GEB | 木本入侵植物的降雨分配全球模式

Global patterns of rainfall partitioning by invasive woody plants

木本入侵植物的降雨分配全球模式

期刊简介

Global Ecology and Biogeography，中科院分区环境科学与生态学大类1区，生态学小类1区，自然地理小类1区，Top期刊，IF 6.446（2019），自引率4.70%（2019–2020）。

半月刊，年均文章数约146篇，平均审稿速度约8–16周。

信息来源：LetPubhttps://www.medsci.cn/sci/journal-discuss?id=7ccc7457

壹

研究进展

研究背景：数百种木本植物被引入其本土分布范围之外，用于如林业种植、食品生产和观赏用途等；其中大量物种已具明显入侵特性，对所侵入生态系统原有结构和功能造成影响。

研究不足：现有研究多集中于描述植物形态特征和功能属性与物种入侵之间的关系，鲜有关于在侵入生态系统中植物降水再分配特征，尤其是对根区集中高效汇水能力的评估。此外，目前研究较少对比入侵物种种间，以及相同生境中本地种和入侵种之间的降雨分配模式（即冠层截留、穿透雨和树干茎流）。

研究意义：由于存在以上研究不足，不利于深入认识植被形态特征如何影响（比如，最大化、减少，或无显著作用）降水输入量，进而阻碍了全球尺度上对入侵生境中生态水文过程的透彻理解。

综上，该研究全球尺度上共收集100项研究数据，记录并评估了67种入侵物种的形态特征和降雨再分配模式。通过荟萃分析，进行了47次乡土种和外来种的降雨再分配对比，评估了降水再分配各组分如何受水资源可用性的影响。

贰

研究目的

（1）总结并量化全球尺度上木本入侵植物的树干茎流、穿透雨和冠层截留损失；

（2）分析入侵物种的形态特征(比如，生活型life form、树皮粗糙度、叶型、叶物候和叶面积指数)对降雨再分配的影响；

（3）对比入侵种和本地种的降雨再分配模式，并检验以上降水再分配组分变异性是否取决于研究区域的水分可用性water availability（比如，采用干旱指数表征）。

叁

数据来源

数据库及指标

（1）将同行评审期刊上的100项研究生成数据库，包括751种木本入侵物种（434种乔木和317种灌木）的降雨再分配特征；

（2）数据库中包括除南极洲在其余大陆均有分布的67种木本入侵物种（61种乔木和6种灌木），提取了每个研究点上入侵物种的树干茎流、穿透雨和冠层截留比例（Fig 1）；

（3）从选定的100项研究中，提取共存于同一生境的本地种和入侵种的降雨再分配数据（均值、标准差和样本量）；

（4）基于前述标准，将25项研究（包含27种本地种和19种入侵种）生成第二个数据库，进行了47、47和45项本地种和入侵种关于树干茎流、穿透雨和截留损失的对比；

（7）根据研究地理坐标提取相应干旱指数值。

入侵物种界定

（1）不存在人为干扰时，引入种子或有独立生长能力的分株后不少于10年连续自我更替self-replacing的物种；

（2）在离亲本植物相当远的地方引入繁殖后代后具有大面积传播潜力的物种。

形态属性数据源

（1）关于生活型（即乔或灌木）：优先使用选定文献信息；无相关信息，参考Rejmánek and Richardson（2013）分类依据。

（2）关于其他物种特征，如树皮粗糙度（即粗糙或光滑）、叶类型（即阔叶、针叶或羽状叶）、叶物候学（即常绿或落叶）和叶面积指数，使用选定文献或开放数据库信息，包括全球入侵物种数据库（www.iucngisd.org/gisd/）、有用热带植物数据库the Useful Tropical Plants（tropical.theferns.info/）、密苏里植物园数据库（www.missouribotanicalgarden.org），以及TRY植物性状数据库（www.try-db.org/TryWeb/Home.php）

肆

数据分析

（1）采用单因素方差分析检验降雨再分配各组分变异性是否与物种生活型（即乔木和灌木）、树皮粗糙度（即粗糙或光滑）、叶类型（即阔叶、针叶或羽状叶）和叶物候学（即常绿或落叶）有关；

（2）采用Tukey’s检验植被形态特征morphological traits，采用拟泊松误差分布quasi-Poisson error distribution检验诸如叶面积指数的数量性状quantitative traits；

