中国植物生态学研究40年：历程、进展与展望(连载之七)

蒋高明 刘美珍 李彩虹  郭立月原寒徐子雯

中国科学院植物研究所植被与环境变化国家重点实验室

本文载中国生态学会主编《中国生态学学科40年发展回顾》，科学出版社，2020，pp.173-187

5 发展趋势及展望

植物生态学的核心研究内容是探索植物与环境之间的关系，以及植物适应、进化、资源利用的生态学对策。对于自然现象需要两个基本步骤来达到人们的认知水平，首先是对这一现象进行基本描述，比如什么特点，什么行为模式；其次是对现象发生背后的深层原因进行解析，为什么会有这种现象？背后的机理是什么？人类能否利用这个原理有效地管理与利用自然资源。植物是生态系统最基本的组分，在系统中执行关键机能。绿色植物通过光合作用将光能转变成化学能，吸收养分促进自身生长，为其他所有生物提供能量。植物在养分循环中起到关键作用，因此植物生态学研究是生态系统研究的基础。根据这些特点，建议我国学者重点开展如下植物生态学研究方向：

5.1 植物个体生态学与生理生态学

在自然条件下，研究植物初级生产力和水分关系，分析胁迫条件下植物种适应过程和机制；我国青藏高原特殊植物适应机制，在特定环境下植物生理过程和生理生态特征变化；各种污染物胁迫下植物个体的生理生态研究。利用新手段如通过PAM叶绿素荧光仪在野外不破坏叶片前提下监测光系统II活性，可使植物生理生态学研究向更加微观领域迈进。应用同位素技术判断植物光合途径，评估植物长期水分利用效率，应用同位素分析生理生态现象确定生态系统物质流等，成为生态学研究重要方向。尽管对于植物光合和水分利用模式的关系基本清晰，但在植物生理生态学领域以下几个方面尚未完全理解：

1）植物气孔控制的机制，尤其是有的非CAM途径的植物气孔在夜间仍有部分开放的情况发生(Buckley, 2005; Roelfsema & Hedrich, 2005)，在有夜间雾或凝结水发生的生态系统中，植物叶片吸收空气中水分的途径和机制尚未解决。2）植物个体生物量分配模式机制仍需深入研究 (Blakeley & Dennis, 1993; Lacointe, 2000)。根据光合反应曲线建立模型预测指定条件下植物的日动态行为与实测值之间吻合度非常高（Ryel et al., 1993），但是当时间延长且考虑到植物生长和生物量分配因素后，已有模型则无法正确预测植物实际生长情况。这是因为所有相对生长和分配模型几乎都是基于经验数据，包括许多假设和猜测（Gayler et al., 2006; Osone and Tateno, 2005）。3）竞争条件下，物种相互作用的生理生态学机制是未来生理生态学研究的方向之一。研究表明植物地上和地下部分生长和生物量分配在独立生长和与其他植物共存的情况是不同的 (Bartelheimer et al., 2006; Callaway, 2002; Niu et al. 2008），但这一现象背后的机制尚不清楚。很显然，需要在这些群落和生态系统过程水平上，联系植物个体的生理过程才能阐明这一复杂现象背后的生理机制。4）植物为保护自身免受不良环境影响而形成叶刺、枝条刺，叶片革质化，肉毛覆盖，产生有毒物质，改变颜色等形态和生理变化其机理是什么？目前知之甚少。5）对于环境污染物质监测、吸收有关的植物种选择和生理生态学的研究有待于加强。

5.2 植物种群生态学

种群是物种存在和进化的基本单元，是生态系统的基本组成部分。在某个生态系统中生物种类、种群数量、种的空间配置以及种的时间变化构成了生态系统的基本形态结构。植物种群生态学是以植物生活史为纲，研究种群数量和动态变化。在深入理解植物组成、分布、结构和动态变化方面尽管取得了一定的进展，但在研究的深度与广度上，尚需要我国学者继续努力，建议加强以下几方面研究：

1）种子种群和生态对策研究。种子是植物的潜在种群，是植物个体一生中唯一有移动能力的阶段。种子库中物种数量、种子库密度研究有助于理解物种种群数量和更新潜力。只要生态系统不受到干扰，种子就可以萌发，为生态恢复提供基本的植物繁殖体。荒漠草原封育以后，土壤种子库中植物种数、种子密度和物种多样性均呈增加趋势，且以多年生植物和一年生植物种子居多；禾本科和豆科植物的物种数和种子密度大于菊科和藜科，表明围封后牧草品质改善，植物群落正向演替。但是种子库长期动态过程的监测还不够，土壤种子库的时空变化格局及其生态学对策如何响应全球气候变化还需深入研究。2）在环境选择压力下，基因突变如何在种群中传播产生隔离的机制尚不清楚；物种内部的种群遗传性盐化和分化是新物种形成的前奏，是植物种群遗传基础的分化过程，涉及到物种的形成和发展。生态基因组学科为植物种群水平上的进化适应和表型变异的机理提供新的研究方法。3）探讨植物集合种群动态和生态系统相关性仍然是种群生态学需要进一步研究的难题。在人为干扰下，种群动态变化会导致群落结构变化，并影响群落物种多样性和生产力，在干扰情况下种群变化现象背后的驱动力和机制仍不十分清楚。