磷是植物生长的必需元素, 而陆地生态系统普遍存在磷限制, 全球变化可能会影响土壤磷循环过程, 进一步加剧磷限制, 探讨植物磷获取策略对科学预测生态系统生产力如何适应全球变化具有重要意义。该文通过收集和梳理相关文献, 从4个方面综述植物的磷获取机制及其对全球变化的响应: 1)植物的磷饥饿响应机制; 2)植物的磷获取途径和策略; 3)土壤微生物对植物磷吸收的影响; 4)植物磷吸收对全球变化(温度升高、氮沉降和降水变化)的响应及其机制。该综述有助于深入理解全球变化背景下植物适应低磷胁迫的机理, 也可为养分资源管理实践提供理论依据。

为揭示实施退耕还林(草)政策20年后黄土高原植被盖度的最新演变趋势及区域差异, 定量分析气候和人类活动对该区植被盖度变化的贡献率及空间分布。该研究以光合植被(PV)盖度为植被生长状况指标, 基于2001-2020年PV数据及同期气象数据, 采用Mann-Kendall检验、Sen分析和残差分析等方法, 分析了黄土高原2001-2020年植被覆盖的时空演变特征及其驱动要素。主要结果: 20年中黄土高原植被盖度呈显著增加趋势, 增速为每年0.8%。全区植被盖度呈增加趋势的区域面积比例为90%, 呈显著增加的区域面积占比为71%; 对全区植被盖度增加的贡献, 主要是黄土丘陵区(约2/5), 其次为风沙丘陵区(约1/4)和石质山区(约1/5); 不同地貌分区内, 黄土丘陵区中陕西榆林和延安两市区境内植被盖度增加迅速, 风沙丘陵区中内蒙古鄂尔多斯市植被盖度变化最快; 研究时段内人类活动和气候变化对黄土高原植被增加的贡献率分别为76%和24%; 人类活动对植被盖度贡献较大区域主要分布在陕西延安以北、山西太原以南、宁夏同心以南和甘肃平凉和庆阳等丘陵、台塬和风沙丘陵等政府生态工程实施较好的地区。

为研究洞庭湖流域植被春季光合物候和秋季光合物候的时空变化, 揭示其对气候变化的响应规律, 为亚热带植被物候模型的建立和碳收支评估提供有益参考, 该研究利用2000-2018年的日光诱导叶绿素荧光(SIF)遥感数据反演洞庭湖流域植被春季光合物候(春季光合作用开始的时间)和秋季光合物候(秋季光合作用停止的时间), 分析植被春季、秋季光合物候的时空变化趋势及其对气候变化的响应机制。研究结果: (1) 2000-2018年, 洞庭湖流域植被春季光合物候以0.75 d·a^-1的速度显著提前, 秋季光合物候以0.17 d·a^-1的速度呈延后趋势, 植被生长季长度以0.90 d·a^-1的速度显著延长; (2)季前最高气温和最低气温是研究区春季光合物候提前的主要影响因素, 秋季光合物候与季前降水量、最低气温、辐射强度均呈正相关关系, 而与季前最高气温主要呈负相关关系; (3)研究区植被春季光合物候对气候变化的响应更敏感, 尤其是季前最低气温的升高导致常绿针叶林、常绿阔叶林、灌丛和草地的春季光合物候显著提前。洞庭湖流域植被春季光合物候提前对生长季延长起主导作用, 这表明在气候变暖的背景下, 植被春季光合物候对增强研究区碳汇功能扮演着比秋季光合物候更加重要的角色。研究区植被春季光合物候对气候变化响应更为敏感, 且气温是控制春季光合物候的主要因素, 这为常绿植被物候的模拟与预测提供了科学基础。

