全球变化几个主要因子对植物影响的Meta分析研究

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人类活动的加剧使全球环境发生了前所未有的变化,极大地改变了全球生态系统的结构组成和服务功能,全球变化研究已受到广泛关注。其中,大气CO2浓度升高、紫外辐射增强、大气氮沉降增加这几个主要因子对植物影响的研究一直都是生态学家关注的热点。不同区域的生态学者运用各种实验手段和研究方法,针对这些全球变化主要因子对不同植物的影响开展了大量的研究。然而,由于全球变化对植物的直接或间接影响相当复杂,而且具有很大的时空变异性,各独立研究对全球变化影响的结论差异很大。全球变化作为一种影响范围非常广泛的过程,在评估其影响时,研究全球尺度的反应和改变要比单个的独立研究更具有广泛的意义。因此,有必要将全球范围内已有的独立研究的数据结果充分利用起来,加以整合,从中找出普遍结论和规律,并探究产生差异的原因。Meta分析正是这样一种专门针对同一主题下开展的多个独立研究进行统计分析和定量整合的研究方法。目前,在国际上应用Meta分析来研究生态学问题已有了迅猛发展。近年来,随着全球变化研究的逐渐深入,Meta分析在全球变化研究的一些热点问题中的应用已相当广泛,并体现了极其重要的应用价值。   本研究在收集了大量现有独立研究的数据结果的基础上,运用Meta分析的手段研究了全球变化生态学领域中最受关注的几个主要因子,包括大气CO2浓度升高、紫外线辐射增强、大气氮沉降增加对植物生理生态影响的总体效应;并将植物按不同类型进行了分组,将这些全球变化主要因子对不同植物类型的影响差异加以区分;从而揭示了在全球变化的影响下植被组成和生态系统结构功能的动态变化;并为未来植被和生态系统管理提供理论指导和科学依据。   主要研究结果如下:   1.在大气CO2浓度升高对植物生理生态影响的Meta分析中,筛选了108篇相关的独立研究。利用Meta分析将其数据结果整合,并把所有植物按不同的生活型分成木本和草本植物进行分组比较,其中包括64种木本(39个属)和77种草本(54个属)。研究发现,大气CO2浓度升高使木本和草本这两种生活型植物的总生物量都明显增加(分别为37.8%,22.3%)。而草本会将增加的生物量更多地分配到地上部分,这是决定其冠层结构扩大的潜在因素。因此,CO2浓度增加可能会增加草本植物的覆盖面积。虽然木本和草本的光合速率并无显著差异,但是草本的非结构性碳水化合物明显多于木本,升高的CO2浓度使其积累了更多的代谢产物。另外,大气CO2浓度增加降低了植物的气孔导度,从而使木本与草本的水分利用效率明显提高。总的来说,草本将比木本更能从升高的CO2浓度中获益。   2.在紫外辐射(UV-B)增强对植物生理生态影响的Meta分析中,整合了142篇相关独立研究的实验结果。将增加的UV-B强度分为了低强度(比自然状态下高18%~40%)和高强度(比自然状态高40%以上),研究了不同UV-B增加强度对不同生活型植物(草本和木本)影响的总体效应。结果表明,两种UV-B增加强度对两种生活型植物的总生物量均有不同程度的负效应,其下降范围为7.0~14.6%。木本植物各个响应指标在两种增强的UV-B辐射下,其总体响应之间没有显著差异。不过,对草本而言,在高UV-B增加强度影响下,其株高和比叶面积的下降以及紫外吸收物质的增加要远大于低UV-B增加强度下的改变。由于这两种生活型抵抗UV-B伤害的内在机制不同,它们在UV-B持续增强时会表现出不同的响应策略。在生长的过程中,木本植物不会投资于大量的紫外吸收物质的积累和屏蔽组织中,而草本植物则需要产生更强的防御机制宋保护自身不受紫外辐射的伤害。与木本相比,UV-B增强使草本发生显著改变的响应指标更多。木本的响应指标大多无显著变化而且存在很大的置信区间,这是否由于木本中不同类型的植物对UV-B辐射增强的响应差异所引起,还有待进一步的研究来验证。而在未来的植被管理中,若UV-B持续增强,对草地生态系统应予以更多的关注。   3.在研究大气氮沉降增加对植物影响的Meta分析中,主要关注N沉降增加对森林树种虫害状况所造成的总体影响。其中,以103篇关于大气氮沉降增加对森林树种可食性影响的研究结果作为间接证据;以16篇对以树为食的昆虫生长状况影响的实验结果为直接证据来展开研究。结果发现,N沉降增加使森林树种的地上部生物量及叶重明显增加。树木氮含量以及以氮为底物的蛋白质和一些氨基酸的含量提高,从而改善了树木的可食性。树木用于防御昆虫取食的次生代谢物中,酚类总量和木质素含量无明显变化,而丹宁含量明显下降32.95%,其对虫害的抵抗能力有所下降。氮沉降增加对以树为食的昆虫生长状况影响的结果显示,N沉降增加使其生长状况明显提高了15.13%。另外,本研究还将树木分成阔叶树和针叶树,进一步比较了它们对N沉降的响应差异。与针叶树相比,N沉降增加使阔叶树的叶重增加量更少,但其面积增加明显要大于针叶树,阔叶树将变得更薄更利于昆虫取食。另外,阔叶树的碳水化合物明显下降13.11%,从而提高了其适口性;而针叶树的陔指标改变并不明显。而且阔叶树的丹宁含量明显下降,使其对虫害的防御能力降低。因此,大气氮沉降增加会使全球范围内(特别是以阔叶林为主的区域)森林总体的虫害状况加剧,这对全球森林生态系统的生产力和生物多样性将存在潜在影响。
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