植物生态化学计量学是生态化学计量学的重要分支, 主要研究植物器官元素含量的计量特征, 以及它们与环境因子、生态系统功能之间的关系。19世纪, 化学家们通过室内实验, 分析了植物器官的元素含量, 开始了对植物化学元素之间关系的探索。如今, 生态学家通过野外采样和控制实验, 探索植物化学元素计量特征的变化规律、对全球变化的响应以及与植物功能属性之间的关系, 促进了植物生态化学计量学的快速发展。该文在概述植物生态化学计量学发展简史的基础上, 综述了19世纪以来该领域的研究进展。首先, 该文将植物生态化学计量学的发展历程概括为思想萌芽期、假说奠基期和理论构建期3个时期, 对各个时期的主要研究进行了简要回顾和梳理。第二, 概述了植物主要器官的化学计量特征, 尤其是陆生植物叶片氮(N)和磷(P)的计量特征。总体上, 全球陆生植物叶片N、P含量和N:P (质量比)的几何平均值分别为18.74 mg∙g^-1、1.21 mg∙g^-1和15.55 (与16:1的Redfield比一致); 在物种或群落水平上, 叶片N和P含量一般呈现随温度升高、降水增加而降低的趋势。不同生活型植物叶片N和P计量特征差异明显, 尤其是草本植物叶片N和P含量高于木本植物, 落叶阔叶木本植物叶片N和P含量高于常绿木本植物。与叶片相比, 细根和其他器官化学计量特征研究较少。第三, 总结了养分添加实验对植物化学元素计量特征的影响。总体上, N添加一般会提高土壤N的可利用性, 使植物器官中N含量和N:P升高, 在一定程度上提高植物生产力; P添加可能会缓解过量N输入导致的N-P失衡问题, 提高植物器官P含量。但是, 长期过量施肥会打破植物器官原有的元素间计量关系, 导致元素计量关系失衡和生产力下降。第四, 梳理总结了植物生态化学计量学的重要理论、观点和假说, 主要包括刻画化学计量特征与植物生长功能关系的功能关联假说、刻画化学计量特征与环境因子关系的环境关联假说或理论以及刻画化学计量特征与植物进化历史关系的进化关联假说。最后, 指出了植物生态化学计量学研究中存在的问题, 展望了10个未来需要重点关注的研究方向。

自然成土过程中土壤养分的变化与植被原生演替常同时发生。随成土年龄变化的植物养分捕获策略(NASs)对植物竞争能力和演替过程具有重要影响。该文将植物NASs划分为细根、微生物、特殊根系、食虫和寄生策略等5个类型; 发现植物NASs的多样性随成土年龄的增加呈哑铃型变化模式; 特殊根系策略对植物捕获养分的作用在成土中期最小、后期最大, 细根和微生物策略的作用随成土年龄的增加逐渐降低; 分析了成土过程中NASs对植物种间关系影响的变化, 发现NASs对成土早期植物的促进作用和中期的竞争关系具有重要影响, 而成土后期多样和互补的NASs对植被群落的稳定共存及多样性的形成具有影响; 提出应进一步探究成土过程中土壤养分与植物NASs变化之间的定量关系, 开展更多研究以阐明NASs对植被原生演替、物种多样性形成和成土过程的贡献与机理。

