泛北京地区不同生态功能区域内植物的叶属性特征研究

植物叶的碳、氮、磷含量（CNP）及其计量关系（C:N:P比值）是重要的植物功能属性，但区域水平的植物叶CNP计量及其相关属性的研究仍不多见。本研究拟在北京及周边地区（泛北京地区），系统采集该区代表性植被群落的建群种或常见种植物的叶片，测量其CNP含量及相关叶属性（比叶面积、叶厚度、叶寿命；最大光合速率、气孔导度等）；据此研究该地区不同功能群（如，草-灌-乔，常绿-落叶，针叶-阔叶，C3-C4）植物叶的化学计量规律及其与生理属性的关系。同时，通过比较不同生态功能区（工业、农业和生活区）内自然植物的叶属性及其与环境变量(大气组分和土壤养分特性)的关系，分析人类活动对植物叶化学计量的可能影响。本项目的研究结果有助于揭示北京及周边地区植物叶属性的区域性规律，评估本地区植被生长的营养状况，并为全球环境变化背景下全国和全球尺度CNP的生物地球化学循环和生物地理学的耦合建模提供基本参数。

本项目在北京及周边地区近30个地点，系统采集587种常见植物和相应地点的土壤样品；另外，还采测其中10个地点约20个大气氮沉降样品；建立了泛北京地区不同功能群植物叶碳氮磷等元素含量及其他叶属性（如，比叶面积、叶厚度等叶物理属性，最大光合速率、气孔导度等生理属性）的生态功能属性数据库。通过研究本地区48种草、灌、乔植物的6种叶生理属性的变异规律，发现这些属性存在显著相关性，但不同生长型之间只有水分利用效率差异显著，且环境因素比生长型对这些属性的影响更大。通过采集市区到近郊平原25处30多种常见植物的叶样品，分析比较了北京不同生态功能区（工业、农业、交通、生活休闲区）植物的15种叶属性的空间格局。初步分析表明，从市区到近郊叶厚度和P、Ca、Mg含量等9种属性值总体呈上升趋势，而SLA和C、N、K含量等6种属性值有降低趋势；工业区植物叶N和Zn、Al等含量较高，农业区的N、P含量较高，生活区植物的N、Al、Na等较低但P含量较高。特别地，以常见的葎草为例研究了大气活性氮组分对葎草全氮含量和δ15N的影响，发现大气氮沉降浓度与葎草叶片氮含量和δ15N显著正相关，且嫩叶对铵态氮响应最明显。在这些实测数据的基础上，整合相关文献数据，系统分析了中国近2000种陆生植物叶氮磷等多种元素的化学计量特征、地理格局及其与气候、土壤酸性和肥力植物多样性等生态因素的关系，结果表明这些植物化学元素在经、纬度方向上具有相似的地理格局，但它们对不同环境因子的响应不同：例如植物磷和铝对温度（比降水）响应更明显，而氮等其他元素更明显受降水影响；那些经常限制植物生长的营养元素在植物体内的含量具有相对稳定性，其对环境变化的响应也较为稳定（限制元素稳定性假说）。在本项目资助下，本课题组成员还与其他研究人员合作，进行了系列相关研究：分析了我国植物化学计量对大气氮沉降的响应，发现植物叶氮与大气活性氮浓度近30年来呈现一致的上升趋势，而叶磷却没有显著变化；研究了气候、土壤和生长型对中国东部森林氮磷的影响，发现叶氮主要与植物生长型相关，而磷和氮磷比则由气候和生长型共同决定；全球陆生植物和土壤碳氮比对二氧化碳浓度升高和氮添加的响应分析表明，植物和土壤碳氮计量的变化与氮的动态关系更密切。本项目的系列研究结果和相关数据，将为全球环境变化背景下泛北京地区以至全国尺度碳氮磷等元素的生物地化循环和生物地理学的耦合建模提供参考。