理解草地生态系统结构和功能对氮富集的响应及其机制有助于准确评估大气氮沉降等外源氮输入的生态效应。全球范围内建立的多水平氮添加实验为认识草地生态系统结构和功能对氮输入的非线性响应机制提供了有效途径。为了反映学术界基于多水平氮添加控制实验取得的主要研究进展, 该文综述了草地群落多样性和生态系统碳氮循环过程对外源氮输入的非线性响应特征及其驱动机制。按照目前的研究, 氮输入会导致草地植物物种多样性、功能多样性以及土壤细菌多样性下降, 但真菌多样性的变化并不明显。地上和地下生产力对氮输入的响应趋势存在差异: 地上生产力沿氮添加梯度呈“先上升后饱和”的变化规律, 而根系生产量和根冠比呈下降趋势, 根系周转速率则呈“先上升后下降”的单峰格局。不同碳分解过程对氮输入的响应也不尽相同: 凋落物分解速率沿氮添加梯度表现出“指数衰减、线性增加或无显著变化”的多元响应, 而土壤呼吸和CH₄吸收速率与施氮量的关系则以“低氮促进、高氮抑制”的单峰趋势为主。类似地, 不同土壤碳组分对氮输入的响应存在差异: 氮添加总体会导致草地土壤碳库和颗粒态有机碳含量增加, 而矿物结合态碳含量随施氮量呈“增加、不变或下降”的多元响应。植物氮吸收量沿氮添加梯度呈“先上升后饱和”的变化特征, 但不同土壤氮转化过程沿氮添加梯度呈现差异化响应, 且不同草地生态系统中观察到的土壤N₂O排放速率与施氮量之间的关系存在差异: 温带草地中以指数增加为主, 而高寒草地中则出现“先上升后饱和”或者“线性增加”的趋势。未来研究需重点关注根际过程及磷循环对氮输入的非线性响应, 并从多维度生物多样性等角度解析多水平氮添加影响草地生物地球化学循环过程的机理。

稳定氢氧同位素技术能有效计算植物根系水分吸收量, 确定植物水分来源贡献, 评估植物水分利用策略, 是生态水文学探究大气-植被-土壤系统水分传输过程机制的有效工具。然而土壤与木质部水稳定氢氧同位素比值(δ²H和δ¹⁸O)偏移造成植物水分来源贡献率计算偏差, 引起氢氧同位素结果差异的原因尚不明晰。该文首先简要介绍氢氧稳定同位素比值偏移现象, 其次沿水分在土壤-植物-大气连续体中的传输路径构建梳理框架, 系统阐述了3个界面(植物-大气界面、土壤-大气界面和根系-土壤界面)与2个空间(植物体和土壤层)中引起δ²H与δ¹⁸O偏移的自然效应, 同时概述了土壤与木质部样品提取与测定技术中引起δ²H与δ¹⁸O偏差的人为效应。最后, 根据现有研究进展提出主要问题, 从获取同位素时空数据, 微尺度同位素偏移原因, 提取与测定技术的优化三方面指出未来的发展方向。

植物性状能够反映植物的生存策略, 是植物生态学的研究热点之一。植物CSR策略模型将植物物种分为3类: 在资源丰富环境中能够最大程度提高生物量的物种(竞争型物种: C策略); 在干扰频率较高的环境中能够快速摄取资源并繁殖的物种(投机取巧型物种: R策略); 在资源贫瘠环境中能够保持个体生存的物种(耐受型物种: S策略)。植物叶片性状对环境梯度具有适应性的改变, 性状的改变对植物生存策略产生影响, 但是青藏高原植物叶片性状是如何影响植物CSR生存策略的, 其机制尚不清楚。该研究探究了高寒草地植物CSR生存策略的分布特征, 以及环境因子对CSR生存策略的影响机制。2020年7-8月, 对青藏高原高寒草地53个样点进行了调查, 测定植物叶片叶面积、叶片鲜质量和叶片干质量等性状, 并计算C、S、R值。然后, 分析关键地理环境要素对植物CSR策略影响的主要因子和作用机理。结果表明: (1)在青藏高原高寒草地, 植物的生存策略主要以S策略(41.6%-96.7%)为主。(2)随着经度的增加, 青藏高原高寒草地C策略植物所占比例自西向东逐渐上升; 在海拔梯度上, 高寒草地C策略植物所占比例随着海拔的升高而降低。(3)随机森林分析结果显示降水量对C策略的贡献率最高(25.74%), 海拔对S策略的贡献率最高(27.34%); 分析气候因子对植物性状的影响发现降水量和温度只对叶面积产生显著影响, 且叶片含水量对植物C、S策略具有显著效应。综合而言, 研究发现降水量是影响植物CSR生存策略最关键的因子, 这对于研究高寒草地植物对环境梯度的生态适应具有十分重要的意义。

