神农架山地珍稀植物群落动态与气候要素耦合关系研究

Understanding how global climate change influence biodiversity is a central question in both ecology and global change biology. Poleward and upward range shifts are important strategies for mountain tree species in the face of climate change. Observed latitudinal range shift is correlated with predicted increase of global temperature, whereas observed elevational range shift mismatch predictions. Therefore, investigating elevational range shift of plants and their underlying mechanisms is a longstanding hotspot. In this proposal, we aim to understand (1) How climate change affected community dynamics of two endangered woody species (Cercidiphyllum japonicum and Euptelea pleiospermum) by comparing historical records (1999) with future community surveys (2016) along Shennongjia mountain in central China; (2) How climatic factors (temperature and precipitation) influence regeneration (seed germination and seedling growth) of the two species along the same mountain by common garden experiments and reciprocal sowing experiments. We will transplant plants among three elevations (upper limit, middle elevation and lower limit according to elevational range of each species) for the two species to test for evidence of climate change (temperature via elevation treatment, and precipitation treatments) on germination, seedling emergence and seedling survival. The experiments, associate with life history characteristics of these two endanger species, will improve our knowledge on how these plant communities may respond to climate change. This study will shed new light on conservation of endangered subtropical tree species, and will provide valuable case studies for theoretical advances in conservation biology.

全球气候变化对生物多样性的影响一直是生态学研究的热点之一。物种被观测到向高纬度和高海拔区域迁移来响应气候变化，植物物种沿纬度梯度的分布范围迁移与预期的全球温度上升的结果是相匹配的，但植物物种沿海拔梯度向高海拔地区的迁移观测结果和预期的结果并不一致，物种向高海拔区域的迁移是一个值得深入研究的问题。本项目拟以神农架山地珍稀植物群落为对象，通过回顾研究的方法（对1999年的系列样地进行重新调查）对比分析珍稀植物群落动态与气候要素的耦合关系，揭示珍稀植物群落主要种群空间分布格局变化的成因；利用同质园实验方法，沿海拔梯度研究气候要素对两种珍稀植物的不同生态型种群的更新过程（种子萌发、幼苗生长）影响，结合珍稀植物的生活史特征，评估亚热带山地珍稀植物群落对气候变化的响应能力。研究结果将为珍稀植物群落的保护提供科学数据，也为保护生物学理论发展提供研究案列。

珍稀植物应对气候变化的策略和能力是当前保护生物学的研究热点之一。本研究以山地珍稀孑遗植物领春木为研究对象，通过野外采样和理化分析来研究功能性状的海拔梯度格局，并通过温度或降雨控制试验来研究不同种源种子萌发、幼苗生长对气候要素的响应。主要研究内容如下：（1）神农架山地领春木功能性状沿海拔梯度的变化；（2）不同纬度和海拔来源领春木种子萌发对温度的响应；（3）不同种源领春木幼苗生长对海拔和降雨减少的响应。. 研究结果：（1）叶片性状沿海拔梯度主要呈二次曲线变化趋势，种子性状与海拔之间则呈简单线性关系。功能性状的海拔梯度格局，反映了领春木对不同环境梯度的适应策略。在中海拔环境条件较为优越情况下，采取快速生长策略；而在低、高海拔地区，则倾向于养分保存。另外，领春木的功能性状之间关联紧密、相互作用，共同决定其对不同环境条件的适应性。（2）不同温度处理对绝大部分种源的种子萌发率无显著影响，而高纬度和高海拔种群的种子对温度变化较为敏感，适当增温可以提高其种子萌发率。种源及其与温度的交互作用对不同纬度来源种子的萌发率具显著影响，而对不同海拔来源则无显著影响。另外，增温可以加速种子萌发。（3）不同海拔样地，幼苗大部分生长性状受到减雨处理的显著影响：中、高海拔样地，幼苗地上部和地下部生长均受抑制；中海拔样地，叶片N、P及叶绿素含量均降低；低海拔样地，幼苗根系增长。不同种源幼苗全株性状和根性状对减雨处理的响应存在差异，呈现出本地优势，即对海拔产生了局域适应，这很可能会限制高海拔种群幼苗应对气候变化的能力。另外，绝大部分叶片性状对海拔和降雨的响应不受种源的影响，表现出较高的表型可塑性，这将有助于幼苗通过调整叶片性状在短期内适应气候变化。. 本研究揭示了领春木功能性状对不同环境梯度的适应策略，及其早期更新过程对环境变化的响应能力，为预测山地珍稀木本植物如何应对未来气候变化提供了科学依据。