华北地区灌木树种的异速生长及其与功能性状的关系

Allometry, also called biological scaling, reflects the quantitative relationship between plant's whole biomass and its different organs. In response to numerous selection pressures and habitat constraints, plants evolve many allometric patterns, which can in turn explain many behaviors of individual plants. As one of the basic well-known laws of in biology, it can be described by the equation Y = aXb，where X、Y are interested variables, such as leaf area, leaf biomass, and a is a normalization constant, and b is a scaling exponent. Because the identification of an unambiguous mechanistic explanation for the origin of these allometric laws remains an open theoretical problem, currently, most of useful allometric laws are simulated from abundance of field measurements. Previous researches have focused on studying the allometric laws of tree and herbaceous species, but few studies aim to the allometric laws of shrub species, especially lacking the systematical observation and detailed analysis on the relationship between the allometric laws and ecological functional attributes for shrub species. Therefore, targeting common distributed shrub species in North China, this project will intend to explore the allometric characteristics, analyze their relationships with functional traits, and possible effects of climatic factors, terrain, soil properties and other environmental factors, by combining with the use of field survey sampling, determination of functional traits, chemical composition analysis, and multivariate statistical analysis. The implementation of this project will reveal the allometric laws of shrub species in North China and the possible mechanisms for these allometric laws. In additional, the implementation of this project will not only enrich our theoretical knowledge on ecology of individuals of shrub species, but also provide the basic database for the accurate estimation of shrub biomass carbon stocks in North China and even in China.

异速生长反映植物整体与器官之间生物量的分配关系，是植物在长期进化过程中适应不同生境所形成的结果，也是生物界广泛存在的基本规律之一。以往对乔木和草本植物的异速生长规律进行了大量研究，但对灌木的研究较少，尤其缺乏对灌木的异速生长与功能性状关系的系统观测和分析。本项目拟以华北地区广泛分布的灌木树种为研究材料，采用野外调查、功能属性测定、化学成分分析以及多元统计分析等方法和手段，研究这些灌木树种的异速生长特征，分析它们与功能性状的关系以及气候、地形和土壤等环境因子的可能影响。本项目的实施将揭示华北地区灌木物种的异速生长规律和可能的形成机制,丰富灌木树种的个体生态学理论，同时也为准确估算华北乃至全国灌丛生物量碳库提供科学基础。

植物功能性状反映了植物对自身生长环境的响应和适应，是植物和环境共同作用的结果。植物功能性状体现在很多方面，不仅体现在植物外部的结构属性特征，更体现在植物对自身有限资源的分配。然而，目前对于功能性状的研究却多集中于乔木、草本和农作物等植物生活型，而对于灌木这一广泛分布的植物生活型的功能性状的研究却相当缺乏。本研究在中国东部地区调查了185种常见灌木的功能性状，包括叶片结构性状、各个器官的生物量以及不同器官的N、P元素含量，分析了这些功能性状在纬度梯度上的变化格局以及性状特征在不同生活型灌木之间的差异。此外，为每个灌木物种建立了根、茎、叶、地上和全株（整个个体）的生物量方程。主要结论如下：.（1）对所有灌木的根、茎、叶、地上以及全株建立了生物量方程。在所有方程的最优拟合结果中，平均基径的平方×茎干高度×分蘖数为拟合变量的方程数目最多，该变量的拟合效果最好。此外，光合器官叶生物量的最优拟合方程以采用冠幅面积或者冠幅体积效果较好；而对于非光合器官以及地上和全株生物量的拟合，以基径平方和茎干高度乘积作为变量拟合效果较好。总体上，平均基径平方与茎干高度乘积对各部分生物量的拟合效果要优于总基径平方和茎干高度的乘积。（2）对灌木四种叶片结构性状在纬度梯度上的研究表明，叶片厚度和叶片面积在纬度梯度上呈显著下降趋势，而比叶面积和叶片干物质含量则呈现出显著上升的纬度格局。（3）对灌木N、P含量在不同器官之间的分配分析表明，样点水平上，非光合器官与叶片之间N含量的简约主轴回归（RMA）的斜率在纬度梯度上呈显著上升趋势，在年均温、年降水梯度上呈显著下降趋势。而不同器官间P元素以及N/P比的RMA结果在纬度梯度及环境梯度上均无显著变化趋势。. 这些结果为准确估算区域灌丛生态系统生物量和碳储量提供了理论基础和数据支撑。此外，通过项目的实施，已发表中文核心期刊论文和SCI论文各一篇，并培养了一名博士研究生。