区域尺度上蒿属植物叶片、茎干和根功能性状的协同变异规律及其对环境的适应策略

Research on plant functional traits has provided important information not only for predicting plant community dynamics, but also for understanding community assembly and ecosystem functioning. However, to date, it is unclear whether functional traits of plant organs (leaf, stem and root) vary coordinately at the regional scale. Based on our previous research on aboveground traits of Artemisia in northern China, this project will systematically investigate: (1) the geographic patterns of leaf functional traits; (2) the geographic patterns of stem functional traits; (3) the geographic patterns of root functional traits; (4) the coordinated variation in leaf, stem and root traits; and (5) the effect of environmental gradients on coordinated variation in leaf, stem and root traits. The primary goal of this project is to elucidate the coordinated variation in leaf, stem and root traits and the adaptive strategies to environmental gradients at the regional scale. Results from this project will not only contribute new knowledge to the theories in trait ecology, plant biogeography and global change ecology, but also provide a theoretical framework for understanding plant adaptive strategies to regional environmental gradients across organ, individual, community and ecosystem scales.

植物功能性状的研究不仅可以预测植物群落动态，而且可以解释群落构建过程和生态系统功能。但是，叶片、茎干和根3种器官作为一个整体，其功能性状是否在区域尺度上存在协同变异尚不清楚。在前期中国北方样带蒿属植物地上性状研究工作的基础上，本项目拟系统研究（1）叶片功能性状的地理变异规律，（2）茎干功能性状的地理变异规律，（3）根功能性状的地理变异规律，（4）整株水平上叶片、茎干和根功能性状的协同变异规律，以及（5）环境梯度对叶片、茎干和根性状协同变异关系的影响机制，旨在阐明区域尺度上蒿属植物叶片、茎干和根功能性状的协同变异规律及其对环境的适应策略。本项目所取得的研究结果将丰富性状生态学理论、植物地理学理论和全球变化生态学理论，深入理解植物器官、个体、群落和生态系统对区域环境梯度的多尺度适应策略。

项目的背景：本项目以我国从东到西大尺度样带上81个样点62种蒿属（Artemisia）植物为研究对象，通过分析1022株植物叶、茎和根三种器官的多种性状的协同变异关系，阐明环境梯度对器官间性状协同变异关系的影响机制，从植物不同器官性状关系的角度揭示植物对区域环境的适应策略。.主要研究内容：1）生物量在叶、茎和根中的分配模式，以及驱动生物量分配的因子；2）叶、茎和根经济性状的协同变异关系，以及环境梯度和物种效应对器官间经济型谱协同关系的影响；3）叶、茎和根生物地球化学生态位（BN）的变异，以及这种变异对环境梯度的适应性。.重要结果、关键数据及其科学意义：1）生物量在各器官间的分配模式符合异速分配理论的预测，即叶质量（ML）、茎质量（MS）和根质量（MR）之间存在显著的异速生长关系。气候和土壤环境梯度对器官间的生物量比率有显著影响，但是在去除异速作用后这种影响变的不显著。因此，区域尺度上蒿属植物器官间生物量分配模式符合异速分配理论。2）在物种水平和个体水平上均存在全株经济型谱。经济性状的种内变异虽然削弱了器官之间经济型谱的协同性，但并不改变器官之间经济型谱的协同模式。物种效应对全株植物经济型谱有重要影响，物种进化是蒿属植物形成全株植物经济型谱的主要驱动因素。3）叶、茎和根之间在由C、N、P、K、Ca、Na和Mg含量所构成的BN上存在差异。与代谢不活跃的茎和根相比，代谢活跃的叶的BN更小。叶、茎和根的BN均与气候梯度呈负相关，但三种器官的响应程度存在差异。物种的气候生态位越宽，其叶、茎和根的BN也越大。因此，在区域尺度上，蒿属植物叶、茎和根的BN决定于三种器官响应区域环境梯度变化的代谢特性，并且BN与物种的环境适应性密切相关。本项目揭示了植物通过权衡多种性状在器官间的协同变异关系来适应区域环境条件的生态机制，为深入理解区域尺度上植物对环境的适应策略提供了新的认识。