针叶年龄影响华北落叶松性状网络和资源利用策略的转变

《Forest Ecology and Management》:Needle age influences shifts in trait networks and resource-use strategies in Pinus tabuliformis

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年09月29日 来源:Forest Ecology and Management 4.2

编辑推荐:

   •针叶年龄驱动了P. tabuliformis沿多维叶片经济谱的性状转变。•当年生针叶比多年生针叶更具获取性。•当年生针叶显示出更紧密连接的性状网络。•SLA 和 LN:P 是当年生和多年生针叶网络中的枢纽性状。•当年生和多年生针叶对环境反应的差异。引言植物功能性状是反映植物

  
  • •
    针叶年龄驱动了P. tabuliformis沿多维叶片经济谱的性状转变。
  • •
    当年生针叶比多年生针叶更具获取性。
  • •
    当年生针叶显示出更紧密连接的性状网络。
  • •
    SLA 和 LN:P 是当年生和多年生针叶网络中的枢纽性状。
  • •
    当年生和多年生针叶对环境反应的差异。

引言

植物功能性状是反映植物在生长、存活和繁殖过程中如何适应环境变化的形态、生理和化学特征(Violle et al., 2007)。植物功能性状及其协同变异已成为植物生态学的核心主题。功能性状并非独立变化;相反,它们表现出广泛的共变和权衡(Westoby and Wright, 2003, Laughlin, 2014)。叶片经济谱(LES)描述了多个叶片性状之间的协同变异,这些性状共同反映了植物的资源利用策略(Wright et al., 2004, Díaz et al., 2016)。根据 LES 假说,叶片性状沿着一个连续梯度组织,从以快速获取资源、低结构投入和短叶片寿命为特征的获取型策略,到以较慢获取资源、更高的组织持久性投入和较长叶片寿命为特征的保守型策略(Reich, 2014, Fajardo and Siefert, 2018)。这些协同关系反映了获取型与保守型资源利用策略之间的基本权衡。LES 在全球尺度和多样化生态系统中得到了广泛支持,为理解植物资源利用策略提供了有价值的框架。
在常绿物种中,叶片通常保留多年,导致同一植株内多种叶片年龄类的共存。不同年龄的叶片在资源获取、结构投入和养分分配方面可能表现出显著差异(Niinemets et al., 2012, Tang et al., 2019)。这些差异不仅反映了与年龄相关的叶片功能策略转变,还突显了植物在个体内优化资源使用的能力。一般而言,当年生叶片倾向于表现出较高的 SLA 和养分浓度,从而增强光合效率和资源获取,同时支持快速生长相关的高资源需求(Wang et al., 2024, Yu et al., 2026a)。此外,其较薄的叶片和较低的干物质含量降低了构建成本,从而增加了短期内快速回报的潜力。随着叶片老化,其功能策略逐渐向更资源保守的模式转变。较老的叶片通常表现出更大的结构投入,反映在较高的叶片干物质含量和增加的叶片厚度上。这些变化增强了机械强度和胁迫耐受性,延长了叶片寿命,并减少了长期的叶片替换成本(Han et al., 2008, Liu et al., 2021)。
然而,大多数以前的研究主要关注单个功能性状与年龄相关的变异(Tang et al., 2019, Wang et al., 2024),而植物资源利用策略源于多个性状之间的协调与权衡。因此,仅关注单性状变异只能有限地了解叶片功能策略如何随不同叶片年龄而转变。性状网络分析将功能性状概念化为相互连接的网络节点,量化性状关联的强度和网络的整合程度,并识别枢纽性状,从而为植物功能策略提供系统层面的视角。较高的网络整合度通常反映功能性状之间更强的协调性,这可能会增强特定环境条件下的资源利用效率(Flores-Moreno et al., 2019, Li et al., 2022b)。相比之下,枢纽性状可能在维持功能协调和调节资源分配方面发挥关键作用(Rao et al., 2023, Wei et al., 2023)。先前的研究表明,叶片年龄可以显著影响性状关联模式(Ji et al., 2021, Liu et al., 2021, Zhao et al., 2024)。尽管如此,这些研究大多局限于性状间的两两关系,并未系统考察叶片年龄如何影响整体网络结构、网络整合度和枢纽性状,以及这些变化如何反映植物资源利用策略背后的协调机制。因此,从叶片年龄的角度调查网络特征可以更深入地理解植物功能策略如何跨叶片年龄类组织,并阐明资源利用策略在叶片发育过程中协调的机制。
植物资源利用策略不仅受叶片年龄影响,还受环境条件塑造。气候因子、土壤养分有效性和土壤水分影响资源可用性和植物生理过程,从而驱动叶片功能性状的调整(Wright et al., 2004, Reich, 2014)。例如,在资源丰富或其他有利条件下,植物通常表现出较高的 SLA 和叶片养分浓度,这增强了光合效率并促进资源获取型策略(Spitzer and Blume-Werry, 2023, Zhang et al., 2024)。相反,在资源有限或胁迫条件下,植物倾向于增加结构投入以提高组织稳定性和胁迫耐受性,从而采取更资源保守的策略(Poorter et al., 2009)。因此,考察环境梯度上的功能性状和资源利用策略变异可以为了解植物适应环境变化的机制提供有价值的见解。
Pinus tabuliformis是中国北方温带森林的优势树种,广泛分布于中国华北、东北和西北地区(Xu, 1990, Niu et al., 2022)。作为典型的常绿针叶树,P. tabuliformis通常保留针叶 2–3 年或更长,这表明不同年龄的针叶在平衡资源获取和组织维护相关的资源利用策略方面可能存在差异。为了解决这些问题,我们调查了中国九个地区的天然P. tabuliformis森林。我们测量了当年生和多年生针叶的形态和化学性状,以检查针叶性状之间的年龄相关差异和权衡。我们进一步评估了环境因子是否以及如何影响当年生和多年生针叶的资源利用策略。具体而言,本研究旨在解决以下问题:(1) 针叶年龄是否影响P. tabuliformis当年生和多年生针叶的功能性状?(2) 不同年龄针叶的功能性状是否表现出协调的权衡,这些模式是否与叶片经济谱一致?此外,针叶年龄是否影响性状网络结构,包括网络整合度和枢纽性状?(3) 当年生和多年生针叶在资源利用策略方面对环境因子的反应是否存在差异?

