气候变暖背景下北方泥炭地植物花期物候变化及其对种子产量的影响

Flowering phenology is one of the preferred indicators of climate change. The variation of flowering phenology and its impacts on plant reproductive output potentially determine plant community dynamics. The mid-high latitude peatland in the Northern hemisphere is one of the areas sensitive to global warming. Warming would significantly influence the flowering phenology and plant seed production. Therefore, taking the plant community of Northern peatland in the continuous permafrost in the Greater Hing’an Mountains as the research object, this project intends to study the effects of climate warming on shifts in flowering phenology and to reveal the underlying functional mechanisms by open-top chamber experiments. In addition, we also study the impacts of shifting flowering phenology parameters (e.g. flowering onset time, flower number and plant height of first-flowering date) on plant seed production. This study would not only contribute to better understand the adaptation and evolutionary approaches of the peatland plants, but also help to improve the prediction of plant community structure responses to future global climate change.

花期被认为是反映气候变化的最佳“指示器”，花期物候变化及其对植物繁殖输出的影响潜在决定着植物群落的动态。北半球中高纬度地区的泥炭地是对全球变暖响应最为敏感的区域之一，温度升高可能会对该地区植物的花期物候和种子产量造成显著影响。因此，本项目拟选择我国大兴安岭北坡连续多年冻土区泥炭地植物群落为研究对象，通过设置OTC模拟增温对比试验，研究温度升高对泥炭地不同物种开花物候的影响，揭示温度升高导致植物开花物候变化的功能属性作用机制，并探讨开花时间、开花数量和初花期生殖高度等物候参数对植物种子产量的影响。本研究有助于深入了解泥炭地植物随气候变化的适应和进化途径，从而为准确预测中高纬度泥炭地植物群落动态提供科学依据。

花期紧密地连接着植物的营养生长和之后的生殖生长，其对全球气候变暖的响应非常敏感。由于不同物种开花物候可能具有不同的温度敏感性，目前花期物候对气候变暖的响应尚无定论，温度升高影响开花物候变化的功能属性作用机制亦不十分清楚。此外，花期的变化还会涉及到植物有性繁殖体种子，群落间共同存在的物种种子产量的变化将潜在影响到植物群落动态。因此，本研究选择对全球气候变暖响应敏感的我国大兴安岭多年冻土区泥炭沼泽作为研究对象，采用开顶箱（open top chamber, OTC）模拟增温的方式，研究了1）升温对泥炭地植物生殖物候的影响，2）升温对泥炭地植物性状的影响及其对花期物候变化的功能属性作用机制，3）升温对泥炭地植物种子产量及相关生殖参数的影响，4）升温对泥炭地植物群落组成的影响。结果表明：（1）年均0.91℃左右的模拟增温对植物生殖物候的影响因物种、功能群、物候参数的不同而不同。春季开花的灌木物种（如小叶杜鹃、甸杜、柴桦）对升温的响应比较强烈，禾草小叶章的始花期提前最明显，莎草和杂类草植物变化不明显；（2）升温导致植物的比叶面积（SLA）、叶片N含量和氮同位素（δ15N）显著增加，C:N降低。升温使得小叶章的相对生长率（RGR）显著加快，开花初期生殖高度提前达到其开花高度导致开花时间提前。春季开花的灌木物种的花期提前可能与变暖诱导的植物叶片N含量增加及开花温度限制的提早解除有关；（3）升温降低了多个物种的每株种子质量，且主要是通过降低植物的每株果实数，而不是每果种子数和种子大小导致种子产量下降的；（4）增温显著增加了柴桦等落叶灌木和禾本科小叶章的盖度，并降低了矮灌丛群落物种丰富度和多样性。总之，短期模拟增温已经通过植物生殖物候及其相关的功能性状的联级效应，开始使泥炭地植物群落内物种组成的比例结构发生改变，这可能会导致北方泥炭沼泽生态系统发生退化。