氮(N)对植物光合作用至关重要。阴生植物在自然生长条件下, 接受的是高度动态的光照。然而, 探讨N水平对阴生植物动态光照下的光合调控作用的研究相对较少。为了阐明N对阴生植物动态光合作用的调控机制, 该研究以典型阴生植物三七(Panax notoginseng)为材料, 设置了低氮(LN, 112.5 kg·hm^-2)和高氮(HN, 450.0 kg·hm^-2) 2个N水平, 研究动态光和稳态光条件下植株叶片的光合气体交换参数及卡尔文循环酶蛋白的活性和数量。结果表明单位叶面积氮含量(N_area)与光照60 s的诱导状态(IS₆₀)负相关, 与达到光合作用稳态90%所需的时间(t_P90)和达到光合作用稳态100%所需的时间(t_P-steady)正相关, 表明N_area并不是通过影响核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)的总活性来调控光诱导反应。短时间的低光间隔对Rubisco活性影响不显著, 但明显降低了果糖-1,6-二磷酸酶(FBPase)和景天庚酮糖-1,7-二磷酸酶(SBPase)的活性; 当高光照光斑突然出现时, Rubisco活性不受影响, 但是SBPase和FBPase需要被重新激活以匹配Rubisco的活性。因此, 低光间隔后的光合诱导主要受限于SBPase和FBPase的再激活。此外, HN处理叶片中Rubisco蛋白的含量高于FBPase和SBPase的含量; 在动态光的高光照阶段, HN处理叶片需要激活较高比例的FBPase和SBPase及较长的时间来恢复光合速率。该研究结果揭示: 动态光条件下, LN处理能缓解光诱导速率的下降, HN处理反而加剧光诱导速率的下降。核酮糖-1,5-二磷酸(RuBP)再生相关酶的限制可能是动态光条件下, HN处理加剧光诱导效率下降的原因之一。

杨树(Populus spp.)是我国北方平原地区主要用材和园林绿化树种, 但不同形态氮对杨树生长生理的影响是否有差异目前还不清楚。为探讨4种形态氮(铵态氮、硝态氮、硝铵态氮和酰胺态氮)对杨树光合特性及生长参数的影响。该研究以两种不同基因型杨树——杨树‘546’ (Populus deltoides cv. ‘55/56’ × P. deltoides cv. ‘Imperial’)和杨树‘107’ (P. euramericana cv. ‘74/76’)幼苗为实验材料, 采用土培方法, 测定不同形态氮施加后杨树幼苗的气体交换参数、叶绿素荧光参数、株高、基径、比叶面积、生物量及根冠比变化。两种基因型杨树生长习性基本类似, 喜光、喜水、喜肥, 但杨树‘546’较杨树‘107’对低温更敏感, 有着较低的株高与较大的单叶面积。结果显示: 杨树‘546’和杨树‘107’叶片光合特性相似, 但生长状况存在明显差异。氮处理能够显著提高两种杨树净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、光系统II (PSII)实际光化学量子效率、流经PSII的电子传递速率、基径、株高、比叶面积及生物量, 但降低其根冠比。除叶片净光合速率，杨树其他光合特性指标和生长参数在不同形态氮处理间差异不显著, 但不同基因型杨树对不同形态氮的响应明显不同。特别是, 相比于其他形态氮处理, 硝铵态氮处理显著提高杨树‘107’叶片净光合速率, 但不同形态氮处理对杨树‘546’光合特征和生长指标的影响均没有显著差异。综合来看, 硝铵态氮和酰胺态氮对杨树光合、生长和生物量积累更有利, 但杨树‘107’在酰胺态氮处理下氮利用效率更高, 而杨树‘546’则倾向利用硝态氮和铵态氮。

