以分布于祁连山北麓中段的两种优势乔木祁连圆柏(Sabina przewalskii)和青海云杉(Picea crassifolia)为研究对象, 分析了高山乔木叶片δ¹³C值对海拔(2 600-3 600 m)、土壤含水量和叶片含水量、叶片碳氮含量的响应及其机理。结果表明, 这两种乔木叶片δ¹³C值均随海拔升高呈增重趋势, 与海拔呈显著正相关关系(p < 0.000 1)。海拔2 600-3 600 m阳坡树种祁连圆柏叶片的δ¹³C值显著高于同海拔梯度阴坡树种青海云杉。祁连圆柏和青海云杉叶片的δ¹³C值均与年平均气温呈显著负相关关系(p < 0.000 1), 与年平均降水量呈显著正相关关系(p < 0.000 1)。祁连圆柏叶片δ¹³C值与土壤含水量(p < 0.000 1)、叶片含水量(p = 0.01)和叶片碳氮比(C/N) (p < 0.000 1)呈显著正相关关系, 与叶片全氮呈显著负相关关系(p < 0.000 1)。而青海云杉叶片δ¹³C值与土壤含水量、叶片全氮、叶片碳氮比和叶片含水量不相关。说明海拔变化引起的水热条件的改变, 尤其是温度变化对高山乔木叶片碳同位素分馏起主要作用, 但各个因子综合对高山植物叶片碳同位素分馏的作用机制可能比较复杂, 需进一步深入研究。

受太阳活动的影响, 树冠不同方位以及内外部的叶片接受到的光照存在差异, 造成温度、湿度等小气候因子也存在差异。叶片的形态解剖结构和生理特性等会对外界环境条件的改变发生响应。为了更好地了解树木生长的局部小环境条件差异对树木生长的影响, 该文选择国槐(Sophora japonica)、悬铃木(Platanus orientalis)、银杏(Ginkgo biloba)、榕树(Ficus microcarpa)和黄葛榕(F. lacor)5种冠幅较大的树种, 通过测定树冠内外部及4个方位上的比叶重(leaf mass per area, LMA)、叶绿素a (chlorophyll a, Chl a)、叶绿素b (chlorophyll b, Chl b)及类胡萝卜素(carotenoid, Car)的含量及碳稳定同位素比率(carbon isotope ratio, δ¹³C)等指标, 研究叶片形态、生理指标等随树冠开度的变化以及方位差异。结果表明, 叶片LMA和δ¹³C均随树冠开度增加而增大, 光合色素含量则相反; 叶片LMA和δ¹³C的方位变化则是南向>西向>北向>东向, 与叶片所接受到的光强变化规律一致, 而光合色素含量的方位差异较复杂、且因树种而异, 总的来说, 以受光最弱的东向含量最高。上述结果表明, 树冠外围和南向、西向的叶片由于接受到的光能较多、温度高、相对湿度小等, 其叶片会增大单位面积的重量、减小气孔开度和光合色素含量, 从而减少对光能的吸收, 也使光合作用降低、δ¹³C增大, 而不同方位光照对光合色素含量的影响机制较为复杂, 这些都表明了叶片对周围小气候的形态和生理上的适应。

在苗木生长的不同时期对13个毛白杨(Populus tomentosa)杂种无性系叶片碳同位素δ¹³C和气体交换参数(净光合速率P_n、蒸腾速率T_r、瞬时水分利用效率WUE_i、气孔导度G_s和胞间CO₂浓度C_i)的差异进行研究, 分析不同无性系间δ¹³C与气体交换参数的相互关系, 目的在于探求δ¹³C在筛选高光合及高水分利用效率毛白杨杂种无性系中的应用价值。结果表明: 不同生长时期和不同无性系间δ¹³C、T_r、WUE_i、G_s和C_i的差异均显著, δ¹³C和WUE_i表现为9月>7月, T_r、G_s和C_i表现为7月>9月, P_n在不同生长时期差异不显著。季节变化是引起毛白杨杂种无性系叶片δ¹³C差异的主要原因。同一时期, 无性系间δ¹³C和WUE_i表现出较好的一致性, 即WUE_i较高的无性系30、42、46、83、BL2和BL5, 其δ¹³C值也较高, WUE_i较低的无性系B331和TG34, 其δ¹³C值也较低, 且不同时期(7月和9月) δ¹³C和WUE_i呈较强的正相关, 相关系数r分别为0.739 0和0.545 8, 高δ¹³C可以作为筛选高WUE_i毛白杨的有效指标, 且在苗木生长旺盛时期选育能得到更为可靠的结果。对毛白杨而言, 高WUE_i的无性系, 一般具有适中或较低的G_s和C_i, 但不一定具有很高的P_n, 气孔调节使得毛白杨在不影响光合作用的同时保持较高的WUE。

