土壤有机碳是陆地生态系统重要的碳(C)库。对森林、草原和农田生态系统的大量研究发现, 植物多样性能够增加土壤有机碳的含量, 并且越来越多的研究开始关注其对有机碳组分及稳定性的影响, 但对相关机制还缺乏系统的综述。为此, 该文系统总结了植物多样性对土壤有机碳含量、组分及稳定性的影响及其机制研究进展, 以期为通过植物多样性种植增加土壤碳氮(N)固持, 缓解全球气候变化提供科学依据。增加植物多样性, 首先可增加土壤中植物凋落物生物量, 改善混合凋落物的质量(如更低的C:N), 促进土壤有机碳的周转和积累; 其次, 可以通过凋落物的输入增加植物来源的碳积累或者通过促进微生物周转增加微生物来源的碳积累; 同时, 该过程还可提高土壤颗粒有机碳(POC)和矿物结合有机碳(MAOC)含量; 另外, 植物多样性的增加可以通过增强团聚体保护、改变土壤矿物离子浓度和改变微生物群落结构增加土壤有机碳的稳定性。该文对今后的研究进行了展望: (1)如何将植物多样性与不同管理措施结合增加土壤有机碳含量; (2)如何通过更多的不同生态系统植物多样性长期定位实验来探究其对土壤有机碳含量及组分的影响; (3)如何通过新的实验方法和手段(如同位素标记等)剖析植物多样性对土壤有机碳组分及其稳定性的影响; (4)探索植物多样性对不同深度土壤碳含量、组分及其稳定性的影响机制。

土壤微生物是陆地生态系统碳循环的主要驱动者, 不仅通过促进有机碳分解向大气释放CO₂, 还会通过微生物固碳作用固定大气CO₂。微生物固碳途径普遍存在于多种生态系统, 对全球碳循环具有重要意义。该文通过收集和梳理相关文献, 从3个方面综述了土壤微生物固碳的机理和影响因素: 1)土壤自养微生物固碳途径; 2)土壤异养微生物固碳机理; 3)土壤属性、生态系统类型和气候变化(增温、降水变化)等对土壤微生物固碳速率和潜力的影响。该文有助于提升对土壤微生物固碳机理的理解和认识, 从微生物固碳角度为陆地生态系统碳库动态以及土壤碳汇的不确定性提供解释, 也为完善未来气候变化下陆地碳循环模型提供理论依据。

全球变暖对高海拔地区土壤冻融循环作用的影响日益加剧, 而凋落物碳作为森林土壤有机碳的主要来源, 其对土壤各有机碳组分的贡献及如何响应冻融循环作用尚不清晰。该研究通过室内模拟冻融循环实验和稳定同位素示踪技术, 利用¹³C标记云杉(Picea asperata)凋落物(根、枝、叶), 探究了冻融作用下亚高山森林凋落物源碳对土壤可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)、腐殖质碳(HC)、颗粒有机碳(POC)和矿质结合有机碳(MAOC)的贡献。培养30天后, 凋落物碳对土壤POC和MBC的贡献率分别为13.1%和9.0%, 显著高于其他有机碳组分; 不同类型凋落物对土壤各有机碳组分的贡献差异显著, 其中根对POC、MAOC和HC的贡献率显著低于枝和叶。冻融作用显著提高了土壤DOC和MBC中凋落物源碳的贡献率, 而降低了土壤POC、MAOC和HC中凋落物碳贡献率。相关性分析结果显示, 土壤碳获取相关酶活性与凋落物源碳对土壤有机碳贡献率呈显著正相关关系。表明在亚高山森林凋落物分解初期, 冻融作用的发生有利于凋落物源碳在土壤DOC和MBC等活性有机碳组分中的积累, 但抑制了其在MAOC和HC等土壤稳定有机碳中的固存。研究结果有助于深入理解森林凋落物归还对土壤有机碳固持的贡献, 为全球气候变化背景下亚高山森林土壤碳库的经营管理提供科学依据。