青藏高原是全球气候变化的敏感区, 特殊的自然环境孕育了极端脆弱的植被及其生态系统, 已成为研究植被对气候变化响应的一个理想区域。植被易受气候变化的影响且响应可能因季节和植被类型而异。该研究将标准化降水蒸散指数(SPEI)和MODIS归一化植被指数(NDVI)分别作为干湿度和植被绿度指标, 采用Sen’s斜率估计、BFAST模型和相关分析, 分析了2000-2018年青藏高原植被绿度变化的时空格局特征, 并探讨了植被绿度对干湿变化的响应。结果表明: 2000-2018年青藏高原植被绿度呈上升趋势, 但变化速率空间差异显著。大部分高原地区植被绿度于2012-2015年间存在突变, 突变后普遍呈上升趋势, 以藏北地区最为突出。青藏高原植被生长季NDVI与不同时间尺度SPEI整体呈正相关关系, 且在生长季的中后期相关性逐渐增强。青藏高原植被对SPEI的响应表现出一定的年内周期性, 草本植被(草甸和草原)区尤为显著。相对于森林和灌丛植被, 草本植被对SPEI响应更为敏感, 且在生长季的不同阶段对不同时间尺度的SPEI的响应存在明显差异。

小岛屿效应描述了种-面积关系的一种特殊现象, 是当前生物地理学和生物多样性研究理论框架的重要组成部分。随着气候变暖, 山顶物种的生存受到威胁, 然而以山顶生境岛屿为载体对小岛屿效应的研究还十分缺乏。该研究以太行山脉中段19个面积0.06-801.58 km²的山顶生境岛屿为研究区, 在2019-2021年的夏秋季对藓类进行调查。共记录到藓类131种, 隶属于23科68属。采用6种种-面积关系回归模型, 分别检测了所有藓和6个常见藓科是否存在小岛屿效应。根据小岛屿效应形成机制的生境多样性假说、灭亡假说和营养补给假说, 选择了岛屿高度、温度年变化范围和单位面积净初级生产力作为变量, 对小岛屿效应的驱动因素进行分析。在各类群组中, 使用多元线性回归和变差分解分别评估上述3个变量对物种丰富度变化的线性影响。首先使用5个面积最小的岛屿进行分析, 计算出3个变量对物种丰富度变化的贡献, 然后以迭代的方式逐次加入面积更大的1个岛屿, 并再次进行变差分解分析。最后使用广义线性回归分析了3个变量对物种丰富度变化的贡献在迭代过程中的变化趋势。结果显示, 所有藓和6个常见藓科均存在小岛屿效应, 其面积阈值分布在0.36-106.91 km²间。各组藓类小岛屿效应的驱动因素具有差异性, 其中, 除了紫萼藓科之外, 其他各组均支持生境假说; 除了丛藓科、真藓科、紫萼藓科和灰藓科之外, 其他各组均支持灭亡假说; 而各组在不同程度上普遍支持营养补给假说。整体而言, 面积约为10 km²以上的岛屿维持了大量的藓类物种多样性, 需要重点保护。对于生境要求较为单一的紫萼藓科而言, 保护石生环境是保护其物种多样性的关键; 而对于其他科藓类而言, 生境类型多样性的保护是维持物种多样性的重要保障。营养补给假说的普遍适用性揭示了山顶下方森林生态系统的资源补给作用减缓了由于面积的减小而造成的藓类物种数量下降, 因此保护山顶下方林地内物种多样性和群落稳定性对维持山顶藓类物种多样性具有重要意义。

