中国有着世界上最大面积的人工林, 如何维持人工林的可持续性已成为气候变化背景下需要面对的重大挑战。樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)以其抗旱、抗寒、耐贫瘠等优良特性成为中国北方生态治理中最主要的常绿针叶树种之一, 近70年来发挥了巨大的防风固沙与生态固碳功能。然而, 随着林分的生长与气候变化, 樟子松人工固沙林正经历着越来越严峻的环境胁迫, 部分地区出现了林分“早衰”或死亡的现象, 引起了人们对樟子松固沙林适应与应对气候变化能力的担忧。该文在回溯樟子松基本生物学特征与引种推广历史, 系统总结近年来樟子松林林水关系研究新成果的基础上, 全面分析了樟子松固沙林林水关系存在的主要矛盾, 并提出了基于林水关系相协调的林分经营措施的调整: 由倡导防护功能为主的单一目标向包含林分稳定性、生态固碳功能、可持续发展等多目标平衡方向调整; 由以沙地森林景观培育为主向以良好土壤生境培育为主的方向调整; 由倡导天然更新为主向以人工造林与天然更新相结合的世代更新方向调整。在立足于北方沙地脆弱生境与气候变化客观现实的基础背景下, 应坚持樟子松在固沙林生态系统演化过程中的先锋种与建群种地位, 基于“以水定绿”原则, 采取“隔行带伐+再造林”等方式开展林分密度动态调控, 促进林分向异龄林结构演化, 促进樟子松固沙林生态服务的优质化和生态固碳功能的最大化。

性选择与性冲突是植物繁殖性状多样性及性系统演化的重要动力, 二者密切相关却又有所区别, 理解它们的作用机制及其影响对于植物繁殖生态学的研究具有重要意义。当前, 性选择与性冲突理论在植物繁殖生态学中的运用已取得长足进展, 但国内相关研究较少, 对该领域关注不够。因此, 该文对该领域的基本理论和研究进展进行了综述。首先, 阐述性选择与性冲突理论在植物研究中的发展及其运用基础; 其次, 分别从授粉前和授粉后两个阶段详细介绍性选择与性冲突在有花植物繁殖过程中的作用机制及其影响, 并指出环境因素对它们所产生的影响; 最后, 对当前研究存在的不足及该领域未来的研究方向进行总结和展望。希望以此增强人们对性选择和性冲突理论的认识, 促进其在植物繁殖生态学中的运用与发展。

气候变化显著影响了高寒植物物候期及生长模式, 从而改变了高寒生态系统功能。而高寒植物物候期和生长状况对气候变化的响应程度, 与其自身资源分配策略有关。为了更好地探究气候变化下高寒植物繁殖物候及生长的规律, 该研究以青藏高原高寒草甸为研究对象, 按生物量从高到低选取15种常见植物, 其生物量之和占样地总生物量80%以上, 采用红外辐射器模拟增温的方法, 利用同质园实验, 观测无种间竞争条件下, 增温2年间植物返青、现蕾、开花以及结实物候, 并监测了植株高度。研究结果表明: (1)在功能群水平上, 增温使豆科类植物的返青、现蕾和开花时间分别显著提前了(8.21 ± 1.81)、(9.14 ± 2.41)和(10.14 ± 2.05) d, 使其开花持续时间显著延长了(6.14 ± 1.52) d, 而增温对其他功能群物候事件无显著影响。增温对高寒植物物候的影响存在种间及年际间差异, 但总体上增温使大多数高寒植物繁殖物候提前并且开花持续时间延长, 将更多的资源更多地分配到繁殖生长上。(2)增温显著降低了杂类草植物的植株高度(平均降低(3.58 ± 0.96) cm), 但对豆科类、禾草类及莎草类功能群植株高度没有显著影响。 增温对高寒植物植株高度的影响存在显著的种间差异以及年际差异。综上所述, 未来气候变暖背景下, 青藏高原高寒植物群落可能更早进入繁殖阶段, 从而降低在营养生长上的资源分配。另外, 由于各物种繁殖能力和营养生长对温度变化响应的差异, 气候变暖将导致高寒植物群落中各物种盖度的变化, 进而改变群落物种组成, 从而影响高寒生态系统的功能。

