对植被历史变化过程的研究是理解现代植被组成、分布及其对全球变化响应的基础。近年来, 随着分子古生态学的发展, 分析沉积介质中的陆生植物古DNA信号, 以研究植被及植物多样性演变的历史过程正在成为研究热点, 湖泊沉积植物古DNA已成为古植被和古生态学研究的成熟代用指标。然而与第四纪孢粉分析相比较, 湖泊沉积植物古DNA的现代过程依然不明确, 成为其进一步发展和应用的限制因素。基于此, 该文综述了湖泊沉积植物古DNA技术研究进展, 尝试阐明湖泊沉积植物古DNA的现代过程, 包括植物DNA的来源、沉积和保存过程及其影响因素, 以及植物DNA与现代植被的关系等。已有研究表明, 湖泊沉积植物古DNA主要来自湖泊周边或流域范围, 其丰度和组成除受到源植物生物量的影响外, 同样受到沉积物的搬运和沉积过程中DNA降解作用、土壤以及沉积物中颗粒的吸附过程和稀释作用等因素的影响。湖泊沉积物中植物DNA的保存则主要受到微生物活动、湖水的化学性质(电导率和pH值)、湖泊深度、沉积物组成等一系列生物与非生物因素的共同影响。湖泊沉积植物古DNA可以揭示其沉积时代的植物群落类型以及气候环境信息, 但目前并不能够用来定量重建古植被变化过程。鉴于湖泊沉积植物古DNA现代过程的复杂性, 对研究结果的解释要格外小心。与孢粉分析相比, 湖泊沉积植物古DNA研究仍处于起步阶段, 但随着分子生物技术的进步、实验设计的优化、物种条形码的扩充及参考数据库的完善等, 以DNA宏条形码和宏基因组学为主要技术手段的植物古DNA技术, 必将推动我国植物古生态研究的进一步发展。

揭示温带落叶树木秋季物候的发生机理对提高生态系统固碳量和植被生产力的预估精度具有重要意义。该研究利用低温和光周期乘积模型模拟了1981-2014年中国北方温带90余个站点6个树种的叶始变色期和落叶末期, 并对逐站点-物种的最优模型进行了模拟精度评价, 分析了最优模型模拟精度的时空差异及其随水分梯度的空间变化。主要结果如下: (1)在诱导叶片衰老方面, 光周期缩短的影响通常大于温度降低的影响。据此建立的叶始变色期和落叶末期最优模型模拟的平均均方根误差分别为6.9 d和6.0 d, 模拟与观测时间序列呈显著正相关关系的比例分别为71.4%和83.6%; (2)最优模型对区域平均和多年平均叶始变色期和落叶末期模拟的绝对误差小于2.4 d, 但模拟日期的时空变幅通常小于观测日期, 这与秋季物候发生日期的高度时间变异性密切相关; (3)水分条件在一定程度上影响叶片衰老诱导途径的选择, 表现为光周期缩短诱导叶片衰老的叶始变色期最优模型所占比例在干旱和半干旱区大于湿润和半湿润区, 而最优模型的模拟精度在湿润和半湿润区高于干旱和半干旱区。该研究验证了低温和光周期乘积模型在中国温带地区的适用性, 并揭示了水分条件对秋季物候发生机理和模拟精度的影响。

