叶绿素荧光是研究植物光合生理机制、量化植被光合作用时空格局以及准确理解气候变化背景下陆地生态系统生产力的关键。然而, 目前对于叶绿素荧光主动与被动联合观测的研究还较少。该文对比了叶绿素荧光主动观测与被动观测的优缺点, 展示了叶片尺度和冠层尺度主动与被动联合观测的仪器设备组成, 探讨了主动与被动联合观测在探索叶绿体尺度-叶片尺度-冠层尺度能量在光合、荧光以及热耗散中的分配, 阐明叶绿素荧光与总初级生产力的关联机制, 验证星基日光诱导叶绿素荧光, 解译叶绿素荧光光谱形状4个方面的应用前景。综上, 叶绿素荧光的主动与被动联合观测对于揭示各尺度上荧光与光合作用之间的关联机制, 改善全球尺度植被生产力模型至关重要。

波文比(β)是陆面过程中的重要参数, 影响着地表和大气间的能量交换, 明确β的空间变异规律和影响因素有助于对地表能量平衡和气候间反馈关系的预测。该研究收集了在中国不同生态系统类型开展的用涡度相关法(EC)测量地表能量平衡的公开发表文献, 构建了β和气象环境因子数据库, 分析了β在生态系统之间的差异、空间变异特征及影响因素。主要结果: (1)所有生态系统β平均值为0.95 ± 0.64, 变异系数67%, 偏度1.58, 峰度3.07, 整体服从对数正态分布, β平均值最高为灌木生态系统(1.26), 最低为湿地生态系统(0.49)。(2) β在生态系统类型间差异显著: 森林和湿地生态系统β无显著差异, 灌木生态系统β >草地生态系统 β >森林和湿地生态系统 β, 农田生态系统β介于草地生态系统与森林和湿地生态系统之间。(3) β随着纬度的增加而增加, 不随经度和海拔变化。纬度每增加1°,β增加0.038。(4) β随着年降水量(MAP)、年平均气温(MAT)、净辐射(R_n)、当年降水量(PPT)、当年平均气温(T_a)和叶面积指数(LAI)的增加而降低。(5)不同生态系统中β对生物和非生物因素的响应存在显著差异: 草地、森林和灌木生态系统的β对生物和非生物因素变化较为敏感, 而农田和湿地生态系统的β与所有生物和非生物因素均无显著相关关系。(6) MAP和R_n是β变化的直接影响因素, LAI通过影响R_n间接影响β。结果表明了植被类型与气候因素之间具有交互作用, 能量分配最主要的影响因素是降水, 叶面积对能量分配的调节作用并不显著。

沼泽湿地是大气甲烷(CH₄)的重要来源, 但有关亚热带亚高山沼泽湿地CH₄排放的研究却鲜有报道, 特别是对不同覆被类型泥炭藓沼泽湿地CH₄排放量的精确估算及其与环境因子的关系尚不清楚。该研究选择鄂西南亚高山泥炭藓沼泽湿地为研究区域, 于2018年11月-2019年10月间, 使用静态箱-气相色谱仪法原位测定3种覆被类型泥炭藓沼泽湿地CH₄通量, 同步记录大气和地下5 cm土壤的温度以及地下水位变化。结果表明: (1)光照下, 裸露地(B)、泥炭藓(Sphagnum paluster)(S)、金发藓(Polytrichum commune)(P) 3种覆被类型泥炭藓沼泽湿地CH₄-C通量全年变化范围分别为: 0.012-1.372、0.022-1.474、0.027-3.385 mg·m^-2·h^-1; 遮光处理下, B、S、P 3种覆被类型泥炭藓沼泽湿地CH₄-C通量的全年变化范围分别为: 0.012-1.372、0.009-1.839、0.017-2.484 mg·m^-2·h^-1, 均为CH₄排放源。同时, 光照条件下不同覆被泥炭藓沼泽湿地CH₄排放量略大于黑暗条件, 但差异不明显。(2)不同覆被类型泥炭藓沼泽湿地CH₄排放存在明显的季节变化规律, 即: 夏季>秋季>春季>冬季, 其中夏季CH₄排放量显著大于其他季节, 占全年的57%-84%。该研究发现泥炭藓沼泽湿地CH₄通量均与气温和地下5 cm土壤温度极显著相关, 且CH₄排放量随温度升高呈指数增加, 表明温度是影响泥炭藓沼泽湿地CH₄排放时间变化的主要环境因子。(3) 3种覆被类型泥炭藓沼泽湿地的年平均和年累计CH₄排放量均依次为: P > S > B, P显著大于B。该研究发现植被类型与泥炭藓沼泽湿地CH₄排放量存在显著相关性, 表明覆被类型是影响泥炭藓沼泽湿地CH₄排放量空间变异的主要因子。(4) 3种覆被类型泥炭藓沼泽湿地CH₄排放量均与地下水位变化不相关。该研究进一步丰富了泥炭藓沼泽湿地CH₄排放规律, 同时也为区域碳循环提供了详实的基础数据。