章节摘要

样地描述

本研究在中国九个天然P. tabuliformis森林样地进行,包括千山和三山(辽宁省)、黑力河(内蒙古)、松山(北京)、岭峒山(山西省)、菜夹川和火地塘(陕西省)、贺兰山(宁夏回族自治区)和东山(青海省)(Yu et al., 2026b)。这九个样地在地理上广泛分布于中国北方,跨越大约 1945 公里,从东北到

当年生和多年生针叶之间的性状差异

与多年生针叶相比,当年生针叶的 LP 显著较高(1.30 对比 0.77 mg·g?1)和 SLA(127.59 对比 102.85 cm2·g?1),但 LN:P(9.80 对比 16.25)、LT(1.38 对比 1.42 mm)和 LDMC(369.84 对比 460.04 g·kg?1)显著较低(图 1)。

当年生和多年生针叶中性状之间的权衡

对当年生和多年生针叶性状合并数据集的主成分分析(PCA)显示,第一和第二主成分分别解释了 37.9% 和 24.9% 的总方差,累计解释方差为 62.8%(图

当年生和多年生针叶之间功能性状的差异

针叶年龄是常绿针叶树性状变异的重要决定因素,因为它既反映了叶片的发育阶段,也反映了竞争功能之间的资源分配模式(Han et al., 2008, Zhang et al., 2021)。在本研究中,当年生针叶表现出显著较高的 SLA 和 LP,但较低的 LN:P、LT 和 LDMC,表明针叶年龄强烈影响P.中资源获取与结构投入之间的平衡。

结论

以天然P. tabuliformis森林作为研究系统,我们调查了广泛环境梯度上当年生和多年生针叶在性状权衡、性状网络结构和性状 - 环境关系方面的年龄相关差异。我们的发现揭示了P. tabuliformis中种内多维叶片经济谱,其中 PC1 代表从资源获取型到资源保守型策略的梯度。PC2 代表了一个相关的次级功能维度

CRediT 作者贡献声明

Jiangshan Yu: 撰写 – 初稿,形式分析,概念化。Hao Xu: 资源,形式分析。Wanting Liang: 方法学。Haibing Li: 数据整理。Kexuan Li: 撰写 – 审阅与编辑。Xue Bai: 撰写 – 审阅与编辑。Jihua Hou: 撰写 – 审阅与编辑,监督,资金获取。

CRediT 作者贡献声明

Jiangshan Yu: 撰写 – 初稿,形式分析,概念化。Hao Xu: 资源,形式分析。Wanting Liang: 方法学。Haibing Li: 数据整理。Kexuan Li: 撰写 – 审阅与编辑。Xue Bai: 撰写 – 审阅与编辑。Jihua Hou: 撰写 – 审阅与编辑,监督,资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系,这些利益或关系可能会影响本文报告的工作。

致谢

这项工作得到了中国国家自然科学基金(31872683)的财务支持。本文还得到了国家留学基金委的支持。
Jiangshan Yu|Hao Xu|Wanting Liang|Haibing Li|Kexuan Li|Xue Bai|Jihua Hou
相关新闻
生物通微信公众号
微信
新浪微博
  • 搜索
  • 国际
  • 国内
  • 人物
  • 产业
  • 热点
  • 科普

热点排行

    今日动态 | 人才市场 | 新技术专栏 | 中国科学人 | 云展台 | BioHot | 云讲堂直播 | 会展中心 | 特价专栏 | 技术快讯 | 免费试用

    版权所有 生物通

    Copyright© eBiotrade.com, All Rights Reserved

    联系信箱:

    粤ICP备09063491号