干旱导致树木死亡对生态系统功能和碳平衡有重大影响。植物水分运输系统失调是引发树木死亡的主要机制。然而, 树木对干旱胁迫响应的多维性和复杂性, 使人们对植物水分运输系统在极端干旱条件下的响应以及植物死亡机理的认识还不清楚。该文首先评述衡量植物抗旱性的指标, 着重介绍可以综合评价植物干旱抗性特征的新参数——气孔安全阈值(SSM)。SSM越高, 表明气孔和水力性状之间的协调性越强, 木质部栓塞的可能性越低, 水力策略越保守。然后, 阐述木本植物应对干旱胁迫的一般响应过程。之后, 分别综述植物不同器官(叶、茎和根)对干旱胁迫的响应机制。植物达到死亡临界阈值的概率和时间, 取决于相关生理和形态学特征的相互作用。最后, 介绍木本植物水力恢复机制, 并提出3个亟待开展的研究问题: (1)改进叶片水分运输(木质部和木质部外水力导度)的测量方法, 量化4种不同途径的叶肉水分运输的相对贡献; (2)量化叶片表皮通透性变化, 以便更好地理解植物水分利用策略; (3)深入研究树木水碳耦合机制, 将个体结构和生理特征与群落/景观格局和过程相关联, 以便更好地评估和监测干旱诱导树木死亡的风险。

树木叶片的水力效率和安全性会对水分条件的改变做出一定的响应, 进而影响树木的生长和分布, 然而叶导水率(K_leaf)和叶水力脆弱性(P₅₀)对不同水分条件的响应模式及其影响因素尚不清楚。该研究选取了晋西北关帝山和黑茶山两种水分条件下的8种树种, 测量其水力性状、叶片导管和形态性状, 比较两地不同树种的K_leaf和P₅₀的变化, 分析叶片水力效率和安全性之间的权衡关系, 并探讨叶片水力性状在不同树种及水分条件下的响应模式及其驱动因素。结果表明: 对同一树种而言, 湿润的关帝山叶最大导水率(K_max)和P₅₀均高于干旱的黑茶山; 对同一地区而言, 从在高水分条件下生长的树种到在易干旱环境生长的树种, K_max和P₅₀均逐渐下降。K_max、P₅₀、膨压丧失点水势(TLP)之间均存在显著相关关系。两地叶片P₅₀与导管密度、导管塌陷预测值((t/b)³)、叶片厚度、比叶质量显著正相关, 与导管直径、叶面积显著负相关, 不同树种的K_leaf和P₅₀与叶导管性状的关系大于叶形态性状。同一树种的关帝山到黑茶山P₅₀变化量(δP₅₀)与比叶质量和叶干物质含量在两地的变化量显著正相关, 同一树种δP₅₀与叶形态性状变化量的关系大于与叶导管性状的。以上结果表明: 随着水分条件变差, 叶片水力效率降低, 水力安全性提高, 不同树种叶片水力效率与安全性之间存在一定的权衡关系, 不同树种叶水力性状的差别受叶导管性状影响的程度大于受叶形态性状的影响, 同一树种叶水力安全性对水分条件变化的响应主要依靠叶形态性状的驱动, 树木在提高自身叶水力安全的同时增加了叶构建的碳投资。

灌木是森林生态系统的重要组成部分, 对于演替进程中灌木叶片化学计量特征的研究, 有助于全面理解和预测森林演替过程。该研究以黑龙江凉水国家自然保护区内处于阔叶红松(Pinus koraiensis)林不同演替阶段中的白桦(Betula platyphylla)次生林、落叶阔叶混交林、针阔混交林、阔叶红松林的灌木为研究对象, 分析其叶片的碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征差异, 并利用层次分割方法检验其与土壤、物种多样性的关系。主要结果为: 1)随着演替的进行, 阔叶红松林的叶片N含量显著高于其他3种林型, P含量与白桦次生林无显著差异, 但显著高于其他两种林型; 2)土壤N、P含量与个体尺度上的叶片N含量均呈显著正相关关系, 土壤P含量与叶片P含量呈显著正相关关系; 3)群落尺度上, 物种多样性和土壤化学性质共解释叶片N含量变异的82%和叶片P含量变异的62%; 4)群落尺度上Shannon多样性指数与灌木叶片的N、P含量呈显著正相关关系, 与灌木叶片的C:N、C:P呈显著负相关关系。总之, 阔叶红松林4个演替阶段灌木均受到氮限制; 相较于土壤的化学性质, 物种多样性更好地解释了灌木化学计量的变异。

