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环境变化下植物叶片功能性状的变异及其对生态系统生产力模型模拟的影响

崔二乾  
【摘要】:陆生植物的叶片功能性状与其生存、生长和繁殖等密切相关,能够单独或联合指示植物个体对环境变化的响应与适应。同时,叶片经济型谱的发现显著提高了人们对植物通过性状协同实现功能优化机制的理解。随着植物叶片功能性状新理论和新方法的不断发展,众多研究开始探索植物叶片功能性状对环境变化的响应策略。然而,以往的研究借助自然环境梯度上植物性状特征变化开展分析,难以区分种间差异和环境因子的作用。同时,科学家们陆续尝试将植物叶片功能性状间经验关系加入到生态系统生产力的模拟中,但是其预测能力受到环境变化下性状间关系稳定性的制约。为了研究上述难题,本研究构建了控制实验中植物叶片功能性状数据库。基于全球数据库的构建,全面分析了叶片功能性状及其权衡关系对多种环境因子变化的响应。同时,提出一项新的模型不确定性分析方法,追溯了植物功能性状对生产力模拟的贡献。最后,本研究还基于整合分析实验结果,借助陆地生态系统模型模拟了叶片功能性状的变化对生态系统生产力的影响。主要结果如下:(1)通过调研植物叶片功能性状相关控制实验,构建了增温、干旱、CO_2施肥和氮添加下515个物种的叶片功能性状数据库,分析了环境变化下叶片功能性状的响应及其影响因素。整合分析的结果显示,CO_2施肥和氮添加是影响叶片功能性状的关键环境因子。CO_2施肥促进光合速率升高,却显著降低了比叶面积和叶氮含量。氮添加引起叶片净光合速率和叶氮含量同时上升,但是并没有显著改变比叶面积。叶片功能性状对环境变化的响应还受到处理强度和实验持续时间的影响,并在植物功能型间存在一定响应差异。该数据库的构建,可以为叶片功能性状适应性研究提供重要的数据支持。同时,叶片功能性状在环境变化下响应值的量化,为模拟和预测未来气候下植物的响应提供了重要依据。(2)基于已构建的叶片性状数据库,全面解析了环境变化下植物叶片功能性状间权衡关系的稳定性及其潜在机制。通过二维向量图发现物种间成对性状对环境变化的响应方向存在较大差异,且大部分并不遵循叶片功能性状间固有关系的方向。但是,叶片功能性状间固有权衡关系的斜率在环境变化下维持稳定。通过构建概念模型,发现性状间关系的斜率维持稳定是由于物种水平的变化方向总是与固有性状间关系方向不同且非对称的分布在其一侧。在固有斜率不变的情况下,性状间关系截距变化受到实验环境和处理强度的影响,同时在不同功能型间的表现存在一定差异。植物叶片功能性状间权衡关系稳定性的发现,证实基于叶片功能性状改进模型预测能力的可行性。(3)基于生态系统生产力的可分解性,构建了生产力模拟不确定性溯源性分析框架。基于15个陆地生态系统模型对东亚季风区的模拟结果,发现模型间生产力的模拟差异90%来自于叶面积指数,而比叶面积的表征差异贡献了模型间叶面积指数模拟的77%。对比于本地化观测数据集,模型中植物功能性状的空间变异性普遍较低。因此,借助本地化观测数据集对模型性状参数进行约束是改进模型模拟的必要途径。(4)整合了实验结果与模型模拟,借助控制实验中叶片性状变异模拟了气候变化下生态系统生产力的响应。基于CO_2施肥实验的分析结果和陆地生态系统模型CABLE,量化了叶片功能性状的变化对生态系统生产力的影响。通过设置不同的模拟情景发现,考虑了比叶面积及其与叶氮含量间关系的变化,CO_2施肥引起的植物生长将会被放大23%。同时,北半球的中高纬和南半球的低纬度地区产生大量额外碳吸收。综上所述,本研究全面量化了植物叶片功能性状对环境变化的响应,并分析了植物功能性状对生产力模拟的影响。通过数据和模型的整合研究,为基于植物叶片功能性状预测生态系统生产力的变化提供了崭新的视角。


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