高寒草地植物叶脉密度与叶大小空间格局及其权衡研究

Alpine grassland is the main vegetation landscape in the western region of China, but the structure and function have occurred converse succession due to climate change and human activities, and the grassland ecosystem and livestock production have been seriously damaged. The variations of leaf morphology and venation functional traits are assumed to reflect the adaptive mechanisms of plant under natural selection pressure, and play a particularly important role in understanding environmental plasticity of plant. However, the scaling relationship of vein density with leaf size in environmental gradients has not been fully explored and understood so far, the configuration fitness and population spatial pattern of alpine grassland plants have not been explained. Therefore, the recognition of alpine grassland ecosystem degradation has been restricted. The project selects alpine grassland in the upper reaches of Shiyang River as the object, experiment and model analysis method were used, spatial heterogeneity of leaf traits of plant taxa with different venation pattern were researched, aiming to explicit the maintenance mechanism of vein density with the fraction of biomass in the mid-rib, leaf water content, leaf size and their environmental effects, tests the scaling relationship of vein density with leaf size, explores the resource utilization strategies of alpine grassland plants based on leaf traits and venation system, provides theoretical basis for revealing degeneration mechanism of vegetation ecosystems in cold and arid regions.

高寒草地作为我国西部主要的植被景观，在气候变化和人类活动影响下其结构和功能发生逆向演替，对草地生态系统安全和畜牧业生产构成了严重威胁。叶片形态和叶脉网络功能性状的分异规律反映了植物在自然选择压力下形成的生态适应对策，是理解草地植物环境可塑性机制的重要途径。由于生境梯度上植物叶脉密度和叶大小构建的规律与协同变异关系不清晰，无法阐述高寒草地植物的构型适合度、植物种群空间格局与群落多物种共存机制，成为高寒草地生态系统退化问题认知的瓶颈。本项目拟以石羊河上游高寒草地为对象，采用室内外实验和模型分析方法，研究生境梯度草地不同脉序植物类群叶脉密度与叶大小等叶性状的空间异质性，明确植物类群叶脉密度与中脉生物量分配、叶含水量和叶大小的维持机理及其环境效应，探讨叶脉密度和叶大小协同变异关系，阐明高寒草地植物基于叶性状的叶脉网络构建的资源利用策略，为揭示全球变化背景下寒旱区植被生态系统的退化机理提供理论依据。

生境梯度上植物叶脉密度和叶大小构建的规律与协同变异关系研究，有助于认识高寒草地植物的构型适合度、植物种群空间格局及高寒草地生态系统退化问题。在祁连山高寒草地设置了海拔、坡度、坡向和密度实验梯度，以珠芽蓼和甘肃臭草等不同脉序草地植物为研究对象，利用ArcGIS建立研究区域的数字高程模型（DEM），采用室内外实验和模型分析方法，研究了高寒草地植物茎叶构件生物量配置的生境依赖关系、不同脉序植物类群叶脉密度和中脉生物量分配模式、不同脉序植物类群叶性状的空间异质性分析和生境梯度上叶脉密度与叶大小权衡的环境可塑性机制。结果表明：①随着海拔升高，高寒草地群落的盖度、密度和生物量呈先增大后减小的趋势，物种丰富度呈增加趋势，网状脉植物类群频度逐渐增加，平行脉植物类群频度逐渐减少。②随着坡度增大甘肃臭草的茎干质量、叶干质量、叶面积均呈逐渐减小趋势，叶片数呈增加趋势。③随坡向由北坡向东坡、西坡和南坡转变，平行脉植物类群的中脉生物量、中脉直径和叶脉密度呈显著增大趋势（p<0.05），网状脉植物类群的一级和二级叶脉密度呈极显著增大趋势（p<0.01）；披针叶黄华和甘肃臭草叶面积和叶厚度存在显著性差异（p<0.05），蒸腾速率与叶面积之间显著正相关关系(P<0.05)，与叶厚度之间存在显著负相关关系(P<0.05)。④随着种群密度的减小，火绒草种群密度的变化与叶面积和细脉密度成正相关关系(p < 0.05)，与叶厚度呈负相关关系(p < 0.05)；珠芽蓼叶脉密度与叶形指数的呈显著的负相关关系(P<0.05)，与叶片含水量呈负相关关系，与水分利用效率呈正相关关系，中脉直径与叶形指数的呈显著正相关关系(P<0.05)；灰绿藜的蒸腾速率与叶脉密度呈显著正相关关系(P < 0.05)，与中脉直径之间存在显著的负相关关系(P < 0.05)。通过上述研究明确了不同脉序植物类群叶脉密度与中脉生物量分配、叶含水量和叶大小的维持机理及其环境效应，阐明了高寒草地植物基于叶性状的叶脉网络构建的资源利用策略。在项目的资助下，完成论文38篇；培养硕士研究生15人，博士研究生1人。