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北京百花山落叶阔叶林群落内木本植物的叶片功能性状变异特征

高永龙, 孙艳丽, 徐铭泽, 刘杉

高永龙, 孙艳丽, 徐铭泽, 刘杉. 北京百花山落叶阔叶林群落内木本植物的叶片功能性状变异特征[J]. 北京林业大学学报, 2024, 46(4): 40-51. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20220462
引用本文: 高永龙, 孙艳丽, 徐铭泽, 刘杉. 北京百花山落叶阔叶林群落内木本植物的叶片功能性状变异特征[J]. 北京林业大学学报, 2024, 46(4): 40-51. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20220462
Gao Yonglong, Sun Yanli, Xu Mingze, Liu Shan. Variation characteristics in leaf functional traits of woody plants in deciduous broadleaved forest community in Baihua Mountain of Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2024, 46(4): 40-51. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20220462
Citation: Gao Yonglong, Sun Yanli, Xu Mingze, Liu Shan. Variation characteristics in leaf functional traits of woody plants in deciduous broadleaved forest community in Baihua Mountain of Beijing[J]. Journal of Beijing Forestry University, 2024, 46(4): 40-51. DOI: 10.12171/j.1000-1522.20220462

北京百花山落叶阔叶林群落内木本植物的叶片功能性状变异特征

基金项目: 国家重点研发计划项目(2020YFA0608103),北京园林绿化生态系统监测网络项目(GJH-2023-027)。
详细信息
    作者简介:

    高永龙,高级工程师。主要研究方向:植物生理生态、碳汇研究、生态监测与森林经营。Email:w15901560@139.com 地址:101118 北京市通州区宋庄南三街211号

    责任作者:

    孙艳丽,高级工程师。主要研究方向:植物生理生态、碳汇研究、生态监测与森林经营。Email:85638687@qq.com 地址:同上。

  • 中图分类号: S792;Q948.1

Variation characteristics in leaf functional traits of woody plants in deciduous broadleaved forest community in Baihua Mountain of Beijing

  • 摘要:
    目的 

    通过揭示不同生活型植物叶片形态结构性状与生化性状的变异特征、变异来源,以及各功能性状间的相互关系,为阐明典型温带落叶阔叶林木本植物的共存机制提供理论依据。

    方法 

    本研究于2021年7—8月,以北京百花山自然保护区落叶阔叶林内23种落叶木本植物为研究对象,分析灌木(12种)、乔木(11种)2种生活型植物8个关键叶片功能性状的变异特征与相互关系,进一步探讨了叶片性状的变异来源和基于叶片性状的植物生态适应策略。

    结果 

    (1)乔木、灌木2种生活型植物在叶片碳、氮、磷含量,叶片相对含水量和叶组织密度方面没有显著差异,乔木的比叶面积显著低于灌木,其叶厚度和叶干物质含量显著高于灌木。(2)对于大多数叶性状而言,物种变异是解释叶片功能性状变异的主要因素。影响叶厚度与比叶面积变异的主要因素均是物种和生活型,叶干物质含量的变异由物种、个体和生活型三者共同解释。(3)大部分灌木植物位于叶经济谱中快速投资–收益型物种的一端,而乔木物种位于缓慢投资–收益型物种的一端,表明群落内植物在适应环境差异时存在不同的性状权衡策略,比叶面积是划分2种生活型植物生态策略的关键叶性状。

    结论 

    不同生活型植物通过优化结构性状组合,适应冠层垂直梯度的资源再分配,生境的细微环境差异将会促进群落共存和植物的生态位分化。

    Abstract:
    Objective 

    This study aimed to provide a theoretical basis for elucidating the coexistence mechanism of typical temperate deciduous broadleaved woody plants by revealing the variation characteristics, sources of variation, and interrelationships among functional traits of leaf morphology and biochemical traits of different life forms of plants.

    Method 

    We investigated 8 leaf functional traits for 23 woody plants, including 12 shrubs and 11 trees in a deciduous broadleaved forest in Baihuashan Nature Reserve in Beijing, analyzed the variation characteristics of the leaf functional traits and relationships between these traits, and further examined the driving forces of the variations and plant ecological adaptation strategies.