通过测定北京地区不同生活型绿化植物叶片的碳同位素组成(δ¹³C值), 从植物种和生活型两个方面研究植物水分利用效率的自然可变性。结果表明: 所测定的75种植物(隶属于35科65属)的叶片的δ¹³C值变幅, 春季为-30.7‰ - -23.4‰, 夏季为-31.5‰ - -25.1‰, 秋季为-31.4‰ - -23.9‰; 落叶灌木种间差异不显著(p = 0.114), 而常绿乔木(p = 0.005)、落叶乔木(p < 0.001)、常绿灌木(p = 0.022)、草本植物(p < 0.001)和藤本植物(p = 0.001)的种间差异显著或极显著; 同一生活型植物叶片的δ¹³C季节差异显著, 春季叶片的δ¹³C值显著大于夏秋两季(常绿乔木除外), 不同生活型植物叶片的δ¹³C值在春、夏、秋3个季节差异都达到了极显著水平(春季p = 0.001、夏季p < 0.001、秋季p < 0.001), 且叶片的δ¹³C值表现出乔木树种>灌木树种>藤本植物>草本植物、常绿植物>落叶植物的规律。因此, 植物种和生活型均会引起植物叶片δ¹³C值的变化, 但δ¹³C受生活型变化的影响较大, 表明不同生活型植物的水分利用效率具有明显差异。

植物和土壤中的¹⁵N自然丰度值(δ¹⁵N)是评价生态系统N循环的一个重要指标, 而放牧是草原生态系统的主要土地利用方式, 对草原生态系统的N循环过程的改变起着重要作用。该研究测定了内蒙古锡林河流域放牧和围封条件下草原群落主要优势植物和土壤的δ¹⁵N值, 探讨放牧对草原N循环的影响。研究中所测定的8种植物叶片δ¹⁵N变化很大(-4.04‰-4.34‰), 但与植物功能型有一定的相关性。放牧显著降低了大针茅(Stipa grandis)、杂类草和小半灌木木地肤(Kochia prostrata)的δ¹⁵N值。具有潜在共生固氮能力的豆科植物δ¹⁵N偏低负值(-4.04‰ - -1.90‰), 但在放牧和围封条件下无显著差异; 而被认为具有联合固氮能力的羊草(Leymus chinensis), 放牧后δ¹⁵N显著增加, 一定程度上表明了豆科植物和羊草生物固氮能力的存在。所有植物中, 除无菌根侵染的木地肤外, 其他有丛枝菌根真菌侵染记录的物种δ¹⁵N值较低, 通常接近0或为负值, 说明在N限制的内蒙古草原, 菌根转运N可能也是一种重要的N源途径。放牧显著降低了0-20 cm土壤δ¹⁵N值, 这也与过去的研究结果不同。δ¹⁵N的测定为生态系统提供了一个整合时空N循环过程的综合指标, 反映出放牧改变了草原生态系统的N循环。

利用稳定同位素技术和Keeling Plot方法可以有效分割地表蒸散量, 进而加深对陆地生态系统水循环的理解。该研究通过原位连续测定麦田的水汽同位素数据, 评价Keeling Plot方法在分割地表蒸散中的应用, 并揭示华北冬小麦(Triticum aestivum)蒸腾在总蒸散中的比例。实验于2008年3-5月在中国科学院栾城农业生态站进行, 利用国际上先进的H₂¹⁸O、HD¹⁶O激光痕量气体分析仪(TDLAS)为基础构建的大气水汽¹⁸O/¹⁶O和D/H同位素比原位连续观测系统, 同时利用涡度相关技术、真空抽提技术、同位素质谱仪技术, 获取了必要的数据。研究分析了一天中不同时间段的连续的大气水汽δ¹⁸O与水汽浓度倒数拟合Keeling Plot曲线的差异和可能的原因。结果显示, 中午时段的拟合结果较好, 这也暗示中午时段蒸腾速率高时最可能满足植物蒸腾的同位素稳定态假设。进一步的分析发现植物蒸腾的同位素稳定态并不总是成立, 尤其是水分胁迫下进入成熟期的小麦, 其蒸腾水汽同位素一般处于非稳定态。利用同位素分割结果显示, 生长盛期麦田94%-99%的蒸散来源于植物蒸腾。

