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Traitbased responses and adaptation of Artemisia sacrorum to environmental changes.

基于功能性状的铁杆蒿对环境变化的响应与适应


以延河流域3个植被区(森林区、森林草原区及典型草原区)稳定的自然植物群落中的铁杆蒿为研究对象,测定铁杆蒿的比叶面积、叶组织密度、叶氮含量、叶磷含量、叶氮磷比、比根长、细根组织密度、细根氮含量、细根磷含量、细根氮磷比10项能够反映植物生存对策且易于测量的功能性状,研究了不同生境下铁杆蒿功能性状的种内差异,以及气象因子和地形因子对铁杆蒿植物功能性状的影响,并分析了各功能性状间的相关关系.结果表明: 铁杆蒿各功能性状中除了叶磷含量、叶氮磷比、比根长、根组织密度和根氮磷比在各植被带间的差异显著外,其他5个性状差异均不显著.各性状在坡度、坡向间的差异不显著.比叶面积与叶组织密度呈显著负相关,比根长与根组织密度和根氮磷比呈显著负相关,根组织密度与根氮含量和根氮磷比呈显著正相关,叶组织密度、叶氮含量和叶氮磷比与其他功能性状的相关性不显著.表明铁杆蒿对恶劣环境的适应是通过叶片和细根功能性状间的相互作用和调节实现的.不同环境因素在不同程度上对铁杆蒿功能性状产生影响,对铁杆蒿功能性状影响大小依次是年均降雨量、年均温和年均蒸发量.

The paper focused on Artemisia sacrorum in the stable natural plant community in three vegetation zones (forest, forest steppe and steppe) in the Yanhe River catchment. The following plant functional traits were measured at each sample site, i.e., specific leaf area (SLA), leaf tissue density (LTD), leaf nitrogen concentration (LNC), leaf phosphorus concentration (LPC), leaf nitrogen phosphorus ratio (LNP), specific root length (SRL), root tissue density (RTD), root nitrogen concentration (RNC), root phosphorus concentration (RPC) and root nitrogen phosphorus ratio (RNP). These 10 plant functional traits were chosen because they were easily measurable and adequately reflected plant survival strategies. We analyzed intraspecific differences in A. sacrorum functional traits in the different habitat zones, and the influence of climate and terrain factors on A. sacrorum functional traits. We also studied the relationships among A. sacrorum plant functional traits. The results showed that some A. sacrorum functional traits were significantly different among sample sites, such as LPC, LNP, SRL, RTD and RNP, while the other 5 functional traits had no significant differences. The functional traits were not significantly different between sites with different slopes and aspects. SLA was very significantly negatively correlated with LTD, SRL was significantly negatively correlated with RTD and RNP, RTD was significantly positively correlated with RNC and RNP, and there were no significant relationships among LTD, LNC and LNP and the other functional traits. This showed that A. sacrorum adapted to the environment by coordinating adjustment among leaf and root functional traits. Different climate factors had different effects on plant traits, with the effects of mean annual precipitation > mean annual temperature > annual average evaporation capacity.


全 文 :`基于功能性状的铁杆蒿对环境变化的响应与适应∗
戚德辉1  温仲明1,2,3∗∗  杨士梭2  王红霞2  郭  茹3
( 1西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌 712100; 2西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨凌 712100; 3中国科学院
教育部水土保持与生态环境研究中心, 陕西杨凌 712100)
摘  要  以延河流域 3个植被区(森林区、森林草原区及典型草原区)稳定的自然植物群落中
的铁杆蒿为研究对象,测定铁杆蒿的比叶面积、叶组织密度、叶氮含量、叶磷含量、叶氮磷比、
比根长、细根组织密度、细根氮含量、细根磷含量、细根氮磷比 10 项能够反映植物生存对策且
易于测量的功能性状,研究了不同生境下铁杆蒿功能性状的种内差异,以及气象因子和地形
因子对铁杆蒿植物功能性状的影响,并分析了各功能性状间的相关关系.结果表明: 铁杆蒿各
功能性状中除了叶磷含量、叶氮磷比、比根长、根组织密度和根氮磷比在各植被带间的差异显
著外,其他 5个性状差异均不显著.各性状在坡度、坡向间的差异不显著.比叶面积与叶组织密
度呈显著负相关,比根长与根组织密度和根氮磷比呈显著负相关,根组织密度与根氮含量和
根氮磷比呈显著正相关,叶组织密度、叶氮含量和叶氮磷比与其他功能性状的相关性不显著.
