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青藏高原东缘的亚高山针叶林是长江上游重要的生态屏障,经过近六十年的采伐后,取而代之的是大量人工种植的云杉纯林。目前,这些人工林已经表现出树种单一,结构层次简单等生态问题,其物种多样性及生态效益与同地带天然林相比差距较明显。如何丰富该地区物种多样性,完善人工林生态系统的生态功能是一个十分重要的课题。林下植物是人工林群落的重要组成部分,对维持群落的生物多样性及完善生态系统功能具有明显的作用。因此,研究该地区人工针叶林的林下植被对不同生境的适应性对于理解人工林生态系统物种多样性的形成和维持机制都具有重要的意义。
本文以青藏高原东部亚高山针叶林的主要森林类型—云杉人工林为研究对象,选择林下11种具有不同喜光特性的常见植物,分别设置人工林林冠下及成熟林窗为研究样地,通过对各种植物叶片形态与物质分配特征、叶片解剖学特征、叶片光合生理特性、植物自然分布特征等方面的比较分析,研究林下植物对不同光生境的适应策略及其适应能力,揭示不同物种对人工林生境的适应共性,为西南亚高山地区植被恢复及人工林的经营管理提供科学依据。具体研究结果如下:
在叶片形态和物质分配特征方面:在林窗光生境中,11种林下植物叶片比叶重(LMA)显著高于林下光生境的同种植物。同时,林窗下生长的植物叶片叶片厚度及栅栏细胞长度显著增加,这是影响叶片比叶重变化的直接原因。而多数植物叶重比在两种生境中无明显变化。说明在长期适应自然生境之后,植物可能更多地采取调节叶片组织细胞水平(即叶片功能细胞形态)及叶片器官水平(即单个叶片形态)特征的策略来适应各类生境,而非整株水平上的叶片总比重的增减。
在叶片解剖结构特征方面:多数阔叶物种栅栏组织厚度(PT)、栅栏组织厚度/海绵组织厚度(PT/ST)、栅栏细胞层数及近半数种的气孔密度(SD)在林窗生境中更大或更多,而叶片表皮细胞厚度(UET、LET)气孔长径(S/)及海绵组织厚度(ST)受两种生境影响不大。喜光特性相似的物种在生境适应策略上具有一定的趋同性。
在光合生理特征方面:在林窗生境中多数种植物的最大光合速率(Amax)、暗呼吸速率(Rd)及喜光植物光补偿点(LCP)显著或极显著高于林内生境同种植物。且在同一生境条件下,多数深度耐荫植物比喜光及轻度喜光植物有稍低的Rd和LCP。各植物在林内低光生境中具有更大的内禀光能转化效率,并在中午12:00~14:00之间光强最大的时刻发生了的最深程度的光抑制。多数种能通过调节自身某种光合素含量或色素之间的比例来适应不同的光生境,即通过增加叶绿素含量或降低Chla/b值来适应林内弱光生境,通过提高类胡萝卜素含量或单位叶绿素的类胡萝卜素含量降低强光带来的伤害。绝大多数物种并不采取调节叶片C、N含量的策略来适应不同的光生境。总之,植物部分光合参数(Amax、Rd、LCP)受生境的影响与其自身喜光特性有关,但另一些参数(Fv/Fm日变化、色素含量及比例、叶氮相对含量)受生境影响与其自身喜光特性无明显关联。
在表型可塑性方面:在叶片各表型参数中,器官水平及细胞水平的形态特征参数平均可塑性大于整株水平形态和物质分配特征参数可塑性;叶片光合组织的可塑性大于非光合组织可塑性;反映植物光合能力的参数可塑性大于叶片色素含量参数可塑性。植物叶片形态和物质分配、解剖学特征参数平均可塑性大小与其自身喜光特性基本吻合,即喜光种及轻度耐荫种各参数可塑性最高,深度耐荫种可塑性最小,而这种规律并未在光合生理参数的可塑性大小上体现出来。但是叶片形态和物质分配参数、光合生理参数的平均可塑性水平却大于叶片解剖学参数。
在植物自然分布特征方面:喜光物种云杉幼苗及歪头菜在林内生境中分布密度明显降低,深度耐荫种疏花槭却恰恰相反,更多数物种(7种植物)在两种生境中密度变化趋势不明显。从分布格局来看,7种植物在两种生境中均为聚集分布,但聚集强度为林窗>林内;少数物种桦叶荚迷、直穗小檗、冰川茶藨、黄背勾儿茶在林窗中为聚集型,在林内生境中的分布型发生改变而成为随机型,说明光生境的差异能影响到植物种群的分布特征。但这种影响程度与植物自身的喜光特性无关,同时与各物种叶片表型平均可塑性的大小也无明显关联。