物种分布模型被广泛应用于评估气候变化对物种分布的影响。随着计算机和统计学的发展, 模拟物种分布的模型层出不穷, 但对这些模型的相对表现知之甚少, 因此需要对其进行对比分析, 以便更可靠地评估气候变化的影响。该文采用3个比较新颖的组合集成学习(ensemble learning)模型(随机森林(random forest, RF)、广义助推法和NeuralEnsembles)、3个常规模型(广义线性模型、广义加法模型和分类回归树)、3个大气环流模型(global circulation model, GCM) (MIROC32_medres, JP; CCCMA_CGCM3, CA; BCCR-BCM2.0, NW)和一个气体排放情景(SRES_A2), 模拟分析了马尾松(Pinus massoniana)历史基准气候(1961-1990)和未来3个不同时期(2010-2039, 2020s; 2040-2069, 2050s; 2070-2099, 2080s)的潜在分布。基于环境阈值方法选择物种不发生区, 依据ClimateChina软件进行当前和未来气候数据的降尺度处理, 采用接收机工作特征曲线(receiver operator characteristic, ROC)下的面积(area under the curve, AUC)、Kappa值和真实技巧统计法(true skill statistic, TSS)以及马尾松种子区划范围来评价模型的预测精度。结果表明: 6个物种分布模型都具有较高的预测精度, 但组合集成学习模型的预测精度稍高于其他常规模型, 其中RF的预测精度最高。3个GCM和6个模型模拟条件下, 马尾松对气候变化的响应格局既有一致性也有异同性。一致性表现在: 随着时间的推移, 马尾松分布区将逐渐向北迁移, 未来潜在分布区的面积将逐渐增加; 异同性表现在: 在不同模型和不同气候情景下, 马尾松潜在分布区的迁移距离和面积变化幅度不同, 其中NW模式下预测的变化幅度小于CA和JP模式; RF模型预测的分布区迁移距离和面积变化幅度最大。随着时间的推移, 未来马尾松的18个潜在分布空间预测图(6个模型 × 3 GCM)之间的差异也逐渐增大, 其中空间不一致性地区主要集中发生在马尾松潜在分布区的北部和西部边缘地带。模型本身不同的构建原理以及GCM之间的差异是导致预测结果存在差异的主要原因。

根系在植物养分吸收、生理代谢和生态系统过程中发挥着重要作用, 然而我们对根系结构与功能的了解十分有限。以往对根系的研究往往用直径大小定义细根, 忽略了细根系统内部结构和功能的异质性。近年来的研究表明, 细根系统中的根级(root order)与根的功能有较好的相关性, 低级根个体多属于短命的吸收根。温带森林的研究表明, 非木质化的吸收根在氮(N)浓度上呈现显著的季节变化, 而与木质化的结构性根缺少N浓度的季节变化形成鲜明对比。该研究通过研究亚热带树木不同根级N浓度的季节变化, 试图验证假说: 木本植物中, 非木质化的根中N浓度具有明显的季节变化是一个普遍现象。通过对鼎湖山常见的9种木本植物不同根级的研究, 证实了在1年内的6个采样时段, 各根级的N浓度之间都存在显著差异; 与温带树种不同, 各树种不同根级的N浓度变化呈现不同的季节格局, 这与假说不符。因此认为温带与亚热带森林生态系统之间的环境差异以及树种之间的差异是导致亚热带树种低级根的N浓度季节变化不显著, 而三、四级根变化相对显著的主要原因。这些发现对于认识树木根系统内及个体水平的N分配与利用格局具有重要的意义。

结果 Fruition

植被的动态变化及其与环境的关系已成为全球变化研究的热点问题。陆地样带是进行全球变化驱动因素梯度分析的有效途径。该研究依托中国东部南北样带(NSTEC), 对南北样带不同时间尺度的气候因子和植被活动变化特征进行了分析, 并重点阐述了具有代表性的12种植被类型对气候因子的响应方式。研究结果表明: 南北样带植被的归一化植被指数(NDVI)的变化同时受控于气温和降水, 但是在不同的空间和时间尺度上植被NDVI的响应方式各异。在年时间尺度上, 只有温带落叶灌丛(TDS)的NDVI受气温控制; 而温带禾草草原(TGS)和亚热带和热带针叶林(STCF)的NDVI同时受气温和降水调控。其他植被类型的年NDVI与年平均气温和年总降水量没有直接显著的联系, 而受年内气温变化和降水分配状况的影响更大。在月时间尺度上, NDVI与气温的关系在不同类型植被之间存在很大差异。一般而言, 植被NDVI与前4个月内的气温关系最为密切, 并且从1月份到4月份气温的滞后时长在缩短。其中, 温带针叶林(TCF)、温带落叶阔叶林(TDBF)、TDS、STCF和亚热带热带草丛(STG)等植被类型, 5-8月的NDVI与气温普遍呈负相关关系。草原和灌丛植被类型当月NDVI与当月降水量主要以正相关为主, 而森林类型当月NDVI与当月降水量主要以负相关为主。

