植物在长期进化过程中形成了多样的防御策略以应对食草动物的采食, 其中基于植物次生代谢产物的化学防御策略在植物-食草动物种间互作中起到了关键的调控作用。植物次生代谢产物的合成以减少资源向生长和繁殖的分配为代价, 是植物应对食草动物采食的一种权衡策略。国内外针对植物次生代谢产物如何影响食草动物的采食行为、植物个体生长和适合度等已开展了较多研究, 但对其化学防御策略还缺乏系统的综述。该文梳理了植物次生代谢产物合成与释放的影响因素、植物应对食草动物采食的化学防御策略及形成机制。植物个体组织器官、种群和群落特征、食草动物种类及采食强度、土壤资源有效性、生长季节和环境胁迫均会对植物次生代谢产物的合成与释放产生影响。植物通过增强化学防御的可塑性、调节光合产物分配格局和资源在生长-繁殖-防御功能间的权衡关系来应对食草动物的采食。针对植物化学防御策略的形成机制, 当前主要的假说/理论包括生长分化平衡假说、植物可见性假说、最优防御理论、碳养分平衡假说、生长速率假说、植物防御综合征假说和错误管理理论等。随着人类活动(如放牧)的增加和气候变化的加剧, 未来应从多学科交叉视角, 加强植物应对大型食草动物采食、环境胁迫和全球变化背景下植物防御策略的研究, 以更深入地理解植物应对食草动物的防御过程及机制。

植物源挥发性有机物(BVOCs)是植物的次生代谢产物, 具有防御和信号等多种生态功能。对植物BVOCs的研究正成为环境和生态学的热点前沿。氮沉降作为植物的养分和环境胁迫双重因子, 亦改变植物防御相关BVOCs (dBVOCs)的排放, 影响物种间信息交流以及生存发展, 乃至整个生态系统的结构和功能, 然而, 相关研究十分缺乏。该文聚焦萜类、绿叶挥发物和水杨酸甲酯这3类dBVOCs, 阐述它们的主要成分、合成途径、生态功能以及对各种生物和非生物胁迫因素的响应情况; 重点论述了氮沉降对这些dBVOCs的影响, 并讨论氮磷限制情况下它们的响应趋势及相关机理。今后, 亟需深入并拓展dBVOCs的相关研究及机理探讨, 攻破dBVOCs在研究方法和检测设备上的难题, 并加强不同学科领域的交叉研究, 为全球变化背景下树木的种植管理和虫害的绿色防治提供理论支持, 助力可持续发展。

全球气候变化背景下极端降水事件频发将会影响半干旱草原土壤氮(N)的转化过程, 但土壤N转化关键过程如何响应降水变化及其总氮矿化速率对不同降水水平的敏感性尚不清楚。该研究依托中国北方草原全球变化联网实验平台的草甸草原、典型草原和荒漠草原3种草原类型, 采用¹⁵N库稀释法, 测定了土壤总氮矿化速率(GNM)、土壤总硝化速率(GN), 以及相关的生物(微生物生物量碳、氮含量, 地下生物量(BGB))、非生物(土壤温度(ST)、土壤含水量(SWC))和土壤底物(土壤铵态氮(NH₄⁺-N)、硝态氮(NO^-₃-N)、可溶性有机碳、氮含量)指标。结果表明: 不同类型草原GNM存在显著差异, 从高到低依次是草甸草原((3.284 ± 0.613) mg·kg^-1·d^-1)、典型草原((1.370 ± 0.167) mg·kg^-1·d^-1)和荒漠草原((0.724 ± 0.216) mg·kg^-1·d^-1)。增减50%的降水对3种草原土壤GNM和GN没有产生显著影响。典型草原和荒漠草原土壤GNM和GN对降水减少的敏感性显著高于对降水增加的敏感性, 而草甸草原土壤GNM和GN的敏感性在增减降水间无显著差异。结构方程模型(SEM)分析揭示了土壤水分是影响土壤GNM的主要因子。以上结果表明短期的极端降水对中国北方3种重要草原土壤GNM和GN没有产生显著影响, 但改变了其对降水变化的敏感性。未来极端降水事件增加如何影响陆地生态系统土壤N的转化过程尚需进行长时间尺度和大空间格局的系统研究。