    Result 

    (1) There was no significant difference in leaf carbon, nitrogen and phosphorus content, leaf relative water content and leaf tissue density between tree and shrub species. However, the specific leaf area of tree species was significantly lower than that of shrub species, and leaf thickness and leaf dry matter content were significantly higher than that of shrub species. (2) For most leaf traits, species was the best factor to explain the variation in leaf functional traits. The variations in leaf thickness and specific leaf area mainly came from species itself and life form, and the variation in leaf dry matter content was explained by species, individuals and life form. (3) In addition, the results of trait information axis showed that most shrub species were located at the end of the fast investment income of the leaf economic spectrum, while tree species were located at the end of the slower investment income. These differences indicated that there were diverse trade-off strategies for plant traits to adapt to environmental heterogeneity, and according to our findings, the specific leaf area was the key variable to divide the ecological strategies of two life-form plants.

    Conclusion 

    Different life-form woody plants can acclimate to the resource variation along a vertical canopy gradient by optimizing a combination of leaf structural traits. The slight environmental differences between habitats will accelerate niche differentiation of coexisting plants in the community.

  • 火灾作为影响陆地生态系统循环过程和景观结构重建的重要因子[1-2],在自然因素与人类活动的交互作用下,形成有序分异的空间分布格局[3-4]。其空间分布格局的区域分异影响局部大气环流和生态环境,同时剧烈的燃烧对当地居民的生命财产安全造成了极大的威胁。因此,对火灾的研究,尤其对大范围火灾监测相关问题的讨论,是目前国内外学者关注的热点之一。地形是表示地球表层物质与能量分配的重要指标之一,它主要通过影响植被的形成以及小区域气象条件进而影响火灾的发生与蔓延,是进行火灾地形规律性分析的重要参数。

    近10年来,由于科学技术的进步,区域尺度火灾监测的手段也越来越丰富。HJ、MODIS、NOAA及Landsat系列均可实现对火灾的监测[5-10]。其中,MODIS数据由于监测时间序列长、数据稳定且适用性良好而被广泛应用。以往在火灾分布地形规律性的研究中,主要集中于包括地形、气候、植被等在内的多种因子综合分析,也曾得出地形与火灾空间分布的相互关系,取得了诸多成果[11-12]。Fang等[13]认为火险天气是影响火灾规模的主要驱动因素,而植被和地形对火烧烈度的影响则更大。通过增强回归数模型发现,地形因子能解释29.2%的火烧强度空间分布异质性。Guo等[14]研究认为高程、到铁路的距离、森林类型及月平均气温对人为火的空间分布起到决定性的作用,但进一步定量分析各地形因子与火灾分布关系的研究则相对较少。仅有的研究大多针对个别地区或单场火灾。Kushla等[15]通过回归分析研究地形因素对1991年Willamette国家森林公园大火的影响。苏漳文等[16]利用长时间序列上人为火的空间地理坐标、基础地理信息和矢量化林相图,采用Logistic回归模型深入分析地形环境因素对塔河林业局人为火的影响。陈正洪[17]利用火灾历史记录数据,定性研究地形对鄂西山区森林火灾分布特征的影响。但是,区域尺度甚至全球背景下的火灾分布地形规律性的研究则相对鲜见。

    内蒙古是中国北方重要的生态屏障,同时也是全国火灾高发的省份之一。境内丰富的可燃物和频繁的人类活动为火灾的发生提供了有利条件。据统计,2014年内蒙古火场总面积为5 059 hm2,仅次于云南省和广西省,是全国火灾重点防范区[18]。本研究以MOD14A1/MYD14A1热异常产品数据集和数字高程模型为基础,采用ArcGIS空间分析法和均值变点法提取内蒙古火点与相关地形因子信息。以该数据为基础,并结合土地利用数据,分析火点与地形因子的关系,以期为区域火灾管理提供科学依据。

    内蒙古位于中国北部边疆,地理位置介于37°24′~53°23′N,97°12′~126°04′E之间,全区土地总面积约为1.18×106 km2。地势西高东低,地貌类型以山地高平原为主,平均高原面约为1 021 m。该区域气候类型为典型大陆性季风气候,冬季寒冷漫长、夏季炎热干燥。年降水量在50~450 mm之间,降水地区分布不均匀,东部多西部少,且降水主要集中在夏季。由于受到降水、温度及土壤特性等因素的影响,植被覆盖类型由东北向西南依次为:森林→森林草原→草甸草原→典型草原→荒漠草原→草原化荒漠。

    1) 火点数据。选取搭载于Terra和Aqua卫星上由MODIS传感器获取的2000—2015年覆盖整个内蒙古的MOD14A1/MYD14A1(Thermal Anomalies/Fire Daily L3 Global 1km Sin Grid)热异常产品数据集,可由NASA陆地数据分发中心下载(https://ladsweb.nascom.nasa.gov/)。该数据集包含火点信息(Fire Mask),其中,Fire Mask数据空间分辨率为1 km,时间分辨率为1 d,栅格属性值对应的内容如表 1所示。对于Fire Mask的处理,利用MRT工具对其进行批量拼接和投影转换,设置数据格式为Tiff,投影类型为Albert。