为了解历史气候变化背景下分布于中国西北干旱沙漠、半干旱沙地和山地地区的孑遗灌木植物长柄扁桃(Amygdalus pedunculata)的分布与演化, 该研究利用长柄扁桃60个自然分布点和8个环境因子, 整合GIS空间分析和最大熵模型(MaxEnt), 分析珍稀濒危保护物种长柄扁桃末次间冰期(LIG)、末次盛冰期(LGM)和当前的历史地理分布格局变化及其环境驱动力。基于各时期长柄扁桃的分布模型模拟数据及自然种群的叶绿体基因测序数据, 利用最小成本路径方法, 模拟LIG时期以来长柄扁桃可能的扩散路径。利用R语言“ggbiplot”程序包对各时期长柄扁桃适生区的历史环境变量进行主成分分析(PCA), 分析影响长柄扁桃历史分布格局变化的关键气候因子。结果表明: (1) LIG时期以来, 长柄扁桃的历史分布经历了显著收缩和末次盛冰期后的扩张, LIG至LGM时期, 分布于库布齐沙漠东部、毛乌素沙地北部、陕西北部、阴山北部、乌兰察布高原南部、浑善达克沙地的适宜分布区明显收缩; LGM时期至今, 长柄扁桃在库布齐沙漠东部、毛乌素沙地中部沿北部阴山向东, 以及浑善达克沙地西部均发生了显著扩张。3个时期长柄扁桃均在内蒙古高原中西部存在高度适宜性分布区, 包括毛乌素沙地北缘、库布齐沙漠东缘以及大青山, 这些地区很可能是长柄扁桃的冰期避难所。北部阴山和毛乌素沙地边缘是长柄扁桃种群迁移过程中重要的扩散廊道; (2) LIG至LGM时期, 气温因子: 最冷月最低气温、平均气温日较差和最热月最高气温均呈显著下降的趋势, 冷干气候对长柄扁桃的冰期分布存在较大限制, 适生区显著收缩。而LGM时期至今, 降水因子最湿月降水量和降水量季节性均显著上升, 长柄扁桃在库布齐沙漠东部、毛乌素沙地中部、阴山以及浑善达克沙地西部发生显著扩张, 降水因子也是影响当前适宜分布区的关键限制性因子。

传粉网络是植物和传粉者之间形成的网状相互作用关系, 为理解群落物种多样性形成与维持机制提供了全新的视角。湿地是典型的群落交错区, 环境异质性与物种多样性都很高, 传粉网络可能比草地和森林等生态系统具有更复杂的结构。该研究针对海南岛海口市南郊的羊山湿地, 比较4个样地在旱季(5月)与雨季(8月)的传粉网络及其动态变化, 揭示湿地生态系统的传粉网络结构特征以及在干湿季的变化规律。结果表明, 羊山湿地传粉网络共有71种开花的植物, 131种传粉者, 传粉网络呈现低连接度、高嵌套度、中等网络特化程度的结构特征。在季节动态方面, 4个样地旱季的植物与传粉者种类高于雨季; 而传粉网络的连接度、嵌套度与网络特化程度没有明显的季节差异。白花鬼针草和水角等多个物种可同时在雨季和旱季开花, 使得植物-传粉者的种间关系虽然存在季节变化, 但传粉网络在旱季与雨季间的动态变化不大。总体而言, 羊山湿地物种多样性较高, 边缘效应较明显, 传粉网络结构较稳定。

牯岭凤仙花(Impatiens davidii)为中国特有的珍稀观赏花卉, 野生种群较小, 同时依赖特殊的传粉者三条熊蜂(Bombus trifasciatus)授粉, 为特化传粉植物, 传粉资源为限制其种群扩散的重要因素。该研究基于63条牯岭凤仙花分布数据、54条三条熊蜂分布数据、19个环境气候因子, 运用最大熵(MaxEnt)模型模拟预测当前及未来(2050s、2070s) 3种气候代表性浓度路径情景RCP2.6、RCP4.5、RCP8.5下牯岭凤仙花和三条熊蜂的潜在分布区域。结果表明: 影响牯岭凤仙花分布的主要环境因子为最暖季度降水量。当前气候条件下, 牯岭凤仙花与三条熊蜂具有较高的地理分布重合度、生态位宽度、生态位重合度, 共同分布区域占比高达99.09%, 较大程度上保证了牯岭凤仙花的传粉资源; 在未来3种气候情景下, 牯岭凤仙花分布区域向东北、华北扩张, 适生面积增加6.60-22.19万km²; 三条熊蜂适生区整体略微北移, 适生面积增加4.48-15.50万km²; 两者共同分布区域占牯岭凤仙花适生区域比例降低1.40%-9.00%, 表明未来牯岭凤仙花适生区可能受到气候变化和传粉资源缺失共同影响。