植物主要依赖自身根系从土壤中获取矿质养分; 具有不同根形态的植物对于养分的吸收能力存在差异。丛枝菌根真菌(AMF)能与陆地植物根系形成共生关系, 帮助植物吸收矿质养分。但是, AMF对于植物根系养分吸收的促进效应是否会受根形态的影响还鲜有研究。该研究选取4种不同根形态基因型水稻(根毛缺陷突变体rhl1、侧根缺陷突变体iaa11、不定根缺失突变体arl1和野生型Kas)为研究对象, 设置2种施氮水平处理(低氮: 20 mg·kg^-1氨氮; 高氮: 100 mg·kg^-1氨氮), 利用稳定同位素¹⁵N示踪标记技术, 探究AMF和氮添加对不同根形态植物氮吸收的影响。研究结果发现, 相比低氮处理, 高氮处理下, rhl1、Kas、iaa11与arl1的茎叶¹⁵N浓度分别提高了60%、72%、128%与118%, 说明氮添加显著促进了水稻氮吸收, 且iaa11与arl1对氮添加的响应更强烈。在低氮水平下, AMF对rhl1、Kas、iaa11与arl1氮吸收的平均效应值分别为17%、31%、42%、51%, 表明AMF对于植物氮吸收的促进效应受根形态影响, iaa11与arl1对AMF的响应明显高于Kas与rhl1; 相较于低氮水平, 高氮水平下AMF对于不同根形态水稻氮吸收的促进效应都会显著降低, 表明氮添加削弱了AMF对植物氮吸收的促进效应。该研究阐明了4种不同根形态基因型水稻氮养分吸收存在显著差异, 其中氮吸收能力较弱的基因型水稻对AMF的响应更强, 该结果补充了植物与AMF在养分吸收上存在功能互补的控制实验证据。

明确植物不同器官中的养分回收状况对探究植物养分利用策略与养分循环有重要意义。以往关于养分回收的研究多聚焦于叶片, 而对于茎秆研究较少。此外, 以往研究对植物生长盛期的叶片取样均在同一时间完成, 忽略了不同物种养分峰值可能存在时间差异, 进而导致养分回收效率被低估。该研究以呼伦贝尔草地22种多年生草本植物为研究对象, 在生长季不同时期进行茎秆和叶片取样, 测定其氮(N)、磷(P)含量, 分析茎秆和叶片两类器官中的养分在生长季内的变化情况与养分回收效率。结果表明: 1)植物N、P含量在生长季内有明显的时间变化规律, 呈现出先增加后减少的趋势; 不同物种峰值对应时间存在显著差异, 大部分物种养分峰值出现于8月下旬。2)茎秆和叶片两类器官养分回收模式存在差异, 植物叶片的N回收效率高于茎秆, 但P回收效率两者差异不明显; 叶片中N、P回收效率显著正相关, 而两者关系在茎秆中不显著。3)枯叶中养分含量是回收效率重要的影响因子, 植物养分回收效率与枯叶期养分含量呈显著负相关关系, 与生长盛期养分含量无关。4)以往研究中不同植物种在生长盛期同一时间取样, 造成茎秆和叶片N、P回收效率被不同程度地低估。该研究重新审视了养分回收研究中的取样策略, 表明依据不同物种在生长季内养分含量峰值出现时间决定生长盛期成熟组织的取样时间, 能够增加养分回收效率计测的准确性和科学性。

植物不同器官的碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其生态化学计量特征能够反映植物内部的养分分配与平衡关系。该研究以福建安溪3种不同管理模式的铁观音茶园为研究对象, 设置了常规管理模式下的茶园(M1)、间作套种模式下的茶园(M2)和现代技术管理模式下的茶园(M3) 3种样地, 分析茶树根、茎、叶器官的C、N、P含量及其化学计量学特征, 养分的变异特征与异速生长关系。结果表明: M2和M3管理模式下茶树根、茎、叶N、P含量均显著高于M1管理模式, C含量差异不明显; 茶树根、茎、叶C:N、C:P、N:P均表现为M1 > M2 > M3。茶树不同器官C、N、P含量差异较大, 根据变异来源分析, 管理模式因素对C、N、P含量变异的影响均达到显著水平。根茎叶N-P的异速生长关系表明茶树不同器官的养分需求存在相似性; 土壤pH和容重是影响C:N、C:P、N:P的重要因素, 而土壤含水量和盐度对茶树根和叶C含量的影响较大。总体来讲, 间作套种以及现代化滴灌、水肥等管理模式可以改善茶树对养分的吸收效率, 对解决土壤养分不均衡问题具有正面效应。