土壤盐渍化是阻碍林业发展的重要原因, 杨树(Populus spp.)是中国主要的人工林树种, 探究盐胁迫下植物的碳氮代谢特征与抗盐胁迫能力, 将有助于杨树人工林的可持续发展。该研究利用美洲黑杨(P. deltoides)和青杨(P. cathayana)两个物种, 采用去叶与不去叶处理, 在盐胁迫下研究两种杨树的抗逆性差异。研究发现, 盐胁迫下美洲黑杨的总生物量和光合能力均显著高于青杨。盐胁迫与去叶处理导致美洲黑杨叶绿素浓度和光系统II最大光量子效率显著高于青杨, 表明去叶对美洲黑杨影响较小, 但是加重了盐对青杨的毒害作用。美洲黑杨茎叶Na⁺浓度显著低于青杨, 表明美洲黑杨能够有效地限制Na⁺向地上部分运输。在盐胁迫条件下, 美洲黑杨茎和根比青杨能够维持更高浓度的淀粉、可溶性糖以及蔗糖, 前者较高的腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶活性促进了光合产物向淀粉转换, 保证植物有充足的非结构性碳水化合物来参与渗透调节和维持其他生命活动, 而去叶使得青杨非结构性碳水化合物严重不足, 受盐胁迫影响更严重。盐胁迫下, 青杨分布在脂溶性蛋白(膜系统相关蛋白质)的氮浓度显著下降, 而NH₄⁺、谷氨酸脱氢酶活性与脯氨酸浓度显著升高。研究结果证明, 非结构性碳水化合物的积累、转化和分配是植物抗逆性的重要特征。

甘肃陇东黄土高原为中国苹果主产区之一, 生产中多采取覆膜方式节水保墒, 但长期覆膜易导致土壤物理性状退化及苹果根系生长障碍。为探明长期覆膜对苹果园表层土壤(0-20 cm)、亚表层土壤(20-40 cm)物理特性、土壤结构稳定性及苹果细根数量、形态、构型、解剖性状的影响, 以18年生苹果树为试验材料, 于苹果树发根高峰(果实采后至落叶期), 以清耕(CK)为对照, 采用土壤剖面法系统调查覆膜2年(2Y)、覆膜4年(4Y)、覆膜6年(6Y)的表层土壤、亚表层土壤物理性状变化趋势, 苹果根系根长、表面积、比根长、导管直径、导管密度等指标的空间分布特征。并借助主成分分析, 抽取覆膜条件下根系与土壤变化主要因子, 分析应对根际土壤物理退化的苹果树细根生长适应策略调整。结果表明: 短期覆膜(2Y)可有效改善亚表层土壤含水量、总孔隙度, 分别比CK提高了18.04%、4.53%, 土壤密度降低了2.36%, 促进细根在亚表层土壤中的生长, 比表面积为CK的151%; 覆膜促使黏粒向亚表层土壤移动, 产生明显的淀积黏化作用。土壤物理性黏粒在亚表层土壤中高于表层土壤, 2Y、4Y和6Y处理亚表层土壤物理性黏粒为表层土壤的115.64%、115.58%和114.21%, 呈现土壤紧实化。土壤质地、团聚体特征、有机质含量为主导亚表层土壤退化进程的主要载荷因子, 使根系数量、构型特征受到抑制, 导致长期(4Y、6Y)覆膜苹果的细根集中分布于表层土壤中。亚表层土壤中细根变粗、抑制延伸生长、增大导管直径, 以弥补细根数量、形态性状弱化带来的吸收功能减弱, 促使根系采取“密集型”根系构建策略。综上所述, 长期覆膜果园亚表层土壤出现物理“隐形”退化, 影响果树根系健康生长和土壤可持续利用。2年为适宜陇东旱塬的连续覆膜年限, 生产中应适时揭膜, 促进根系生长和土壤结构优化。