随着人为SO₂释放的增加, 硫稳定同位素的动态已成为生物地球化学循环过程中研究的热点。该文对天然硫稳定同位素在大气自然过程中的硫来源分析及其在森林生态系统、农田生态系统和水域生态系统中的硫动态研究, 人为添加的硫稳定同位素在生态环境中的应用及硫稳定同位素技术在我国酸雨研究中的潜在贡献等进行了综述, 并从硫稳定同位素技术应用研究的范围、分析手段及源解析模型方面介绍了可能的发展方向。

2008年初, 我国南方19个省经历了50年一遇的持续低温雨雪冰冻天气。极端气候对华南沿海各省的红树林区造成不同程度的危害。2008年3月, 在我国南方各省红树林区的10个代表性地点, 对这次寒害造成的红树植物伤害程度进行了系统的调查。结果表明: 冬季低温对红树林的影响极为显著, 特别是在低纬度的海南、广西和广东湛江, 由于极端低温正值夜间退潮, 对红树林的影响更为显著; 在纬度较高的福建, 本地红树种类秋茄(Kandelia obovata)、桐花树(Aegiceras corniculatum)和白骨壤(Avicennia marina)及引种的木榄(Bruguiera gymnorrhiza)等, 由于长期适应于冬季较低的气温或在种植前经过抗寒锻炼, 具有较强的抗寒能力。各地主要红树植物中, 广布种秋茄、桐花树和白骨壤最为耐寒, 其耐寒性均大于红树科的木榄、海莲(Bruguiera sexangula)和红海榄(Rhizophora stylosa)。海桑(Sonneratia caseolaris)对温度的敏感性最强, 抗寒能力最低, 因此, 即使在其原产地海南也受到较为严重的寒害, 在纬度更高的引种地出现大面积受害甚至全部死亡, 而从孟加拉国引种的无瓣海桑(Sonneratia apetala)却显示出一定的抗寒能力。同一地点的红树植物幼苗的抗寒能力低于大树。此次寒害也造成了苗圃场的种苗大量死亡, 成熟的植株提前落花落果, 这势必会影响后继一两年内红树林的自然更新和人工造林。因此, 在未来红树林造林或人工引种中, 一定要考虑到红树植物的抗寒能力。

2008年8月, 采用典型取样法, 设置20 m × 30 m (或15 m × 30 m)的方形样地13个, 对广东省天井山林场杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林冰雪灾害进行调查。结果表明: 1)粤北地区杉木人工林受损严重, 样地内受害杉木比例高于80%, 主要集中在海拔500-900 m的地区; 2)杉木人工林受损类型主要划分为3种, 以折断类型为主(65.09%), 其次为倒伏(或翻蔸, 18.37%)和弯曲(3.20%)。其中, 根据不同程度将折断划分为5个级别: 轻微受损, 即断稍(占折断总数的12.28 %); 轻度受损, 即树冠顶端至中部断裂(38.49%); 中度受损, 即树冠中部至下部断裂, 受到较严重损伤(31.15%); 严重受损, 即树冠全部受损(15.97%); 极严重受损, 即树冠近根部断裂或折断后枯死(2.11%), 树冠受损为杉木受灾的主要特征; 3)林分密度过高(> 3 500株·hm^-2)或过低(< 1 500株·hm^-2)都易造成杉木折断, 坡向与坡位对其影响较小, 合理的密度调控至关重要; 4)杉木胸径对受损类型及程度的敏感性较高, 表现为粗壮杉木易发生断稍和较轻微的树冠受损, 细弱杉木虽不易折断, 但一经折断则受损严重。适宜的尖削度对有效预防和减轻杉木受损十分重要。

为深入研究2008年初低温雨雪冰冻灾害对我国南方森林生态系统的影响, 实地调查了中国科学院千烟洲红壤丘陵综合开发试验站(简称千烟洲站)人工林受损状况, 并结合气象资料与空间数据进行了分析。在千烟洲站内主要的5种林型中, 受损林分多为湿地松(Pinus elliottii)林, 倒伏区面积为7.72 hm², 占森林面积的6.12%, 地上植被碳储量损失1 462 g·m^-2(范围在655-5 230 g·m^-2之间)。持续低温、阴雨潮湿等气象条件是导致湿地松林受损的直接原因, 特别是2008年2月1日的低温、强降水和大风, 加剧了灾害程度。在吉泰盆地低山丘陵区(海拔60-140 m), 高程与局地地形、气象条件密切相关, 因而对冰雪灾害具有较强的指示作用。丘陵顶部土壤贫瘠、受风影响强烈, 林木易受损倒伏。阳坡的林木易偏冠, 这可能是其受损较为严重的原因之一。湿地松林受损的内因主要有冠型、材质、根系分布、叶片特征和年龄等;此外, 人为割脂也可能是造成湿地松大量倒伏的重要因素。