同一生活型的植物可能通过吸收不同形态的氮来利用陆地生态系统中有限的氮, 避免和减少对资源的竞争, 从而完成共生。研究荒漠生态系统同一生活型植物对氮的利用是否存在生态位分离, 有助于深入了解荒漠植物的生存策略, 更好掌握氮利用对荒漠植物生存的影响。该研究利用¹⁵N同位素示踪法, 研究古尔班通古特沙漠中广泛分布的2种一年生植物——角果藜(Ceratocarpus arenarius)和碱蓬(Suaeda glauca)在不同月份和不同土壤深度对不同形态氮的吸收策略。结果显示, 在浅层土壤中, 2种植物7月的氮吸收速率均高于6月; 对比不同形态氮的吸收速率, 植物对无机氮的吸收均高于有机氮, 角果藜更偏好吸收硝态氮, 每克干根系最高氮吸收速率可达3.81 μg·h^-1, 碱蓬更偏好吸收铵态氮, 每克干根系最高氮吸收速率可达4.74 μg·h^-1; 从不同形态氮对总氮的贡献率看, 硝态氮是角果藜吸收氮的有利形态, 占比在35.7%-43.9%之间, 铵态氮是碱蓬吸收氮的有利形态, 占比最高可达48.3%, 最低也有40.0%。2种一年生植物不仅可以利用土壤中的无机氮, 也可以直接吸收利用土壤有机氮。研究结果表明: 在古尔班通古特沙漠生态系统中, 一年生植物对氮的吸收能力有着差异和多元化的特点, 且均可吸收土壤中的可溶性有机态氮源。

叶片中非结构性碳水化合物(NSC)不仅是植物维持代谢活动的重要物质基础, 也随凋落物归还土壤并为土壤微生物提供碳源, 对凋落物分解和土壤有机质形成具有重要意义。该研究比较了同质园中11个亚热带代表性树种新鲜叶与凋落叶NSC (可溶性糖、淀粉)含量。结果表明, 所有树种新鲜叶NSC含量均显著高于凋落叶, 新鲜叶中NSC含量为68.7-126.3 mg∙g^-1, 而凋落叶中NSC含量为31.4-79.5 mg∙g^-1。同时, 可溶性糖含量在新鲜叶和凋落叶中的变化幅度均远大于淀粉: 可溶性糖在新鲜叶中的平均含量是凋落叶的3.3倍; 而淀粉在新鲜叶中的平均含量仅为凋落叶的1.2倍。另外, 对不同功能类群的比较发现, 常绿阔叶树种与落叶阔叶树种NSC含量差异并不显著, 而针叶树种NSC含量明显低于阔叶树种。具体表现为: 在新鲜叶中, 常绿阔叶、落叶阔叶树种NSC含量平均为99.7和96.8 mg∙g^-1, 而常绿针叶树种平均为75.4 mg∙g^-1; 在凋落叶中, 常绿阔叶、落叶阔叶树种NSC含量平均为47.2和50.7 mg∙g^-1, 而常绿针叶树种平均为33.3 mg∙g^-1。这些结果表明, NSC作为林木碳代谢组分, 在叶片衰老前可能向新鲜叶转移, 反映了林木叶片碳存储策略。然而, 不管是新鲜叶还是凋落叶, 杉木(Cunninghamia lanceolata)、马尾松(Pinus massoniana)等针叶树种叶片NSC含量显著低于阔叶树种, 这可能降低这些针叶树种凋落叶初始基质质量。

