喀斯特山脉中不同海拔梯度上马氏松（Pinus armandii）叶片功能性状的变异及其驱动因素

《Frontiers in Plant Science》：Variation in leaf functional traits of Pinus armandii and their drivers along an altitudinal gradient in Karst mountains

本研究系统分析了西南喀斯特地区白皮松沿海拔梯度12项叶功能性状的变异特征及其与土壤因子的关系。结果表明，形态性状（叶面积、长度、厚度）和化学性状（碳氮比、磷钾含量）呈现显著海拔分异，形成以碳氮比为核心的协同网络。土壤有机碳、pH和可溶性钾是主要驱动因子，揭示植物通过多性状整合优化资源获取与利用策略，为喀斯特脆弱生态系统植物适应性研究提供新证据。

　　植物的功能性状是研究植物生态策略的重要指标，它们反映了植物对环境条件的适应性。然而，关于同一物种内部功能性状沿环境梯度变化的模式及其背后的驱动因素，目前的研究仍然存在不足，尤其是在脆弱的喀斯特生态系统中。本研究以中国西南部喀斯特山区的*Pinus armandii*（云南松）为对象，沿着海拔梯度（2128至2509米）对其12种叶片功能性状进行了系统调查，包括形态特征和化学组成等。通过相关性分析和冗余分析，探讨了功能性状在海拔梯度上的变化趋势以及与关键土壤因子之间的关系。研究结果表明，所有功能性状均表现出显著的种内变异，变异系数从3.24%到28.15%不等。其中，比叶面积（SLA）、叶长、叶厚、叶面积、碳含量、钾含量以及碳氮比（C:N）、碳磷比（C:P）和氮磷比（N:P）随海拔升高显著降低；相反，叶干物质含量（LDMC）、氮含量和磷含量则显著增加。研究还发现，功能性状之间存在显著的协调关系和权衡现象，形成一个以碳氮比为中心的综合网络。土壤因子——特别是土壤有机碳、pH值和可利用钾——被识别为功能性状变化的主要驱动因素。

本研究的背景源于全球变化对物种分布、生物多样性和生态系统功能的深刻影响。随着气候变化的加剧，物种的适应能力成为决定其生存与繁衍的关键因素。植物通过表型可塑性或遗传变异来应对环境压力，因此理解植物功能性状如何沿环境梯度变化对于预测其在气候变化下的适应性具有重要意义。植物功能性状不仅反映了其生存策略，还揭示了从个体生理到生态系统功能的生态策略和进化权衡。在高山生态系统中，由于环境梯度陡峭，提供了研究植物功能性状响应的理想场所。随着海拔的升高，温度、降水、光照和土壤条件等环境因素发生系统性变化，这些变化对植物的适应性提出挑战，进而影响其功能性状的分布模式。

在喀斯特地貌中，土壤形成缓慢、土壤层浅且环境异质性显著，使得植物面临季节性干旱和养分限制的双重压力。这可能导致植物在这些生态系统中采取不同于其他环境下的功能性状策略。此外，基岩暴露可能掩盖由温度驱动的变化模式，而钙质土壤（高钙、低磷）则加剧了养分限制。尽管已有研究比较了不同生活形态（如常绿与落叶）或喀斯特与非喀斯特地区的功能性状差异，并评估了土壤的影响，但对喀斯特环境中功能性状变化的相对贡献以及环境因子与植物特征之间的相互作用仍不明确。因此，本研究旨在通过系统测量*P. armandii*的叶片功能性状，并结合土壤-气候监测，揭示其功能性状在喀斯特生态系统中的响应机制，为生态修复和气候变化预测提供科学依据。

研究区域位于中国贵州省毕节市，地处中国西南部喀斯特地貌的核心地带，属于东亚喀斯特区的重要组成部分。该地区具有亚热带湿润季风气候，年均温在10至15°C之间，年日照时数在1096至1769小时之间，无霜期在245至290天之间。土壤类型主要包括黄土和黄棕土，局部还分布有石灰土、紫色土和水稻土，呈现出明显的垂直分异。本研究选择了黄棕土作为实验样地，其地理位置和气候条件为研究植物功能性状与环境因子之间的关系提供了良好的自然实验室。