极端干旱区由于降水稀少, 植被盖度低, 太阳辐射强烈, 以及土壤稳定性差, 导致其凋落物周转不同于非干旱区。为探究极端干旱区凋落物分解规律, 该研究利用凋落物分解袋法, 以塔克拉玛干沙漠南缘沙漠-绿洲过渡带优势物种花花柴(Karelinia caspia)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)和胡杨(Populus euphratica)凋落叶为研究对象, 设置不同的沙土掩埋处理: 地表、2 cm和15 cm埋深, 以模拟自然条件下凋落物分解环境, 测定分解过程中凋落物质量和水溶性盐的变化特征。结果表明: 极端干旱区凋落物分解速率与凋落物初始碳(C)含量、氮(N)含量、C:N和木质素含量的关系与非干旱区存在较大差异, 在地表处理下, 木质素含量越高, 质量损失越快。不同分解环境下凋落物质量和水溶性盐损失具有显著差异, 与15 cm埋深相比, 地表和2 cm埋深处理显著增加了凋落物的质量损失和水溶性盐总量损失。地表处理增加了凋落物分解前期的水溶性盐溶解量。该研究表明, 极端干旱区凋落物分解的驱动机制具有独特性, 由于降水稀少, 土壤微生物的活性较低, 掩埋深度不是驱动凋落物分解的主要因素, 极端干旱区凋落物的分解主要受其他非生物过程如太阳光辐射的影响。

生境片段化伴随的面积效应和边缘效应, 可改变分散贮食动物的竞争强度、觅食行为以及隐蔽条件, 影响种子捕食和扩散模式。阐明生境片段化对多物种种子捕食和扩散的影响, 对理解片段化生境中的植物更新和生物多样性维持十分重要。该研究在浙江省千岛湖地区的岛屿和大陆上开展了针对6种壳斗科植物的种子捕食和扩散实验, 分析了物种、分散贮食动物相对多度、种子产量、岛屿大小和边缘效应如何共同影响种子命运和种子扩散距离。主要结果: (1)种子命运和扩散距离在物种间存在显著差异; (2)大陆比岛屿有更长的种子留存时间, 小岛种子留存时间最短, 岛屿内部比岛屿边缘有更长的种子留存时间; (3)物种和岛屿大小对种子原地取食率存在交互作用, 白栎(Quercus fabri)种子在大岛上有更高的原地取食率; (4)种子在小岛上有最高的扩散率, 分散贮食动物相对多度对种子扩散后贮藏率有负效应。表明在千岛湖地区, 生境片段化改变了种子捕食和扩散模式, 且面积效应对不同物种的种子捕食和扩散模式产生了不同作用, 从而影响森林群落更新和生物多样性维持。

黑松(Pinus thunbergii)群落在中国东海和黄海海域的海岛广泛分布, 研究其功能多样性的纬度变化特征及其影响因素, 有助于揭示是否在高度隔离的片断化景观中, 同一植物群落类型的生物多样性也具有显著的纬度地带性特征。该研究调查和测定了中国东部海域跨越13个纬度的27个海岛60个黑松群落的物种组成和植物功能性状, 分析了生物因素(黑松优势度和物种多样性)与非生物因素(年平均气温、总太阳辐射和干旱指数)与黑松群落功能多样性的关系, 并利用广义线性回归和方差分解揭示了各影响因素对黑松群落功能多样性的相对影响。主要结果: 随纬度升高, 群落的黑松优势度和物种丰富度, 以及枝干性状和枝叶性状总体的功能丰富度、功能分散度、Rao二次熵均显著降低, 但叶片功能多样性无显著变化趋势。黑松优势度、物种多样性和气候综合解释了枝叶性状总体功能丰富度、分散度和Rao二次熵变异的63%、47%和39%, 枝干性状功能丰富度、分散度和Rao二次熵变异的56%、67%和53%, 对叶片性状功能多样性的综合解释度较低(21%-30%)。物种丰富度和辛普森多样性显著增加叶功能多样性, 香农-维纳多样性显著降低叶功能丰富度。干旱度显著增加枝叶性状总体和枝干功能多样性, 年平均气温显著降低枝干功能分散度和Rao二次熵。该结果表明, 中国东部海岛黑松群落的功能多样性具有明显的纬度格局, 气候因素和物种丰富度是决定黑松群落功能多样性纬度变异的重要因素。