    表  1  Fire Mask数据集属性值含义
    Table  1.  Specific content of 10 levels of fire mask
    属性值
    Attribute value
    对应具体含义
    Corresponding meaning
    0 未处理像元Unprocessed pixel
    1 未处理像元Unprocessed pixel
    2 未处理像元Unprocessed pixel
    3 水域Water pixel
    4 云Cloud
    5 没有火的裸地Non-fire bare land pixel
    6 未知像元Unknown pixel
    7 低置信检测火点Fire (low confidence, land or water)
    8 中置信检测火点Fire (middle confidence, land or water)
    9 高置信检测火点Fire (high confidence, land or water)
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    2) DEM数据。本文采用SRTM-DEM数据,空间分辨率为90 m,由地理空间数据云提供(http://www.gscloud.cn/)。其他数据包括内蒙古行政矢量边界线,投影类型统一采用Albert。

    1) 火点的提取。利用MRT转换工具做批量图幅拼接及投影转换,将原有的Sinusoidal投影转换为适合中国地区的Albert投影。利用ENVI/IDL软件进行波段整合、裁剪并提取MOD14A1\\MYD14A1数据集中的FireMask.HDF数据。该数据集中包含火点信息,着火像元各属性值对应内容如表 1所示。同时利用QA数据集进行质量控制,以剔除伪火点。研究结果表明,提取8+9数据集最适合区域尺度上的火点监测研究[19]。因此,本文提取数据集中的高概率火点(中置信检测火点和高置信检测火点),从而实现大区域长时间序列上的火点监测。

    2) 地形因子的提取与分级。应用ArcGIS空间分析工具,从研究区DEM中提取相关的高程、坡度和地形起伏度信息并进行等级划分。对于高程级别的划分,根据研究区的实际情况,选择以200 m为一级的划分标准,将研究区高程划分为80~300 m、300~500 m、500~700 m、700~900 m、900~1 100 m、1 100~1 300 m、1 300>1 500 m、>1 500 m 8个等级。坡度的划分借鉴中国科学院地理研究所编制的中国1:1 000 000地貌图制图规范[20],将研究区坡度划分为0°~2°、2°~7°、7°~15°、15°~25°、25°~35°、>35° 6个等级。

    地形起伏度是描述区域地貌起伏变化的重要参数,常用某一确定面积内最大高程与最小高程之差来表示[21-22]。研究地形起伏度的关键是确定最佳统计单元来反映真实的地形起伏,也就是定义某一确定面积。本文采用均值变点分析法[23-24]计算最佳统计单元。

    令单位地势度数据序列{xi}中的i=2,3,…,N,将样本分为x1x2,…,xi-1xixi+1,…,xn两段。计算每段样本的平均值Xi1Xi2和分段样本离差平方和之差Si

    ˉX=Ni=1xi/N (1)
    Si=Ni=1(xiˉXi1)2Ni=1(xiˉXi2)2 (2)

    式中:X为总的样本平均值,Xi1Xi2为分段样本平均值,Si为分段样本离差平方和。

    计算总的样本的离差平方和SS-Si值最大时对应的窗口数就是我们所求的最佳统计窗口。

    S=Ni=1(xiˉX)2 (3)

    S-Si绘制出的差值曲线(图 1)可以看出在第8个点时S-Si值最大。因此,提取内蒙古地形起伏度的最佳分析窗口为8×8,最佳统计单元为0.52 km2。下文提取的内蒙古地形起伏度都是基于8×8分析窗口下的地形起伏度数据。确定好提取地形起伏度的最佳统计单元后,在最佳统计单元的基础上,获取内蒙古的地形起伏度信息。同时,根据中科院地貌图制图规范和已有研究成果[25]对地形起伏度进行了划分,将内蒙古地形起伏度划分为1~30 m、30~70 m、70~200 m、>200 m 4个等级。

    图  1  SSi差值变化曲线
    S代表总的样本离差平方和,Si代表分段样本离差平方和。
    Figure  1.  Change curve of difference between S and Si
    S and Si represent sum of squares of total sample deviation and sum of squares of partial sample deviation, respectively.