表明铁杆蒿对恶劣环境的适应是通过叶片和细根功能性状间的相互作用和调节实现的.不同
环境因素在不同程度上对铁杆蒿功能性状产生影响,对铁杆蒿功能性状影响大小依次是年均
降雨量、年均温和年均蒸发量.
关键词  植物功能性状; 铁杆蒿; 适应策略
∗国家自然科学基金项目(41271297,41030532)和中国科学院知识创新工程重要方向项目(KZCX2⁃EW⁃406)资助.
∗∗通讯作者. E⁃mail: zmwen@ ms.iswc.ac.cn
2014⁃09⁃30收稿,2015⁃03⁃19接受.
文章编号  1001-9332(2015)07-1921-07  中图分类号  Q948  文献标识码  A
Trait⁃based responses and adaptation of Artemisia sacrorum to environmental changes. QI De⁃
hui1, WEN Zhong⁃ming1,2,3, YANG Shi⁃suo2, WANG Hong⁃xia2, GUO Ru3 ( 1College of Resources
and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 2Institute of Soil
and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China; 3Research
Center of Soil and Water Conservation and Ecological Environment, Chinese Academy of Sciences,
Yangling 712100, Shaanxi, China) . ⁃Chin. J. Appl. Ecol., 2015, 26(7): 1921-1927.
Abstract: The paper focused on Artemisia sacrorum in the stable natural plant community in three
vegetation zones (forest, forest steppe and steppe) in the Yanhe River catchment. The following
plant functional traits were measured at each sample site, i.e., specific leaf area (SLA), leaf tissue
density (LTD), leaf nitrogen concentration (LNC), leaf phosphorus concentration (LPC), leaf ni⁃
trogen phosphorus ratio (LNP), specific root length (SRL), root tissue density (RTD), root nitro⁃
gen concentration (RNC), root phosphorus concentration (RPC) and root nitrogen phosphorus
ratio (RNP). These 10 plant functional traits were chosen because they were easily measurable and
adequately reflected plant survival strategies. We analyzed intraspecific differences in A. sacrorum
functional traits in the different habitat zones, and the influence of climate and terrain factors on A.
sacrorum functional traits. We also studied the relationships among A. sacrorum plant functional
traits. The results showed that some A. sacrorum functional traits were significantly different among
sample sites, such as LPC, LNP, SRL, RTD and RNP, while the other 5 functional traits had no
significant differences. The functional traits were not significantly different between sites with diffe⁃
rent slopes and aspects. SLA was very significantly negatively correlated with LTD, SRL was signifi⁃
cantly negatively correlated with RTD and RNP, RTD was significantly positively correlated with
RNC and RNP, and there were no significant relationships among LTD, LNC and LNP and the oth⁃
er functional traits. This showed that A. sacrorum adapted to the environment by coordinating adjust⁃
ment among leaf and root functional traits. Different climate factors had different effects on plant
traits, with the effects of mean annual precipitation > mean annual temperature > annual average
evaporation capacity.
Key words: plant functional trait; Artemisia sacrorum; adaptation strategy.
