森林生态系统植物功能性状谱与凋落物分解关系的研究

In adapting to different selection pressures such as resource ability and herbivory by natural enemies, plants evolve functional trait spectrums including economics spectrum, and non-ecomomics spectrums, i.e., water transport spectrum and chemical defence spectrum. These functional trait spectrums not only connect ecological processes evolved by living plants, but also are closely associated with litter decomposition after the death of the plants. The relationship between plant economics spectrum, the key functional trait spectrum, and litter decomposition has aroused an great interest in recent studies. However, it has been greatly neglected that the economics spectrum usually has a limited and variable explanatory power for litter decomposition. Moreover, no underlying mechanisms have been proposed. In this project, we secect leaves and absorptive roots of plant species in tropical and temperate forests. We examine the relationships between different functional trait spectrums and litter decomposition as well as their difference between different organs and different ecosystems. We aim to reveal, for the first time, from the perspective of relationships betweem functional trait spectrums that how non-economics spectrums affect relationships between economics spectrum and litter decomposition. Results of this project will give an novel angle of point for understanding the relationship between plant functional traits and ecosystem matter cycling. In addition, the results will also greatly advance our understanding plant functional traits-species composition-ecosystem processes relationships as well as mechanisms for species coexistence and biodiversity. Finally, they are also valuable for promoting accuracy of prediction of carbon and nutrient cycling under global climate change.

植物生长和进化中应对资源和天敌等不同的选择压力，形成经济学谱以及水分输导谱和化学防御谱等非经济学谱。这些功能性状谱不但连接活体植物的生态过程，而且与植物衰亡后的凋落物分解密切相关。经济学谱作为一类核心的功能性状谱，它与凋落物分解的关系是研究的热点领域。然而，经济学谱对凋落物分解的解释力通常有限，而且在不同的研究中有较大差异。这些方面极为重要，但却很少被关注，背后机制更鲜有探讨。本项目以热带和温带森林生态系统中叶片和吸收根为对象，研究不同功能性状谱与凋落物分解的关系，以及在不同器官和生态系统间的差异，首次从功能性状谱间关系的角度，揭示非经济学谱对经济学谱与凋落物分解关系的影响。研究结果将为功能性状与物质循环关系的认知提供全新角度；并深化我们对功能性状-物种组成-生态系统过程间的关系，以及对物种共存和多样性维持的理解；同时也为全球气候变化背景下提高功能性状对物质循环的预测力指明重要方向。

植物凋落物的分解是陆地生态系统物质循环的重要环节。本项目以热带和温带常见树种的吸收根和叶片为研究对象，通过原位接近两年半（867天）的分解实验，并分析相关器官的一系列功能性状，探讨根和叶分解的格局、机制以及根叶功能性状的关系。主要结果如下：（1）经过867天的分解，热带树种吸收根平均损失59%，叶片平均损失88%，叶片分解速率是吸收根分解的1.5倍；温带树种吸收根平均损失62%，叶片平均损失73%；叶片分解速率是吸收根分解的1.2倍；热带树种根、叶分解速率的差异大于温带树种；（2）热带和温带树种吸收根分解速率接近（59% vs. 62%）；叶片分解热带快于温带（88% vs. 73%）。热带吸收根分解没有比温带快，反而略慢于温带，这一结果与预期的相反。因为热带水热充分，参与分解的微生物和土壤动物活性较强，其分解理论上应快于温带。（3）热带树种分解初期（81天），叶片分解速率是吸收根的2.1倍；而之后的786天，叶片分解速率是吸收根的1.2倍。温带树种分解初期叶片与吸收根分解速率非常接近，这一点与热带显著不同；而之后叶片分解速率是吸收根的1.3倍，这点与热带类似。（4）分解初期（0-81天），热带树种吸收根的分解速率显著受根C和N以及C:N的影响；但分解后期这三个化学性状与根分解速率均没有关系。因此对于吸收根分解来说，其前期和后期的分解调控因素显著不同。（5）通过本实验以及全球数据的整合分析，我们发现吸收根结构中的维管束与皮层之间的异速关系导致根属性的非线性关系，而后者不支持根经济学谱的存在。这有助于我们深入认识“根结构-化学组成-根分解”之间的内在联系。（6）我们建立起上述根结构异速关系背后机制的理论：“养分吸收和运输平衡”理论和“碳供应和消耗平衡”理论。这两个理论使我们从碳-养分关系的角度理解根甚至是叶片分解与其化学成分之间的本质联系。这些结果深化了我们对植物功能性状与凋落物分解、群落组成及其对全球变化响应关系的理解。