为了探究*P. armandii*叶片功能性状的变化，研究团队在2024年9月至10月期间，沿*P. armandii*的主要分布区建立了一条海拔梯度样带。选择这一时间段是为了捕捉植物在生长季节末期的叶片功能性状，此时叶片的结构和化学特性相对稳定，且植物正在进行营养物质的再吸收以准备休眠。在每条海拔梯度上，随机设置三个20米×20米的样方，共15个样方。在每个样方中，选取五株健康的*P. armandii*作为标准树，并从树冠的东、南、西、北四个方向采集当前年生枝条。每条枝条中选取50束健康的松针，用湿润滤纸包裹后放入冷藏箱中保存。在每个样方内，随机设置三个采样点，从每个采样点中采用五点采样法采集0至20厘米深的土壤样本。每组五个土壤子样混合后形成一个复合样本，最终获得45个独立的土壤样本。所有样本均密封保存，以便后续分析。

在叶片功能性状的测量方面，研究团队依据《全球植物功能性状标准化测量手册》中的方法进行。共测量了12种功能性状，包括叶长（LL）、叶厚（LT）、叶面积（LA）、比叶面积（SLA）、叶干物质含量（LDMC）、叶碳含量（LCC）、叶氮含量（LNC）、叶磷含量（LPC）、叶钾含量（LKC）、碳氮比（C:N）、碳磷比（C:P）和氮磷比（N:P）。测量前，松针在黑暗中5°C保存12小时，随后表面干燥并称重以测定鲜重（LFW）。使用平板扫描仪获取叶图像，并通过ImageJ软件计算叶面积。叶厚通过游标卡尺在叶基部、中部和叶尖三个位置进行测量，取平均值。随后，叶片在105°C下烘干以去除酶活性，再在80°C下烘干至恒重以测定干重（LDW）。干燥后的叶片被研磨并筛分，用于后续的元素分析。

土壤性质的测定则采用多种仪器和方法。土壤有机碳（SOC）和氮磷含量通过连续流动分析仪进行测定，而钾含量则通过火焰原子吸收光谱仪进行分析。土壤pH值采用玻璃电极法测定。所有土壤和叶片样本均被妥善保存，并在实验室中进行详细分析，以获取准确的土壤和叶片元素含量数据。

数据分析采用R语言进行，首先通过Moran’s I检验评估功能性状数据的空间自相关性。由于研究区域的空间尺度较小，且气候因子在区域内变化不大，研究假设土壤性质对功能性状的影响更为显著。通过冗余分析（RDA）识别出八个关键的土壤变量，这些变量共同解释了功能性状总变异的84.65%。其中，SOC、pH和AK与叶片功能性状表现出显著的相关性，表明它们在驱动*P. armandii*叶片功能性状变化中起着主导作用。此外，通过路径分析进一步探讨了环境因子对功能性状的直接和间接影响，揭示了不同功能性状对环境因子的响应模式。

研究结果表明，*P. armandii*的叶片功能性状在海拔梯度上表现出显著的变化。例如，SLA、LL、LT和LA均随海拔升高而显著降低，而LDMC则呈现显著增加的趋势。这些变化反映了植物在不同海拔条件下对资源获取和保存策略的调整。碳氮比（C:N）和碳磷比（C:P）随海拔升高而降低，表明高海拔种群的氮和磷利用效率较低，这可能是由于较低的温度和较干的环境限制了叶片的发育和养分积累。同时，氮磷比（N:P）低于14，提示氮是该地区*P. armandii*生长的主要限制性养分。

在功能性状之间的协调关系方面，研究发现LDMC与几乎所有功能性状均存在显著相关性，但与N:P无显著关联。这表明LDMC在叶片功能性状网络中扮演着关键角色，可能作为连接其他功能性状的核心节点。叶面积与叶厚之间存在显著的正相关，可能与叶片边界层动态和热调节有关。较大的叶片和较厚的边界层有助于减少感热交换，从而影响叶片温度和蒸腾速率，帮助植物在干旱条件下实现水分保存。

此外，研究还揭示了功能性状之间的权衡关系。例如，LDMC与SLA之间存在显著的负相关，这反映了植物在资源获取与保存策略之间的权衡。高SLA的叶片通常更倾向于快速获取资源，而高LDMC的叶片则更倾向于保存资源。这种权衡关系在喀斯特生态系统中尤为显著，因为这些环境通常具有较低的养分可用性和较高的水分胁迫。植物通过调整功能性状来优化资源利用效率，从而在不同的海拔条件下实现生存和繁衍。