激发效应是指外源碳输入引起的土壤有机碳分解速率的短期变化, 是全球陆地生态系统碳循环的重要过程, 对全球土壤碳储量及其动态变化具有重要影响。凋落叶和细根作为森林土壤碳输入的主要途径, 调控土壤有机碳分解的激发效应, 而大气氮沉降引起的土壤氮有效性的增加也是影响激发效应的重要因素。然而, 凋落叶和细根的输入引起的激发效应的差异及它们对土壤氮有效性增加的响应机理尚不清楚。该研究将¹³C标记的杉木(Cunninghamia lanceolate)叶覆盖在杉木人工林土壤表面, 细根则混合在土壤中, 以尽可能模拟它们在野外林地中的存在状态, 同时添加氮以增加土壤氮有效性, 通过室内模拟培养35天, 测定土壤释放CO₂的量及其¹³C丰度值, 并在培养结束时测定土壤养分和微生物群落结构。主要结果: 1)杉木叶促进了土壤有机碳分解, 即产生了正激发效应(1.69 mg C·kg^-1·d^-1), 而杉木细根则产生了负激发效应(-1.26 mg C·kg^-1·d^-1); 2)土壤氮有效性增加使杉木叶引起的正激发效应的强度降低了38.7%, 但使杉木细根引起的负激发效应的强度增加了16.6%; 3)添加杉木叶降低土壤真菌细菌比(22.9%), 添加杉木细根增加了真菌生物量(30.8%); 同时土壤氮有效性增加提高了真菌细菌比和真菌生物量。该研究发现了凋落叶和细根对激发效应的影响存在差别, 且土壤氮有效性增加降低了激发效应强度, 研究结果为氮沉降背景下森林土壤有机碳库的预测与管理提供理论支持。

雪被减少可能通过改变地表水热环境及微生物活性作用于高寒森林有机质周转过程, 进而影响土壤腐殖质合成与分解。该研究以川西亚高山岷江冷杉(Abies fargesii var. faxoniana)林为研究对象, 借助野外雪被控制实验, 设置对照(自然雪被)、雪被减少(雪被去除50%)和雪被去除(雪被去除100%) 3个雪被水平, 采用野外原位培养的方法, 研究了雪被减少/去除对土壤可提取腐殖质、胡敏酸和富里酸含量及光谱学特性等的影响, 结合动态监测的环境因子和土壤理化性质等, 探讨不同雪被处理与土壤腐殖质的动态关联。 结果表明: (1)雪被减少/去除均显著降低了土壤可提取腐殖质、胡敏酸和富里酸含量。(2)土壤腐殖化程度均较低, 3种雪被处理下土壤胡敏酸/富里酸值均小于1, 胡敏酸/可提取腐殖质值均小于0.5。(3)相关性分析表明, 全氮含量与土壤可提取腐殖质、胡敏酸和富里酸含量均呈显著负相关关系。综上所述, 雪被减少/去除均降低了土壤腐殖质的含量和土壤腐殖化程度。

岷江冷杉(Abies fargesii var. faxoniana)的天然更新是川西亚高山地区天然次生林生态修复的关键, 对其幼苗生物量积累和分配的关键制约因子进行研究有助于深入理解其更新和生长机理。该研究对比了红桦(Betula albosinensis)阔叶林、红桦-岷江冷杉针阔混交林和岷江冷杉原始林3种林型中岷江冷杉幼苗的生物量分配格局和器官间的异速生长关系, 分析了幼苗的生物量分配与地形和微生境因子之间的关系, 并定量分解了各因子对生物量积累影响的贡献度。岷江冷杉原始林中幼苗的根生物量分配比例(30.3%)和茎生物量分配比例(43.3%)显著高于红桦-岷江冷杉针阔混交林和红桦阔叶林, 而叶生物量分配比例(26.4%)显著低于红桦-岷江冷杉针阔混交林(37.4%)和红桦阔叶林(42.3%)。红桦阔叶林中幼苗的根、茎和叶的生物量呈现等速生长关系, 红桦-岷江冷杉针阔混交林和岷江冷杉原始林中幼苗的叶-根间亦呈等速生长关系, 但叶-茎和根-茎间则为异速生长关系。相比于东北、北和西北坡, 西坡生境中的幼苗年平均生物量的积累最高。坡向(20.9%)对幼苗生物量积累和分配的贡献率大于海拔(18.1%), 基质类型(15.8%)、苔藓盖度(11.7%)及厚度(7.7%)和冠层盖度(7.4%)是微生境因子中对岷江冷杉幼苗生物量累积贡献度前四的因子。该研究可为川西亚高山次生林中岷江冷杉更新以及次生林的结构优化提供支撑。