（3）基于降水再分配组分特征和植被形态特征，采用主坐标分析Principle Coordinate Analysis识别入侵物物种不同类群group；

（4）为了确定多变量排序（the multivariate ordination）中的主要变量，使用了R中的“envfit”函数，并对R包“vegan”进行了1000次置换；

（5）使用模糊限制语d（Hedges’ d ）估计本地和入侵物种之间标准化平均误差（SMD），总结截留（n = 47，成对比较）、穿透雨（n = 4 7）和树干茎流（n = 45）的影响大小。SMD=（M1–M2）/sp；其中M1和M2分别表示入侵物种和本地物种的截留、穿透雨和茎流的平均值，sp是两组的合并标准差；

（6）使用R包“metafor”中的“escalc”和“rma.mv”功能，分别拟合随机效应模型来检验降雨再分配组分（冠层截留，穿透雨，树干茎流）在比较物种间的平均效应大小，以及拟合混合效应模型检验平均效应大小是否取决于某一个类别（如干旱指数等）的调节变量大小；

（7）基于干旱指数（AI），研究区域可分为“旱区”（AI <0.65）和“润区”（AI >0.65）。

伍

研究结果

01

穿透雨、树干茎流和冠层截留分别占总降雨量的39.1%–92.7%、0.1%–31.6%和1.6%–59.5%（Fig 1）。

02

树皮粗糙度和叶片类型是驱动降雨再分配变异性的最重要因素。

粗糙树皮利于冠层截获而导致更高的损失，降低冠层下降雨输入量；光滑树皮且叶片较宽的物种可最大化树干茎流量，增加根区土壤水分补给量（Table 1和Fig 2）。

03

旱区和润区入侵种的树干茎流量均高于本地种；穿透雨比例在旱区较高，在润区相对较低（Fig 3）。

04

茎流量越大往往意味着树干茎流对该旱区植物越为重要。考虑到茎流在旱区的较大变异性，该研究对茎流量较大的物种分布范围进行了专门探讨，发现部分物种入侵了比其原生生境更干旱的生态系统，表现出对不同可利用水分条件available water condition更强的适应能力（Fig 4）。

陆

研究拓展

01

入侵种树干茎流在旱区和润区均高于本地种；其穿透雨量在旱区更高，润区更低。入侵种的树干茎流产流优势，可能是促进其成功入侵的重要生态水文过程。

02

植被形态特征显著影响降雨再分配模式，进而决定补给土壤水分的潜在水量。较之本地种，入侵种不同的降水再分配特征，对所入侵的生态系统可能有以下生态水文影响：入侵种的茎流产流优势，最大限度增加了树干茎流，即降水的局部集中输入量，对水资源匮乏生境意义尤为重大；此外，该生态水文效应在气候变化背景下尤为值得关注。

03

气候变化背景下，与木本植物入侵相关的生态水文过程及其变异性可能更加值得关注。如前所述，入侵物种具有相对较高的穿透雨和茎流在旱地是有利的，相反，具有较高的截留量和/或较低的茎流来减少水输入的形态特征（如树皮粗糙、针叶的物种）可能会对当地的水文过程和养分循环产生负面结果。

04

木本植物入侵及其所引起的生态水文效应研究结果对于维持或增加人类福祉越发重要，后续研究亟需在流域尺度上阐明木本入侵物种对水分供给产生的生态水文影响。

柒

要点提炼

（1）入侵种树干茎流在旱区和润区均高于本地种；其穿透雨量在旱区更高，润区更低。入侵种树干茎流产流优势可能促成成功入侵的重要生态水文过程。

（2）部分入侵种特定形态结构有利于树干茎流生产，高效的局部水分输入（higher localized water inputs）使其具有独特的生态水文优势，该优势在水资源相对匮乏生境中尤为明显。

（3）未来植物入侵研究中，应适当考虑树干茎流、穿透雨和冠层截留的生态作用。

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END

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本期供稿：周佳玉

河南信阳人，浙江农林大学林业与生物技术学院生态学专业硕士研究生。研究方向为半干旱区典型灌木降水再分配及其生态意义。

本期审稿&编辑：袁川

四川自贡人，浙江农林大学林业与生物技术学院副教授。主要从事干旱胁迫影响下典型生态系统的生态水文过程及其植被生理反馈研究。

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