基于泰勒幂法则的竹秆节间形态学研究及其生态驱动机制

Taylor’s power law (TPL) states the species-specific scaling relationship between the variance and mean of populations of temporal and spatial abundance which conforms the power-law function: variance=a (mean) b, and the value of exponent b is believed to contain ecological or biological information about populations of species aggregate in space. Meanwhile, it can be used to research the internode morphology of bamboo culms. Even though TPL has been verified for hundreds of biological species and nonbiological quantities in numerous studies of ecology, epidemiology, and other fields, the underlying ecological mechanism is not very clear. The culms with different shapes have ornamental, practical and scientific values. Based on the Taylor’s power law of bamboo culms internode morphology research, morphological parameters of the bamboo internodes will be observed during the formation of shapes of bamboo culm, and the morphological changes of bamboo internode of different bamboo species will be explained, and all these works will supply the supplement for the bamboo biological research. Meanwhile, the internode biomass of bamboo culms will be used for fitting the Taylor’s power exponent, and the changes of Taylor's power exponent and its influencing factors in the process of bamboo culm formation will be discussed. The effects of ecological factors, the ecological stoichiometry of bamboo and energy metabolism and distribution on the Taylor's power exponent between different bamboo species will be discussed, and the ecological driving mechanism of Taylor's power exponent will be explored in order to supply the reference for the research of Taylor's power law on other species.

泰勒幂法则是描述生物种群样本均值（M）和方差（V）间存在的指数关系：V=aMb，其中b为泰勒幂指数，包含有重要的生物学信息，但泰勒幂指数的生态驱动机制仍不明确。大量的研究证实了泰勒幂法则的普适性，且可用于竹类植物竹秆节间形态学研究。竹秆对世界竹产业发展极其重要，目前系统开展过竹秆节间形态学研究的竹种较少。本项目通过测定60-80个竹种的竹秆节间形态学参数，系统分析不同竹种竹秆节间形态学变化规律，并以节间生物量为参数拟合运算泰勒幂指数，探讨将竹秆节间泰勒幂指数作为竹子分类辅助指标的可行性，阐释节间泰勒幂指数的生物学意义。通过对全国不同地区竹子竹秆形态特征的观测，分析生态因子对竹秆形态特征的影响及节间泰勒幂指数的响应过程，结合竹秆节间形态建成中，竹子生态化学计量特征及能量代谢与分配对不同竹种竹秆节间泰勒幂指数的影响，探索泰勒幂指数的生态驱动机制，以期为泰勒幂法则在生态学其它物种的研究提供借鉴。

测定了50个竹种的高度、地径和鲜重，发现重量与地径、高度间具有较强的幂函数关系，且与竹株体积相关性最强，拟合R2值达到0.985。在高度、地径和生物量方面检测了TPL，发现TPL对所有三个生物学指标都适用，与生物量的关系最强，拟合R2达到0.98。利用协方差分析比较了对数均值和方差与密度对数的回归斜率，发现随着密度的增加，个体生物量的方差下降速度比均值快。这说明密植降低了平均个体生物量，但使个体生物量趋于均匀生物量。因此，在有效林分生产力和林分密度之间存在一种折衷，以实现最佳森林管理。疏植导致个体生物量变化较大，而密植降低了平均个体生物量。因此，竹林林分密度可根据市场需求进行权衡。. 调查了竹亚科6属20种竹类植物的节间形态学参数，将泰勒幂法则扩展到测量单个生物体的形态结构。发现，每个竹种节间干重的方差和平均值（平均R2=0.980）之间有很强的泰勒幂关系，指数b的估计值在1.329到1.796之间变化。20个竹种的三种生态计量指标（特别是总热值、碳氮比和氮磷比）的指数b表现出很强的相关性（R2分别为0.590、0.821和0.625）。20个种的节间干重指数b与N:P比值的相关关系反映了种间系统发育的相似性。仅对同一属的14个竹种进行检验，发现N:P比值与指数b节间干重的相关系数有所提高，秆的R2从0.625增加到0.835，叶的R2从0.457增加到0.944，由此可见，能量储存和生态化学计量学有可能解释观测到的节间干重方差和平均值之间的幂律关系。对比分析5个省份毛竹节间形态学数据，我们发现毛竹节间体积的方差与均值间存在较强的泰勒幂关系，但不同区域泰勒幂b值差异较大，且泰勒幂指数与各生态因子间相关性不强（土壤C、N、P，温度，降水），具体影响机制尚待进一步研究。