植被图展示一个地区的植被类型及其空间分布格局, 是研究植被和生物多样性等基础生态学, 以及植被恢复和管理等应用生态学的重要依据。以中亚热带常绿阔叶林区域的浙江省金华北山为研究对象, 基于高分二号(GF-2)高精度遥感图像, 结合大批量野外植被调查, 利用地理信息系统(ArcGIS)和遥感图像处理软件(ENVI)制作了金华北山1:6万高精度现状植被图。结果表明: 1)高精度遥感图像和大批量植被记录相结合, 较好刻画了金华北山南坡的植被格局, 共划分为7个植被型组、22个植被型、25个植被亚型、60个群系组和76个群系。2)在金华北山南坡65.5 km²区域内, 植被覆盖率约为93.0%, 且以森林(66.1%)、农业植被(14.7%)和灌丛(10.5%)为主。3)分布于海拔900 m以下、面积为10.6 km²的马尾松(Pinus massoniana)林, 分布于海拔108-946 m之间、面积为7.4 km²的马尾松-落叶阔叶混交林, 以及分布于海拔100-1 037 m之间、面积为5.3 km²的木荷(Schima superba)林, 是分布范围最大的3类群系。该研究是大比例尺局域植被制图的一个案例, 能够为不同比例尺区域和全国高精度植被制图、植被生态学研究和植被经营管理提供基础资料。

种-面积关系描述了当取样面积增加时, 物种丰富度也随之变化的规律, 是群落生态学研究的核心问题之一。小岛屿效应(SIE)是种-面积关系的一种特殊现象, 是岛屿生物地理学和生物多样性研究理论框架的重要元素。沿海岛屿是一种实际存在的岛屿系统, 然而以苔藓植物为研究对象的SIE研究还比较少。该研究以浙江省象山地区沿海岛屿为研究区域, 调查了43个沿海岛屿苔藓植物的物种组成。采用了4种连续分段回归模型和2种对照模型, 分别检测了不同类群的苔藓植物是否存在SIE, 并对其产生的阈值大小进行比较。使用广义线性混合效应模型和Mantel检验分析探讨了包括景观特征、人为干扰等环境因子对海岛苔藓物种丰富度的影响, 以及不同类群(苔类、藓类、顶蒴藓类、侧蒴藓类)对海岛环境因子的响应。结果显示, 象山地区沿海43个岛屿共记录苔藓植物209种, 隶属于46科85属。苔藓植物所有类群均存在SIE, 双拐点模型被认为是最优模型, 其面积阈值分布在0.098-4.419 km²之间, 其中, 苔类高于藓类, 顶蒴藓类高于侧蒴藓类。广义线性混合效应模型结果表明, 苔藓植物物种丰富度随着岛屿面积、生境丰富度、形状指数、海岸线长度、人口数量、交通频率增加而增多, 随着隔离程度增大而减少, 生境丰富度是影响苔藓植物物种丰富度的最主要因素。一般而言, 资源需求较低, 传播能力更强的类群(藓类), 其小岛屿面积的阈值较低。远离大陆的几个大岛屿由于植被覆盖率低, 生境丰富度低, 不适合侧蒴藓类生长, 导致其小岛屿面积阈值低于顶蒴藓类。因此, 生境类型的多样性保护是维持物种多样性的重要保障。