应 用 生 态 学 报  2015年 7月  第 26卷  第 7期                                                         
Chinese Journal of Applied Ecology, Jul. 2015, 26(7): 1921-1927
    植物在长期适应环境的过程中,通过内部不同
功能之间协同进化,形成能够响应外部环境变化、并
对生态系统有一定影响的植物性状,称为植物功能
性状[1-2] .植物对环境的响应和适应策略一直是生态
学研究的核心问题.植物通过调节和改变自身的某
些功能性状来适应环境变化,并形成了不同的生长、
繁殖、防御等生存策略.近年来的研究表明,基于植
物功能性状的植被⁃环境关系研究,能更好地揭示植
物对环境的响应和适应规律[3-4] .植物功能性状对环
境的响应特征,以及普遍存在的植物性状间的关系,
是对空间异质性或环境变化适应进化的结果[5] .叶
片作为与环境接触面积最大、对环境变化最为敏感
的植物器官,其性状与植物对资源的利用能力和效
率联系紧密,能够反映植物适应环境变化所形成的
生存对策[6-8] .细根作为植物吸收水分和养分的器
官,其性状特征能承载一定的环境变化信息,对植物
的生长和分布具有重要指示作用[9] .因此,研究叶片
和细根的功能性状及其相互关系在不同环境梯度下
的变化规律,有助于理解植物对环境的适应机
理[10] .目前,国内对植物性状的研究大多只考虑叶
片功能性状,将叶片与细根功能性状的相互作用及
其对环境的适应机制考虑在内的研究较少[11-12] .
铁杆蒿(Artemisia sacrorum)群落在黄土丘陵区
植被演替过程中具有重要地位.铁杆蒿系耐旱、多年
生、中生蒿类,是一种优良的水土保持物种,它是黄
土丘陵地区天然草地的主要建群种[13] .目前,对铁
杆蒿的研究多集中在生物学特性[14-16]以及不同功
能群性状间的差异[17-18],对铁杆蒿的环境适应特性
等研究较少.为此,本文对延河流域 3 个植被区(森
林区、森林草原区及典型草原区)自然植物群落中
的铁杆蒿叶片与细根性状进行研究分析,研究铁杆
蒿功能性状的空间分布与差异性、功能性状间的关
系,以及功能性状随环境梯度的变化规律,旨在揭示
铁杆蒿对于延河流域不同环境的适应性变化,进而
阐释铁杆蒿在延河流域的分布格局.
1  研究地区与研究方法
1􀆰 1  研究区概况
以延河流域为研究区 ( 36° 23′—37° 17′ N,
108°45′—110°28′ E).整个流域处于黄土高原丘陵
沟壑区,属大陆性季风气候,年均降水量 500 mm,年
均气温 9 ℃ .延河的干流全长 286. 9 km,流域面
积 7687 km2, 平 均 坡 度 4􀆰 4‰, 河 网 密 度 4􀆰 7
km·km-2 [19] .从东南向西北,降雨、温度呈现出明显
的梯度变化特征,植被分布具有明显的地带性规律,
依次划分为森林区、森林草原区、典型草原区[20] .分
布较广、多度较高的植物物种有白羊草(Bothriochloa
ischaemum)、长芒草(Stipa bungeana)、铁杆蒿(Arte⁃
misia sacrorum)、茭蒿(A. leucophylla)等[21],延河流
域 3个植被带的具体环境差异见表 1[22] .
1􀆰 2  野外调查与样品采集
将延河流域根据温度、降雨梯度,划分为不同的
环境梯度单元,在各环境梯度单元内,充分考虑地形
变化,选择 3个植被区内具有代表性的 32个样地做
调查,共选取 78个样方,其中,森林带 18个,森林草
原带 36个,草原带 24个.在 3 个植被带中分别选定
6~12个人类活动干扰较轻、自然植被发育较好的具
有代表性的地段设置样地,每个样地调查 2~ 3 个样
方,样方面积为 1 m×1 m.在每个样方的左边、右边
和中部各取 2~3个长势良好的铁杆蒿植株,每个植
株上沿东西南北 4 个方向采取 10 ~ 15 片光照条件
良好、完全伸展且没有病虫害的叶片.用电子游标卡
尺(精度 0.01)在叶片前、中、末端分别测量叶片厚
度,测量时避开叶脉,然后取平均值.在距离每株铁
杆蒿根的基部 10~20 cm用铁铲挖取 30 cm 深的土
块,清理掉附带土壤和杂质后,采集直径<2 mm 的
细根.将采集的样品装入自封袋编号,封装后放到车
载冰箱保存,用于室内分析.将叶片平展后用扫描仪
进行扫描,然后用图像分析软件 IPP ( image pro⁃
plus)根据扫描图片的像元数计算叶片面积.将带回
表 1  延河流域 3个植被带的环境因子