    图 2可以看出,内蒙古地势西高东低,高程较高的地区主要集中在内蒙古的西南部。表 2显示了内蒙古各地形因子级别区所占的面积和比例。第1、2、3、4高程级别区(80~300 m、300~500 m、500~700 m、700~900 m)主要分布在内蒙古的最东侧,包括大兴安岭南麓平原一直向南延伸至科尔沁沙地、呼伦贝尔高平原及锡林郭勒高平原的北部。第5高程级别区(900~1 100 m)的土地面积为2.4×105 km2,所占比例为21%,是土地面积最大的高程级别区。它与第6、7高程级别区(1 100~1 300 m、1 300~1 500 m)主要分布在大兴安岭两侧、锡林郭勒高平原的大部分地区、河套平原及阿拉善高原的大部分地区。第8高程级别区(>1 500 m)的土地总面积为1.0×105 km2,占总土地面积的9%,是土地面积相对较小的地区,主要在阴山一带、贺兰山、鄂尔多斯高平原等地零星分布。

    图  2  研究区高程、坡度、地形起伏度分级图
    Figure  2.  Hierarchical map of elevation, slope degree and amplitude of landform in the study area
    表  2  各地形因子级别区所占面积和比例
    Table  2.  Area and proportion of different topographic factor levels
    地形因子Topographic factor 1 2 3 4 5 6 7 8
    高程
    Elevation
    范围Range/m 80~300 300~500 500~700 700~900 900~1 100 1 100~1 300 1 300~1 500 >1 500
    面积Area/km2 65 448 77 403 118 107 124 043 240 489 196 732 219 958 101 045
    百分比Percentage/% 6 7 10 11 21 17 19 9
    坡度
    Slope degree
    范围Range/(°) 0~2 2~7 7~15 15~25 25~35 >35
    面积Area/km2 656 341 308 657 141 939 32 935 3 069 283
    百分比Percentage/% 57 27 12 3 0 0
    地形起伏度
    Amplitude of
    landform
    范围Range/m 1~30 30~70 70~200 200~500
    面积Area/km2 690 749 220 245 222 057 14 592
    百分比Percentage/% 60 19 19 1
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    图 2可以看出:内蒙古的坡度以前3个坡度级别区为主,3个坡度级别区的土地面积所占比例高达96%。第1坡度级别区(0°~2°)的土地面积最大,占总土地面积的57%,广泛分布于内蒙古的中、西部地区和呼伦贝尔高平原、科尔沁沙地等。第2坡度级别区的土地面积为2.7×105 km2,土地面积位居全区第2。分布相对分散,主要分布在大兴安岭、阴山、贺兰山等山地地区。

    图 2还可以看出:内蒙古地形平坦,起伏较小。地形起伏度级别区(1~30 m、30~70 m、70~200 m、>200 m)的土地面积分别为6.9×105 km2、2.2×105 km2、2.2×105 km2、0.15×105 km2,所占比例依次为60%、19%、19%、1%。内蒙古地形起伏度以1~30 m为主。地形起伏较大的地区仅分布在大兴安岭向南一直延伸至科尔沁沙地东南缘。

    由MOD14A1/MYD14A1热异常数据集提取内蒙古的火点分布信息,结果显示2000—2015年内蒙古共有12 002个火点。将高程图与火点分布图叠加,统计得到单位高程上的火点分布特征。由图 3可以看出,火点分布的高程范围广,在83~2 291 m之间均有火点分布。在高程为138 m时,火点分布个数最多(37个)。高程在小于100 m和大于1 500 m处,火点仅有零星分布。从整体来看,火点个数与高程的分布曲线呈现倒“V”形,即随着高程的升高,火点个数呈现先增加后减少的变化趋势。对高程进行分级后,得出火点个数在不同高程级别区的分布(表 3)。其中,前3个高程级别区内,火点个数均在2 000个左右,分别为1 993、2 972、2 316个,所占比例分别为17%、25%、19%,达到整个研究时段总火点个数的63%。因此,火点主要分布在高程为80~700 m之间的区间范围内。