川西亚高山暗针叶林是中国寒温性针叶林的重要代表。以云杉(Picea spp.)和冷杉(Abies spp.)为优势树种的暗针叶林是青藏高原东缘亚高山森林的主体, 也是我国长江上游重要的生态屏障。该研究基于川西王朗保护区亚高山暗针叶林25.2 hm²动态监测样地的首轮清查数据, 分析样地木本植物组成和群落结构特征。依照全球森林观测网络(ForestGEO)的标准技术规范, 建立面积为25.2 hm² (700 m × 360 m)的暗针叶林固定监测样地, 对胸径≥1 cm的木本植物进行挂牌标记、坐标定位、物种鉴定和检尺。主要结果有: 样地内共标记独立的木本植物个体56 574株, 分属15科27属46种, 其中针叶树4种, 常绿阔叶树6种, 落叶阔叶树36种; 每hm²个体数≤1的稀有种共13个, 占样地物种总数的28.26%, 占样地总个体数的0.16%。该群落以针叶树岷江冷杉(A. fargesii var. faxoniana, n = 9 440)和紫果云杉(P. purpurea, n = 1 645)为建群种和乔木层优势种, 重要值分别占总数的26.03%和10.69%, 其单位面积内的胸高断面积分别占总胸高断面积(37.87 m²·hm^-2)的55.22%和24.84%。落叶阔叶树个体数占比最多(78.48%), 其中紫萼山梅花(Philadelphus purpurascens)、红脉忍冬(Lonicera nervosa)、冷地卫矛(Euonymus frigidus)为灌木层主要优势种。常绿阔叶树个体仅268株, 均为杜鹃属(Rhododendron)植物。木本植物的径级组成具有典型老龄林特征。单株最大胸径出现在紫果云杉, 达到127.07 cm。紫果云杉平均单株胸高断面积(0.14 ± 0.18) m²显著高于岷江冷杉(0.056 ± 0.11) m²。所有标记个体的径级分布呈倒“J”形, 表明群落处于稳定和正常生长状态。点格局分析的结果表明5个优势种(重要值占比>5%)均呈聚集分布, 但随着空间尺度的增加, 物种聚集程度变小, 趋向于随机分布。该研究的结果为深入研究川西亚高山暗针叶林的多样性维持与更新机制和该类型森林生态系统的保护与管理提供了基础信息。

种子大小和种子数量变异是植物适合度研究的核心问题, 探究不同大型草食动物对嵩草(Kobresia spp.)草地优势种种子大小与数量的影响, 有助于了解其繁殖策略和种群更新机制。该研究依托青藏高原高寒草地-家畜系统适应性管理技术平台, 对不放牧(对照)、牦牛单牧、藏羊单牧、牦牛藏羊1:2混牧、牦牛藏羊1:4混牧、牦牛藏羊1:6混牧6个放牧处理下矮生嵩草(K. humilis)的种子大小和数量特征, 种子大小和数量与生殖性状的关系, 种子大小和数量的权衡关系进行研究。结果显示: 1)放牧处理增加矮生嵩草种子大小15%以上, 增加种子数量30%以上; 除了牦牛藏羊1:2混牧处理, 其他放牧处理与对照相比种子大小变异系数降低15%以上, 种子数量变异系数降低25%以上。2) Pearson相关分析结果显示, 放牧处理下矮生嵩草种子数量、种子大小与生殖相关性状均呈正相关关系。3)放牧处理增加了矮生嵩草种子大小与数量的权衡, 单条生殖枝质量是影响种子大小与数量权衡的重要性状。研究表明, 即使是中度放牧, 家畜依旧是矮生嵩草资源获取的限制性因子; 长期的放牧改变了矮生嵩草性状间的潜在联系和权衡关系, 稳定了种子大小和种子数量特征, 并通过提高种子大小和种子数量的方式优化繁殖策略, 提高了子代的竞争力和适合度。