种间相互作用是影响湿地植物群落构建的关键因子, 其形式、强度和机制可能随着生长发育的过程而发生改变。种子萌发是植物生命周期的关键环节, 一定程度上决定了植物种群分布和群落结构。野外种子萌发过程受到邻近同种或异种种子间相互作用的影响, 但对于种子萌发过程中种内、种间相互作用强度及其影响因素的了解仍十分有限。该研究通过培养皿萌发实验探讨了种子密度(每皿80粒、每皿160粒)及比例(单种、3:1混种、2:2混种、1:3混种)对互花米草(Spartina alterniflora)、海三棱藨草(Scirpus × mariqueter)、芦苇(Phragmites australis)种子萌发率、平均萌发时间的影响, 并采用相对邻株效应(RNE)评估了这3个物种的种内、种间相互作用强度。结果表明, 密度对互花米草、海三棱藨草、芦苇种子的萌发率均有一定的促进作用。与互花米草混种时, 芦苇种子在占比最低(25%)处理下的平均萌发时间显著长于单种及其他混种比例处理。3种植物种子的竞争能力没有明确的等级关系, 存在非传递性竞争, 萌发时海三棱藨草相对互花米草具有一定的竞争优势, 互花米草相对芦苇具有一定优势, 而芦苇的竞争能力则比海三棱藨草强。由于自然环境下的种子间相互作用更为复杂, 将室内控制实验结果推广到自然生态系统时存在一定的局限性。

根毛和共生真菌增加了吸收面积, 提高了植物获取磷等土壤资源的能力。由于野外原位观测根表微观结构较为困难, 吸收细根、根毛、共生真菌如何相互作用并适应土壤资源供应, 缺乏相应的数据和理论。该研究以受磷限制的亚热带森林为对象, 选取了21种典型树种, 定量了根毛存在情况、属性变异, 分析了根毛形态特征与共生真菌侵染率、吸收细根功能属性之间的关系, 探讨了根表结构对低磷土壤的响应和适应格局。结果表明: 1)在亚热带森林根毛不是普遍存在的, 21个树种中仅发现7个树种存有根毛, 4个为丛枝菌根(AM)树种, 3个为外生菌根(ECM)树种。其中, 马尾松(Pinus massoniana)根毛出现率最高, 为86%; 2)菌根类型是理解根-根毛-共生真菌关系的关键, AM树种根毛密度与共生真菌侵染率正相关, 但ECM树种根毛直径与共生真菌侵染率负相关; 3) AM树种根毛长度和根毛直径、ECM树种根毛出现率与土壤有效磷含量呈负相关关系。该研究揭示了不同菌根类型树种根毛-共生真菌-根属性的格局及相互作用, 为精细理解养分获取策略奠定了基础。

为探讨不同留茬高度对油莎豆(Cyperus esculentus)非结构性碳水化合物代谢的影响, 进一步明确不同留茬高度与油莎豆地上生物量的关系, 并寻求最佳刈割高度, 该研究以油莎豆为研究对象, 测定6个留茬高度(10、20、30、40、50 cm和未刈割)油莎豆叶片生长生理参数、非结构性碳水化合物含量和地上生物量。结果显示: 刈割对于油莎豆光合作用有刺激作用, 刈割后油莎豆在第1-14天达到再生生长高峰期。留茬30 cm油莎豆叶片可溶性糖含量(第7、21和28天)均高于其他处理, 分别为9.22%、10.83%、9.07%, 其淀粉含量(第14和21天)均高于其他处理, 分别为4.88%和4.11%。留茬40 cm (第21、28天)蔗糖含量均高于其他处理, 分别为7.88%和11.38%; 其果糖含量(第14和21天)均高于其他处理, 分别为5.29%和6.40%。刈割促进了留茬30和40 cm油莎豆叶片蔗糖磷酸合成酶和蔗糖合成酶活性的提高。留茬10 cm抑制了油莎豆叶片蔗糖含量增加和相关酶活性。合计刈割时和收获时的饲草质量之和, 留茬30 cm油莎豆干草质量最高, 为10 605.11 kg·hm^-2, 较未刈割增加19.93%; 收获时, 留茬40 cm油莎豆干草质量最高, 为8 976.93 kg·hm^-2, 较未刈割增加1.52%。另外通过冗余分析可知, 可溶性糖含量、蔗糖合成酶和蔗糖磷酸合成酶活性是影响饲草产量和再生速度的关键因子。留茬30-40 cm在长期(第7-28天)更有利于油莎豆再生生长, 非结构性碳水化合物积累, 相关酶活性和饲草产量提高, 因此留茬30-40 cm为适宜留茬高度范围。