在新疆阿尔泰山中段的红山嘴地区选取一条沿海拔745-2 413 m的不同植被带群落样方进行调查, 对应采集37个表土样品进行孢粉统计和排序分析, 初步探究了红山嘴地区的植被与表土孢粉之间的对应关系, 并将之与新疆阿尔泰西部的喀纳斯西坡孢粉垂直带进行对比。结果表明, 红山嘴地区表土孢粉谱依照海拔高度自上而下划分为4个孢粉组合类型, 分别对应亚高山草甸、山地森林、灌丛草原和荒漠草原。乔木植物中云杉属(Picea)和松属(Pinus)花粉, 灌木植物中麻黄属(Ephedra)及草本植物中的苋科和蒿属(Artemisia)因受到自然风力、水流及人为活动的影响, 表现出明显的超代表性; 乔木植物中的落叶松属(Larix)花粉, 草本植物中的禾本科及莎草科花粉, 却在其自身为优势种的群落中呈现低代表性; 蒿属与苋科花粉百分含量的比值(Ar/Am)能较好地反映该区气候垂直带的干湿状况, 灌丛草原带的Ar/Am低, 在一定程度上反映了人类活动对草原灌丛化的影响。与新疆阿尔泰西部的喀纳斯西坡孢粉垂直带相比, 红山嘴垂直带的孢粉类型偏少, 同时相似的孢粉带在该区的分布高度比喀纳斯西坡高。此外, 排序分析(RDA)结果表明, 年降水量是影响该区表土孢粉组合的主要环境因子。

气孔是植物叶片与外界环境进行水汽交换的门户, 利用气孔特征反映植物对环境变化的响应与适应有助于了解干旱区绿化植物的适应策略。于2019年7月通过气孔印迹法对兰州市40种主要绿化植物气孔性状进行观察与测定。采用标准化主轴估计和系统独立比较分析建立气孔性状间的相关关系; 通过计算Blomgerg’sK值以检验系统发育信号; 利用聚类分析和主成分分析对气孔性状特征进行功能群划分。结果表明: (1)在所研究的植物中, 气孔性状特征在个体间差异显著, 植物生长型(乔木、小乔木、灌木和草本)会显著影响气孔长度、宽度、开度和密度, 叶习性(落叶和常绿)仅对气孔开度有显著影响; (2)气孔长度与宽度、气孔开度与面积间均为显著的异速生长关系, 气孔密度与面积和开度间为负异速生长关系; (3)系统发育会对气孔性状的相关关系产生显著影响, 虽然气孔性状的系统发育保守性不强(K < 1), 但气孔开度和气孔开张比具有显著的系统发育信号; 4)依据气孔性状特征可以将绿化植物划分为: 低密度-大面积、高密度-小面积和中等密度-适中面积共3种功能群。结合系统发育和异速生长理论能更好地解释气孔性状变异及适应策略。

磷(P)是森林生态系统生产力的重要限制性元素。土壤磷的有效性取决于磷的存在形态及其转化过程。目前有关增温如何调控磷形态转化过程, 从而促进土壤有效磷含量增加的机制尚未明确。该研究以南亚热带森林为研究对象, 采用沿海拔高度从300 m下降至30 m以模拟温度自然上升的方法, 采集该林型0-10、10-20、20-40 cm的土壤, 并用适用于酸性土壤的连续浸提方法分离不同形态磷, 研究增温对土壤不同形态磷含量的影响, 探讨土壤不同形态磷与有效磷的关系, 识别对土壤有效磷在增温背景下增加有重要贡献的磷组分。结果表明增温使0-10 cm的无机钙磷(Ca-Pi)及20-40 cm的无机铁磷(Fe-Pi)和总无机磷含量分别显著增加了65.5%、17.9%和18.5%, 但对总有机磷及各有机磷组分含量均无显著影响。土壤不同形态磷与有效磷含量的相关分析表明, 有效磷与无机态的不同形态磷及有机铝磷、有机铁磷含量均显著正相关, 其中与Fe-Pi含量的相关性最强。通过土壤不同形态磷与有效磷含量的通径分析进一步发现, 无机铝磷、Fe-Pi是土壤磷转化过程中的重要中间过渡性磷组分, 且Fe-Pi是促进有效磷含量增加最重要的直接贡献磷组分。结合前期研究结果, 增温可能增大了凋落物磷对土壤磷的输入, 还可能强化了土壤的吸附和沉淀过程, 使得更多进入到土壤的溶解态磷转化为Ca-Pi、Fe-Pi等缓效磷源, 其中Fe-Pi可能成为南亚热带森林在气候变暖背景下最重要的有效磷来源。

摸清珍稀濒危抗旱植物铁坚油杉(Keteleeria davidiana)的种群数量及其分布情况, 能够为珍稀濒危物种保护工作提供基础数据。该文对云南省新平县6个乡镇铁坚油杉群落进行样方调查分析, 每个乡镇设置3个样方, 样方面积为20 m × 20 m, 记录样方生境信息、统计群落物种组成及其数量特征, 对群落类型及其结构特征进行了统计和分析。主要结果: (1)在调查样地内, 共有维管束植物163种, 隶属于58科131属; (2)植物群落区系分布类型有12种, 以热带成分和中国特有种为主, 热带成分占优势; (3)群落内乔木和灌木植物最多, 占62.58%, 其次是多年生草本植物; (4)按照建群种和生活型, 可将18组植被样方数据划分为3个群系17个群落类型; (5)年龄结构不合理, 铁坚油杉种群结构呈衰退趋势, 自然居群已成为小种群。如果铁坚油杉群落没有足够的幼苗进行更新和补充, 铁坚油杉将退出当前的群落。