喀斯特生境植物响应于关键性环境因子异质性的可塑性及其可变性

The karst regions in southwest China have been suffering severe vegetation degradation and rocky-desertification under long-term human disturbances. Ecological research is desperately needed on the adaptability of karst plants to solve these problems. In karst habitats，soil conditions are barren, with low water-retention, transient drought and depletion of nutrients frequently occur, and the temporal heterogeneity of soil water and nutrient availability became key environmental factors that limit karst plants survival and growth. Meanwhile, density probably plays a determinant role in plant response to soil water and nutrient conditions. However, research is lack on how plants respond to the heterogeneity of soil water and nutrients under different densities in karst habitats, even less on the influences of early time-scale heterogeneous experiences on their later plastic responses. The program adopted 9 dominant plant species of karst habitats as target species, through investigating the interactive effects of soil water, nutrient and density on multiple traits of plants, and influences of early experience with time-heterogeneity of water and nutrient availability under different densities, to reveal the growth and adaptation strategies of plants in dealing with the heterogeneity of key environmental factors in karst habitats. The research not only can better the understanding on phenotypic plasticity, but also may provide theoretical basis for degraded vegetation restoration and rocky desertification control in karst regions.

中国西南喀斯特地区由于长期的人为干扰正在遭受严重的植被退化和石漠化，问题的解决要依靠喀斯特植物适应性的生态学研究的支持。喀斯特生境土壤瘠薄，持水力差，土壤临时性干旱与营养的耗尽频繁发生，水分、营养的时间异质性成为限制植物存活与生长的关键性环境因素。同时，密度可能对植物响应于水分、营养的可塑性有决定性影响。但关于喀斯特生境植物在不同密度下响应于土壤水分，营养异质性的研究还很欠缺，更没有关于早期水分，营养的时间异质性经历对植物后期可塑响应的影响的研究。本项目以喀斯特生境9种优势植物为研究对象，通过研究其多方面特征对土壤水分，营养和密度的交互作用的响应及不同密度下早期水分、营养的时间异质性经历对植物响应于后期水分、营养的可塑性的影响，揭示喀斯特生境植物应对关键性环境因子异质性的生长与适应策略。研究不仅可以增进对表型可塑性的理解，还可为喀斯特地区植被恢复和石漠化治理提供理论依据。

喀斯特生境的复杂性包括环境因子的高度时空异质性。喀斯特生境植物如何通过表型可塑性应对水分和养分的时空异质性，成为表型可塑性与喀斯特生态系统两个研究领域关注的重要问题。本项目通过研究喀斯特生境植物单性木兰（Kmeria septentrionalis）和樟（Cinnamomum camphora）幼苗对水分、养分和密度的交互作用的响应，前期水分、养分的时间异质性（在不同种群密度下）对植物幼苗形态和生物量特征的响应动态及后期的可塑性变化的影响，探讨了喀斯特生境植物应对复杂的环境变化的生长策略。研究结果表明：1）低密度、中等水分和养分处理下单性木兰幼苗各形态和生物量特征的表现最佳，多水与干旱都导致其根冠比降低，但其抗旱性强于其对多水的抗性；密度增大促进单性木兰茎、叶生物量比例的增大（尤其在水分过多时），并且加剧植株对养分的可塑响应。2）早期水分时间异质性经历提高了樟根生物量和根冠比，降低了茎生物量，提高了后期生物量特征；密度增大提高根生物量，降低茎、叶生物量和总生物量，水分时间异质性经历减弱这种影响。3）早期养分时间异质性经历提高了樟根、茎生物量和总生物量，减弱了后期生物量特征响应于养分的可塑性；低密度下时间异质性经历提高了后期根、叶生物量和总生物量，高密度下没有影响。4）早期水养时间异质性在低密度下提高了樟根、茎生物量，根冠比和总生物量，高密度下降低了根、茎生物量，提高了后期低密度下的根生物量、根冠比和总生物量和两个密度下的叶生物量。喀斯特生境植物单性木兰对干旱的耐受性强于对多水的耐受性，种内竞争对植物响应于养分的可塑性影响大于对水分的可塑性的影响。水分和养分的早期时间异质性经历对喀斯特生境植物樟主要起有利作用，并且随着时间推移这种影响越来越显著。植物可以通过生物量分配的改变响应于时间异质性经历，养分的时间异质性经历对茎生物量的有利影响大于水分的时间异质性经历，时间异质性经历减弱密度增大的影响和后期处理的不利影响，密度增大减弱水养时间异质性经历对生物量表现的有利影响。