Unveiling the adaptation strategies of woody plants in remnant forest patches to spatiotemporal urban expansion through leaf trait networks

Background:With the expansion of urban areas,the remnants of forested areas play a crucial role in preserving biodiversity in urban environments.This study aimed to explore the impact of spatiotemporal urban expansion on the networks of leaf traits in woody plants within remnant forest patches,thereby enhancing our understanding of plant adaptive strategies and contributing to the conservation of urban biodiversity.Methods:Our study examined woody plants within 120 sample plots across 15 remnant forest patches in Guiyang,China.We constructed leaf trait networks (LTNs) based on 26 anatomical,structural,and compositional leaf traits and assessed the effects of the spatiotemporal dynamics of urban expansion on these LTNs.Results and conclusions:Our results indicate that shrubs within these patches have greater average path lengths and diameters than trees.With increasing urban expansion intensity,we observed a rise in the edge density of the LTN-shrubs.Additionally,modularity within the networks of shrubs decreased as road density and urban expansion intensity increased,and increases in the average path length and average clustering coefficient for shrubs were observed with a rise in the composite terrain complexity index.Notably,patches subjected to‘leapfrog’expansion exhibited greater average patch length and diameter than those experiencing edge growth.Stomatal traits were found to have high degree centrality within these networks,signifying their substantial contribution to multiple functions.In urban remnant forests,shrubs bolster their resilience to variable environmental pressures by augmenting the complexity of their leaf trait networks.

南亚热带不同海拔常绿阔叶林树种叶性状的比较分析

南亚热带地带性植被是季风常绿阔叶林(海拔300~600 m;简称季风林),在中山地带则分布为山地常绿阔叶林(海拔1000~1500 m;简称山地林)。山地林的生态价值日益受到重视,但是对其树种的环境适应性仍缺乏足够了解。该研究基于南亚热带典型山地林(广西大明山)和季风林(广东鼎湖山)的固定样地,共测定57种代表性树种的叶形态解剖特征、机械强度和水力学性状,比较不同海拔常绿阔叶林树种叶性状以及多类性状关联性的差异。结果表明,与季风林树种相比,山地林树种叶较厚、比叶面积较小、机械强度较高,有利于提高对较高海拔山区冬季冰冻的适应能力。在2022年夏季持续高温干旱时期,季风林树种的叶水势和水力安全边界均低于山地林。但是大部分树种水力安全边界为正值且种间变异较大,表明不同海拔常绿阔叶林的水力风险较低。不同海拔常绿阔叶林的叶性状网络不同,山地林树种叶水力安全性和效率性无权衡关系,而季风林树种叶经济学性状(如比叶面积)与其他指标的关联性较弱。基于叶性状的研究揭示了南亚热带不同海拔常绿阔叶林树种适应策略的差异性和多样性。

闽楠叶形态与叶脉网络性状关系对城市生长环境的响应

植物叶形态与叶脉网络功能性状的协同变异与权衡关系,对深入理解植物叶脉网络功能性状对环境变异的生态适应,以及预测植物物种生活习性对城市化过程的响应具有重要意义。闽楠作为珍贵的常绿阔叶树种,正在城市绿化中逐步推广。针对不同生长环境中(行道与植物园混交林)的闽楠,开展了叶形态与叶脉网络功能性状关系对城市生长环境的响应研究。研究结果表明:闽楠叶性状值基本满足正态分布,各性状变异系数保持在10%—20%之间,群体内性状变异较为丰富,单因素方差分析表明两种环境对叶形态性状的影响比叶脉网络系统的影响更明显;两种生长环境下闽楠叶形态性状组与叶脉网络功能性状组都具有极显著相关性,行道和植物园混交林典型性相关系数分别为0.804和0.795,叶形态性状与叶脉直径呈显著正相关,形态性状、叶脉直径与初级脉密度呈显著负相关;闽楠在响应城市生长环境的过程中呈现出相应的经济权衡机制,行道环境中闽楠以较大的初级脉密度和较小叶面积来确保水分获取和光合之间的平衡,植物园闽楠则采用较低初级叶脉密度、较高叶面积和叶脉直径的叶形态和叶脉网络构建模式。在选择闽楠作为城市绿化树种时,可将叶片形态性状组与叶脉网络功能性状组的协同变化和权衡关系作为选种依据,以提高闽楠在城市环境中的成活率和适应性。

猫儿山交让木叶性状海拔变异格局及其环境影响因子

分析相近树龄单一树种叶性状、叶性状网络的海拔变异格局及其影响因素,有助于排除遗传因素的影响,准确反映环境因子对叶片的作用规律。本研究对猫儿山海拔梯度上中龄林交让木叶片气孔性状、结构性状、化学性状和叶脉性状进行研究,分析了不同海拔(1100、1500和1900 m)叶性状和叶性状网络的变异格局、生活策略以及影响叶性状变异的主要环境因子。结果表明:交让木叶面积、比叶面积、叶厚、叶干物质含量、叶绿素含量、叶氮含量、叶磷含量、叶片C∶N、叶片C∶P、叶脉密度和叶脉直径在不同海拔间存在显著差异。年均温和总辐射分别解释叶性状42.1%和16.2%的变异,是驱动交让木叶性状海拔变异的关键环境因子。年均温对叶面积影响最大(R^(2)=0.73),总辐射对叶厚影响最大(R^(2)=0.72),均为显著正相关。1100 m低海拔交让木叶氮含量、叶磷含量较低,叶性状网络整体和内部均表现松散,采取资源保守型策略;1500 m中海拔交让木叶氮含量、叶磷含量较高,叶性状网络整体连接紧密局部松散,通过增强叶性状间的依赖性,显著提高磷利用效率,来应对落叶林分的竞争,采取资源获取型策略;1900 m高海拔交让木叶厚、叶干物质含量和叶绿素含量较大,叶面积较小,叶性状网络局部连接紧密而整体松散,体现了资源保守型策略。叶片C∶P-叶磷含量权衡关系与磷利用效率密切相关,其变化是辨识不同海拔交让木生活策略的重要指示。

叶脉网络功能性状及其生态学意义

叶脉网络结构是叶脉系统在叶片里的分布和排列样式。早期叶脉网络结构研究主要集中在其分类学意义上;近年来叶脉网络功能性状及其在植物水分利用上的意义已成为植物生态学研究的热点。该文介绍了叶脉网络功能性状的指标体系(包括叶脉密度、叶脉直径、叶脉之间的距离、叶脉闭合度等),综述了叶脉网络功能性状与叶脉系统功能(包括水分、养分和光合产物等物质运输、机械支撑和虫害防御等)的关系,叶脉网络功能性状与叶片其他功能性状(包括比叶重、叶寿命、光合速率、叶片大小、气孔密度等)的协同变异和权衡关系,以及叶脉网络功能性状随环境因子(包括水分、温度、光照等)的变化规律等方面的最新研究进展。此外,叶脉网络功能性状的研究成果也被应用于古环境重建、城市交通规划、流域规划及全球变化研究中。由于叶脉网络功能性状是环境因子与系统发育共同作用的结果,未来开展分子——叶片——植物——生态系统等多尺度的叶脉网络功能性状研究,理清叶脉网络功能性状与气孔失水——茎干导水——根系吸水等植物水分利用的关系,将为预测植物及生态系统对全球变化的响应提供新的启示。