Table 1  Environmental factors among three vegetation zones in Yanhe River catchment
植被带
Vegetation zone
年均降雨量
Mean annual
precipitation
(mm)
7—9月年均降雨量
Mean annual precipitation
from July to
September (mm)
年平均气温
Mean annual
temperature
(℃)
最热月均温
Mean annual
temperature of the
hottest months (℃)
森林带 Forest 514.34 303.37 8.32~8.93 21.33~22.08
森林草原带 Forest steppe 481.80 288.11 8.20~9.33 21.57~22.94
草原带 Steppe 438.85 257.86 6.93~8.20 20.54~21.92
2291 应  用  生  态  学  报                                      26卷
的细根用清水洗掉附着的泥土并去除根毛,用电子
游标卡尺(精度 0.01)测量 10条细根的长度.将新鲜
洗净的细根完全浸入盛水的量筒中 5 s,读取量筒内
水增加的体积即为根体积.然后,将叶片和细根样品
放入 80 ℃的烘箱内烘干 48~72 h,用精度为万分之
一的天平称取叶片和细根的干质量.最后,用所测得
的数据计算铁杆蒿的各个功能性状的值,比叶面积
(SLA)=叶面积 /叶干质量(mm2·mg-1),叶组织密
度(LTD)=叶干质量 /叶体积(mg·mm-3),其中,叶
体积(LV)=叶面积×叶厚度(mm3),比根长(SRL)=
根长 /根干质量(m·g-1),根组织密度(RTD)=根干
质量 /根体积(mg·mm-3).将烘干的叶片和细根样
品粉碎,用 H2SO4⁃H2O2法消解,采用凯氏定氮仪法
分别测定植物叶片全氮含量(LNC,g·kg-1)和细根
的全氮含量(RNC,g·kg-1),钼锑抗比色法测定叶
磷含量(LPC,g·kg-1)、根磷含量(RPC,g·kg-1).
每个性状重复测定 3组,每组 10个,求平均值.
1􀆰 3  环境数据的提取
气象因子利用野外记录的各样点的经纬度信息
从现有的环境因子专题图中提取得到.各专题图基
于 25 m×25 m 的 DEM 数据,采用薄板样条函数进
行插值生成,具体专题图的生成方法参见文献[23].
主要包括年均降雨量 ( mean annual precipita⁃
tion, MAP)、 年 均 温 ( mean annual temperature,
MAT)、年均蒸发量(ET).坡向(包括阳坡、阴坡 2 个
坡向)、坡度等地形因子在野外实测得到.
1􀆰 4  数据处理
为满足统计分析的假设,首先对铁杆蒿功能性
状数值进行以 10为底的对数转换,采用单因素方差
分析法(one⁃way ANOVA)分析各植被区之间,不同
坡度和坡向之间铁杆蒿功能性状值的差异,用 Pear⁃
son相关系数检验铁杆蒿功能性状之间的相关性,
利用回归分析确定影响植物功能特征的主要气象因
子.数据的方差分析、相关分析和回归分析采用
SPSS 19.0软件完成(α= 0.05).
2  结果与分析
2􀆰 1  铁杆蒿植物功能性状特征及其空间变化
铁杆蒿功能性状属性值在 3个不同的植被带间
变化较大.由表 2可以看出,3个植被带间叶磷含量、
叶氮磷比、比根长、根组织密度、根氮磷比间差异显
著,而其他功能性状差异不显著.铁杆蒿在森林带拥
有最大的叶氮磷比、根组织密度、根氮含量和根氮磷
比,最低的比叶面积、叶组织密度、叶磷含量、比根长
和根磷含量;铁杆蒿在森林草原带拥有最高的比叶
面积、叶组织密度、叶氮含量和比根长,最低的根组
织密度和根氮磷比;典型草原区铁杆蒿拥有最高的
叶磷含量、最低的叶氮含量和叶氮磷比.在延河流域
整体范围内,铁杆蒿比叶面积为 3. 49 ~ 25􀆰 53
mm2·mg-1,叶组织密度为 0.05~1.83 mg·mm-3,叶
氮含量为 13.95 ~ 25.19 g·kg-1,叶磷含量为 0.24 ~
0􀆰 88 g·kg-1,叶氮磷比为 20.30 ~ 76.73,比根长为
0􀆰 19~ 0. 95 m· g-1,根组织密度为 0. 19 ~ 3􀆰 52
mg·mm-3,根氮含量为 3.37~16.93 g·kg-1,根磷含
量为 0.19~0.76 g·kg-1,根氮磷比为 5.76~57.82.