在养分受限的农牧交错带盐渍化草地, 农业施肥诱导的氮输入增加和土地利用方式的改变通常会使土壤可利用养分发生变化, 进而影响植物净初级生产力。然而, 受年降水量的影响, 植物净初级生产力对氮添加与刈割的响应是否随降水量的改变而变化, 仍存在很大的不确定性。因此, 该研究以中国北方农牧交错带盐渍化草地为研究对象, 依托山西右玉黄土高原草地生态系统国家定位观测研究站的氮形态与刈割试验平台, 设置了包括对照和模拟氮沉降实验中常用的两种氮化合物(硝酸铵和尿素), 并与刈割和未刈割进行交叉处理, 共6个处理, 研究植物净初级生产力对氮添加与刈割的响应。研究结果表明: (1)无论在刈割还是非刈割处理下, 短期硝酸铵和尿素添加均显著提高土壤中无机氮含量, 进而提高植物地上(ANPP)、地下(BNPP)及总净初级生产力(NPP); (2) ANPP、BNPP、NPP、无机氮含量及土壤含水量表现出明显的年际差异, 具体表现为在湿润年(2018)显著高于干旱年(2017); (3)短期氮添加与年份的交互作用对NPP有显著影响。在湿润年, 氮添加对NPP的正效应显著高于干旱年, 这主要与土壤氮水的协同效应有关; (4)刈割降低了NPP, 且与年份的交互作用对BNPP:ANPP有显著影响; 在干旱年, 刈割整体降低了BNPP:ANPP, 然而, 在湿润年, 这种负效应逐渐减弱, 甚至转变为正效应。这些结果强调了自然降水量在调控农牧交错带盐渍化草地净初级生产力对人为干扰的响应中发挥着至关重要的作用, 也进一步说明农牧交错带盐渍化草地生态系统受氮和水的共同限制。

凋落物生产和养分归还是森林物质和养分循环的重要组成部分, 对森林土壤肥力具有重要意义。大气氮沉降已成为全球植物生产力的重要驱动因素, 而在高氮沉降区域, 长期氮添加对凋落叶生产及碳氮磷养分归还的影响效应是否会随时间而发生改变尚不明晰。为研究长期氮添加对亚热带常绿阔叶林凋落叶产量及碳氮磷归还的影响, 该研究以四川盆地西缘峨眉含笑(Michelia wilsonii)次生林为研究对象, 设置对照(0 kg·hm^-2·a^-1)、低氮添加(20 kg·hm^-2·a^-1)和高氮添加(40 kg·hm^-2·a^-1) 3个氮添加水平, 探究峨眉含笑凋落叶产量、凋落叶碳氮磷含量与归还量的年际变化(2016-2022年)及其对氮添加的长期响应。结果显示: (1)峨眉含笑凋落叶年产量、凋落叶碳氮磷年均含量和年归还量均存在显著的年际变化, 且氮添加处理未改变凋落叶年际动态特征。(2)相较于对照, 高氮添加处理显著增加了峨眉含笑凋落叶年均产量(24.9%), 氮添加处理对凋落叶产量的影响随时间的增加显著降低。(3)相较于对照, 高氮添加处理显著增加了凋落叶年均碳含量(3.4%); 高氮添加处理对凋落叶年均氮磷含量的影响在2019-2020年间出现拐点: 在2016-2019年间总体抑制凋落叶年均氮含量, 而在2019年后总体增加凋落叶年均氮含量; 在2018、2019年显著抑制凋落叶年均磷含量, 而在2020年显著增加凋落叶年均磷含量。(4)氮添加处理显著增加了凋落叶碳氮磷年归还量, 且氮添加水平越高, 促进效果越强; 凋落叶磷年归还量的氮添加效应随时间呈显著的线性下降趋势。该研究表明高氮添加显著提高了峨眉含笑林生产力, 并增加了其生态系统碳和养分输入, 而短期与长期氮输入会对峨眉含笑林生态系统氮循环进程产生不同的影响, 外源氮添加在未来可能会抑制峨眉含笑凋落叶生产及磷归还。

植物与土壤微生物在调节陆地生态系统功能和稳定性中起着至关重要的作用, 探讨植物、土壤微生物群落物种组成与多样性的海拔变化格局及其驱动机制对理解全球变化下陆地生态系统的响应与生物多样性维持机制意义深远。该研究以昆仑山北坡山地草原为对象, 在3个草原类型设置垂直梯度实验, 通过群落调查、室内实验与Illumina高通量测序技术并结合气候数据, 研究了干旱区山地草原植物、土壤微生物群落结构与多样性沿海拔梯度(2 200-3 800 m)的变化格局及其潜在关系。结果表明: 干旱区山地草原植物群落物种多样性、生物量与土壤细菌、真菌群落物种多样性及土壤养分含量沿海拔梯度呈单调递增格局, 至高寒草原最高; 土壤真菌对梯度环境变化较细菌敏感, 海拔梯度变化引起植物群落与土壤真菌群落发生了变化, 而土壤细菌群落结构未发生明显变化。植物群落物种多样性、生物量与土壤微生物群落物种多样性显著相关, 与细菌多样性的联系强于真菌。植物、土壤微生物群落物种多样性与年降水量、土壤养分(碳、磷、钾)含量呈显著正相关关系, 而与年平均气温呈显著负相关关系。格局分析表明, 海拔(地理距离)、气候因子对植物、土壤微生物多样性的解释率大于土壤因子, 海拔梯度引起的气候因子变化(年降水量、气温)是植物、土壤微生物群落变化的主导驱动因素, 但作用不同; 而土壤养分对植物、土壤微生物群落物种多样性也起着重要的作用。综上所述, 干旱区山地局域尺度上草原植物与土壤微生物群落的区域分布格局主要受海拔高度变化引起的气候因子与土壤因子共同调控。该研究揭示了干旱区气候因子是驱动山地草原生态系统植物、土壤微生物群落分布格局与结构变化的主导因子, 土壤微生物(尤其是细菌)多样性对提高草原群落生产力发挥重要作用。

