中国西北地区红砂功能性状及其种群的环境适应性研究

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红砂(Reaumuria soongorica),又称为枇杷柴,柽柳科红砂属小灌木,是良好的固沙植物。红砂因其鳞片状的叶片,能够适合干旱区的恶劣条件,广泛分布于我国的新疆、内蒙、宁夏、甘肃、青海等地区,是荒漠生态系统的主要建群种,对于维系荒漠植物群落结构与生态系统的稳定性,以及减轻土壤侵蚀,减少土地沙漠化等方面具有十分重要的作用。但是,在气候变化和人类活动日益加剧的背景下,该物种的主要功能性状及其种群大小及分布范围是如何响应环境的变化?目前在学术界尚未得到统一认识。因此,研究红砂种群的分布特征以及红砂性状的适应性显得尤为重要。本文通过在32个野外采样点采集130个红砂样本测定其主要功能性状,并通过MaxEnt模型分析了红砂在不同生境适应性以及种群潜在分布区。具体结果如下:(1)我国西北地区红砂叶片性状受到立地环境影响较大。结果显示:红砂叶片厚度(Leaf Thickness,LT)、叶片单位面积最大净光合速率(Photosynthetic capacity on area basis,Aarea)、叶体积(Leaf Volumn,LV)存在着较弱的纬度变化格局。红砂比叶重(Specific Leaf Weight,LMA)、叶片组织密度(Leaf Tissue Density,LD)以及单位质量最大净光合速率(Photosynthetic capacity on mass basis,Amass)存在着较弱的经度格局。多元回归分析显示,红砂叶片厚度(LT)的主要影响因子是海拔,年平均降水以及土壤全磷。红砂叶片干物质含量(LDMC)的主要影响因子是海拔、年平均温度以及土壤全磷。红砂比叶重(LMA)的主要影响因子因子是年平均降水量、年平均日照时数以及土壤全磷。红砂叶体积(LV)的主要影响因子是年平均降水量以及土壤全磷。红砂叶片组织密度(LD)的主要影响因子是年平均日照时数,年平均降雨量、土壤全磷以及海拔。(2)我国西北地区红砂各器官元素含量分配存在权衡关系机制,且影响机制存在差异。结果显示:红砂叶片N、P含量与根C存在着纬度格局;红砂根C含量则存在着经度格局,这种变化主要可能由水热条件发生变化所导致的。通过全子集回归以及结构方程模型(SEM)分析表明,红砂叶片碳元素的主要影响因子是土壤有机碳以及土壤全氮含量;红砂叶片氮含量的主要影响因子是年平均温度与海拔;红砂叶片磷含量的主要影响因子是年平均温度、土壤有机碳以及海拔;红砂根碳含量的主要影响因子是年平均日照时数,年平均温度与海拔;红砂根磷含量的主要影响因子是年平均日照时数,土壤有机碳以及土壤全磷;红砂茎磷含量的主要影响因子是土壤有机碳以及海拔。(3)基于MaxEnt模型预测红砂种群在当前气候条件下的潜在分布区及影响红砂种群分布结果显示:在当前气候条件下,西北地区红砂高适生区的分布面积为48.2489×104km2,占西北地区总面积的12.2%。中适生区的分布面积为77.7583×104km2,低适生区的面积为82.4117×104km2,非适生区的面积为187.0146×104km2。此外,限制红砂分布的主要气候变量是年平均温度与最湿月降水量,其次是最冷季度平均温度、最冷月份最低温度、最暖季度平均温度以及最暖季度降水量。红砂的潜在分布区主要集中在宁夏大部分地区、甘肃河西走廊、青海海西蒙古族藏族自治州西部、内蒙古以及新疆部分地区。(4)在未来的气候情景下,红砂的分布面积变化较小,但是在不同的适生等级中,分布区面积均发生了变化。除2050(RCP2.6)情景下,红砂高适生区的面积有所减小之外,在其他三种气候情景下,红砂的高适生区面积都有所增加。高适生区面积的增加主要在新疆北部阿勒泰地区,中适生区面积增加主要在内蒙阿拉善盟以及青海的海西蒙古族藏族自治州。影响红砂分布的主要限制因子是年平均温度、最暖季度降水量以及最湿月降水量。总体上,本研究为阐释了红砂植物功能性状对环境梯度和气候变化的响应模式和变化趋势,厘清了限制该物种种群大小与分布范围的关键变量,并模拟了在未来全球气候变化背景下,该种群在我国干旱与半干旱区的潜在分别区域及其适宜度。该研究对深入揭示红砂植物对干旱胁迫或气候变化的适应性机理,及其种群的动态变化规律,以及我国生态保护与高质量发展等方面提供十分重要的实验与理论基础。
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