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植物性状(Plant traits)是指对植物生长、繁殖与生存具有潜在影响,或是与植物获取和利用资源的能力有关的属性。植物性状不仅能够反映植物对环境变化的响应,植物性状的变化也能够影响生态系统过程。种内性状变异(Intraspecific trait variability),是指同一物种的不同个体之间由表型差异或遗传差异而导致的性状的差异,是功能多样性重要的组成部分。 本研究以中国北方草原优势植物为研究对象,在种内、种间、群落水平开展植物性状及功能多样性研究,揭示种内与种间性状变异对环境变化的响应及其对群落总体性状变异的相对贡献。借助中国北方草原东西样带调查,探究优势植物性状沿自然环境(气候因素与土壤养分)梯度的变化规律;通过野外定位实验研究了内蒙古草原群落性状变异对氮素添加、极端干旱以及全球变化多因子处理的响应。本研究力求揭示种内性状变异对群落总体性状多样性和群落功能的贡献。主要研究结果如下: 1)通过对中国北方草原的大尺度样带调查发现,针茅属植物的比叶面积与年均降水量、土壤氮供应水平呈负相关,与年均温呈正相关,而隐子草属和苔草属植物基本上与针茅属植物相反;对于羊草而言,其比叶面积随土壤氮水平增加而增大,且其变异更多地归因于土壤氮水平。此外,当降水量大于200mm时,比叶面积与叶氮含量呈正相关关系;而降水量小于200mm时,比叶面积与叶氮含量不相关乃至负相关; 2)不同极端干旱处理下,种间变异与种内变异对群落性状均值的相对贡献不同,种间变异、种内变异以及二者的协同作用同时作用于群落性状均值;综合植株高度、叶碳含量、叶氮含量、比叶面积、叶干物质含量、茎干物质含量等6个性状,在减雨66%处理下,种内变异的贡献大于种间变异,在100%干旱处理下,利用加权均值计算时种间变异的作用更大,而利用非加权均值计算时种内变异对性状变异的贡献更大; 3)氮素添加对群落优势植物性状加权均值的变化影响显著,氮素添加显著降低了植物营养高度的种内、种间及总的功能多样性,并且在不同氮素添加水平下均有差异。六个植物性状中,仅营养高度的种内、种间功能多样性与地上生物量呈负相关关系,与群落物种丰富度呈正相关关系;而其它5个性状种内、种间功能多样性与地上生物量、物种丰富度没有显著的相关关系; 4)与杂类草相比,禾草功能群性状及其种内、种间变异系数对多因子处理的响应更为敏感;六种性状的变异均主要来源于种间变异,其次为功能群之间的差异,个体差异对性状变异的贡献最小。 通过以上研究结果,本研究得出如下结论: 1)群落不同优势物种的比叶面积对气候因素与土壤养分的响应并不一致,甚至相反,这说明植物对环境变化的响应具有物种特异性。由于比叶面积是反映资源获取与保持的权衡关系的重要性状,本研究中比叶面积与叶氮含量的关系及其对降水量的敏感性表明植物生长与养分保持之间的权衡受制于降水; 2)不同性状的种内、种间功能多样性对氮素添加水平的响应存在差异。较高的种间功能多样性说明优势物种间存在不同的策略,这对于资源的分割利用与物种共存具有重要作用;较低的种间功能多样性则说明群落优势物种的性状之间存在集合作用。要深入揭示生态系统的功能与过程效应,除了性状本身,应当更加重视对植物功能性状变异的研究; 3)一般来说,种间变异对生态系统功能的作用大于种内变异,种间变异是生态系统过程和功能沿环境梯度改变的主要驱动因子。然而,对于群落沿不同因子处理的变化,种内变异的作用不可忽视,在利用植物功能性状研究生态系统功能的变化时,将种内变异这一重要的维度考虑进来,对更加精准地预测生态系统功能及其对环境的变化具有重要作用; 综上所述,我们的研究结果对理解植物群落构建与植物物种对生态系统功能和过程的作用具有重要意义。同一群落内不同物种具有不同的资源需求,从而导致物种应对相同环境变化产生不同的响应,但群落对环境变化的响应不能完全基于物种水平的方法进行研究,忽略种内变异的作用会低估环境变化对群落性状的影响。因此,研究植物性状对环境变化的响应时,应当考虑种内变异,物种周转以及两者的共同作用。