    图  3  单位高程上的火点个数
    Figure  3.  Number of firepots per elevation unit
    表  3  火点个数在不同高程级别区的分布
    Table  3.  Distribution of firepots at different elevation levels
    项目Item 1 2 3 4 5 6 7 8
    高程值Elevation value/m 80~300 300~500 500~700 700~900 900~1 100 1 100~1 300 1 300~1 500 >1 500
    火点个数Number of firepot 1 993 2 972 2 316 1 797 1 197 935 593 199
    百分比Percentage/% 17 25 19 15 10 8 5 2
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    将坡度图与火点分布图叠加,统计得到单位坡度上的火点分布特征。由图 4可以看出:坡度在0.3°时,火点个数最多(308个)。坡度大于10°时,火点仅零星分布。从整体来看,火点个数随坡度的增加呈现降低的变化趋势。对坡度进行分级后,得出火点个数在不同坡度级别区的分布(表 4)。第1坡度级别区(0°~2°)内,坡度十分平缓,近乎平地。火点个数为5 071,所占比例为42%,是火点分布个数最多的坡度级别区。其次为第2、3坡度级别区(2°~7°、7°~15°),其火点个数分别为4 361和2 267,所占比例依次为36%和19%。前2个坡度级别区的火点总数达9 432个,占整个研究时段火点总个数的79%。因此,火点主要分布在坡度小于7°的地区,随着坡度的升高,火点个数逐渐减少。

    图  4  单位坡度上的火点个数
    Figure  4.  Number of firepots per slope degree unit
    表  4  火点个数在不同坡度级别区的分布
    Table  4.  Distribution of firepots at different slope levels
    项目Item 1 2 3 4 5 6
    坡度值Slope degree value/(°) 0~2 2~7 7~15 15~25 25~35 >35
    火点个数Number of firepot 5 071 4 361 2 267 290 11 2
    百分比Percentage/% 42 36 19 2 0 0
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    将地形起伏度与火点分布图叠加,统计得到单位地形起伏度上的火点分布特征。由图 5可以看出:地形起伏度为4 m时,火点个数最多(542个);地形起伏度大于200 m时,火点仅零星分布。从整体来看,火点个数随着地形起伏度的增加呈现一直降低的变化趋势,但降低的趋势较平缓。对地形起伏度进行分级后,得出火点个数在不同地形起伏度级别区上的分布(表 5)。第1、2个地形起伏度级别区(1~30 m、30~70 m)内,火点个数分别为4 780和3 602,所占比例依次为40%和30%。前两个地形起伏度级别区内火点总个数达8 382个,集中了整个研究时段总火点个数的70%。因此,内蒙古火点多分布在1~70 m的地形起伏度区间内。这类地区地形相对平坦、起伏较小。

    图  5  单位地形起伏度上的火点个数
    Figure  5.  Number of firepots per unit amplitude of landform
    表  5  火点个数在不同地形起伏度级别区的分布
    Table  5.  Distribution of firepots at different levels of amplitude of landform
    项目Item 1 2 3 4
    地形起伏度值Amplitude value of landform/m 1~30 30~70 70~200 >200
    火点个数Number of firepot 4 780 3 602 3 528 92
    百分比Percentage/% 40 30 29 1
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    基于MODIS数据提取的2000—2015年火点信息与内蒙古地形因子叠加可知,火灾主要发生在高程低(80~700 m)、地形平坦(0°~7°)、起伏小(1~70 m)的地区。一般情况下,地形平坦、起伏小的区域,有利于农牧业生产的开展。因此,与农牧业生产相关的人类活动在这类区域分布集中。李兴华等[26]统计近20年内蒙古森林草原火灾的起火原因发现,人为因素引发的火灾占火灾总数的61%,未查明原因的火灾占33%。由此可知,高程低、地形平坦、起伏小的区域,火点分布较多可能是由于土地利用和人类活动造成的。但起火后,坡度与火灾燃烧的关系表现为:小坡度的燃烧相对稳定,火焰高度较小,蔓延速度缓慢。随着坡度的增大,火焰蔓延速度加快,火焰高度增大[27]

    为了进一步明确高程低、地形平坦、起伏小等火点集中分布区内,土地利用类型的分布特征,研究获取2005年的MCD12Q1土地利用/土地覆被产品数据。根据本文的研究目的,将国际地圈生物圈计划(International Geosphere Biosphere Programme,IGBP)的土地利用/土地覆被分类体系中的17大地类合并为林地、草地、农业用地及其他类型4大类。首先,提取高程区间在80~700 m之间的主要土地利用类型。结果显示该类地区草地占绝对优势,达到58%;其次为耕地和林地,分别为26%和16%;其他类型仅占1%。其次,提取地形起伏度为1~70 m的土地利用类型。结果表明,该地区的土地类型分别为草地、其他类型、耕地和林地,所占比例依次为59%、29%、8%和5%。由此可知,火灾发生最佳高程和地形起伏度区间内,火点个数分布最多的土地利用类型均为草地。这可能是由于草地可燃物丰富,在植被返青前枯草量大,一旦经受外界环境的干扰极易发生火灾[28]

