秦岭南北坡林线对气候变化响应机制的比较：基于基因流和树龄结构的研究

The alpine timberline survives at the upper limit of altitude and is highly sensitive to climate change. The process and mechanisms of treeline response to climate change are the theoretical basis of the modeling and prediction of forest dynamics under global climate change. The aims of this project are to study treeline response to climate change from the gene, individual to population levels, and to finally find out the mechanism of treeline response to climate change by the comprehensive analyses of migration and adaptation. In this study, we will choose these typical climatic treelines on both the south and north slopes of Mts. Qinling. The studies focus on both gene flow and age structure of treelines, and compare treeline response to climate change between different climatic zones. First, through the analysis of the spatial structure of population ages, we can reconstruct the histories of treeline regeneration, growth and migration and analysis of their dynamic characteristics during the last hundred years. Second, using SSR and cpSSR molecular markers, we examine the patterns of genetic diversity and gene flow changes of natural populations of treeline species of individuals and populations in the climate distribution. Then, we make the comprehensive comparative analysis of treeline migration and adaption in the context of climate change between the southern and northern slopes. At last, this study is to explore the process and mechanisms in the response of treelines to climate change. The study results can be used to predict the alpine timberline fate under climate change scenarios, to service in the protection and management of the alpine forest ecosystem, and to provide a theoretical basis for predicting the forest dynamic in the context of global climate change.

高山林线是树木生存的海拔上限，对气候变化敏感，林线对气候变化的响应过程及其机制是预测和模拟全球气候变化背景下森林动态的理论基础。本项目全面地从基因、个体到种群水平研究林线对气候变化的响应，综合从迁移与适应分析林线响应机制。以秦岭主峰太白山高山林线为研究对象，在南北坡设置典型气候型林线样地，重点从基因流和树龄结构二方面开展研究，比较不同气候带林线对气候变化的响应；基于种群年龄空间结构重建林线更新、生长和迁移动态历史，分析过去百年林线动态特征及其与气候因子的相关性；应用SSR、cpSSR分子标记从核、质基因组研究林线树种个体和种群在气候变化下的遗传多样性和基因流的分布模式；全面比较分析气候变化背景下南北坡林线迁移与适应的差异，探讨林线响应气候变化的过程和机制。研究结果可用于预测气候变化情景下高山林线生存命运，服务于高山森林生态系统的保护和管理。

本项目从基因和种群水平研究林线对气候变化的响应，综合从迁移与适应分析林线的响应机制。以秦岭太白红杉为研究对象，应用植物群落学、树木年轮学、种群遗传学、种群年龄空间结构分析和多元统计分析方法相结合，研究高山林线对气候变化的响应模式以及敏感性的区域差异。分别在秦岭两大主峰（太白山和鳌山）南北坡设置了多条贯穿林线主区和交错区的垂直固定样带，并完成了所有样带内全部树木的调查和取样工作。已经取得以下研究成果：1）太白红杉全分布范围解译与未来百年的分布预测；2）完成了秦岭太白红杉主体分布区的群落分类、生长、更新、密度、海拔格局的变化及其与气候因素之间关系；3）对比研究了秦岭南北坡太白红杉球果与种子特性及其与环境的关系、南北坡太白红杉林分类对比、南北坡太白红杉径向生长及更新迁移对区域性气候和海平面温度变化的响应；4）开展了秦岭高山林线区域温度变化研究，并重建秦岭太白山1872年以来6~8月最低温度变化；5）成功开发了太白红杉的18对SSR标记，利用这些标记对种群的遗传变异水平和式样进行了检测，结合ISSR检测表明太白红杉维持有较高的遗传多样性，种群间遗传分化程度较低，基因流水平较高；6）典型相关分析表明太白红杉遗传组成和环境之间具有较强的相关性，分析生物气候因子在典型轴上的特征，得出年均温度、年降水量、最热季均温、最热季降水量与遗传变异具有较高的相关性，这为理解太白红杉种群遗传分化的气候效应提供了新的启示。项目开展过程中，按着既定的研究计划完成了项目任务书的研究内容，较好的实现了预期的研究目标，共发表文章8篇，在投文章2篇，1个授权发明专利，取得了较为理想的研究成果。研究结果对深入理解和预测未来气候变化对我国高山森林生态系统的影响及其响应具有重要意义，可用于预测气候变化情景下高山林线生存命运，服务于高山森林生态系统的保护和管理。