2􀆰 2  铁杆蒿各功能性状间的相关性
由表 3可以看出,铁杆蒿比叶面积与叶组织密度
呈显著负相关;比根长与根组织密度和根氮磷比呈显
著负相关;根组织密度与根氮含量和根氮磷比呈显著
正相关;根氮含量与根氮磷比呈显著正相关;根磷含
量与根氮磷比呈显著负相关;叶组织密度、叶氮含量
和叶氮磷比与其他功能性状的相关性均不显著.
2􀆰 3  铁杆蒿功能性状与气象因子的回归分析
由表 4可以看出,比根长、根组织密度和根氮磷
比受年均降雨量的影响最大,叶氮含量和叶氮磷比
受年均温的影响较大,叶磷含量受年均降雨量和年
表 2  延河流域铁杆蒿功能性状的空间分布
Table 2   Spatial distribution of Artemisia sacrorum func⁃
tional traits in Yanhe River catchment
项目
Item
森林带
Forest
森林草原带
Forest steppe
草原带
Steppe
比叶面积
SLA (mm2·mg-1)
13.260±1.654a 22.913±10.738a 15.621±1.600a
叶组织密度
LTD (mg·mm-3)
0.476±0.044a 0.557±0.125a 0.494±0.042a
叶氮含量
LNC (g·kg-1)
17.877±0.843a 18.036±0.854a 15.850±0.574a
叶磷含量
LPC (g·kg-1)
0.431±0.060a 0.604±0.047b 0.660±0.035b
叶氮磷比
LNP
46.609±7.903a 32.787±3.472b 25.286±1.376b
比根长
SRL (m·g-1)
0.324±0.068a 0.649±0.065b 0.439±0.062a
根组织密度
RTD (mg·mm-3)
1.618±0.610a 0.311±0.022b 0.426±0.047b
根氮含量
RNC (g·kg-1)
8.423±1.140a 5.053±0.365a 7.254±1.495a
根磷含量
RPC (g·kg-1)
0.360±0.075a 0.439±0.027a 0.401±0.057a
根氮磷比
RNP
27.269±4.442a 11.956±0.768b 21.246±6.106ab
同行不同字母表示差异显著(P<0.05) Different letters in the same row meant
significant difference at 0.05 level. SLA: Specific leaf area; LTD: Leaf tissue den⁃
sity; LNC: Leaf nitrogen concentration; LPC: Leaf phosphorus concentration;
LNP: Leaf nitrogen phosphorus ratio; SRL: Specific root length; RTD: Root tissue
density; RNC: Root nitrogen concentration; RPC: Root phosphorus concentration;
RNP: Root nitrogen phosphorus ratio. 下同 The same below.
32917期                        戚德辉等: 基于功能性状的铁杆蒿对环境变化的响应与适应           
表 3  铁杆蒿各功能性状间的相关性
Table 3  Correlations among Artemisia sacrorum plant functional traits
比叶面积
SLA
叶组织
密度 LTD
叶氮含量
LNC
叶磷含量
LPC
叶氮磷
比 LNP
比根长
SRL
根组织
密度 RTD
根氮含量
RNC
根磷含量
RPC
叶组织密度 LTD -0.601∗∗
叶氮含量 LNC 0.102 -0.119
叶磷含量 LPC 0.405∗ -0.117 0.097
叶氮磷比 LNP -0.283 0.012 0.349 -0.830∗∗
比根长 SRL 0.042 0.217 0.266 0.247 -0.088
根组织密度 RTD 0.022 -0.148 -0.129 -0.088 -0.062 -0.439∗
根氮含量 RNC -0.126 -0.030 0.043 0.098 -0.070 -0.378 0.439∗
根磷含量 RPC 0.007 0.098 0.189 -0.001 0.082 0.304 -0.193 -0.278
根氮磷比 RNP -0.051 -0.051 -0.004 -0.006 -0.029 -0.503∗∗ 0.389∗ 0.874∗∗ -0.623∗∗
∗P<0.05; ∗∗P<0.01.