外源有机物的输入可以通过正负激发效应影响土壤有机碳(SOC)的矿化。然而, 当前的研究较少考虑不同植物及器官来源可溶性有机质(DOM)输入对土壤激发效应的影响及其作用机理。该研究以武夷山森林土壤为研究对象, 以室内培养的方式向土壤中添加¹³C标记青冈(Cyclobalanopsis glauca)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、木莲(Manglietia fordiana)和相思(Acacia confusa)这4种植物的根和叶来源DOM, 研究不同植物及器官来源DOM输入对土壤激发效应的影响及其作用机理。主要结果: 不同植物及器官来源DOM添加初期加快了SOC的矿化, 呈现正激发效应, 随后转为负激发效应。从整个培养期(90天)的累积激发效应来看, DOM的输入均抑制了SOC的矿化, 使其矿化量减少22%-49%, 其中青冈根DOM输入使SOC的矿化量减少最多, 而由木莲叶DOM输入减少的SOC矿化量最少。DOM输入引起的土壤激发效应强度受不同植物器官影响明显, 具体表现在植物根来源DOM输入所引起的土壤激发效应强度显著高于植物叶来源DOM输入所引起的激发效应强度(相思除外)。DOM的输入总体上提高了土壤微生物生物量碳(MBC)含量、土壤β-葡萄糖苷酶活性、纤维素酶活性以及土壤有效氮含量, 而对微生物群落组成无明显影响。从结构方程模型来看, DOM输入所引起的土壤激发效应主要受土壤微生物对外源碳的利用(¹³C-MBC)、纤维素酶活性以及土壤有效氮含量的影响, 这些因子的变化可解释植物叶来源DOM和根来源DOM添加处理下土壤激发效应变化的68%和86%。该研究结果表明在土壤氮充足的条件下, DOM的输入可以通过提高微生物生物量、土壤酶活性来加快分解所添加的外源有机物, 从而减少了对SOC的分解。因此, 在该研究中“底物优先利用”是土壤激发效应的主要作用机理。

磷是亚热带地区植物生长的主要限制营养元素, 而氮沉降量的增加会降低土壤磷的有效性。该研究以微生物和植物细根为重点探究土壤磷转化, 揭示氮沉降背景下低磷有效性土壤的磷供应及生产力维持。通过在福州长安山模拟氮沉降实验, 设置对照(0 kg·hm^-2·a^-1)、低氮(40 kg·hm^-2·a^-1)和高氮(80 kg·hm^-2·a^-1) 3个处理, 收集杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗的土壤和根系样本, 综合分析土壤磷组分和养分含量、土壤微生物特征和植物根系特征。结果显示, 与对照处理相比, 低氮处理显著增加土壤易分解态有机磷、中等易分解态无机磷和闭蓄态磷含量, 但是显著降低原生矿物态磷和中等易分解态有机磷含量; 而高氮处理对土壤磷组分无显著影响。冗余分析表明, 土壤酸性磷酸酶活性、丛枝菌根真菌的相对丰度、土壤微生物生物量磷含量和根系生物量是解释土壤磷组分变化的重要微生物和植物因子。方差分解分析发现植物根系特征-土壤微生物特征共同解释了土壤磷组分变化的57%, 并且通过相关分析发现丛枝菌根真菌的相对丰度和根系生物量呈显著正相关关系。综上所述, 低水平的氮输入促进土壤丛枝菌根真菌的定殖, 丛枝菌根真菌和杉木根系通过协作促进中等易分解态有机磷和原生矿物态磷向易分解态磷的转换, 维持了杉木幼苗的生长。

