中国北方植物叶片基本化学元素的计量特征及其生态驱动机制研究

植物叶片是元素生物地球化学循环的关键环节，但目前国内外有关的宏观研究仍限于碳氮磷；IPCC报告认为中高纬度地区未来的气候变化会更加明显。本项目系统采集我国35度以北不同生态地理区的建群种或常见种植物叶片，测算叶中17种基本化学元素的计量特征（含量和比例）和相关属性（叶寿命和比叶面积），及环境气候（温度、降水和日照时数）和土壤指标（pH值和元素含量），建立中国北方植物基本化学元素计量和相关属性数据库。分析不同生态地理区各功能群植物叶17种化学元素的变异规律及其与气候和土壤等生态因子的关系，确立我国北方植物基本元素计量的经济谱模式和生态地理格局，揭示其形成的生态驱动机制。本项目结果有助于建立更加完整、合理的基本生命化学元素（相互耦合）的生物地球化学循环模型，更准确地预测在全球气候变化背景下，中高纬度不同生态地理区域、不同植被群落的营养限制状况，并评估由此产生的对北方地区植物固碳能力的潜在影响。

本项目系统采集我国北方六百多种常见植物和相应地点的土壤样品；建立了中国北方不同功能群植物多种营养元素及其他植物功能属性数据库。这些功能属性包括植株高度、树皮厚度、木材密度、比叶面积、叶厚度、叶面积、叶干物质含量和比根长等属性。此外，我们还建立了湿地植物的多元素计量数据库。由于去年采集的很大部分样品（主要来自我国东北和西北地区）仍在测量元素含量，因此本课题中关于多元素化学计量的地理格局及其生态机制系统分析尚未完成。在研究内容上增加了野外秋季采样，并进行了施肥控制实验。结合实测和文献数据分析了木本植物绿叶和凋落叶中养分计量规律，提出了植物养分相对重吸收假说：即植物倾向于回收更多比例的限制性营养元素，以保持体内特定的化学计量水平和满足正常生理需要。在群落水平上，相对重吸收机制意味着植物的养分计量特征是驱动生态群落演替的重要因素。该假说还提供了另一种判定植物的养分限制状况的潜在工具：当氮磷重吸收相等时对应的叶片氮磷比值即为临界值。作为主要合作者研究了中国东部森林植物氮磷的重吸收格局及其生态驱动因素，以及养分在当年生枝条中、在叶片和枝条之间的分配规律和地理格局。结果表明生长在磷限制（低纬度或海拔，或高温高湿）生境中的植物，相对于其生长在氮限制（高纬度或海拔，或低温干燥）环境中的同类，凋落叶磷含量更低而磷回收效率更高。植物枝条功能属性（如干物质和磷含量及氮磷比值）的地理格局与在叶片中观测的结果相似。但低纬度地区生长的植物会将更多比例的养分分配给枝条，而高纬度区的植物则把更多的养分分配给叶片，这种格局可能与温度有关。通过施肥实验研究了模式植物拟南芥的不同器官的养分计量对施肥的响应，发现生长速度假说实际上与植物所受的养分限制类型有关；相对于营养器官和老的植物组织，繁殖器官和幼嫩组织中的元素计量更加稳定。通过研究中国北方典型湿地建群种芦苇的不同器官的养分特征，发现相对于叶片和花，茎和根茎中的氮磷含量随环境养分变化更大，表明结构性器官在植物养分保持中主要通过贮藏养分而起缓冲作用。研究还发现，陆生和水生型芦苇具有迥异的叶/根功能属性，意味着二者不同的养分获取策略：水生芦苇具有高的比叶面积和比根长，生长速度更快和对环境响应更敏感；而陆生芦苇具有高的干物质含量，生长较慢，对干旱等逆境的响应也较迟钝。本项目为探索不同生态地理环境中的生物地球化学循环规律提供重要基础数据和学术参考。