科尔沁沙质草地不同水热梯度植物群落叶功能性状特征

doi:10.7522/j.issn.1000-694X.2023.00093

摘要/Abstract

摘要：

植物功能性状可以响应生境的变化并决定生态系统的功能，探究植物功能性状间的关系及其随温度和降水梯度的变化规律，对认识不同气候条件下植被在群落水平碳水代谢关系和维持水分平衡的生理生态学机制具有重要意义。近年来，有关群落水平功能性状与环境因子关系的研究较少，尤其是半干旱区沙质草地植物群落功能性状对气候梯度响应的研究鲜有报告。因此，本研究以科尔沁沙质草地群落为研究对象，分析了温度和降水梯度上群落功能性状以及性状间的相关关系。结果显示：（1）随着区域温度增加（2.1~6.4 ℃）和降水减少（451.1~370.0 mm），沙质草地群落功能性状变化趋势不一。群落高度和叶面积随温度升高显著增加。群落高度、叶面积和比叶面积随降水减少显著降低，群落叶厚度、叶干物质含量和叶组织密度随降水减少显著增加。（2）群落高度与叶面积显著正相关，叶厚度与叶干物质含量显著正相关，叶面积、比叶面积与叶干物质含量、叶厚度显著负相关，叶组织密度与叶干物质含量呈显著负相关。（3）气候因素驱动了54.66%植物性状变异，其中降水是影响沙质草地群落功能性状的主要影响因子。

关键词: 沙质草地, 水热梯度, 群落功能性状, 冗余分析

Abstract:

Plant functional traits could respond to habitat variation and also determine ecosystem functions. Exploring the relationship between plant functional traits and their variation along hydrothermal gradients is of great significance for understanding the relationship between plant carbon and water metabolism of vegetation at community level and the physiological and ecological mechanism of maintaining water balance under different climatic conditions. In recent years， there are relatively few studies on the relationship between community level functional traits and environmental factors， especially the response of plant community functional traits to climate gradient in semi-arid sandy grassland. Therefore， this study was conducted using a community in Horqin sandy grassland， where the responses of community functional traits to hydrothermal gradients were analyzed. The results showed that：（1） Community functional traits had different changing trends with different hydrothermal gradients in sandy grassland. Community height increased significantly along increasing regional temperature. Community height， leaf area， specific leaf area decreased significantly along decreasing regional precipitation， while leaf thickness， leaf dry matter content， leaf tissue density significantly along increasing regional temperature. （2） Community height was significantly and positively correlated with leaf area and thickness was significantly and positively correlated with leaf dry matter content. Leaf area， specific leaf area were negatively correlated with leaf dry matter content， leaf thickness and leaf tissue density were negatively correlated with leaf dry matter content. （3） Results of redundancy analysis showed that climatic factors accounted for 54.66% of the variation of plant traits， precipitation was affecting the community functional traits of the main environmental factors in sandy grassland.

Key words: sandy grassland, hydrothermal gradient, community functional trait, redundancy analysis

中图分类号:

Q948

朱远忠, 黄文达, 于海伦, 何远政, 王怀海, 史尚彬, 寇志强. 科尔沁沙质草地不同水热梯度植物群落叶功能性状特征[J]. 中国沙漠, 2024, 44(2): 143-150.

Yuanzhong Zhu, Wenda Huang, Hailun Yu, Yuanzheng He, Huaihai Wang, Shangbin Shi, Zhiqiang Kou. Leaf functional traits of plant community with different hydrothermal gradients in Horqin sandy grassland[J]. Journal of Desert Research, 2024, 44(2): 143-150.