探索种群的空间分布格局及其相互作用有助于阐释种群结构构建过程和空间分布维持机制中的潜在驱动因素, 进而为森林生态系统内不同种群的配置、经营与管理提供指导, 也为当地生态环境保护和区域资源开发提供科学依据。该研究以青海云杉(Picea crassifolia)为研究对象, 在祁连山排露沟流域设置3个面积为1 hm²的重复样地, 对样地内所有胸径≥1 cm的树木个体进行测量记录。采用成对相关函数(单变量成对相关函数g(r)和双变量成对相关函数g₁₂(r))和标记相关函数(标记相关函数K_mm(r)、标记变异函数γ_m(r)和Schlather’s I_m(r)函数)等点格局分析方法分析青海云杉种群的空间格局及种内相互作用。发现: (1)青海云杉种群径级分布连续, 整体呈倒“J”形结构。(2)青海云杉整体及幼树、小树呈现出小尺度上的聚集分布, 随空间尺度的增大逐渐趋于随机分布, 中树在整个观察尺度内均为随机分布模式, 大树则表现为小尺度上的均匀分布和大尺度上的随机分布。(3)青海云杉大树在小尺度范围内与其他径级个体均呈现出负关联, 在中尺度上呈现出正关联, 中树与小树、小树与幼树在小中尺度上表现为显著的正相关关系且随着空间尺度的增大逐渐转变为不相关。(4)青海云杉个体属性(胸径、树高、树冠面积)间在小中尺度上呈现出高度的相关性、强烈的抑制作用和显著的对称性竞争。

环境对树木的功能和生存具有至关重要的意义, 但环境因素影响树木发育的过程仍有待探究。树木径向生长动态监测是深刻了解树木生长状况及其对气候变化响应的重要手段。该研究以云南轿子山不同海拔树线树种急尖长苞冷杉(Abies georgei var. smithii)为研究对象, 对其年内径向生长动态进行监测, 以期明晰树木径向生长各阶段起止时间的海拔差异, 分析不同海拔树木形成层活动和木质部分化对温度的响应, 辨析树木径向生长的低温阈值。结果表明: (1)海拔越高, 径向生长开始的时间越晚, 结束越早, 生长季缩短。海拔每上升100 m, 急尖长苞冷杉径向生长的开始时间推迟4.7 d, 结束时间提前7.2 d, 生长季缩短12.8 d; (2) 3个海拔急尖长苞冷杉的径向生长具有相似的低温阈值(约5 ℃), 温度控制形成层活动的开始与木质部分化的结束; (3)不同海拔急尖长苞冷杉形成层的细胞分裂活动均在温度较高时(夏至日前后)减弱。 形成层活动的结束与海拔引起的温度变化关系较弱, 光周期可能参与了形成层活动结束的调控, 以确保当年新生细胞能够在冻害来临前完成木质化。该研究结果有助于加深树木生长动态对气候变化响应机制的认识, 为更好地适应和应对气候变化提供科学依据。

黑果枸杞(Lycium ruthenicum)是中国西北地区极端环境中分布的国家二级保护植物, 该物种在新疆南部的自然种群中出现了同型花柱类型(同位花)和柱头探出式雌雄异位类型(异位花)个体, 并且遭遇沙尘暴频繁的种群中异位花个体出现频率减少。该研究对喀什市自然种群中黑果枸杞两种不同花型植株的花部综合征和传粉特性进行比较研究, 以期探讨该物种不同花型植株在南疆早春极端环境中的花部特征的可塑性及其适应性机制。结果表明: 同位花雌雄蕊高度间无显著差异, 而异位花雌蕊高度显著高于雄蕊; 同位花花冠直径、花冠筒长、胚珠数均高于异位花, 而异位花雌雄蕊空间距离、花粉数及花粉胚珠比均比同位花高。黑果枸杞同位花个体比例(68%)高于异位花个体(32%), 种群水平及个体水平同位花花期((117.00 ± 2.25) d, (101.65 ± 1.98) d)比异位花((26.00 ± 1.00) d, (18.75 ± 1.00) d)长, 而单花水平上异位花单花寿命((4.50 ± 0.14) d)比同位花((3.13 ± 0.11) d)长。两种类型花在花早期(紫色)分泌的花蜜量均高于花后期(白色)。在紫色花阶段(花开放早期), 同位花上的主要传粉者意大利蜜蜂、熊蜂和食蚜蝇的访花频率和停留时间均高于异位花; 而白色花阶段(花开放后期)意大利蜜蜂、熊蜂在异位花上的访花频率比同位花高。在不同花色阶段, 同位花柱头花粉落置数、花粉移出率、花粉传递效率均比异位花高, 并且同位花自然坐果率及结籽率均比异位花高。在新疆南部的沙尘暴极端环境下, 同位花通过较高的自交亲和性保障繁殖, 而异交为主的异位花提高了异交率。异位花与同位花在花部综合征和花报酬上的差异, 是影响其繁殖成功的主要因素。