昼夜温差大是青藏高原的典型气候特征, 夜间低温作为植物生长季内非常频繁的非生物胁迫因子, 对典型高山植物日间光合生理功能的影响如何, 尚缺乏研究。该研究以采自青海大学-清华大学三江源高寒草地生态系统野外观测站的高山嵩草(Kobresia pygmaea)为材料, 应用叶绿素荧光图像分析手段, 研究了模拟夜间低温对叶片光系统II (PSII)非光化学猝灭中光诱导和非光诱导的量子产量, 及慢弛豫相和快弛豫相组分的影响。结果表明: 0 ℃夜间低温对日间PSII相对电子传递速率、PSII反应中心开放比率(q_L)和PSII非光化学猝灭系数(q_NP)的快速光响应曲线影响较小; 400和1 500 µmol·m^-2·s^-1稳态作用光强下的比较证实, 夜间低温并没有影响到光合机构活性及非光化学能量耗散过程。PSII反应中心激发能分配的量子通量分析表明, PSII实际光化学量子效率、PSII非光化学猝灭中非调节性和调节性能量耗散量子产量的相对比率在第3天高光强下, 对照组和夜间低温组分别为: 36:19:45和38:19:43; 较低光强下为66:22:12和66:23:11。非光化学猝灭(NPQ)中快弛豫相(NPQ_f)为主要组分, 而慢弛豫相(NPQ_s)所占份额(NPQ_s/NPQ)在对照植株的第1天和第3天分别为11%和10%, 夜间低温组则为13%和12%。因此, 0 ℃夜间低温后, 高山嵩草PSII反应中心发生光抑制的几率增大, 较低光强和夜间低温能导致光合诱导时间的延长; 但光化学能量转换和保护性的调节机制尚能有效分配吸收的光能, 夜间低温没有加剧过剩激发能难以调节耗散的趋势。

为探讨外源H₂S对盐碱胁迫下植物光合碳代谢的调控效应, 采用盆栽土培实验, 以裸燕麦(Avena nuda)为材料, 研究喷施50 µmol·L⁻¹ H₂S供体硫氢化钠(NaHS)溶液对3.00 g·kg^-1盐碱胁迫下叶片光合和荧光参数, 单糖、寡糖和淀粉含量, 卡尔文循环和糖代谢关键酶活性及产量构成因素的影响。结果表明: (1)盐碱胁迫下喷施NaHS显著降低裸燕麦叶片叶绿素含量、胞间CO₂浓度、光系统II (PSII)初始荧光、最大荧光、调节性能量耗散量子产量、光化学荧光淬灭和非光化学淬灭, 显著提高Hill反应活力、净光合速率、蒸腾速率、气孔导度、表观CO₂利用效率、PSII最大光化学效率和核酮糖1,5-二磷酸羧化酶(Rubisco)、Rubisco活化酶、3-磷酸甘油醛脱氢酶和转酮醇酶活性。说明外源H₂S通过减少光能吸收和降低PSII天线色素吸收光能用于光化学电子传递份额、提高原初光能转化效率和促进水的光解、调控卡尔文循环关键酶活性和增强CO₂利用效率缓解盐碱胁迫诱导的光抑制和光合速率下降。(2)盐碱胁迫下喷施NaHS后第7天, 裸燕麦叶片α-淀粉酶和蔗糖磷酸合成酶活性显著提高, 淀粉、还原糖含量和中性转化酶活性显著降低; 第14天, 可溶性总糖、还原糖含量和蔗糖合成酶、蔗糖磷酸合成酶活性显著下降, 中性转化酶活性显著提高; 第7天和第14天葡萄糖、果糖、半乳糖含量不同程度提高, 棉子糖含量显著下降, 而总淀粉酶、β-淀粉酶、淀粉磷酸化酶、腺苷二磷酸葡萄糖焦磷酸化酶、酸性转化酶活性和岩藻糖、海藻糖、蔗糖含量无显著变化。这表明外源H₂S参与盐碱胁迫下裸燕麦淀粉和蔗糖代谢及多糖和低聚糖之间转化的调控。(3)喷施NaHS对盐碱胁迫下裸燕麦的株高、穗数、穗铃数、千粒质量和生物学产量无显著影响, 而穗粒数和籽粒产量显著提高。综上所述, 外源H₂S参与盐碱胁迫下裸燕麦光合碳代谢调控, 它能够增强裸燕麦对盐碱胁迫的耐性。

