半干旱高寒区生物多样性对林木个体长期水分利用效率及生长的影响

Understanding the biodiversity effects on forest aboveground productivity and its underlying mechanisms is key to sustainable forest restoration and conservation of forest ecosystem functioning, such as water retention and prevention of soil erosion. Spatial- and temporal complementarity of resource uptake proportion as one mechanism governing biodiversity and productivity relationship has been well empirically evidenced. However, it remains unclear that if the change of tree-level water-use efficiency (WUE) driven by the biodiversity can be translated into tree growth rates. Under water limited growing condition, how efficiently plants up-taking water strongly determines the growth performance. In semi-arid alpine forests in Qinghai by studying two local species Picea crassifolia Kom. and Betula platyphylla Suk., we aim to test if the biodiversity-tree growth relationship can be explained by the variation of WUE brought by the neighborhood diversity. Stable isotope technique and tree-ring analysis will be used to obtain WUE and tree-ring width for the same growing period. By taking account for abiotic and biotic environmental factors at neighborhood scale, we will analyze the interactive relationship of neighborhood species diversity, tree-level WUE and growth rates. The findings will help to provide empirical evidence on complementarity of WUE at individual-tree level in mixtures and its role in governing the biodiversity and tree productivity relationship.

研究生物多样性如何影响森林地上生产力，对保护生物多样性、实现森林生态系统功能及可持续植被恢复，具有重要意义。在半干旱高寒区，明晰林木水分利用效率对生物多样性的响应是理解生物多样性影响机制的关键。然而，生物多样性对林木个体长期水分利用效率的影响，以及其能否作为机制解释生物多样性对林木生长作用的研究非常薄弱。本项目拟以青海半干旱高寒区为研究区，以青海云杉（Picea crassifolia Kom.）和白桦（Betula platyphylla Suk.）为研究对象，基于林木个体水平，实地调查关键环境因子，利用树轮稳定同位素碳13和氧18方法计算林木长期水分利用效率，结合树轮宽度，分析物种多样性对林木水分利用效率和生长的影响，旨在尝试从林木个体水分利用效率对生物多样性响应的角度，探索生物多样性对林木生产力的影响机制，提供半干旱高寒区生物多样性和林木生产力关系和机制的经验证据。

水分利用效率的响应对于干旱及半干旱条件下植被生长十分关键，目前林木水分利用效率对生物多样性（混交林/纯林）响应的研究还不充分，且结果不一致，更缺乏林木个体水平上的研究。利用祁连山东段的天然次生林，研究云杉和白桦在特定年份的水分利用效率及生长是否在纯林和混交林中有差异，可为半干旱区实现生物多样性和水分利用效率提高的可持续植被恢复提供关键科学依据。.研究结果表明：.亏水年及其前一年和后一年的生长率并无显著差异；云杉的生长受坡向和树种组成交互影响。.云杉水分利用效率（WUE）随着林分竞争的增加而增加；在同等林分竞争水平上，纯林中的云杉WUE要高于混交林；说明混交林相比纯林有可能通过减少有效竞争力或增强生态位互补，使得云杉在混交林中表现出更低的用水效率。.干旱年中，在混交林生长的云杉长势优于在纯林中，当土壤含水量在同一水平或坡向一致条件下（即同一环境条件下），混交林通过减少竞争及增加生态位互补，进而提高更好的资源供应。在同一树木水分利用效率的水平上，混交林中的云杉生长率高于纯林，说明混交林中的被云杉利用的水分总量可能高于纯林。.青海云杉的相对生长率显著受水分利用效率单因子影响，水分利用效率越高，相对生长率越高。在同等土壤含水量或坡向上，混交林较纯林中的云杉有更高的相对生长率。当在同一林分竞争水平上，土壤含水量越高，云杉在干旱年中的相对增长率越高。.同林分竞争下，纯林中的云杉表现出更高的抗旱能力。在同样的坡向上，混交林中的云杉表现出更高的抗旱能力。.在同等土壤含水量水平或同一个坡向上，混交林中较纯林中的云杉有较高的生长弹性指数。.与抗旱指数相反，云杉生长恢复指数在半阴坡较阴坡更高，这可能是由于作为此指数分母的干旱年的生长率在半阴坡更小造成的，相对来讲恢复的幅度更大。在土壤含水量相等条件下时，林分竞争越大，云杉生长在干旱年恢复的越慢；混交林中的云杉生长恢复指数较纯林更高。在同等坡向上，林分竞争越大或在纯林中，云杉生长恢复指数越高。..