该研究目的在于揭示干旱荒漠中2个优势种梭梭(Haloxylon ammodendron)和骆驼刺(Alhagi sparsifolia)是否在适应干旱的策略上存在差异。在新疆艾比湖自然保护区内自然形成的干旱胁迫梯度上, 首先测量梭梭和骆驼刺的3类功能性状(叶、光合和水力性状); 其后分析性状随干旱梯度的变化, 性状在两个物种之间的差别, 两物种应对干旱胁迫时所采用策略的差异性。结果显示: 梭梭和骆驼刺的功能性状在干旱梯度上的变化存在不同。除干物质含量外, 其余10个功能性状在梭梭和骆驼刺间均存在显著差异, 但在干旱梯度与物种的共同作用下, 梭梭与骆驼刺之间性状差异呈现缩小趋势。Pearson相关分析表明, 骆驼刺显著相关的性状仅有10对, 而梭梭有15对。主成分分析可将梭梭11个功能性状分为与植物抗旱能力有关的2个典型性状组合类别, 即干旱胁迫-碳获取组和抗干旱胁迫组。但对骆驼刺, 很难划分出与抗旱有关的性状组合。该研究结果表明, 相较梭梭, 骆驼刺具有更强的耐旱能力, 属于保守型物种, 性状之间联系不显著, 但梭梭的性状之间联系紧密, 它利用各种性状之间的权衡和补偿关系尽可能地减小干旱胁迫。该研究揭示了干旱荒漠中不同生活型植物面对干旱胁迫时的性状间关系和环境适应策略, 丰富了水分生理学和植物生态学的相关理论, 可对荒漠植物的保育和多样性的维持提供一定理论参考。

干旱半干旱区约占全球陆地总面积的30%, 植物生长对于水分变化的响应在此区域更为敏感。大气干旱和土壤干旱都会对植物生长产生影响, 目前关于这两者对植物生长的影响已有不少实验研究, 但具体的影响机制尚不清楚。该研究以幼龄樟子松(Pinus sylvestris var. mongolica)为研究对象, 通过设计改变空气湿度与土壤湿度的野外控制实验, 探究空气加湿与土壤加湿对幼龄樟子松生长特性的影响。 结果表明: 1)与对照相比, 空气加湿使饱和水汽压亏缺(VPD)降低了20.5%, 空气加湿和土壤加湿使土壤湿度分别增加了23.4%和21.3%。2)空气加湿显著增加了叶片密度, 土壤加湿显著加粗了枝条直径, 空气与土壤共同加湿对叶片和枝条的生长均有显著的促进作用。3)结合加湿处理对径向生长的影响及结构方程模型的结果发现, 土壤加湿可直接促进树干的径向生长, 空气加湿对径向生长的显著促进作用一方面是由于VPD降低的直接影响, 另一方面是由于空气加湿显著提高了土壤湿度。该研究揭示了半干旱地区幼龄樟子松生长对大气水分和土壤水分改变的响应差异。