    但是,在本研究中,在最佳高程区间和最佳地形起伏度区间上提取的第2大土地利用类型并不一致。最佳高程区间(80~700 m)内,提取的第2大土地利用类型为耕地(26%);而最佳地形起伏度区间(1~70 m)内,提取的第2大土地利用类型为其他类型(29%)。实际情况显示,其他类型主要分布在内蒙古西部的阿拉善高原,这类地区火点分布较少。造成这种错判的原因可能是其他类型分布的地区地形平坦,而火点正好主要分布在地形起伏较小的地区。因此,很难将二者区分出来。由于耕地是人类生产活动的主要载体,尤其是春秋季的烧荒活动极易引发火灾,因此,耕地是火灾发生的第2大土地利用类型,其次为林地和其他类型。

    本文基于内蒙古栅格数字高程模型,运用GIS空间分析方法,提取基于栅格尺度上的内蒙古高程、坡度和地形起伏度3个地形因子,同时利用由MODIS传感器获取的2000—2015年覆盖整个内蒙古的MOD14A1/MYD14A1热异常数据集提取火点分布,通过对火点在不同地形因子级别上分布特征的分析,揭示内蒙古火灾的地形特征规律性。

    1) 总体来看,内蒙古的地形特征呈现地势西南高东北低,地形平坦、起伏小的分布特征。地形起伏较大的地区仅分布在大兴安岭向南延伸至科尔沁沙地南缘一带。

    2) 采用均值变点分析法,确定内蒙古地形起伏度的最佳统计单元为0.52 km2。火灾分布在地形因子的作用下表现出一定的地形梯度性。火点个数随高程的升高呈现先增大后减小的变化趋势,而火点个数随地形起伏度和坡度的增大呈现逐渐下降的趋势。其中,火点分布较多的高程、坡度、地形起伏度区间分别为80~700 m、0°~7°、1~70 m。火灾主要发生在高程低、地形平坦、起伏小的地区。

    3) 火点分布最多的地形因子区间内,土地利用类型面积排序为草地>耕地>林地>其他类型。

  • 图  1   百花山典型木本植物叶片功能性状的种间差异

    1. 大叶胡枝子; 2. 光萼溲疏;3. 胡枝子;4. 瘤枝卫矛; 5. 六道木;6. 牛叠肚;7. 栓翅卫矛;8. 溲疏;9. 土庄绣线菊;10. 绣线菊;11. 长白忍冬;12. 巧玲花;13. 榆树;14. 白桦;15. 白腊;16. 核桃楸; 17. 黑桦;18. 黄榆;19. 裂叶榆;20. 华北落叶松;21. 蒙古栎;22. 五角枫; 23. 山杨。*、**和***分别代表灌木与乔木在P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001水平存在显著差异。1, Lespedeza davidii; 2, Deutzia glabrata; 3, Lespedeza bicolor; 4, Euonymus verrucosus; 5, Abelia biflora; 6, Rubus crataegifolius; 7, Euonymus phellomanus; 8, Deutzia scabra; 9, Spiraea pubescens; 10, Spiraea salicifolia; 11, Lonicera ruprechtiana; 12, Syringa pubescens; 13, Ulmus pumila; 14, Betula platyphylla; 15, Fraxinus chinensis; 16, Juglans mandshurica; 17, Betula dahurica; 18, Ulmus macrocarpa; 19, Ulmus laciniata; 20, Larix gmelinii var. principis-rupprechtii; 21, Quercus mongolica; 22, Acer pictum subsp. mono; 23, Populus davidiana. *, **, and *** represent significant differences between shrubs and trees at the levels of P < 0.05, P < 0.01, and P < 0.001, respectively.

    Figure  1.   Interspecific differences in functional traits of typical woody plant leaves in Baihua Mountain

    图  2   生活型、物种和个体对植物叶片功能性状变异的贡献

    Figure  2.   Contribution of life form, species and individuals to the variation of plant leaf functional traits

    图  3   叶片功能性状的主成分分析

    Figure  3.   Principal components analysis (PCA) of leaf functional traits

    表  1   百花山自然保护区内23种木本植物的基本信息

    Table  1   Basic information of 23 woody plants in Baihua Mountain Nature Reserve