大气氮氧化物(NO_x = NO + NO₂)随着干沉降进入森林生态系统时, 会首先接触森林冠层。森林乔木能通过叶片吸收多少NO₂以及对吸收的NO₂是如何分配的, 目前尚不清楚。该研究利用¹⁵N稳定同位素示踪技术, 对中国南方常见乔木树种木荷(Schima superba)和马尾松(Pinus massoniana)幼苗在黑暗和光照两种条件下进行了¹⁵NO₂静态箱熏蒸实验, 检测并分析了两种植物的¹⁵N回收率以及吸收的NO₂在植物各组织中的分配结果。结果显示: 植物主要通过气孔吸收NO₂, 木荷和马尾松在黑暗条件下整体分别能回收10.3% ± 5.9%和20.4% ± 7.0% ¹⁵NO₂, 在光照条件下整体分别能回收35.9% ± 5.4%和68.2% ± 7.6% ¹⁵NO₂。两种植物各组织中的平均干质量¹⁵N回收率均表现为叶>枝>干>根, 大部分吸收的NO₂在短时间内都留在叶片中, 木荷和马尾松叶片¹⁵N回收率占比在黑暗条件下分别为72%和49%, 在光照条件下分别为91%和96%。本研究的结果表明森林乔木对NO₂的吸收不可忽略, 森林乔木吸收NO₂这一过程在森林生态系统氮收支中起着十分重要的作用。

为确定毛白杨(Populus tomentosa)根系是否存在水力再分配现象, 并探究其发生特征与影响因子, 该研究以四年生毛白杨为研究对象, 利用热比率法对3株样树的共计7条侧根(R1-R7)进行长期液流监测, 并对土壤水分以及气象因子进行同步测定。结果显示: 毛白杨存在两种水力再分配模式, 分别为干旱驱动的水力提升和降雨驱动的水力下降, 水力再分配的发生模式与特征受侧根分布深度与直径大小的影响。在整个生长季尺度上, 毛白杨根系再分配的水量较低; 但在极端干旱条件下, 部分侧根再分配的水量可达其日总液流量的64.6%, 表明水力再分配会为干旱侧根提供大量水分。根系吸水与气象-土壤的耦合因子(太阳辐射(R_s) ×土壤含水率(SWC)、水汽压亏缺(VPD) × SWC、参考蒸散发(ET_o) × SWC)间存在显著相关关系, 但水力再分配与所选因子基本不相关。此外, 毛白杨浅层根中存在特殊的日间逆向液流现象, 其液流量最高可占日液流总量的79.2% (R1)到90.7% (R2), 该现象可能对浅层根系抗旱起到重要作用。

定量评估不同变量对群落组成的贡献是群落生态学分析的热点问题。但在具体的分析情景中, 因子间的共线性与解释率的重叠对评估不同因子重要性造成了较大困难。基于这一问题, R程序包“rdacca.hp”通过引入层次分割法(HP)的理念, 在所有可能的模型子集下为各解释变量(或解释变量组)分配单独效应, 为典范分析中共线性解释变量的相对重要性评估提供了新的定量指标。目前, “rdacca.hp”包已经成为群落生态学分析的重要工具。为进一步促进用户对“rdacca.hp”包的理解与运用, 该文通过引入一个分析塑造甲螨(Oribatida)群落的重要环境和空间驱动因素的实例, 重点展示了使用该程序包进行典范分析的一般步骤。随后对近期应用“rdacca.hp”包开展分析的相关研究进行文献计量学分析, 结果表明该程序包自上线以来已被广泛用作解决生态学、环境科学及相关学科问题的基本定量框架。最后, 该文对“rdacca.hp”包的未来应用和升级进行了展望。总之, 该文旨在使国内学者们进一步加深对“rdacca.hp”包的认识和应用。