木本植物的植食率存在巨大的种间差异, 并极大地调控着森林生态系统功能。生长-防御权衡假说认为, 植物的固有生长率决定着其在防御和生长方面的投资权衡, 从而影响植食率的种间变异。但生长-防御权衡假说的普适性仍然存在巨大争议, 尤其在物种高度丰富的亚热带森林。该研究测量了12种与植食性昆虫适口性相关的叶片性状, 并通过大样本调查植物物种的植食率, 探究亚热带地区27种木本植物叶片性状的权衡关系以及这些性状对植食率和植物生长率的影响。该研究发现: 1)控制性状的系统发育依赖性后, 物种在空间上的排序并没有呈现一维的“生长-防御”权衡; 2)缩合单宁和可溶性酚含量等化学防御性状对植食率没有显著影响; 3)物种固有的生长速度与化学防御物质之间也并没有表现出权衡关系。该研究结果没有支持生长-防御权衡假说的观点, 亚热带森林的植物在进化上可能同时经历环境和天敌的强烈选择, 使植物表现出更加灵活的性状组合来适应复杂的生物和非生物环境。

五角槭(Acer pictum subsp. mono)是阔叶红松林的主要伴生树种, 对阔叶红松林的结构与功能具有重要作用。研究五角槭在不同生活史阶段叶-枝-根功能性状及其相关关系, 对理解植物功能性状种内变异以及对资源的获取和分配策略具有重要意义。该研究以黑龙江凉水国家级自然保护区阔叶红松林内的五角槭幼苗、幼树和成年树为研究对象, 分析了叶、枝和根的12个生理、形态性状和碳(C)、氮(N)、磷(P)含量等化学计量学特征, 探讨了不同生活史阶段对叶-枝-根性状的变异及其性状间相关性的影响。结果表明: (1)随生活史阶段上升, 叶厚度、枝组织密度、根直径、叶N含量以及叶、枝和根的C含量均显著增加, 比叶面积、净光合速率、比根长均显著降低, 且各性状在生活史阶段存在不同程度的种内变异; (2)生理、形态性状与化学性状在叶和枝中相关性较高, 而细根中仅比根长与化学性状存在相关关系; (3)随生活史阶段上升, 叶片N含量和净光合速率增大, 光合产物积累较多, 叶片由“缓慢投资-收益”型转变为“快速投资-收益”型; 枝含水率等代谢能力以及细根的资源获取能力降低, 枝和根均由“资源获取”型转变为“资源保守”型。

枝干光合作用是维持植物碳平衡不可忽视的重要部分, 探究荒漠木本植物枝干光合在干旱胁迫下的响应机制有助于深入理解荒漠植物抵抗干旱的能力。该研究采用盆栽控制实验, 以两年生乔木状沙拐枣(Calligonum arborescens)幼苗为研究对象, 遮光组用铝箔对幼苗枝干进行遮光处理(无枝干光合), 对照组枝干维持正常光照(有枝干光合), 在干旱初始、干旱15天与30天后测定两组植物枝干和叶片光合特征、水力性状以及非结构性碳水化合物(NSC)含量等参数。结果表明: (1)乔木状沙拐枣的枝干光合平均速率为1.0-2.0 μmol·m^-2·s^-1, 且未受干旱时间延长的影响, 在干旱初始、干旱15天和干旱30天的枝干光合速率均值分别为1.42、1.28和1.21 μmol·m^-2·s^-1; 干旱30天后枝干释放CO₂速率显著降低, 枝干光合减少枝干释放CO₂比例显著提高; (2)随着干旱持续, 幼苗的边材比导率、叶片/枝干含水量、水势以及叶片光合速率均显著降低, 但是存在枝干光合的幼苗的下降趋势更为缓慢; (3)与遮光组相比, 干旱15天后枝干光合显著降低木质部导度损失率, 且显著增加叶片和枝干NSC含量; 干旱30天后枝干光合显著减少了木质部栓塞导管数量与横截面积比例, 分别减少33.8%和22.8%; (4)同时期对照组的幼苗叶片光合速率均显著高于遮光组, 在干旱15天和30天后分别高2.3和3.2 μmol·m^-2·s^-1。研究结果表明, 枝干光合能够提高乔木状沙拐枣栓塞抵抗力, 同时对NSC储存以及叶片气体交换均有显著影响。该文为深入理解荒漠木本植物干旱适应策略与生存机制提供理论基础。