氮是陆地生态系统生产力的主要限制性因素, 土壤微生物是土壤氮转化的主要驱动因子, 随着大气氮沉降的增加, 盐渍化草地土壤微生物对不同水平氮输入的响应尚不清晰。在山西右玉黄土高原草地生态系统定位观测研究站不同水平氮添加平台(0、1、2、4、8、16、24和32 g·m^-2·a^-1), 在实验处理的第4年(2020年)测定生长季(5-9月)氨氧化细菌(AOB)和氨氧化古菌(AOA)丰度, 土壤真菌和细菌组成, 以及土壤微生物生物量碳(MBC)、氮(MBN)含量, 探讨土壤微生物特征对不同氮输入水平的响应机制。研究表明: (1)在2020年生长季的5-9月, 由于土壤温度和水分的差异, 取样日期显著影响氨氧化微生物、细菌和真菌的数量及MBC、MBN含量。(2)氮添加仅显著影响AOB丰度, 对MBC、MBN含量及细菌和真菌丰度的影响均不显著。(3)氮添加对AOB丰度的影响与取样日期有关, 在生长季早期和高峰期(5-8月), 24和32 g·m^-2·a^-1氮添加显著提高AOB丰度, 在生长季后期(9月)氮添加对AOB丰度的影响不显著。(4)土壤阳离子浓度和土壤pH对AOB丰度的变异具有较高的解释度, 分别解释了土壤微生物特征变异的21.8%和17.2%。由于不同水平氮添加并未显著改变土壤阳离子浓度和土壤pH, 土壤MBC、MBN含量, 细菌和真菌的丰度对氮输入的响应不敏感, 仅在高氮处理显著提高了AOB的丰度, 说明高氮添加可能会促进盐渍化草地土壤氮的转化速率。

土壤氮库对生态系统的养分循环至关重要。目前多数研究主要关注氮沉降对土壤总氮的影响, 而对土壤不同有机质组分的氮库对氮沉降响应的研究较为缺乏。该研究基于内蒙古典型草地的长期多水平施氮(0、8、32、64 g·m^-2·a^-1)实验平台, 利用土壤密度分级方法, 探究氮添加处理13年后典型草地中两种土壤有机质组分(颗粒态有机质(POM), 矿质结合态有机质(MAOM))氮含量的变化及调控机制。结果显示: 土壤总碳含量、POM和MAOM的碳含量在施氮处理间均没有显著差异。土壤总氮含量则随着施氮水平增加呈显著增加的趋势, 同时施氮处理下POM的氮含量显著上升, 而MAOM的氮含量没有变化。进一步分析发现, 施氮促进植物地上生物量积累, 增加了凋落物量及其氮含量, 从而导致POM的氮含量增加。由于MAOM主要通过黏土矿物等吸附土壤中小分子有机质形成, 其氮含量受土壤中黏粒与粉粒含量影响, 而与氮添加水平无显著相关关系。该研究结果表明长期氮添加促进土壤氮库积累, 但增加的氮主要分布在稳定性较低的POM中, 受干扰后容易从生态系统中流失。为了更准确地评估和预测氮沉降对陆地生态系统的氮循环过程的影响, 应考虑土壤中不同有机质组分的差异响应。

孢粉是重建古植被、古气候的重要基础数据。孢粉数据库对研究样点至区域和全球尺度上的古环境演变规律、古气候变化特征反演和古生物地球化学循环模拟等具有重要意义。该文收集整理了中国1960-2020年间发表和部分未发表的现代花粉数据记录, 包括样品编号、采样位置、采样地经纬度和海拔高度、样品类型、数据来源、数据类型、周边植被信息、参考文献、花粉类群及其含量等信息; 并对数据进行筛选和标准化等处理, 由此整合为中国现代花粉数据集。该数据集由4 497个现代花粉采样点的数据信息组成, 包括660个来自中国第四纪孢粉数据库数据, 1 763个前期整理发表的数据和2 074个近期收集的数据, 涵盖772个花粉类群。样品类型以土壤表层样品(3 332个)为主, 苔藓样品以及湖泊、海洋表层样品等为辅, 广泛分布于全国不同地理区域和植被类型中, 其中以温带荒漠区域(24.91%)和亚热带常绿阔叶林区域(24.02%)最丰富, 其次为温带草原区域(16.14%)和青藏高原高寒植被区域(15.83%)。数据按照来源可分为原始数据(58%)和数值化数据(42%); 按照数据类型可分为原始统计粒数的样点(59%)和以花粉百分比表达的样点(41%)。半个多世纪以来, 科研人员开展了大量的表层现代花粉取样和研究。本数据集虽然仅获取部分记录, 但样点覆盖了我国绝大多数地区, 可有效地用于古植被与古气候重建的现代孢粉与现代植被校验, 并将为中国孢粉数据库的建立与更深入的孢粉研究提供数据支撑。