青藏高原植物群落功能元素及其对生产力空间分异驱动机制研究——以氮元素为例
文献类型：学位论文
| 作者 | 李欣 |
| 答辩日期 | 2025-06 |
| 文献子类 | 学术型学位 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 中国科学院地理科学与资源研究所 |
| 导师 | 何念鹏 |
| 关键词 | 功能元素 生产力 化学计量学 生物地理格局 分配策略 |
| 学位名称 | 博士 |
| 学位专业 | 生态学 |
| 英文摘要 | 近年来，随着全球气候变化日益加剧以及区域生态安全问题不断涌现，植物功能元素在调控生态系统功能方面的重要性引起了广泛关注。所谓植物功能元素，是指那些能够直接或间接影响植物生长、繁殖和生存，相对稳定且可测量的植物元素。它们在植物体内的含量、分配策略以及化学计量关系，直接影响着植物对环境的适应能力和群落的稳定性。实际上，植物功能元素含量的空间分异不仅反映了元素平衡、能量流动和物质循环关系，还可以将生态研究不同层次（从细胞到生态系统）有机地联系起来。以氮（N）为例，其在不同器官中的分布和分配，不仅调控着自然界中氮循环的平衡，而且是连接细胞代谢与整体生态功能的关键纽带。然而，目前大多数研究都停留在单一器官或局部区域的探讨上，对于自然群落中多器官之间氮含量（效率性状，EfficientTrait）、氮密度（数量性状，Quantity trait）以及氮储量的跨尺度空间格局及其驱动机制仍认识不足。尤其是在青藏高原这一高寒、生态敏感的区域，系统数据的缺乏以及遥感尺度等技术手段的局限（如遥感尺度不匹配），使得氮循环模型的精度受到严重制约，也阻碍了基于功能性状的生态系统生产力（Traitbasedproductivity, TBP）理论框架的发展。如何构建一个以功能元素为核心的生态系统总初级生产力（GPP）预测模型，并深入揭示其驱动机制，已成为当今生态学研究亟待攻克的前沿问题。 本研究对青藏高原2040 个不同样地的植物群落（包括森林、灌木林、草地和荒漠）进行了系统调查，采用标准化的空间网格布点方法，全面测定了植物各器官（叶、枝、干、根）以及土壤的氮含量。并结合群落结构和环境因子数据，对氮元素的二维特征——氮含量和氮密度的空间分异规律及其驱动机制进行了深入解析。与此同时，本研究还通过整合了环境因子、生长季长度和功能元素数据，构建了一个“环境–功能元素–生长周期”三维“引擎”框架，以验证TBP 理论在总初级生产力预测中的可行性。主要研究成果如下： （1）氮含量作为表征生态系统功能效率的关键效率性状，其在青藏高原植物不同器官中的平均值分别为19.21（叶）、4.12（枝）、1.14（干）和10.86（根） mg g⁻¹，在不同器官之间存在显著差异。其中，叶片由于其较高的功能活性对氮的需求更高；而不同植被类型中，以草本植物为优势种的群落其氮含量普遍高于以木本植物为优势种的群落。而在分配关系上，氮在不同器官间的分配呈现异速分配策略，这种分配模式受植被类型以及环境因子的影响较小，体现出较强的内在稳定性和保守性。将青藏高原同中国整体的植物群落氮含量的分异及分配规律进行对比，结果表明，两者间氮含量分异规律、分配策略以及和环境因子之间的关系相似，进一步验证了氮含量的异速分配策略在跨尺度上具有保守性。 （2）氮密度作为表征生态系统功能强度的关键数量性状，其在青藏高原植被中平均值为27.02 g m⁻²，总储量为29.84 Tg。不同植物器官的氮密度分异特征明显，其中枝（12.96 g m⁻²）>根（9.11 g m⁻²）>叶（6.19 g m⁻²）>干（7.65 gm⁻²），表明植物对有限氮资源配置策略存在差异化特征。研究揭示了不同植被类型氮密度分配速率存在差异：森林群落表现为叶片分配主导（叶> 根> 枝>干），而其他群落以根系优先分配（根> 叶），且在不同群落中并无一致性的等速或者异速分配策略。路径分析表明，太阳辐射是驱动氮密度空间分异的主导因子。这种非统一的分配策略以及受环境因子主导的结果，验证了基于资源权衡最优分配假说的适用性，表明氮密度分异和分配是植物对环境适应性的结果。应用环境因子共同构建的随机森林预测模型绘制出1 km 高分辨率氮密度空间分布图谱（R²=0.69），结果表明，氮密度存在显著的空间异质性，呈现出东南高、西北低的梯度格局。 （3）突破传统框架，构建“环境-功能性状-生长周期”协同三维“引擎”预测框架。根据“引擎”框架的结果发现：环境因子（年均温）是驱动GPP 变异的主要因子，对GPP 空间变异产生31.44%的贡献值；叶片氮密度的贡献度仅次于环境因子（25.96%），凸显功能元素对生产力预测的重要性。但是，将氮磷化学计量比（N:P）引入“引擎”框架中，反而降低框架的预测精度，该结果验证了植物碳同化过程更依赖元素的绝对含量而非化学计量平衡的假设。在化学计量维度内，通过多模型对比发现，随着输入性状数量的增加，预测精度显著提高（R2 从0.57 提升至0.70）；而在环境因子维度内，单纯叠加环境因子并不会显著提高框架的预测能力。总体来说，基于“引擎”框架，结合效率性状+数量性状+环境因子+生长季长度可显著提高对GPP 的预测精度（R2 = 0.92）。 本研究系统分析了青藏高原陆地生态系统多器官、多植被类型、多区域的氮元素二维特征分异规律、分配策略、空间格局及环境驱动机制，深化了对氮元素生物学功能及其在植物-环境互作中调控作用的理解，显著提升了高寒生态系统氮储量估算的精度与可靠性。通过构建三维的“环境-功能性状-生长周期”的“引擎”预测框架，进一步验证了GPP 与植物功能元素间的关系，为TBP 理论的发展提供了实证支持与理论拓展，助力基于性状的生态学（TraitbasedEcology）研究。 |
| 学科主题 | 生态学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 182 |
| 源URL | [http://ir.igsnrr.ac.cn/handle/311030/217250]  |
| 专题 | 地理科学与资源研究所_研究生部 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 李欣. 青藏高原植物群落功能元素及其对生产力空间分异驱动机制研究——以氮元素为例[D]. 中国科学院地理科学与资源研究所. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：地理科学与资源研究所
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