    物种 Species 科名 Family name 生活型 Life form
    大叶胡枝子 Lespedeza davidii 豆科 Leguminosae 灌木 Shrub
    胡枝子 Lespedeza bicolor 豆科 Leguminosae 灌木 Shrub
    光萼溲疏 Deutzia glabrata 虎耳草科 Saxifragaceae 灌木 Shrub
    溲疏 Deutzia scabra 虎耳草科Saxifragaceae 灌木 Shrub
    瘤枝卫矛 Euonymus verrucosus 卫矛科 Celastraceae 灌木 Shrub
    栓翅卫矛 Euonymus phellomanus 卫矛科 Celastraceae 灌木 Shrub
    六道木 Abelia biflora 忍冬科 Caprifoliaceae 灌木 Shrub
    长白忍冬 Lonicera ruprechtiana 忍冬科 Caprifoliaceae 灌木Shrub
    牛叠肚 Rubus crataegifolius 蔷薇科 Rosaceae 灌木 Shrub
    土庄绣线菊 Spiraea pubescens 蔷薇科 Rosaceae 灌木Shrub
    绣线菊 Spiraea salicifolia 蔷薇科 Rosaceae 灌木 Shrub
    巧玲花 Syringa pubescens 木犀科 Oleaceae 灌木Shrub
    华北落叶松 Larix gmelinii var. principis-rupprechtii 松科 Pinaceae 乔木Tree
    黑桦 Betula dahurica 桦木科 Betulaceae 乔木 Tree
    白桦 Betula platyphylla 桦木科 Betulaceae 乔木 Tree
    白腊 Fraxinus chinensis 木犀科 Oleaceae 乔木 Tree
    核桃楸 Juglans mandshurica 胡桃科 Juglandaceae 乔木 Tree
    黄榆 Ulmus macrocarpa 榆科 Ulmaceae 乔木 Tree
    裂叶榆 Ulmus laciniata 榆科 Ulmaceae 乔木 Tree
    榆树 Ulmus pumila 榆科 Ulmaceae 乔木Tree
    蒙古栎 Quercus mongolica 壳斗科 Fagaceae 乔木 Tree
    五角枫 Acer pictum subsp. mono 槭树科 Aceraceae 乔木 Tree
    山杨 Populus davidiana 杨柳科 Salicaceae 乔木 Tree
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    表  2   所选植物叶功能性状指标及其主要功能

    Table  2   Selected plant leaf functional traits and their main functions

    叶性状类型
    Type of leaf trait
    变量
    Variable
    英文缩写
    English
    abbreviation
    单位
    Unit
    生态学含义
    Ecological implication
    生物化学性状
    Biochemical trait
    叶氮含量
    Leaf nitrogen content
    LNC % 资源获取和衡量光合潜力
    Resource acquisition and photosynthetic potential evaluation
    叶碳含量
    Leaf carbon content
    LCC % 构建和防御 Building and defense
    叶磷含量
    Leaf phosphorus content
    LPC % 资源获取和生长代谢 Resource acquisition and growth metabolism
    形态结构性状
    Morphological and
    structural trait
    叶厚度
    Leaf thickness
    Lt mm 生存策略以及光合呼吸、蒸腾相关的碳成本
    Survival strategy and carbon costs related to photosynthetic respiration and transpiration
    叶干物质含量
    Leaf dry matter content
    LDMC g/g 抗逆性和对抗物理危害(如食草动物、风、冰雹)的防御能力 Resistance and defense capability against physical hazards such as herbivores, wind, and hail
    比叶面积
    Specific leaf area
    SLA cm2/g 植物的生长状况、资源获取及叶片截获光的能力
    Growth status, resource acquisition, and capture light ability of plants
    叶片相对含水量
    Leaf relative water content
    LRWC g/cm2 植物的水分状况、抗旱性及环境适应
    Water status, drought resistance, and environmental adaptation of plants
    叶组织密度
    Leaf tissue density
    LTD g/cm3 叶片的韧性和抗逆性
    Toughness and stress resistance of leaves
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    表  3   北京百花山23种木本植物叶片功能性状统计特征

    Table  3   Statistical characteristics of leaf functional traits of 23 woody plants in Baihua Mountain, Beijing

    统计特征 Statistical characteristics LNC/% LCC/% LPC/% Lt/mm LDMC/(g·g−1 LRWC/% SLA/(cm2·g−1 LTD/(g·cm−3
    平均值 ± 标准偏差
    Mean ± standard deviation
    2.3 ± 0.4 44.3 ± 1.8 0.10 ± 0.04 0.3 ± 0.1 0.30 ± 0.10 62.4 ± 12.0 251.0 ± 114.0 0.4 ± 0.1
    最小值 Min. value 1.6 40.3 0.09 0.1 0.07 44.4 65.4 0.2
    最大值 Max. value 3.2 47.8 0.20 0.6 0.50 82.3 527.7 0.7
    变异系数 Coefficient of variation/% 18.2 4.1 28.7 32.8 48.0 19.3 45.2 30.3
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    表  4   百花山23种木本植物叶氮、磷含量、氮磷比与其他研究结果比较