均蒸发量的影响较大.其中,叶氮含量与年均温呈显
著正相关;叶磷含量与年降雨量呈显著负相关,与年
均蒸发量呈显著负相关;叶氮磷比与年降雨量和年
均温呈显著正相关,与年均蒸发量呈显著正相关;比
根长与年均降雨量呈显著负相关;根组织密度与年
表 4  气象因子与铁杆蒿功能性状值的回归分析
Table 4   Regression analysis between functional traits of
Artemisia sacrorum and climate factors
功能性状
Function trait
回归方程
Regression equation
复相关系数
Multiple correlation
coefficient

叶氮含量 LNC y=1.974MAT-10.834 0.392 <0.01
叶磷含量 LPC y=-0.003ET-0.005MAP+7.95 0.507 <0.05
叶氮磷比 LNP y=16􀆰 904MAT+0.202ET+0􀆰 367MAP-450.79
0.399 <0.05
比根长 SRL y=-0.009MAP+13.514 0.318 <0.01
根组织密度 RTD y=0.023MAP-10.047 0.621 <0.05
根氮磷比 RNP y=0.364MAP-233.43 0.396 <0.01
均降雨量呈显著正相关;根氮磷比与年均降雨量呈
显著正相关.
2􀆰 4  铁杆蒿功能性状与坡向的变化
由表 5 可以看出,叶组织密度、叶氮含量、叶磷
含量、叶氮磷比、根组织密度、根氮含量均为阳坡大
于阴坡,而比叶面积、比根长、根磷含量、根氮磷比均
为阴坡大于阳坡.铁杆蒿功能性状的值在阴坡和阳
坡存在差异,但是差异均不显著.
2􀆰 5  铁杆蒿功能性状与坡度的变化
由表 6可以看出,铁杆蒿的比叶面积、叶氮含量
和叶磷含量在 0~15°坡度内最大;叶组织密度、根组
织密度、根氮含量和根氮磷比在 15° ~ 30°坡度内最
大;叶氮磷比、比根长和根磷含量在 30° ~45°坡度内
最大.叶磷含量随着坡度的增加而逐渐降低.各性状
值在不同坡度间存在差异,但是差异均不显著.
表 5  不同坡向铁杆蒿的功能性状
Table 5  Functional traits of Artemisia sacrorum in different slope aspects
坡向
Aspect
比叶面积
SLA
(mm2·mg-1)
叶组织密度
LTD
(mg·mm-3)
叶氮含量
LNC
(g·kg-1)
叶磷含量
LPC
(g·kg-1)
叶氮磷比
LPN
比根长
SRL
(m·g-1)
根组织密度
RTD
(mg·mm-3)
根氮含量
RNC
(g·kg-1)
根磷含量
RPC
(g·kg-1)
根氮磷比
RNP
阳坡 South 13.15±1.58a 0.61±0.13a 17.82±0.88a 0.60±0.06a 35.30±5.61a 0.51±0.08a 0.66±0.27a 6.90±0.86a 0.39±0.04a 19.54±3.12a
阴坡 North 14.61±1.30a 0.46±0.05a 16.43±0.74a 0.55±0.04a 31.28±3.17a 0.52±0.10a 0.54±0.16a 1.56±1.56a 0.41±0.06a 20.12±6.52a
表 6  不同坡度铁杆蒿的功能性状
Table 6  Functional traits of Artemisia sacrorum in different slopes
坡度
Slope
(°)
比叶面积
SLA
(mm2·mg-1)
叶组织密度
LTD
(mg·mm-3)
叶氮含量
LNC
(g·kg-1)
叶磷含量
LPC
(g·kg-1)
叶氮磷比
LNP
比根长
SRL
