基于碳收益最优化假说预测落叶树木叶物候

来源 :华东师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:sharp_z
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叶物候是指植物受外部气候因子与内部生长策略影响,进行周期性展叶与落叶的现象。物候发生时间将直接影响植物养分资源获取,进而影响植被生产力甚至生态系统碳循环等过程,是反映气候变化以及植物适应策略的重要指标。因此了解并模拟叶物候发生规律,有助于预测植物对未来气候变化的响应以及生态系统结构功能的影响。现有的物候模型包括统计模型和过程模型,主要是描述物候与外部气候因子的关系,对于内部生长策略考虑较少,从而在预测同一环境条件下物候种间差异具有局限性。因而本文提出基于碳收益最优化假说预测落叶树木叶物候,认为植物在长期进化适应下形成最优的碳获取策略,使得叶物候期间内获得的平均净碳量或总净碳量最大。对此,本研究根据2021年在华东师范大学闵行校区内33种落叶树木的叶物候观测记录,探究叶物候与决定碳收益的叶性状相关性,并基于碳收益理论构建物候模型,检验落叶树木叶物候的形成是否遵循碳收益最优化假说。主要结果如下:(1)同一环境条件下,各物种展叶物候时间较为集中并且持续时间普遍较短,平均展叶期为第99±13天,持续时间平均约为25±10天,花叶物候顺序对展叶期具有一定影响,先花后叶或花叶同期的物种展叶较早,而先叶后花的物种展叶相对较晚;物候种间差异主要表现在落叶期上,最早落叶与最晚落叶物种相差131天,落叶持续时间平均约为104±10天。相较于展叶期,落叶期与决定碳收益叶性状相关性更高:落叶期与比叶重显著负相关(r=-0.37,P<0.05),与叶总氮含量显著正相关(r=0.38,P<0.05),展叶期与上述性状无显著相关性。(2)为检验碳收益最优化假说对落叶树木适用性,采用了两种碳收益量化方式表征碳收益最优,分别平均净碳量最大和总净碳量最大,并设置了3种模拟情景:1)假设展叶与落叶物候均遵循碳收益最优化假说,模型同时预测展叶与落叶期;2)假设仅展叶物候遵循假说,已知落叶期观测值预测展叶期;3)假设仅落叶物候遵循假说,已知展叶期观测值预测落叶期。基于情景1对比两种碳收益量化方式的预测效果,结果表明,当按照平均净碳量计算时,模型对展叶与落叶期均不具有预测效力,展叶预测值偏大且十分集中(第112–117天)未能体现种间差异;落叶物候预测值整体偏小且集中于第255–264天,与落叶物候观测值(第226–359天)相差较大。当以总净碳量计算时,模型对展叶期无显著预测效果,对落叶期具有预测能力,主要表现为先叶后花物种的预测值与观测值存在显著线性关系(拟合斜率为0.51,R~2=0.72,P<0.01)。(3)由(2)可知,碳收益以总净碳量计算时模型具有一定预测效力,且对展叶期与落叶期预测效果存在差异,为进一步检验展叶与落叶物候对碳收益策略响应的不对称性,基于总净碳量最大分别模拟情景2和3。在情景2中,已知落叶期预测展叶期,模型预测效果相较于情景1没有明显提升。在情景3中,已知展叶期预测落叶期,预测效果提升显著,预测值与观测值间存在显著线性关系(拟合斜率为0.25,R~2=0.14,P<0.05),且先叶后花物种拟合效果更佳(拟合斜率为0.77,R~2=0.86,P<0.001)。综上所述,本研究结果初步证明基于总净碳量最大的“碳收益最优化假说”具有预测落叶树木落叶期种间差异的潜力。这意味着落叶物候受碳收益策略影响,而展叶物候与此无显著关系。
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