竹子在自然界中存在较多叶色变异, 花叶矢竹(Pseudosasa japonica f. akebonosuji)叶色变异是典型代表, 通过对花叶矢竹不同叶色叶片光合特性的研究, 可解析其叶色变异机理。该研究以花叶矢竹不同叶色叶片为研究对象, 利用紫外分光光度计、高效液相色谱和连续激发式荧光仪等测定不同叶色叶片的光合色素含量、叶绿素合成前体物质相对含量、光系统活性及光合效应差异, 阐明花叶矢竹叶色变异的生理机制。结果表明: (1)花叶矢竹全绿型和花叶型叶片光合色素含量差异显著, 花叶型叶片的叶绿素a/b值显著低于全绿型, 而类胡萝卜素/叶绿素值显著高于绿叶。(2)花叶矢竹白叶和条纹白叶的叶绿素生物合成前体物质粪卟啉III含量显著高于绿叶, 而相邻产物原卟啉IX含量急剧下降, 导致叶绿素a、叶绿素b含量显著降低。(3)条纹叶的净光合速率、表观量子效率等均显著低于绿叶, 全白叶无光合效应。(4)以全绿叶作为对照, 花叶捕获的激子将电子传递到电子传递链中初级醌受体(Q_A)下游的电子受体的概率(Ψ_o)和以吸收光能为基础的性能指数(PI_ABS)均显著降低, 且PI_ABS的降低幅度大于Ψ_o, 白叶复绿后也没有完全恢复, 表明花叶光系统II (PSII)供体侧供应电子的能力和受体侧接收电子的能力都降低, PSII整体性能低于绿叶。白叶和条纹叶叶绿素K相荧光强度(F_k)占F₀ - F_j振幅的比例(W_k)变化值显著高于绿叶(F₀为初始荧光强度, F_j为J相荧光强度), 白叶复绿后其性能基本恢复。绿叶叶绿素F_j占F₀ - F_p振幅的比例(V_j)变化值显著低于白叶和复绿叶, 与条纹绿叶无显著差异, 表明PSII受体侧性能在绿叶和条纹绿叶上表现一致, 但是复绿叶也没有完全恢复至绿叶水平。(5)花叶和复绿叶820 nm处的光吸收量均小于绿叶, 白叶复绿过程中, 光系统I (PSI)最大氧化还原能力(ΔI/I_o)值显著增加并逐渐恢复到稳定绿叶水平, 说明花叶叶绿素I (P700)氧化还原能力都较低, 白叶复绿后氧化能力与绿叶无显著差异, 但P700⁺的还原能力没有恢复到绿叶水平。(6) PSI与PSII之间的协调性变化(Φ_PSI/PSII)在白叶中显著低于绿叶, PSI/PSII的协调性变差, PSII下降幅度大于PSI。复绿叶片Φ_PSI/PSII显著高于绿叶, 说明PSI恢复而PSII没有恢复, 因此, 复绿叶光系统性能减弱主要由PSII引发。总之, 花叶是由叶绿素含量、叶绿素a/b值下降导致的叶绿素a缺乏型突变, 原卟啉IX含量急剧下降导致叶绿素合成障碍; PSII/PSI的协调性变弱、叶片复绿后PSII性能并未恢复到绿叶水平, 因此全株始终保持花叶, 光合能力及利用效率都低于绿叶, 不同叶色之间存在光合生理差异。