    Table  4   Comparison of leaf nitrogen and phosphorus content and the ratio of nitrogen to phosphorus of 23 woody plants in Baihua Mountain with other studies

    研究区
    Study area
    物种数
    Species number
    LNC/% LPC/% N∶P 参考文献
    Reference
    北京百花山 Baihua Mountain, Beijing 23 2.30 0.14 16.43
    科尔沁沙地 Horqin Sandy Land 52 2.47 0.26 10.40 [32]
    金沙江干热河谷 Dry Hot Valley of Jinsha River 22 2.05 0.26 8.03 [39]
    江西武夷山 Wuyi Mountain, Jiangxi 14 1.71 0.09 19.73 [30]
    青藏高原东缘 Eastern margin of the Qinghai-Tibet Plateau 29 1.31 0.14 10.31 [40]
    云南普洱 Pu’er, Yunnan 152 2.09 0.14 16.50 [31]
    吉林长白山 Changbai Mountain, Jilin 48 2.15 0.22 10.81 [41]
    北京和周边地区 Beijing and surrounding areas 358 2.61 0.20 13.90 [42]
    全国陆生植物 National terrestrial plants 753 2.02 0.15 16.30 [43]
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    表  5   叶片功能性状的Pearson相关系数

    Table  5   Pearson correlation coefficients of leaf functional traits

    叶片功能性状
    Leaf functional trait
    LNC LCC LPC Lt LDMC LRWC SLA
    LCC 0.01
    LPC 0.56** −0.14
    Lt 0.08 −0.15 0.20
    LDMC 0.21 0.39 −0.10 0.25
    LRWC −0.05 −0.10 0.12 0.46* −0.23
    SLA 0.09 −0.24 0.24 −0.13 −0.75** −0.09
    LTD −0.14 0.27 −0.39 −0.49* 0.43* −0.18 −0.73**
    注:*代表两两叶片性状在P < 0.05水平存在显著相关;**代表两两叶片性状在P < 0.01水平存在显著相关。Notes: * represents significant correlations between pairwise leaf traits at the level of P < 0.05. ** represents significant correlations between pairwise leaf traits at the level of P < 0.01.
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    表  6   灌木与乔木组间两两叶片性状关系的SMA检验

    Table  6   SMA test for the relationship of pairwise leaf traits between shrubs and trees

    类别
    Category
    生活型
    Life form
    R2P斜率
    Slope
    95%置信区间
    95% confidence interval
    SLA-LDMC灌木 Shrub0.30 < 0.05−854.08a(−488.72,−1 492.56)
    乔木 Tree0.59 < 0.001−732.46a(−4467.08,−1 179.86)
    SLA-LTD灌木 Shrub0.66 < 0.01−1046.08a(−1 564.72,−699.35)
    乔木 Tree0.65 < 0.001−716.80a(−1 102.74,−465.93)
    LTD-LDMC灌木 Shrub0.230.120.82a(0.45,1.47)
    乔木 Tree0.170.211.04a(0.55,1.97)
    LTD-Lt灌木 Shrub0.29 < 0.05−1.20a(−2.11,−0.68)
    乔木 Tree0.50 < 0.05−1.16a(−1.93,−0.70)
    LRWC-Lt灌木 Shrub0.130.26142.13a(76.57,263.81)
    乔木 Tree0.34 < 0.05118.57a(66.43,211.65)
    LNC-LPC灌木 Shrub0.29 < 0.0511.29a(6.44,19.81)
    乔木 Tree0.34 < 0.059.39a(5.27,16.74)
    注:相同小写字母表示SMA回归斜率在灌木和乔木间差异不显著。Note: the same lowercase letters indicate that there is no significant difference in SMA regression slope between shrubs and trees.
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    表  7   PCA主成分载荷的差异

    Table  7   Differences in PCA principal component load scores

    叶片功能性状
    Leaf functional trait
    主成分1
    Principal component 1
    主成分2
    Principal component 2
    LNC0.460.28
    LCC−0.25−0.05
    LPC0.480.03
    Lt0.05−0.51
    LDMC0.12−0.54
    LRWC0.21−0.10
    SLA−0.260.47
    LTD0.370.01
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-11-13
  • 修回日期:  2023-03-29
  • 录用日期:  2024-03-25
  • 网络出版日期:  2024-03-27
  • 刊出日期:  2024-04-24

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