(m·g-1)
根组织密度
RTD
(mg·mm-3)
根氮含量
RNC
(g·kg-1)
根磷含量
RPC
(g·kg-1)
根氮磷比
RNP
0~15 44.95±31.89a 0.41±0.12a 18.89±0.45a 0.73±0.06a 26.45±2.60a 0.50±0.11a 0.32±0.04a 7.01±0.94a 0.40±0.03a 18.45±3.98a
15~30 13.35±1.91a 0.65±0.15a 15.87±0.50a 0.58±0.05a 32.08±5.77a 0.50±0.07a 0.74±0.35a 7.26±1.28a 0.37±0.03a 21.47±5.16a
30~45 13.81±0.87a 0.46±0.03a 17.86±0.83a 0.54±0.04a 36.99±3.83a 0.52±0.08a 0.69±0.25a 5.83±0.78a 0.44±0.05a 16.15±3.14a
3  讨    论
3􀆰 1  延河流域不同植被带间铁杆蒿功能性状的差异
本研究中,铁杆蒿功能性状主要受降水和温度
的影响,其中水分是主要的影响因素,这与孟婷婷
等[24]认为温度和降水是植物功能性状变化的主要
驱动因素的结论一致.延河流域由南向北,年均降雨
4291 应  用  生  态  学  报                                      26卷
量逐渐降低,气候干旱加剧,进而影响铁杆蒿的生长
和发育,铁杆蒿为了更好地适应干旱的环境,通过改
变功能性状值以形成对水分和养分的吸收利用策略
和对环境的防御策略.延河流域 3 个植被带间气候
条件差异显著,铁杆蒿功能性状属性值在 3 个不同
的植被带间变化较大.3 个植被带间叶磷含量、叶氮
磷比、比根长、根组织密度、根氮磷比间的差异性显
著,而其他功能性状差异不显著(表 2).铁杆蒿在森
林带拥有最大的叶氮磷比、根组织密度、根氮含量和
根氮磷比,最低的叶组织密度、叶磷含量、比根长和
根磷含量;根组织密度反映根系组织的抗拉力和防
御力[25],因此铁杆蒿在森林带具有更高的防御能
力,叶组织密度最低,植物叶片周转生长速度加
快[26],有利于植物更好地利用丰富的资源.铁杆蒿
在森林草原带拥有最高的叶组织密度、叶氮含量和
比根长,最低的根组织密度和根氮磷比;在高温环境
下,森林草原带铁杆蒿叶片具有较大的耐旱力和较
强的防御力,通过根系吸收来的养分大多用于防御构
造的构建,铁杆蒿通过增加叶组织密度以防止失水过
多或高温伤害[27],而且使得铁杆蒿在相同的投入成
本下,细根对水分和养分的吸收利用效率更高[28] .典
型草原区铁杆蒿拥有最高的叶磷含量,最低的叶氮含
量和叶氮磷比.N ∶ P 是决定生物相对生长率的主要
因素,高生长率时,生物体通过不断增大 P 的摄入量
来满足合成核糖体的需要,生物体内 P 的丰富度直接
影响生物生长率的进化[29] .因此,铁杆蒿在草原带主
要通过增加 P 含量,降低叶片 N ∶ P,进而加快生长速
度、缩短繁殖期来适应干旱的环境.
3􀆰 2  铁杆蒿功能性状变化与环境适应策略
植物可以通过各功能性状间的功能调节来适应
环境的变化,并形成性状间的最佳功能组合[30] .延
河流域铁杆蒿叶片和细根各功能性状间存在较为明
显的功能平衡变化.其中,比叶面积与叶组织密度呈
显著负相关,这与龚时慧等[31]的研究结论一致,这
种变化与物种在干旱环境下的自我保护密切相关.
在干旱条件下,植物往往把较多的合成物质用于增
加保护组织的构建,以适应胁迫环境.水分不足时比
叶面积变小[32],叶组织密度增大.高组织密度的叶
片周转生长速度减缓,较多的 C 储备用于防御构
造[26] .因此,铁杆蒿可以通过比叶面积与叶组织密
度功能平衡变化形成对不同水分环境的适应策略.