资源吸收的动态生态位划分研究对于认识植物共存机制具有重要意义, 然而至今对于该领域的理解仍然不足。在2019年生长季内, 对华北平原上的一片毛白杨(Populus tomentosa)-刺槐(Robinia pseudoacacia)成熟混交林进行了同位素和土壤含水率的重复取样, 并于生长季末进行细根取样。通过氢氧稳定同位素方法和贝叶斯混合模型(MixSIAR)确定了树木的季节性吸水模式, 使用Pianka的标准化重叠值判断了毛白杨和刺槐的生态位重叠程度。结果显示: 两个树种都具有深根系, 但是, 毛白杨倾向水平侧根的发育并在浅土层(0-30 cm)分布更高比例的细根, 而刺槐则倾向垂直主根的发育, 在深土层(100-600 cm)分布高比例细根。就整个生长季的平均而言, 毛白杨和刺槐的主要水源均是中层(30-100 cm)和深层土壤水。但是, 浅层和中层土壤水对毛白杨吸水的贡献高于刺槐, 深层土壤水和地下水则反之。在应对干旱和夏季强降雨时, 毛白杨和刺槐表现出完全相反的吸水策略。在旱季, 毛白杨增加中土层的吸水贡献, 而刺槐则提高了对地下水的相对吸水量。当强降雨事件发生时, 毛白杨增加浅土层的吸水贡献, 而刺槐却增加深土层的吸水贡献。总之, 毛白杨和刺槐之间存在细根和吸水生态位互补, 并且吸水生态位互补程度随着季节而变化, 在旱季的吸水生态位互补程度相对高于其他季节。此外, 该研究还表明细根生态位划分不能代表树木的资源吸收划分。该研究为进一步理解植物共存机制提供了证据支撑, 并且为未来应对气候变化的混交林管理策略的制定提供重要参考。

热扩散探针(TDP)在林木蒸腾研究中应用极广, 其测定数据的计算精度直接影响对林木和林分耗水的精准定量。Granier原始公式(F_d = 0.0119K^1.231, F_d为液流速率(cm·s^-1), K为温差系数)是计算TDP测定数据的标准方法, 但其准确性备受质疑。为系统了解Granier原始公式的适用性和明确对其校正的必要性, 该研究以毛白杨(Populus tomentosa)为实验材料, 采用室内茎段法和整树容器法, 针对不同型号的TDP探针评估Granier原始公式的精度, 并对比不同方法校正公式的应用效果。与茎段法实测值相比, Granier原始公式计算的液流速率平均低估52.3%-61.4%。通过茎段法和整树容器法得到的校正公式分别为F_d = 0.0362K^1.870和F_d = 0.0105K^0.976; 且一种方法下得到的校正公式, 在其他方法条件下应用时存在较大偏差。与Granier原始公式相比, 整树容器法校正公式计算的大田生长状态下的7株林木的平均液流速率没有显著变化, 但茎段法和其他研究中得到的毛白杨校正公式的计算结果均显著变大。以整树容器法做对比, Granier原始公式的精度明显高于其他校正公式, 其相对平均绝对误差和均方根误差分别为10%和0.000 5 cm·s^-1。此外, 校正公式的系数在不同林木间存在较大差异, 但其数值与导水边材中探针长度所占比例呈显著负相关关系。综上, 利用TDP测定液流时, 可能有必要对Granier原始公式进行校正, 但不同方法校正公式的应用效果差异巨大, 表明以往研究中得到的校正公式具有很大局限性。同时, 该研究未找到充足证据支撑“有必要采用校正公式以精确估算毛白杨液流速率”的观点, 尤其是考虑到整树容器法校正公式对大田栽植的毛白杨的液流速率估算结果与Granier原始公式并无显著差异, 因此建议继续对该树种延用Granier原始公式。