在环境驱动因素方面，研究发现土壤有机碳（SOC）、pH值和可利用钾（AK）是功能性状变化的主要驱动因素。SOC对多种功能性状表现出显著的正向影响，特别是对叶长、叶面积和比叶面积。这表明SOC通过改善土壤结构和提高养分可用性，促进了植物的快速生长和光合作用。然而，SOC与叶干物质含量（LDMC）之间存在显著的负向相关，这可能意味着在高SOC环境中，植物更倾向于将资源投入到生长而非结构防御中。pH值则对碳氮比和碳磷比等养分相关性状产生显著影响，表明土壤酸碱度在调节植物内部养分平衡中起着重要作用。可利用钾（AK）则与大多数功能性状呈负相关，可能通过离子毒性或与其他元素（如钙、镁）的拮抗作用抑制叶片的扩展和生长，同时促进叶干物质含量的增加，以维持水分和离子平衡。

研究还发现，不同功能性状对环境因子的响应模式存在差异。例如，叶长（LL）主要受SOC、可利用磷（AP）和可利用钾（AK）的影响，其中SOC和AP对叶长具有正向作用，而AK则表现出负向影响。叶厚（LT）主要受AP和AK的影响，其中AK对叶厚有直接的负向作用，而AP则通过间接途径促进叶厚增加。叶面积（LA）则主要受SOC、pH和AK的影响，SOC和pH对叶面积具有正向作用，而AK则表现出负向影响。比叶面积（SLA）主要受SOC、总钙（TCa）和总钾（TK）的影响，SOC和TCa对SLA具有正向作用，而TK则表现出负向作用。叶干物质含量（LDMC）主要受SOC、pH、AK和AP的影响，其中AK对LDMC有直接的正向作用，SOC和pH则表现出直接的负向作用，而AP则通过间接途径对LDMC产生负向影响。叶氮含量（LNC）主要受总磷（TP）、总钙（TCa）和pH的影响，其中TP对LNC具有正向作用，而TCa和pH则表现出负向作用。叶钾含量（LKC）主要受pH、AK和AP的影响，其中pH对LKC有正向作用，而AK和AP则表现出负向作用。氮磷比（N:P）主要受TCa、pH、AK和AP的影响，其中pH对N:P有正向作用，而TCa、AK和AP则表现出负向作用。碳磷比（C:P）主要受pH和AK的影响，其中pH对C:P有正向作用，而AK则表现出负向作用。

研究结果还揭示了功能性状之间的网络关系。通过构建功能性状网络，研究发现LDMC是网络中的核心节点，具有最高的度中心性、接近中心性和中介中心性。这表明LDMC在功能性状的整合中起着关键作用，可能作为连接其他功能性状的核心枢纽。碳氮比（C:N）则作为功能性状网络中的关键调节因子，其变化与多个功能性状相关，反映了植物在不同环境条件下对碳和氮分配的动态调整。这种调整有助于植物在资源有限的环境中平衡光合作用、结构投资和防御机制，从而提高其环境适应能力。

研究还指出，不同功能性状对环境因子的响应存在差异。例如，叶面积和比叶面积的变化主要受到SOC、pH和AK的影响，而叶干物质含量的变化则受到SOC、pH、AK和AP的共同作用。这些差异表明，功能性状的响应并非单一路径，而是受到多种环境因子的复杂调控。因此，理解功能性状与环境因子之间的相互作用对于预测植物在气候变化下的适应性至关重要。

此外，研究还发现，不同功能性状之间的相关性存在显著的异质性。例如，叶氮含量（LNC）与叶磷含量（LPC）之间没有显著相关性，这可能意味着在高海拔条件下，氮和磷的分配可能受到不同的环境约束。这种现象可能与土壤养分的可用性、植物的生理需求以及环境压力的差异有关。同时，叶碳含量（LCC）仅与叶干物质含量（LDMC）显著相关，这表明碳的积累主要受到结构需求的驱动，而非代谢需求。叶氮磷比（N:P）仅与叶磷含量（LPC）和碳磷比（C:P）显著相关，提示氮和磷的分配可能受到遗传限制或土壤磷含量的影响。

本研究的结论表明，*P. armandii*在喀斯特山地生态系统中表现出显著的海拔梯度功能性状变化，这些变化反映了其对局部环境条件的适应性。功能性状之间的协调关系和权衡现象揭示了植物在不同环境条件下优化资源利用效率的策略。土壤因子在功能性状变化中起着主导作用，其中SOC、pH和AK是主要的驱动因素，但不同功能性状对这些因子的响应模式存在差异。这些结果为理解植物在喀斯特生态系统中的适应机制提供了新的视角，并为生态修复和气候变化预测提供了科学依据。未来的研究应进一步扩展到更广泛的环境维度，如气候和地形，并探讨多种植物器官和功能群的功能性状变化，以提高对功能性状与环境、生态系统之间相互作用的多尺度理解。特别是，需要关注全球变化如何影响土壤养分的可用性，进而影响植物功能性状和生态系统功能。