为了解新型果豆复合系统种间竞争策略, 寻找兼顾生态效益与经济效益的果豆复合种植搭配, 设置‘塞外红’苹果(Malus pumila ‘Saiwaihong’) -大豆(Glycine max)种植模式。通过对‘塞外红’-大豆复合系统根长密度(RLD)、比根长(SRL)、根垂直中心、竞争能力指数、种间相对竞争能力的研究, 揭示‘塞外红’-大豆复合系统种间竞争策略。结果显示: 间作果树、大豆RLD均低于单作, SRL趋势相反。大豆根系主要分布在0-20 cm土壤深度、距果树150-200 cm处, 随土壤深度增加、距果树距离减少而减少。间作‘塞外红’根系主要分布在20-40 cm土壤深度, 随生育时期推移, 细根垂直中心下移幅度增大。‘塞外红’-大豆复合系统中各植物采取不同种间竞争策略。大豆细根通过提高SRL, 降低根质量的方式在复合系统表层土壤中成为强势竞争者; 间作‘塞外红’采取下移根系分布中心、延长根长、增加根质量的方式减少与间作大豆生态位重叠和资源竞争。‘塞外红’整体的种间相对竞争能力强于大豆, 但在表土层依然有大豆竞争能力指数强于‘塞外红’的情况发生。间作大豆产量比单作降低了34.12%, ‘塞外红’产量无显著差异, 复合系统土地当量比(LER)、收益当量比(IER)均大于1。说明‘塞外红’-大豆复合系统地下竞争较弱, 具有良好的间作优势, 适宜在新疆种植。研究结果可为干旱半干旱区农林复合系统种植选择提供参考。

在新疆伊犁小叶白蜡国家级自然保护区对国家二级濒危植物天山梣(也称新疆小叶白蜡, Fraxinus sogdiana)进行大样本调查, 以了解该种群现存状态, 预测种群发展趋势。以径级结构代替年龄结构, 编制种群静态生命表, 分析种群结构, 绘制种群存活曲线、死亡率曲线和生存分析函数曲线, 计算种群动态指数, 采用谱分析探讨种群波动周期。结果表明: 1)喀什河东、喀什河西天山梣种群和种群总体均为增长型年龄结构, 且存活曲线均趋于Deevey-II型; 2)喀什河东种群和种群总体死亡高峰在IV、VII、X龄级, 喀什河西种群死亡高峰仅在V龄级; 3)喀什河东、喀什河西种群和种群总体在忽略外部干扰时的动态变化指数(V_pi)和受外部干扰时的动态变化指数$({{{V}'}_{pi}})$均大于0, 显示均为增长型种群, 喀什河东种群${{{V}'}_{pi}}$更趋近0, 即更能抵御外部随机环境干扰; 4)生存分析显示, 不同生境种群的生存率和累计死亡率均在II-III龄级达到平衡, 喀什河东种群危险率曲线波动幅度较小, 喀什河东相对更适合种群生存; 5)谱分析表明, 天山梣种群的波动主要受其自身生物学特征控制, 喀什河东种群和种群总体还存在大周期内多谐波迭加的小周期波动特征。建议保护和改善天山梣生存环境, 精准抚育第I、II龄级个体, 促进种群的天然更新和发展。