毛白杨(Populus tomentosa)和元宝槭(Acer truncatum)是华北平原人工林的主要树种, 研究两者水力结构和干旱-复水过程中茎非结构性碳水化合物(NSC)含量动态, 可揭示其水力学调控策略, 为全球气候变化背景下华北人工林水分平衡的科学管理提供理论依据。该研究以相同生境下分布的毛白杨和元宝槭幼树为研究材料, 测量两者的茎抗栓塞能力与水力安全阈、水力面积、叶膨压损失点等水力结构参数; 开展干旱-复水实验, 测定茎NSC含量动态以及干旱胁迫解除后复水阶段的木质部栓塞修复能力。结果表明: 毛白杨导水率损失50%对应的水势(-1.289 MPa)高于元宝槭(-2.894 MPa), 且膨压损失点时的渗透势低, 水力安全阈小, 木材密度小, 气孔调节偏向于变水行为, 表现为易栓塞的低水势忍耐脱水耐旱特性, 水分调节对策趋于冒险; 元宝槭则倾向于不易栓塞的高水势延迟脱水耐旱特性, 水分调节对策趋于保守。在干旱-复水实验中, 毛白杨可溶性糖、淀粉和茎NSC含量先减后增, 元宝槭则先增后减; 并且毛白杨表现出比元宝槭更高的栓塞修复能力, 这与植物体内茎NSC含量变化差异具有一定联系。毛白杨较高的栓塞修复能力也为其易栓塞的低水势忍耐脱水耐旱特性及冒险的水分调节对策提供水力安全保障。两树种在水力学调控上表现出的较大差异可能与其生活史特性相关。

新疆野苹果(Malus sieversii)属国家二级保护植物, 是栽培苹果的主要祖先之一。它呈片段化残遗分布于亚洲中部干旱区山地。为了探究影响该物种种群遗传变异的主要环境因子及其适应机制, 该研究选取中国新疆伊犁地区、哈萨克斯坦、吉尔吉斯斯坦分布的10个种群为研究对象, 通过SLAF-seq简化基因组测序获取单核苷酸多态性(SNP)数据。利用ADMIXTURE软件和主成分分析对种群遗传结构进行分型; 利用梯度森林分析和冗余分析评估影响种群遗传变异的主要环境因子; 运用潜在因素混合模型来检测新疆野苹果种群适应局部环境的基因组位点。结果显示: 10个种群可以区分出2个遗传谱系; 谱系A主导东部种群, 谱系B主导西部种群, 而中部种群则出现了两个谱系的交汇; 种群空间遗传结构呈现出沿经度方向上的地理替代格局。气温年较差(bio 07)和气温季节性变化(bio 04)是影响新疆野苹果种群等位基因频率变化的两个最重要环境因子。经注释发现15个环境关联基因位点与植物响应干旱、高盐、冷热等非生物胁迫的很多生理过程相关。综上所述, 新疆野苹果对环境适应的主要压力来自气温条件的变化, 生理适应可能是其响应环境胁迫的主要机制。

研究望天树(Parashorea chinensis)在幼龄阶段分别与巨尾桉(Eucalyptus grandis × E. urophylla)、降香黄檀(Dalbergia odorifera)混交对土壤微生物群落功能特征和碳源利用的影响, 以期为濒危树种望天树人工林培育模式和桉树纯林改造中的树种选择提供科学依据。该研究采用Biolog-ECO技术对比分析了望天树混交林和纯林土壤微生物对6类碳源的利用特点和代谢活性, 探讨微生物功能多样性的差异及与土壤环境因子的关系。结果表明: (1)望天树×巨尾桉混交林的Shannon-Wiener、Simpson和McIntosh多样性指数均最高, 其土壤微生物功能多样性显著高于纯林; (2)望天树混交林的土壤微生物对碳源的利用能力和代谢活性及微生物数量高于纯林, 并随土层加深而下降; 混交林和纯林的土壤微生物对酚酸类碳源的利用程度均最高、胺类次之、多聚物最低, 不同点在于混交林和纯林分别对氨基酸类、羧酸类碳源的依赖度更高; (3)望天树混交林土壤的含水率、总孔隙度以及有机质、全氮、全钾、铵态氮、硝态氮、速效磷、速效钾等养分含量高于纯林; 并且除全磷和全钾外其他养分含量的垂直分布特征呈现出明显的表聚效应; (4)环境因子分析表明, 土壤pH、有机质、全钾和速效钾含量是造成混交林和纯林间以及不同土层间土壤微生物功能多样性和碳源利用存在明显差异的主要驱动因子。综上所述, 望天树混交造林模式对幼林土壤微生物群落及其生存环境有显著影响, 尤其与巨尾桉混交可以有效提高土壤微生物代谢活性和功能多样性, 促进凋落物和有机质的分解。与纯林相比, 望天树混交林在一定程度上改善了土壤质量和肥力, 为望天树幼树生长营造了较好的土壤环境和光照条件。