种群物候空间分异的内在机制；（3）借助遥感手段，评估了区域尺度上青海云杉林春季物候对极端气候事件的响应，探讨了春季物候的气候敏感性在空间上的变化规律，揭示了关键气候要素在调控物候进程的交互作用；（4）借助模拟增温实验，解析了不同生活史阶段的青海云杉物候期、新枝生长、径向生长过程对长期增温的响应方式，得出“气候变暖对于青海云杉幼树的生长呈现出一定的正效应，有利于加速小树向成树的转化进程”；（5）基于种群生长适合度的海拔格局，量化了青海云杉生长的最适生态幅（即2800m海拔带），通过探讨物候分异与生长适合度之间的关系，得出“萌芽期、开花期、坐果期以及果实成熟期的动态变化对于解释生长适合度的变异具有重要贡献，从而成为制约青海云杉环境适应能力的关键物候事件”，最终阐释了物候表型分异对生长适合度的影响。.项目已积累了大量的物候监测资料（3年共收集图片与统计资料9.97GB），并在临泽站网站共享。目前已发表学术论文8篇（其中SCI检索论文7篇），以第一作者发表SCI论文3篇，高效完成了项目预期设定的目标。