图/表 7

参考文献 46

1	IPCC.Climate change 2013：The Physical Science Basis. Working Group I Contribution to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change［M］.Cambridge，UK： Cambridge University Press，2014.
2	Fraser E D， Dougill A J， Hubacek K，et al.Assessing vulnerability to climate change in dryland livelihood systems： conceptual challenges and interdisciplinary solutions［J］.Ecology and Society，2011，16（3）：3.
3	Huang J， Li Y， Fu C，et al.Dryland climate change： recent progress and challenges［J］.Reviews of Geophysics，2017，55（3）：719-778.
4	McGill B J， Enquist B J， Weiher E，et al.Rebuilding community ecology from functional traits［J］.Trends in Ecology Evolution，2006，21（4）：178-185.
5	Diaz S， Lavore l S， de Bello F，et al.Incorporating plant functional diversity effects in ecosystem service assessments［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2007，104：20684-20689.
6	Mouillot D， Graham N A J， Villeger S，et al.A functional approach reveals community responses to disturbances［J］.Trends in Ecology and Evolution，2013，28：167-177.
7	Nunes A， Kobel M， Pinho P，et al.Which plant traits respond to aridity？A critical step to assess functional diversity in Mediterranean drylands［J］.Agricultural and Forest Meteorology，2017，239：176-184.
8	Violle C， Reich P B， Pacala S W，et al.The emergence and promise of functional biogeography［J］.Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America，2014，111：13690-13696.
9	盘远方，陈兴彬，姜勇，等.桂林岩溶石山灌丛植物叶功能性状和土壤因子对坡向的响应［J］.生态学报，2018，38（5）：1581-1589.
10	Sandra D， Casanoves C F.Plant functional traits and environmental filters at a regional scale［J］.Journal of Vegetation Science，1998，9（1）：113-122.
11	Reich P B， Peter B，Ellsworth，et al.Generality of leaf traits relationship： a test across six biomes［J］.Ecology，1999，80（6）：19551969.
12	施宇，温仲明，龚时慧，等.黄土丘陵区植物功能性状沿气候梯度的变化规律［J］.水土保持研究，2012，19（1）：107-111.
13	Cornwell W K， Bhaskar R， Sack L，et al.Adjustment of structure and function of Hawaiian Metrosideros polymorpha at high vs.low precipitation［J］.Functional Ecology，2007，21（6）：1063-1071.
14	李永华，卢琦，吴波，等.干旱区叶片形态特征与植物响应和适应的关系［J］.植物生态学报，2012，36（1）：88-98.
15	Wright I J， Reich P B， Cornelissen J H C，et al.Modulation of leaf economic traits and trait relationships by climate［J］.Global Ecology and Biogeography，2005，14（5）：411-421.
16	吴旭东，季波，何建龙，等.控制降水梯度对荒漠草原优势植物叶功能性状及土壤养分的影响［J］.生态学报，2021，41（7）：2719-2727.
17	魏海霞，霍艳玲，周忠科，等.唐古特白刺叶功能性状沿气候梯度的变异特征［J］.生态学报，2022，42（20）：8343-8351.
18	赵新风，徐海量，张鹏，等.养分与水分添加对荒漠草地植物钠猪毛菜功能性状的影响［J］.植物生态学报，2014，38（2）：134-146.
19	Garnier E， Laurent G， Bellmann A，et al.Consistency of species ranking based on functional leaf traits ［J］.New Phytologist，2001，152（1）：69-83.
20	Shipley B， Vu T T.Dry matter content as a measure of dry matter concentration in plants and their parts［J］.New Phytologist，2002，153（2）：359-364.
21	龚时慧，温仲明，施宇.延河流域植物群落功能性状对环境梯度的响应［J］.生态学报，2011，31（20）：6088-6097.
22	詹瑾，韩丹，杨红玲，等.科尔沁沙地植被恢复过程中群落组成及多样性演变特征［J］.中国沙漠，2022，42（2）：194-206.
23	赵丽娅，钟韩珊，齐开，等.围封和放牧对科尔沁沙地植物群落种间关联的影响［J］.生态学报，2021，41（9）：3724-3733.
24	李金霞，史新强.内蒙古扎鲁特旗1961-2000年气候演变趋势及特征分析［J］.阴山学刊（自然科学版），2009，23（2）：43-49.
25	王海云，阿拉腾图娅，乌敦.农林牧交错典型区近20年的林地变化及其驱动因素分析：以阿鲁科尔沁旗为例［J］.内蒙古林业科技，2011，37（2）：42-45.
26	包慧娟，郭佳，闫丽.科尔沁沙地基于生态足迹模型的沙漠化成因分析：以奈曼旗为例［J］.干旱区资源与环境，2010，24（2）：126-131.
27	李燕，乌兰图雅.科尔沁沙地林地适宜性评价：以科尔沁左翼后旗为例［J］.水土保持研究，2011，18（6）：236-244.
28	郭丽.翁牛特旗土地荒漠化成因分析及治理措施［J］.赤峰学院学报（自然科学版），2011，27（7）：76-78.
29	宋彦涛，王平，周道玮.植物群落功能多样性计算方法［J］.生态学杂志，2011，30（9）：2053-2059.
30	王鑫，杨磊，赵倩，等.黄土高原典型小流域草地群落功能性状对土壤水分的响应［J］.生态学报，2020，40（8）：2691-2697.
31	刘晓娟，马克平.植物功能性状研究进展［J］.中国科学：生命科学，2015，45（4）：325-339.
32	Givnish T J， Burkhardt E L， Happel R E，et al.Carnivory in the bromeliad Brocchinia reducta，with a cost/benefit model for the general restriction of carnivorous plants to sunny，moist，nutrient-poor habitats［J］.The American Naturalist，1984，124（4）：479-497.
33	Wright I J，DongN，MaireV，et al.Global climatic drivers of leaf size［J］.Science，2017，357（6354）：917-921.
34	杨继鸿，李亚楠，卜海燕，等.青藏高原东缘常见阔叶木本植物叶片性状对环境因子的响应［J］.植物生态学报，2019，43（10）：863-876.
35	高景，王金牛，徐波，等.不同雪被厚度下典型高山草地早春植物叶片性状、株高及生物量分配的研究［J］.植物生态学报，2016，40（8）：775-787.
36	Maharjan S K， Poorter L， Holmgren M，et al.Plant functional traits and the distribution of West African rain forest trees along the rainfall gradient［J］.Biotropica，2011，43（5）：552-561.
37	Turner I M.Sclerophylly： primarily protective？［J］.Functional Ecology，1994，8（6）：669-675.
38	Kuhner A， Kleyer M.A parsimonious combination of functional traits predicting plant response to disturbance and soil fertility［J］.Journal of Vegetation Science，2008，19（5）：681-692.
39	Soliveres S， Maestre F T， Bowker M A，et al.Functional traits determine plant co-occurrence more than environment or evolutionary relatedness in global drylands［J］.Perspectives in Plant Ecology，Evolution and Systematics，2014，16（4）：164-173.
40	王常顺，汪诗平.植物叶片性状对气候变化的响应研究进展［J］.植物生态学报，2015，39（2）：206-216.
41	雷添杰，张亚珍，武建军，等.干旱对草地生态系统影响研究进展［J］.水利水电技术，2020，51（7）：1-9.
42	Westoby M， Falster D S， Moles A T，et al.Plant ecological strategies：some leading dimensions of variation between species［J］.Annual Review of Ecology Systematics，2020，33：125-159.
43	Wright I J， Ackerly D D， Frans B，et al.Relationships among ecologically important dimensions of plant trait variation in seven neotropical forests［J］.Annals of Botany，2007，99：1003-1015.
44	Meng T T， Wang H， Harrison S，et al.Responses of leaf traits to climatic gradients：adaptive variation versus compositional shifts［J］.Biogeosciences，2015，12：5339-5352.
45	Yang Y Z， Wang H， Harrison S，et al.Quantifying leaf-trait covariation and its controls across climates and biomes［J］.New Phytologist，2019，221：155-168.
46	Cui E， Weng E， Yan E，et al.Robust leaf trait relationships across species under global environmental changes［J］.Nature Communications，2020，11：2999.