比根长反映细根的生理功能,决定根系吸收水
分和养分的能力,同时反映投入到细根的生物量中
用于吸收养分的效率,其值越大,表明投入相同的成
本有较高的养分利用效率[28];根组织密度反映根系
组织的抗拉力和防御力[25],根组织密度越大,根系
生长速度缓慢,根系的防御力越大.本研究表明,铁
杆蒿比根长与根组织密度呈显著负相关,而比根长
与年均降雨量呈显著负相关,根组织密度与年降雨
量呈显著正相关,表明铁杆蒿在干旱贫瘠地区可以
通过较高的比根长和较低的根组织密度维持对养分
的吸收.这种适应策略与黄土丘陵区自然植物群落
整体水平的叶片与细根功能性状关系及其变化随降
雨的变化趋势[30]一致.在干旱少雨的环境中,增加
比根长可以提高对养分的利用效率;而降低根组织
密度可以加快生长周转,减少水分及养分的流失,提
高水分和养分的利用效率[33] .
植物叶片 N ∶ P 是描述群落水平上植被结构、
功能和养分限制的重要指标[34],叶氮含量与植物利
用资源的能力密切相关[30] .本研究表明,在一定温
度范围内,温度越高,铁杆蒿的叶氮含量越高,叶氮
含量的提高有利于提高铁杆蒿对资源的利用率,从
而适应干旱贫瘠的环境.
本研究中,铁杆蒿比叶面积与比根长,叶组织密
度与根组织密度没有表现出显著相关性,这与对温
带草地在物种水平上的研究[12]和对草地物种的研
究[35]结果一致.植物根系是一个多分支的结构,不
同级别的根在结构以及功能上具有较大差异,具有
不确定性[36],另外还受到细根取样方法的影响,从
而导致根系与叶片的结构特征没有显著的相关性.
在本研究中,比叶面积和叶氮含量并没有表现出显
著的正相关关系,这可能与选择的样点间的降雨梯
度较小有关.叶氮含量主要受温度影响,降雨没有成
为其限制因子(表 3).因此,在降雨不成为叶氮含量
变化的决定性因子时,叶氮含量的提高主要是对温
度变化的一种适应策略.
铁杆蒿对干旱贫瘠环境的适应主要表现为:通
过降低比叶面积,增大叶组织密度和比根长来适应
干旱环境;同时可通过提高叶氮含量适应温度较高
的环境.
3􀆰 3  铁杆蒿功能性状与地形变化的响应
铁杆蒿功能性状在不同的坡度和坡向间存在差
异,比叶面积阴坡大于阳坡,叶氮磷比阴坡小于阳
坡;铁杆蒿比叶面积、叶氮含量和叶磷含量在 0~15°
坡度内最大;叶组织密度、根组织密度、根氮含量和
根氮磷比在 15° ~30°坡度内最大;叶氮磷比、比根长
和根磷含量在 30° ~45°坡度内最大.然而,不同坡度
和坡向间铁杆蒿功能性状差异不显著.坡向通过影
52917期                        戚德辉等: 基于功能性状的铁杆蒿对环境变化的响应与适应           
响坡面接受的太阳光辐射和地面与风向的夹角,使
得在不同坡向之间的水、热、光、土以及植被的分布
受到较大的影响[37] .坡度使水分、光照等环境因子
发生变化,直接或间接地影响植物生长.坡度和坡向
主要影响光照的变化.本研究中,铁杆蒿喜光但不属
于典型的阳生植物,属于光补偿点较高、光饱和点低
的植物,这表明铁杆蒿更适合在半阴半阳坡生
长[38],因此在阳坡和阴坡的差异性不显著.另外,铁
杆蒿作为延河流域的优势物种之一,具有较宽的生
态位, 能利用群落环境中绝大多数的资源,适应性
相对较强[39],因此坡度和坡位这些微地形变化引起
的微气候变化,不足以引起铁杆蒿的性状发生变化
来适应这种环境的变化.
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作者简介  戚德辉,男,1988年生,硕士研究生. 主要从事资
源环境监测与评价研究. E⁃mail: qdh271897661@ 163.com
责任编辑  孙  菊
72917期                        戚德辉等: 基于功能性状的铁杆蒿对环境变化的响应与适应