从植物生态学的角度对2008年初南方冻雨冰雪灾害对典型的亚热带山地常绿阔叶林造成的损害情况做了研究。对12个优势种和亚优势种的受灾情况做了对比分析, 对不同径级和不同地形因子下林木抵抗冻雨灾害的差异做了对比。统计检验结果显示林木受损程度存在显著的种间差异、径级差异和地形级差异。优势种米槠(Castanopsis carlesii)比多数亚优势种受害更严重; 各树种抗冻雨灾害能力以山茶科和樟科的种较强, 而壳斗科的多个种, 如米槠、栲(C. fargesii)受灾较为严重; 林木的受损比例随着胸径(diameter at breast height, DBH)增加而增大; 在未受灾的各级林木中, 超过70%的个体集中在最小一级径阶(1-5 cm)。χ²检验显示坡度、坡向、坡位等地形因子对林木受损状况有显著的影响, 随着坡位上升, 林木受损程度逐渐加重, 上坡位的林木受损比例最大, 下坡位最小, 这可能与随着坡位升高, 迎风面降温效果更迅速有关。对于坡向和坡度而言, 位于半阳坡的林木受灾比例显著高于半阴坡, 位于坡度级III (15°-25°)、IV (25°-35°)、V (35°-45°)上的林木受灾最严重。该研究结果对于亚热带常绿阔叶林的保育和应对未来可能再次发生的冰雪灾害有重要意义; 同时对于森林恢复和演替、乡土阔叶树种的选育及森林经营等方面的研究和应用也有重要的参考价值。

2008年1-2月间, 我国南方广大地区遭受了50年一遇的重大冰雪灾害, 对我国南方林区造成了巨大的损害。浙江九龙山国家级自然保护区黄山松(Pinus taiwanensis)人工林也在此次冰雪灾害中遭到重大损失。针对保护区内黄山松人工林种群的地理分布和受灾特点, 沿海拔梯度设置了6 000 m²的具有代表性的样地, 对其受灾情况进行调查, 分析了不同胸径(DBH)、树高、冠幅等林木特征下的黄山松抵御冰雪灾害能力的差异, 并对不同海拔的黄山松受灾情况进行了比较。结果表明: 1) 九龙山黄山松种群受灾严重, 除树干弯曲外, 其他不同受灾类型的植株在种群中均有出现, 且以断冠植株为最多。2) 黄山松对冰雪灾害的抵御能力与林木大小有关, 断大枝和断冠易发生在相对较粗和高的植株当中; 较为细小和低矮的植株则容易被断干和掘根; 冻死植株以幼树居多, 其DBH和树高显著小于其他受灾类型植株。3) 不同冠幅的黄山松植株受灾类型存在很大差异, 冠幅越大, 植株受灾越严重, 掘根和断干在冠幅较大的植株中较为常见。4) 尖削度、树冠相对高度和不均匀程度对黄山松抵御冰雪灾害也具有较大影响, 尖削度小、树冠较高且不均匀的植株受灾较重。5) 海拔较高处黄山松受灾严重, 断干和掘根植株主要分布在825-850 m的高海拔区间内。

国内外关于雪灾对生态脆弱区的生态系统组成及功能破坏影响的研究较少, 并且相关研究还主要停留在定性阶段, 定量研究生态脆弱区的雪灾对林木破坏的影响理论和实践意义重大。综合运用样方法和样带法对生态脆弱区——九华山风景区林木受灾情况进行调查, 对不同海拔、坡向、竹龄、群落重要值和距游径不同距离的100个样方和40个样带共计14 000 m²的毛竹(Phyllostachys pubescens)损坏情况进行了量化分析。结果显示毛竹损坏率和其立地条件有以下关系: 阴坡>阳坡; 高海拔>低海拔; 毛竹损坏率和它在群落中的重要值呈正相关, 毛竹纯林>混交林; 损坏毛竹平均胸径为(9.8 ± 1.3) cm, 损坏主要集中在幼龄阶段的毛竹; 距游径4 m内的毛竹损坏程度比4 m外显著(p < 0.05)。根据以上结果, 提出了灾后营林造林的原则和雪灾对森林生态系统影响量化研究的几个重要方向。