采样点	优势种
扎鲁特旗	砂蓝刺头(Echinops gmelini)、大果虫实(Corispermum macrocarpum)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、狗尾草(Setaria viridis)
阿鲁科尔沁旗	砂蓝刺头(E. gmelini)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、猪毛蒿(A. scoparia)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)
奈曼旗	大果虫实(C. macrocarpum)、狗尾草(S. viridis)、达乌里胡枝子(L. davurica)、野麻子(Datura stramonium)
科尔沁左翼后旗	尖头叶藜(Chenopodium acuminatum)、狗尾草(S. viridis)、虎尾草(Chloris virgata)、砂蓝刺头(E.gmelini)
翁牛特旗	猪毛蒿(A. scoparia)、达乌里胡枝子(L. davurica)、砂蓝刺头(E. gmelini)、蒺藜(Tribulus terrestris)、五星蒿(Bassia dasyphylla)

采样点	优势种
扎鲁特旗	砂蓝刺头(Echinops gmelini)、大果虫实(Corispermum macrocarpum)、猪毛蒿(Artemisia scoparia)、狗尾草(Setaria viridis)
阿鲁科尔沁旗	砂蓝刺头(E. gmelini)、糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)、猪毛蒿(A. scoparia)、达乌里胡枝子(Lespedeza davurica)
奈曼旗	大果虫实(C. macrocarpum)、狗尾草(S. viridis)、达乌里胡枝子(L. davurica)、野麻子(Datura stramonium)
科尔沁左翼后旗	尖头叶藜(Chenopodium acuminatum)、狗尾草(S. viridis)、虎尾草(Chloris virgata)、砂蓝刺头(E.gmelini)
翁牛特旗	猪毛蒿(A. scoparia)、达乌里胡枝子(L. davurica)、砂蓝刺头(E. gmelini)、蒺藜(Tribulus terrestris)、五星蒿(Bassia dasyphylla)

因素	df	株高		叶面积		叶厚度		比叶面积		叶干物质含量		叶组织密度
因素	df	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
温度梯度	2	3.395	0.042	5.529	0.007	7.362	0.002	1.133	0.330	0.886	0.419	3.095	0.055
降水梯度	2	5.038	0.008	3.609	0.034	34.250	<0.001	4.484	0.016	32.731	<0.001	5.236	0.009

因素	df	株高		叶面积		叶厚度		比叶面积		叶干物质含量		叶组织密度
因素	df	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
温度梯度	2	3.395	0.042	5.529	0.007	7.362	0.002	1.133	0.330	0.886	0.419	3.095	0.055
降水梯度	2	5.038	0.008	3.609	0.034	34.250	<0.001	4.484	0.016	32.731	<0.001	5.236	0.009

指标	叶面积	叶厚度	比叶面积	叶干物质含量	叶组织密度
株高	0.149	-0.234^*	0.364^**	-0.214	-0.072
叶面积		-0.019	0.195	-0.314^**	-0.426^**
叶厚度			-0.319^**	0.340^**	-0.229^*
比叶面积				-0.394^**	-0.198
叶干物质含量					0.460^**