物种地理分布边界的形成一直是进化生物学中的一个重要课题。植物分布区边界如何影响土壤微生物尚不清楚。屏边空竹(Cephalostachyum pingbianense)是目前已知唯一能够在自然条件下四季出笋的珍稀竹种, 仅分布于中国云南东南部, 对研究竹类中的狭域分布种具有重要意义。为探究土壤真菌群落与屏边空竹分布边界间的联系, 该研究测定了屏边空竹分布中心、分布边界以及分布区外的土壤理化性质, 并利用基于真菌内转录间隔区(ITS)序列的Illumina MiSeq高通量测序技术分析土壤真菌群落变化。主要结果: 1)屏边空竹分布边界处土壤pH与速效磷含量显著低于其他位点。2)在分布中心, 土壤真菌物种多样性最高, 被孢霉属(Moritierella)相对多度显著高于其他位点; 在分布边界处, 土壤真菌物种多样性最低, 担子菌门相对多度大于65.0%。3)土壤pH是驱动真菌群落变异的关键因素, 与外生菌根真菌的相对多度负相关, 与腐生真菌的相对多度正相关。综上, 土壤酸化与磷缺乏可能是控制屏边空竹分布区域的重要土壤属性。土壤中的被孢霉具有溶解磷、缓解土壤酸化等功能, 可能是屏边空竹重要的互利共生菌。

为明确喀斯特石漠化过程中土壤胞外酶活性及其化学计量变化特征以及它们对环境变异的生态响应规律。该研究以5种不同石漠化程度的土壤生态系统为研究对象, 运用生态化学计量学理论与方法, 系统研究石漠化对6种胞外酶(β-1,4-葡糖苷酶(BG)、β-1,4-木糖苷酶(BX)和纤维素二糖水解酶、β-1,4-乙酰-葡糖胺糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶(LAP)和酸性磷酸酶(AP))活性及其化学计量的影响, 并分析它们与环境因子之间的相关性。结果表明: 无石漠化、潜在和轻度石漠化阶段BG、BX、LAP和AP胞外酶活性显著高于中度和重度石漠化阶段, 但不同石漠化阶段土壤胞外酶化学计量特征差异不显著。不同石漠化程度土壤质量大体分为3类, 其中, 无石漠化土壤生化性状最优, 潜在和轻度石漠化土壤次之, 且均优于中度和重度石漠化土壤, 并且, 无石漠化、潜在和轻度石漠化土壤存在缺磷现象(酶矢量角度大于45°), 而中度和重度石漠化土壤氮缺乏(酶矢量角度小于45°)。此外, 石漠化过程中土壤胞外酶活性及其化学计量特征的变化主要受土壤全氮、速效磷、硝态氮、氨态氮和枯落物磷含量的影响, 总体表现为与土壤养分含量具有趋同性并受枯落物磷含量的限制。综上, 石漠化生态系统修复和治理过程中, 需考虑在潜在和轻度石漠化阶段补充磷, 在中度和重度石漠化阶段补充氮, 以缓解相关养分限制。

为便于了解青藏高原植被特殊物种组成、群落特征及分布格局, 该文利用2018-2021年在青藏高原不同区域内调查的338个样地、共758个样方的数据, 分析了高原植物群落的物种组成、区系特征和植被分类, 整合形成青藏高原植物群落样方数据集。结果表明: 青藏高原高寒和温性植物群落758个样方中, 共有植物65科279属837种; 其中, 物种数最多的5个科依次是菊科(134种)、禾本科(88种)、豆科(75种)、蔷薇科(43种)和莎草科(40种), 物种数最多的5个属依次是蒿属(Artemisia, 29种)、马先蒿属(Pedicularis, 27种)、风毛菊属(Saussurea, 25种)、黄耆属(Astragalus, 23种)和早熟禾属(Poa, 23种)。植物区系主要由温带(145属)和世界广布(36属)的成分所组成。物种的生长型以草本(83.51%)和灌木(10.87%)为主, 草本和木本的生活型分别以多年生草本(88.23%)和落叶灌木(83.67%)为主。338个样地可以划分为4个植被型组, 10个植被型, 20个植被亚型, 78个群系组和117个群系, 其中草原群系34个, 草甸群系33个, 荒漠群系33个, 灌丛群系14个和针叶林群系3个。该数据集覆盖青藏高原绝大部分高寒灌丛、高寒草原、高寒草甸、高寒荒漠、温性草原和温性荒漠植被区域, 可为研究高原植被特征和地带性分异规律, 气候变化和人类活动对高原植被的影响及其生态恢复提供坚实的数据基础, 同时为下一代中国植被图的更新提供参考。