基于核基因ITS序列研究中国4种野生扁桃: 新疆野扁桃(Amygdalus ledebouriana)、蒙古扁桃(A. mongolica)、长柄扁桃(A. pedunculata)和西康扁桃(A. tangutica)的系统发育关系和物种分化, 为4种植物的遗传与演化研究提供数据支撑。利用单倍型网络和主坐标分析揭示单倍型的聚类关系; 利用最大似然树和贝叶斯系统树分析单倍型的系统发育关系; 利用R语言“ecospat”包分析4种扁桃的生态位分化及其环境驱动因子。4种扁桃ITS1-ITS4片段总长为634 bp, 鉴别出27个核苷酸变异位点, 共定义了28个单倍型。4种扁桃种间最小遗传距离均大于种内最大遗传距离, 种间存在显著的遗传分化。4种扁桃的单倍型聚为两支: 新疆野扁桃、蒙古扁桃和西康扁桃聚为一支, 长柄扁桃为另一支; 单倍型网络和主坐标分析揭示的单倍型聚类关系与系统树一致。西康扁桃与蒙古扁桃、与长柄扁桃之间均表现出了显著的生态位分化, 最暖月最高气温、年平均气温、最冷月最低气温和最暖季降水量是驱动物种生态位分化的关键因子。

微生物生物量及其化学计量特征是土壤养分循环的重要参数, 对预测气候变化和提高模型准确性及理解陆地生态系统养分循环都起到重要作用。为了明晰高寒生态系统土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)浓度及其化学计量特征, 该研究通过在三江源区高寒湿地连续两年的野外调查和室内培养, 分析了50个样点的数据, 探究三江源高寒湿地MBC、MBN、MBP浓度及其化学计量特征, 明确了土壤理化特性和微生物群落特征对其影响。结果表明: (1)三江源高寒湿地MBC、MBN和MBP浓度分别为105.11、3.79和0.78 mmol·kg^-1, MBC:MBN、MBC:MBP、MBN:MBP和MBC:MBN:MBP分别为50.56、184.89、5.42和275:5:1。高寒湿地土壤的MBC浓度显著高于高寒草甸土壤, 而MBN和MBP浓度在高寒湿地和高寒草甸土壤之间没有显著差异; 高寒湿地土壤的MBC:MBN和MBC:MBP显著高于高寒草甸土壤, 而MBN:MBP在高寒湿地和高寒草甸土壤之间差异不显著。(2)土壤理化特性与MBC、MBN和MBP浓度具有显著相关性。土壤含水率与MBC:MBN和MBC:MBP存在显著负相关关系, 而土壤密度与MBC:MBN和MBC:MBP浓度存在显著正相关关系, 土壤全氮含量和MBC:MBP存在显著负相关关系, 而与MBC:MBN的相关关系不显著。土壤理化特性对MBN:MBP的影响不显著。(3)整体而言, 微生物群落结构与MBC、MBN和MBP浓度之间存在显著的相关性。微生物群落结构和MBC:MBN、MBC:MBP的关系是相似的, 总磷脂脂肪酸(PLFA)含量、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、细菌、放线菌、丛枝菌根真菌浓度和其他PLFA含量与MBC:MBN和MBC:MBP存在显著负相关关系, 而真菌:细菌与MBC:MBN和MBC:MBP之间存在显著正相关关系, 真菌浓度与MBC:MBN和MBC:MBP之间的相关关系不显著。除丛枝菌根真菌外, MBN:MBP与微生物群落结构均无显著相关关系。