紫花苜蓿(Medicago sativa)是我国粮草间作系统的重要草种。然而, 间作系统极端的弱光环境常造成紫花苜蓿产量大幅下降, 选育耐阴品种是解决这一瓶颈问题的主要途径。为此, 该研究以20份紫花苜蓿种质资源为供试材料, 采用绿色遮阳网叠加设置遮光率为0 (全光照)、52.9% (中度遮光)和71.8% (重度遮光) 3种遮阴处理, 测定不同光强下紫花苜蓿分蘖期6个形态指标(茎粗、株高、一级侧根数、根瘤数、根颈分蘖数和茎叶夹角)、7个生长指标(叶干质量、单株生物量、叶面积、比叶面积、叶质量比、茎质量比和根质量比)和5个生理指标(叶绿素a含量、叶绿素b含量、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量和叶绿素a/b)的变化, 以0和52.9%遮光率的耐阴系数为基础数据, 通过主成分分析、隶属函数分析、聚类分析和逐步回归分析法综合评价20份紫花苜蓿供试材料的耐阴性并筛选其鉴定指标。结果表明: 随光强减弱, 紫花苜蓿的茎粗、根瘤数和根颈分蘖数呈下降趋势; 总叶绿素含量呈上升趋势; 一级侧根数、叶干质量、单株生物量和叶面积呈先上升后下降趋势, 其他指标变化趋势不一致, 且不同品种间存在较大差异。结合主成分分析、隶属函数分析和聚类分析, 按耐阴性的强弱可将20份供试材料划分为3个类型: 耐阴型(4份材料)、半耐阴型(8份材料)和敏感型(8份材料)。通过逐步回归分析, 建立了评价紫花苜蓿耐阴性的最优回归方程: D = -0.108 + 0.071X₁₀ + 0.049X₆ + 0.208X₁₄ + 0.027X₄ + 0.096X₇ + 0.052X₃ + 0.048X₅, 估计精度在93.72%以上, 筛选出叶面积、叶干质量、茎叶夹角、根瘤数、一级侧根数、根颈分蘖数和叶绿素a含量等7个指标作为紫花苜蓿耐阴性的鉴定指标。该研究结果可为紫花苜蓿耐阴品种的选育提供优良材料和科学依据, 并有助于紫花苜蓿高效间作体系的构建与优化。

为更好地理解红砂幼苗生长和发育的调控机制, 为荒漠植物的培育与恢复提供一定的参考, 该研究以一年生红砂(Reaumuria songarica)幼苗为材料, 使用LED灯作为光源, 设置了3种光周期和6种光质配比进行交叉培养。通过测定红砂幼苗的株高、分枝数、生物量以及光合色素含量来评估其生长情况, 探究光周期和光质配比对其生长的影响。结果表明: 适当的光周期和光质配比对红砂幼苗的生长和发育具有重要作用。增加光照时间可以促进红砂生长。在红蓝光比为3:1光质配比下, 日光照时间14、16 h相较于12 h, 株高增长率分别增加了20.20%和88.47%。在红蓝光比为1:3光质配比下, 日光照时间为14、16 h, 一级枝的数量比光照12 h分别增加了6.67%和66.67%, 地下生物量分别增加了259.85%和551.82%。高比例红光和高比例蓝光处理会促进红砂幼苗生长, 但株高增长率和一级分枝数的变化趋势相反。在红蓝光比为4:1的光质配比下, 株高增长率随光周期呈增加趋势, 而一级分枝数则呈下降趋势; 而在红蓝光比为1:4的光质配比下, 株高增长率和一级分枝数量的变化趋势则相反。综合应用主成分分析法和隶属函数法, 显示12 h光周期、红蓝光比例为4:1和12 h光周期、红蓝光比例为1:4处理下红砂幼苗的生长状况较好。

西藏阿里西部札达县的象泉河河谷是青藏高原山地荒漠的主要分布区之一, 但关于该地区的荒漠植被资料较为缺乏。为摸清该地区荒漠植被的本底, 该研究基于2018-2023年在札达野外调查得到的42个荒漠样地, 对札达荒漠植被进行分类和群落特征分析。结果发现: 札达共计8种荒漠群系, 包括温性灌木荒漠2种: 变色锦鸡儿(Caragana versicolor)荒漠、中麻黄(Ephedra intermedia)荒漠; 温性半灌木与草本荒漠6种: 灌木亚菊(Ajania fruticulosa)荒漠、山岭麻黄(Ephedra gerardiana)荒漠、驼绒藜(Krascheninnikovia ceratoides)荒漠、心叶驼绒藜(Krascheninnikovia eversmanniana)荒漠、雀苣(Lactuca orientalis)荒漠和西藏绢蒿(Seriphidium thomsonianum)荒漠, 其中变色锦鸡儿荒漠、山岭麻黄荒漠、心叶驼绒藜荒漠、雀苣荒漠和西藏绢蒿荒漠为新记录的荒漠类型。该地区的荒漠植被中共记录到维管植物82种, 隶属于20科51属。其中, 生活型以地面芽植物或多年生杂类草为主; 水分生态类型以超旱生、典型旱生植物居多, 包括所有荒漠植被的建群种和大部分伴生种, 如灌木亚菊、中麻黄、驼绒藜、雀苣、心叶驼绒藜、燥原荠(Stevenia canescens)、盐生草(Halogeton glomeratus)等; 区系地理成分以中亚-亚洲中部成分为多, 其次为青藏高原和东古北极成分。研究结果为了解该区域荒漠植被资源现状及其分布特征和开展区域生物多样性保护等相关研究提供基础数据和资料。