性状与环境的交互作用对树木幼苗适合度影响的研究

Trait-based ecology, the most powerful tool to integrate ecological studies at different scales, is based on the foundation stone that traits are functional to the degree that they determine individual fitness. However, the relationship between traits and individual fitness and how such relationship is mediated by environments have rarely been tested in either natural or experimental systems. In this project, I will plant tree seedlings of six species under different experimentally imposed levels of light transmittance and drought, monitor their survival and growth, as well as measure their common traits, photosynthesis traits and hydraulic traits. Then I will investigate the effects of interaction between multidimensional phenotypic traits and environments on survival and growth of these seedlings. The research will provide a strong experimental test for the foundation stone of trait-based ecology and give criteria for selections of traits in future studies. In addition, this experiment will be linked to the 50-ha permanent plot in the Heishiding Natural reserve, thus combining survival and growth of these seedlings in greenhouse and field will provide more insights into abiotic and biotic limitations on the distribution of tree seedlings and predictions of forest dynamic under the context of global climate change.

基于性状的生态学研究被认为是整合生态学不同尺度研究最有效的途径，是建立在所选择测量的性状能反映个体适合度这一基本假设之上的。然而很少有野外观察或实验明确研究性状与适合度的关系以及这种关系如何受环境的影响。本项目将在温室设置不同的光照和干旱处理水平，种植6个物种的树木幼苗，监测其存活和生长情况，并测量每株幼苗的常规性状、光合性状和水力性状。在此基础上研究多维表型性状与环境的交互效应对树木幼苗存活和生长的影响，以期对性状研究的基本假设提供根本的实验验证。此外，结合黑石顶50公顷森林大样地的野外观测与温室种植实验，比较树木幼苗在温室和野外的存活与生长情况，可区分限制森林群落树木幼苗空间分布的非生物因子和生物因子，并有助于我们更好地理解森林群落中生物多样性的维持机制和预测森林群落对全球气候变化的响应。

植物功能性状是指任何在个体水平上可测量的形态的、生理的、物候的可遗传特征，决定着植物体的适合度及其组分(如存活、生长与繁殖)。该假设是基于性状的植物生态学研究的基石，然而许多研究发现植物功能性状与其存活和生长关系都较弱甚至没有关系，其主要原因包括：(1)性状-适合度关系是随环境变化而变化，而当前多数研究都没有考虑性状×环境的交互效应；(2)植物性状与环境的都是多维的，研究需同时考虑多个性状与多个环境交互效应；(3)多数性状-适合度关系的研究利用物种平均性状来代替个体水平的性状，因而忽略种内性状变异的影响；(4)因直接反映植物生理生态学过程的硬性状测量较为困难，性状-适合度关系的研究鲜有包含硬性状的。针对上述可能的原因，本项目结合森林样地监测数据与树木幼苗种植实验全面地检验了性状与环境交互效应对树木存活和生长的影响。.本项目首先整合了黑石顶保护区中50公顷森林样地的两次普查数据、性状数据和环境数据，构建了树木存活和生长与多维性状、多维环境间的统计模型，量化了性状和环境主效应以及性状和环境交互效应。研究发现植物在相同的环境下存在着多种不同的最优性状策略，而不同环境下的最优性状策略也可能相同，表明了性状-适合度关系的复杂性(性状与环境交互效应)。本研究为解决性状-适合度关系的长期争论提供了新思路，有助于夯实基于性状生态学的基石。.在上述研究的基础上，本项目选择了该样地中6个物种开展种植实验，设置了两个影响幼苗存活和生长的环境处理(透光率和降水)，测量了反映植物光合能力和水分传导及利用效率的硬性状(光合性状与水力性状)。研究发现，多数性状-存活/生长关系都依赖于幼苗所处的环境，这种性状-存活/生长的关系的强度甚至方向都可能随透光率与降水梯度的变化而变化，进一步证实了在性状-适合度关系的研究中考虑性状×环境交互效应的必要性。此外，硬性状没有如预期比软性状更好地预测树木幼苗的存活与生长，这可能是硬性状更大的测量误差低估了性状-适合度关系的强度，从而抵消了考虑它们带来的潜在优势。本研究再度强调了在性状-适合度关系的研究中考虑性状与环境交互效应的必要性，并建议尽量控制性状的测量误差，提高对性状-适合度关系估计的准确性，从而更加有效地预测森林群落的动态变化及其对环境变化的响应。