物种海拔上限形成与维持的低温适应性碳投资机制及其对升温的响应

The upper elevational range limit of alpine plants is a species-specific low-temperature boundary. Its formation and persistence depend on the ecophysiological adaptability of tree species to low temperatures. Up to now, however, it still remains unclear that what kinds of carbon investment strategies related to the ecophysiological adaptability and phenotypic plasticity tree species have developed to deal with low temperature stress. This project will focus on the upper range limits of three tree species with different life-forms (deciduous broad-leaved tree, evergreen coniferous tree, and deciduous coniferous tree) in the Qinling Mountains of north-central China. In situ and ex situ experiments will be conducted, and methods coupled with tree ecophysiology, plant physiology and dendroecology will be used in this project. The carbon source-sink relationships will be explored to examine whether it is phenotypic/physiological response or ecotypic/adaptive evolution to low temperatures. The objectives of this project are 1) to elucidate that it is active or passive carbon investment strategy for the trees at the upper range limits, and 2) to reveal the cold-adaption mechanism of carbon investment of the formation and maintenance of the upper tree-limit to low temperatures and its responses to climate warming as well as the potential species-specific characteristics. The results will not only have great implication for understanding and predicting the influences of climate warming on the structure and function of alpine forest ecosystem, but also provide new advance in the knowledge of the effects of climate change.

物种沿海拔分布的上限是一条物种特异性的低温界限，其形成与维持取决于物种对低温的生理生态适应能力，但到目前为止尚不清楚物种具有哪些生理生态适应性或表型特征可塑性的碳投资策略与机制来应对低温胁迫。本项目以秦岭三种不同生活型树木（落叶阔叶树、常绿针叶树、落叶针叶树）海拔上限为研究对象，通过原位对照和室内控制试验，综合运用树木生理生态学、植物生理学和树木年轮生态学相结合的方法，探讨树木非结构性碳水化合物（NSC）“源-汇”关系动态是表型的低温生理反应还是生态型的低温适应进化，旨在阐明海拔上限树木是主动还是被动的碳投资策略，进而揭示树木海拔上限形成与维持的低温适应性碳投资机制及其对温度升高的碳投资响应和可能存在的物种特异性特征。研究结果对深入理解和预测气候变暖对山地森林生态系统结构和功能的影响及其响应具有重要意义，并可为气候变化的生态学效应研究提供新的理论进展。

物种沿海拔分布范围的上限是极端环境条件下物种生存的低温气候边缘，其形成与维持是低温等环境因素和物种生理特性长期共同作用的适应性结果。非结构性碳水化合物（NSC）是植物生理活动的能量物质，处于极端低温胁迫的海拔上限物种即需要利用NSC进行结构生长，又需要储存足量的NSC作为抵御低温胁迫的能量物质。资源的分配即意味着权衡，因为有限的资源分配给一种器官或功能后就无法在分配给另一种器官或功能。低温气候边缘物种的生存与维持有着哪些生理生态适应性或表型特征可塑性的碳投资策略来应对低温胁迫，到目前为止尚不清楚。该项目以秦岭三种不同植物功能型树木（落叶阔叶树、常绿针叶树、落叶针叶树）海拔上限为研究对象，通过原位对照和室内控制试验，综合运用树木生理生态学、植物生理学和树木年轮生态学相结合的方法，探讨树木非结构性碳水化合物（NSC）“源-汇”关系动态是表型的低温生理反应还是生态型的低温适应进化，旨在阐明海拔上限树木的低温适应性碳投资策略，进而揭示树木海拔上限形成与维持的低温适应性碳投资机制及其对温度升高的响应和可能存在的物种特异性特征。项目执行过程中，对这三种不同植物功能型物种分别开展了沿海拔梯度的交叉移植试验、原位去叶对照试验和室内模拟增温试验。研究结果揭示非结构性碳水化合物的源-汇之比随海拔升高而逐渐降低的一致性变化趋势，且最小的碳源-汇投资分配比不低于2.6。因此，NSC源-汇之比的最小值2.6是物种在其分布海拔上限能够生存和维持的碳分配极限阈值。该项目按着研究计划顺利完成了任务书的研究内容，发表SCI论文6篇，中文核心论文3篇，较好的实现预期目标并取得较为理想的成绩。研究结果对深入理解和预测气候变化对山地森林植物群落结构、功能和动态的影响具有重要意义，并可为山地森林资源的可持续性经营管理和开发利用提供理论指导和科学依据。