重金属铬(Cr)污染对农田中农作物产生毒害作用并破坏土壤微生物群落稳态, 但不同农作物及其根际土壤微生物群落对Cr胁迫的响应机制均有所差异。该研究在时间序列上分析Cr胁迫对谷子(正名: 粱, Setaria italica)长势、谷子差异表达基因(DEGs)的功能途径及土壤微生物群落结构和功能等方面的影响, 阐明谷子及土壤微生物群落的响应机制, 为Cr胁迫下的谷子生长及污染土壤的生态修复治理提供理论依据。基于室内盆栽实验, 以谷子幼苗和种植谷子的土壤为实验材料, 在Cr胁迫前(CK)及胁迫后6 h和6 d (Cr_6h、Cr_6d)的时间序列上分别进行样本采集, 同时测量幼苗生理性状指标及土壤理化指标。通过转录组分析, 研究Cr胁迫时间序列上谷子幼苗基因表达及所富集的功能途径的变化趋势; 通过高通量测序分析, 研究Cr胁迫时间序列上土壤微生物群落结构、物种多样性、群落功能的动态变化过程及与土壤理化性质的相关性。结果发现: 1)转录组分析结果表明Cr胁迫诱导基因表达上调(上调DEGs 54%); Gene Ontology (GO)富集分析表明DEGs在CK和Cr_6h、Cr_6h和Cr_6d样本对中与光合作用相关的基因的表达显著下调; 在Cr_6h和Cr_6d样本对中与防御和损伤调控相关的基因的表达显著上调, 细胞壁及细胞膜和细胞分裂相关基因的表达下调。2)高通量测序结果表明Cr胁迫时间序列上土壤细菌与真菌在门、属水平组成变化显著; 细菌群落α多样性呈现出由应激到稳定的阶段性变化特征(CK、Cr_6h和Cr_6d的Shannon多样性指数分别为6.09、5.93和6.05; Simpson多样性指数分别为0.006 8、0.007 8和0.006 8; Chao多样性指数分别为2 818.49、2 630.73和2 769.38), 而真菌群落α多样性显著下降(Shannon-Wiener多样性指数分别为4.17、3.81和3.23); 细菌与真菌群落的β多样性在Cr胁迫时间序列的分布差异显著。3)土壤理化性质与微生物群落相关性分析表明土壤理化因子与多种真菌群落显著相关, 而与细菌群落的关联关系较弱。结果表明Cr胁迫在时间序列上通过降低叶绿素含量、光系统活性并影响类囊体等结构组分显著抑制了谷子幼苗的光合作用过程, 通过下调细胞壁及微管相关组分基因表达抑制叶片细胞的增殖分化过程, 但同时激活了植物防御系统以降低自身所受的毒害作用。同时土壤细菌与真菌群落通过群落组成结构及多样性的变化来适应Cr胁迫, 二者在胁迫时间序列上的响应程度和策略均有所不同。

滨海盐沼湿地是重要的“蓝碳”碳汇, 研究水盐变化对土壤碳矿化(CO₂和CH₄排放)的影响, 对理解滨海盐沼湿地的碳汇稳定机制具有重要意义。该研究选取黄河三角洲典型盐沼湿地土壤为研究对象, 通过水盐梯度模拟实验, 研究土壤碳矿化、理化性质、微生物生物量及群落结构对不同土壤水分和盐分含量的响应。主要结果: (1)水盐变化对土壤CO₂、CH₄排放量以及CH₄:CO₂的影响均不存在交互作用, CO₂排放量随土壤含水量增加呈先升后降的单峰型变化趋势, 盐分含量升高则显著抑制CO₂排放; 水分含量升高对CH₄排放具有显著促进作用, 盐分升高则显著抑制CH₄排放。(2)水盐变化对土壤可溶性有机碳(DOC)含量具有弱交互作用, 在低水分处理下, DOC随着土壤盐分的增加呈减少趋势, 但在高水分处理下呈增加趋势; CO₂排放与DOC含量呈显著正相关关系, 而CH₄排放与DOC含量没有显著相关性。(3)土壤微生物生物量随水分含量的增加呈先增加后降低的变化趋势, 随盐分含量的升高则显著降低; 且相比于CH₄排放, CO₂排放量与微生物生物量具有更高的相关关系。(4)水盐变化显著改变了土壤微生物群落结构, 细菌数量和α多样性指数均随水分含量升高而显著增加, 随盐分含量升高则显著降低; 同时发现土壤CO₂、CH₄排放均与细菌数量、α多样性指数具有显著正相关关系。因此, 在该地区气候暖干化背景下, 土壤水盐条件变化将可能通过调控土壤理化性质、微生物生物量及群落结构等条件对该滨海盐沼湿地碳汇功能产生深远影响。