全球气候变化可能会提高冻融循环时间、强度以及频率, 从而可能显著影响土壤氧化亚氮(N₂O)排放。N₂O是一种重要的温室气体, 但目前对冻融循环期间土壤N₂O排放规律以及影响因素的了解还有限。为此, 该研究采用整合分析方法, 从已发表文献中收集了30篇关于冻融循环对土壤N₂O通量和累积排放量影响的文献, 探究冻融循环在不同生态系统对N₂O排放的影响, 从试验设置、土壤基本理化性质以及冻融循环格局等角度全面综合地探究其排放影响因素。该研究得出, 冻融循环能显著增加N₂O通量、N₂O累积排放量和硝化作用速率, 全球平均增幅分别为72.34%、143.25%和124.63%; 冻融循环也可增加反硝化作用速率, 全球平均增幅为162.56%; 与之相反, 冻融循环显著减少微生物生物量氮含量, 全球平均减幅为6.39%。不同生态系统土壤水热条件和基本理化性质差异可显著影响冻融循环对N₂O排放的影响。当年平均气温超过5 ℃时, 冻融循环作用可显著提高N₂O通量104.13%, 显著高于年平均气温为0-5 ℃ (25.56%)和小于0 ℃ (55.29%)时; 土壤湿度大于70%时, N₂O通量增加109.17%, 显著高于土壤湿度为50%-70% (65.67%)和小于50% (20.37%)时的通量。土壤黏粒和养分含量越高的土壤区域, 冻融循环对N₂O排放的提高幅度越大。在有植物存在时, 冻融循环可显著提高土壤N₂O通量达91.21%, 高于无植物存在时的54.43%。土壤过筛和在冻融循环期间采集土壤都会增加冻融循环对N₂O排放的影响。另外, 融化时间长, 冻结强度大和冻融循环频率高均可显著提高土壤N₂O累积排放量对冻融循环的响应。当冻结温度低于-10 ℃时, 冻融循环对土壤N₂O排放通量的增幅可达100.73%, 显著高于在冻结温度为-10- -5 ℃ (47.74%)和高于-5 ℃ (70.25%)时。主要原因是冻结强度高可促进土壤微生物和土壤结构释放更多的养分, 从而提高N₂O的产生和排放。该研究结果有助于更好地理解土壤N₂O对冻融循环的响应及其影响因素, 为更准确地预测未来全球气候变化对N₂O排放影响提供科学数据支撑。

被子植物木质部导管的分布格局非常多样, 并且与木质部的输水功能有密切的联系, 然而在木材解剖学中对导管分布格局往往采用定性描述, 不利于分析该特征与物种的水力功能、生态地理分布的关系。该文采用点格局分析方法, 依据木材孔型、导管空间排列和导管群集度三类木材宏观结构特征组合, 选取不同导管分布类型的17种代表性阔叶树种, 利用Strauss-Hardcore模型对其木质部横切面解剖影像进行定量分析。Strauss-Hardcore模型能够很好地拟合木质部中导管二维空间位点的分布特征, 该模型的3个参数: 硬核距离、局部聚集距离、点对交互作用强度(局部聚集指数)都有着明确的生物学意义。传统解剖学对导管构型的定性分类同模型相比不能准确表现被子植物的木质部导管空间分布特征, Strauss-Hardcore模型的局部聚集度指数主要受导管群集度影响, 尤其是复导管和导管团的存在都会增大导管小尺度聚集程度。对散孔材、半环孔材的生长轮及环孔材的晚材部分解剖图像分析表明, 导管以单导管为主且没有明显分布方向的散孔材树种, 其木质部导管点对交互作用强度为负值, 局部聚集指数一般小于0.4, 导管空间分布依次在3个局部尺度表现出排斥-排斥-随机格局; 而导管具有径向、弦向、锯齿形等明显目视识别特征的物种, 无论孔型和是否以单复导管为主, 其导管点对交互作用强度为正值, 局部聚集指数均大于0.4, 导管依次在3个局部尺度上表现出排斥-聚集-随机的分布格局。采用点过程模型有利于准确描述导管二维空间分布规律, 增强对导管空间格局形成机理的理解, 可有力地支撑木质部三维导管系统的理论研究和木质部结构-功能的实验研究。