冬季凋落物的质量损失是中高纬度和高海拔地区凋落物分解的关键, 但冬季凋落物分解是否与土壤动物的贡献有关, 不同冻融时期(冻融初期、深冻期和融化期)的土壤动物对凋落物分解的贡献是否存在差异? 对这两个问题仍缺乏必要的关注。为了解季节性冻融期间土壤动物对岷江冷杉(Abies faxoniana)凋落物分解的贡献, 采用凋落物分解袋法, 调查了季节性冻融期间(2010年10月底至2011年4月中旬), 不同网孔(0.020 mm、0.125 mm、1.000 mm和3.000 mm)凋落物分解袋内的岷江冷杉凋落叶质量损失, 分析了微型、中型和大型土壤动物对岷江冷杉凋落叶分解的贡献。在季节性冻融期间, 0.020 mm、0.125 mm、1.000 mm和3.000 mm分解袋内的岷江冷杉凋落叶质量损失率分别为12.13%、13.07%、14.95%和18.74%。不同体径的土壤动物对季节性冻融期间岷江冷杉凋落叶质量损失的贡献率总共为35.28%; 不同孔径凋落物袋内土壤动物的类群和个体相对密度与凋落叶的质量损失率呈现相对一致的变化趋势。在季节性冻融的3个阶段中, 土壤动物对岷江冷杉凋落叶质量损失的贡献率均为: 微型土壤动物<中型土壤动物<大型土壤动物。其中, 微型、中型和大型土壤动物分别在深冻期、冻融初期和融化期表现出最高的贡献率, 分别为6.56%、11.77%和21.94%。然而相对于其他冻融时期, 深冻期中型和大型土壤动物对岷江冷杉凋落叶质量损失的贡献率最低。这些结果清晰地表明了川西高山季节性冻融期间土壤动物调控着凋落物分解的生态过程, 是高山冬季凋落物分解的重要因素之一。

通过在高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸为期4年的刈割(留茬1 cm、3 cm及不刈割)、施肥(尿素7.5 g·m^-2·a^-1+磷酸二铵1.8 g·m^-2·a^-1、不施肥)和浇水(20.1 kg·m^-2·a^-1、不浇水)控制实验, 对该生态系统中功能多样性与物种多样性的变化及其与初级生产力关系进行了研究。结果表明: 刈割和施肥显著影响植物性状和生产力, 而浇水作用微弱。刈割对物种多样性无影响, 但对不同功能多样性指数的影响不同; 施肥降低了物种多样性和以所有性状(除植株高度外)量化的功能多样性; 浇水仅对物种丰富度有微弱影响。各功能多样性的平均值能更好地反映群落物种间的功能差异。功能多样性和物种多样性呈正相关或不相关, 且二者与初级生产力的关系可表现为正相关、负相关和不相关, 说明三者间的关系是性状依赖的, 并受生境资源状况和刈割扰动的影响。植物功能性状对群落初级生产力有更加直接的影响。在考虑生物多样性对生态系统功能的影响时, 应更加注重对植物功能属性变化的研究。

对6个不同盐碱度梯度环境的羊草(Leymus chinensis)群落中生长状况良好的羊草进行人工筛选, 选取其中长势相近、叶片大小一致的羊草叶片, 用湿式灰化法提取植硅体并对其进行分类和命名, 共统计植硅体3387粒, 鉴定出植硅体类型10类, 分别是平顶帽型、尖顶帽型、刺帽型、光滑棒型、刺棒型、似牛角棒型、尖型、板型、蜂窝状和其他类型。随着盐碱浓度的增加, 帽型、棒型、尖型、板型和蜂窝型都有不同程度的变化。帽型植硅体的百分含量都有不同程度的增加, 6组样品中同种形态植硅体的大小有一定差别, 植硅体的大小随着盐碱度的升高呈现出不同程度的变化, 总体上有增大的趋势。

采用凋落物分解袋法, 研究了呼伦贝尔草甸草原主要优势种贝加尔针茅(Stipa baicalensis)根系组织和地上部分凋落物分解的季节动态以及凋落物的放置位置(置于地表和15 cm土壤表层)对分解的影响。结果表明, 置于表层土壤中的根系组织和地上部分凋落物的分解速率比置于地表的快, 但是根系组织在两个放置位置分解的差异不显著。无论置于地表还是置于表层土壤中, 地上部分凋落物的分解均快于根系组织的凋落物分解。在分解过程中, 凋落物碳(C)损失的季节变化模式与重量损失相似; 而氮(N)变化模式明显不同, 地上部分凋落物表现为释放—累积—释放, 根系则表现为释放—累积, 并且地上部分或者根系在不同放置位置中N含量变化的差异较小。地上部分和根系组织凋落物的初始化学组成的差异可能是导致其分解过程差异显著的主要原因, 其次的原因才是土壤含水量。因此, 该地区未来环境温度、湿度因子的变化将会显著影响贝加尔针茅地上部分凋落物的分解过程, 而对根系组织凋落物的分解作用较小。

在内蒙古短花针茅(Stipa breviflora)草原分布区选择赛汉、化德、准格尔3个典型样地, 在各样地沿坡面设置3条样线进行植被调查和土壤分析, 并采用聚类分析、二项式检验、差异显著性检验、典范对应分析、Pearson相关性分析等一系列统计学方法, 探讨了坡位对植被格局的影响及土壤效应。结果表明: (1)坡位导致缓丘上部坡面和下部坡面植被类型明显分异, 且以群落复合体的形式出现, 上部坡面发育的是该区气候顶级群落, 下部坡面发育的为地形群落; (2)坡位影响了物种沿坡面的分布格局, 主要体现在建群种及部分优势种上; (3)坡位导致上部坡面和下部坡面生产力的差异, 且下部坡面的生产力高于上部坡面, 形成2个不同的功能区域; (4)坡位通过地貌过程和起伏变化, 外加风蚀、水蚀影响, 严重改变了表层土(尤其是0-5 cm)的土壤特征, 从而在极小的范围内形成了非常明显的生境异质性, 提供了多样化的生存环境, 为局域范围内生物多样性的形成与维持提供了一种重要机制; (5)坡位导致植被分异的土壤效应主要是表层土(尤其是0-5 cm)土壤机械组成的差异, 生产力沿坡面的分异主要来源于土壤含水量。开展坡位对植被分布格局的影响将为植被分类、植被制图学科的发展提供理论依据, 并为植被资源的合理规划和利用以及开展植被保护与各种生态恢复工程提供科学依据和现实指导意义。

尽管干旱区生态系统的脆弱性受到了广泛的关注, 但目前关于干旱区植物细根有机碳与土壤碳循环关系的研究还比较少见。在2010年整个生长季节内, 采用土钻法和内生长法, 对新疆干旱区的琵琶柴(Reaumuria soongorica)群落土壤特性、细根的生物量月动态、生产量和周转进行了研究。结果表明: 琵琶柴群落表层土壤含水量最低, 土壤含水量表现出从浅层到深层逐渐增加的趋势; 而表层土壤的有机碳含量最高, 随着土壤深度的加深, 有机碳含量逐渐降低。细根生物量的月平均值为54.51 g·m^-2, 群落细根生产量在82.76-136.21 g·m^-2·a^-1之间, 琵琶柴群落的细根周转率为2.08 times·a^-1, 通过细根死亡进入土壤中的有机碳为17 g·m^-2·a^-1。这些结果表明: 由于灌丛细根高的周转速率, 细根是干旱区土壤有机碳输入的重要部分。

研究气候变化背景下植被变化趋势及其与水热因子的关系, 对于黄河源区的生态恢复和生态建设具有重要意义。采用基于FAO Penman-Monteith的降水蒸散比来描述区域的干湿状况, 划分了黄河上游地区的干湿气候区。在此基础上, 利用AVHRR归一化植被指数(NDVI)和GLOPEM净初级生产力(NPP)数据集和同期的气候资料, 分析了黄河上游植被覆盖、植被生产力和气候变化的趋势, 探讨了不同干湿气候区影响植被变化的主要气候因子。结果表明, 研究区域东南部为半湿润气候区, 其余为半干旱气候区, 干湿气候分界线与450 mm降水等值线较接近; 1981-2006年区域气候趋于干暖化, 尤其是气温的升高趋势明显; 半湿润地区NDVI和NPP显著增加, 半干旱地区略有增加; 半湿润地区的NDVI多与气温显著正相关, 与降水量的相关性较弱, 气温是植被生长的主要气候制约因素; 半干旱地区的NDVI则与降水量的正相关性更强, 对降水量的变化较为敏感。NPP对气候变化的响应模式与NDVI相似。植被对气候变化的响应部分依赖于研究区域所具备的水热条件, 干湿气候划分有助于更好地解释植被对气候变化响应的空间差异。

芳香石豆兰(Bulbophyllum ambrosia)是分布于我国南方石灰岩山热带季节性雨林中的一种常见附生兰科植物, 附着生长于岩石或树干上, 野外监测发现其自然不结实。对芳香石豆兰繁殖生态学的研究表明, 不同于石豆兰属其他具有蝇类传粉综合征的种类, 其花具有香味和花蜜, 中华蜜蜂(Apis cerana cerana)是芳香石豆兰唯一的有效传粉者, 具有较高的访问频率, 自然种群中有较高的花粉块移出率和柱头花粉块沉降率, 在中华蜜蜂的传粉过程中, 芳香石豆兰铰链结构的唇瓣起着重要作用。人工授粉试验表明, 芳香石豆兰自交授粉不结实, 异交授粉结实率达90%以上, 芳香石豆兰为自交不亲和的繁育系统。芳香石豆兰具有较强的克隆生长能力, 同一个体花期内有大量的花同时开放, 其传粉者中华蜜蜂平均单次访花(4.29 ± 0.40)朵( n= 66), 造成了严重的同株异花传粉。芳香石豆兰附生于石灰岩山顶岩石或树干上, 种群密度较低, 使得不同个体之间花粉交流困难, 自交不亲和的特性导致了芳香石豆兰自然不结实。本研究结果为开展芳香石豆兰的有效保护提供了依据。