细根是根系中最活跃和最敏感的部分, 在森林生态系统生物地球化学循环中发挥着十分重要的作用。细根生长和周转会对植物根系碳进入土壤的通量产生强烈的影响。全球变暖对地下生态过程的影响已成为全球变化背景下关注的热点问题, 细根生长动态对全球变暖作何响应将直接影响到生态系统的碳平衡。该文就增温对森林细根生长、死亡、生物量及周转的影响的研究进展进行综述, 以期揭示增温对森林细根生长动态的影响。目前大部分研究认为增温会通过改变土壤含水率、养分有效性以及新近光合产物的分配等指标来影响细根的生长和死亡, 加快细根周转过程, 进而导致细根生物量降低。但细根生长受诸多因素的影响, 使得增温对细根影响的研究结果因树种、区域、增温方式等因素的影响存在不一致的结论。因此综合分析增温条件下森林细根的响应对研究地下生态学过程至关重要。今后还应加强以下方面的研究: (1)根据各增温方法的优缺点比较不同增温方式以及短期、长期增温实验对细根生长动态和地上部分影响的研究; (2)结合多种细根观测手段及实验方法综合分析增温对细根生长动态的影响, 同时加强增温对细根序级结构影响的研究; (3)加强增温与养分、水分、CO₂等的交互作用对细根生长动态影响的研究; (4)重点关注增温对不同土层尤其是深层土壤中细根生长动态影响的研究; (5)深入研究细根-土壤-微生物三者间相互关系对增温的潜在响应。

植物功能性状的权衡关系反映不同植物在资源投资和收益上的权衡策略, 对于深入理解植物对环境的生态适应机制具有重要意义。但由于土壤环境的异质性和技术手段的局限性, 目前地下根系功能性状及其相互关系的研究相对滞后于地上功能性状的研究。细根通常指直径≤2 mm的根, 植物对土壤资源的获取与利用依赖于细根构型、形态、化学和生物等一系列功能属性, 其中包括细根通过与菌根真菌共生来获取土壤资源。最近提出的根系经济空间(root economics space)表明植物在资源获取效率与维持成本之间的权衡策略存在多样性, 除传统的快速(高氮含量和代谢率)和缓慢(高组织密度)投资回报之间的权衡维度外, 还存在以高比根长为特征的“自己动手”获取资源和将光合碳分配给菌根真菌的“外包”资源获取的权衡维度。具体到功能性状上则表现为细根表观性状与菌根真菌存在明显的功能互补关系, 大多数针对木本植物的研究发现细根直径小的物种主要通过增加比根长来提升获取土壤资源的能力, 而细根直径大的物种则主要依赖菌根真菌来获取资源, 然而迄今仍缺乏菌根真菌与宿主植物资源收益和构建成本之间权衡的直接量化研究。未来关于细根功能性状的研究应该加强以下几个方面的研究: 1)在研究方法上, 迫切需要建立一套统一的根系分类、取样、储存方法以及确定根系功能性状的定义及其研究方法; 2)在性状指标上, 增强对细根硬性状(如根系分泌物、根系呼吸等生理属性)的研究; 3)在功能性状权衡关系的研究上, 需要继续深入探究植物根系和菌根真菌之间构建成本和资源收益的关系。

近40年来, 青藏高原经历了快速的增温, 而且预计在将来的几十年里其温度会持续上升。由于气候变暖可能引起土壤水分、养分可利用性的变化, 了解该变化是否会影响高寒草地对气候变暖的响应, 是准确预测未来气候变暖背景下高寒草地生产力变化的重要前提。基于高(4 050 m)、中(3 700 m)、低(3 200 m) 3个海拔的开顶式增温箱(OTCs)增温与施肥(氮(N)肥、磷(P)肥)野外控制实验, 该研究测定了高寒草地群落及其4种功能群(豆科、禾草、莎草、杂类草)的地上绝对和相对生物量, 探讨了高寒草地地上生物量对气候变暖的响应以及土壤养分的调节作用。结果表明: 1)增温处理的响应比与海拔之间存在显著的正相关关系。2)增温导致中、高海拔草地地上生物量的增加, 而且在N、P添加下, 增温均显著增加了3个海拔草地地上生物量。3)不同海拔的4种功能群相对生物量对增温的响应不一致, 而且同一功能群因不同的养分条件对增温表现出了显著的差异。研究表明, 高寒植物对增温的响应依赖于海拔, 并且受到土壤养分可利用性的调节。

科尔沁沙地是内蒙古地区典型而且高度退化的农牧交错区域。受气候变化和沙地恢复政策的影响, 该区域近20年来植被发生了显著的变化。该研究基于2001-2020年MOD13A2归一化植被指数(NDVI)数据与10个重要的驱动因子(年平均气温、年降水量、坡度、土壤类型、植被类型、地貌类型、人口密度、累积造林面积、牲畜密度和农作物种植面积)的空间关联, 采用地理探测器模型量化了各驱动因子对科尔沁沙地植被NDVI的影响力和相互作用, 确定了有利于植被生长的各驱动因子的适宜范围。结果表明: (1) 20年来, 科尔沁沙地植被覆盖度逐渐增加, 植被明显恢复地区面积超过64.91%, 主要分布在科尔沁沙地北部、中部以及东南缘区域。(2)土壤类型、地貌类型和年平均气温对科尔沁沙地植被NDVI的影响力较大。(3)各驱动因子之间的交互作用为非线性增强和双因子增强, 其中土壤类型与其他因子存在较强的交互作用。(4)有利于科尔沁沙地植被生长的驱动因子适宜范围, 如: 土壤类型为淋溶土, 地貌类型为丘陵及小起伏山地, 年平均气温4.68-5.67 ℃等环境条件, 能够对植被适应变化环境起到缓冲作用。该研究结果有助于更好地理解植被变化的复杂机制, 为后期科尔沁沙地植被恢复的综合治理以及生态工程的合理实施提供科学依据。

氮(N)添加和干季延长会对植物的非结构性碳水化合物(NSCs)含量、碳(C)、N、磷(P)浓度和生物量等产生深远影响, 然而这种影响在同一植物不同器官(叶、枝、树干、根)间的差别尚不清晰。该研究以华南地区名贵树种降香黄檀(Dalbergia odorifera)幼苗为对象, 探究降香黄檀幼苗不同器官的NSCs含量、养分含量、化学计量比以及生物量对N添加和干季延长的响应, 比较不同环境下降香黄檀的生长状况与养分分配情况, 为预测全球变化下降香黄檀的生长提供理论依据。结果显示: (1) N添加显著增加树干的NSCs含量, 而N、水交互(N添加和干季延长交互处理)作用下树干的NSCs含量显著降低, N添加、干季延长及其交互作用显著增加根的可溶性糖含量; (2) N添加下根的N含量显著增加、C:N显著降低, N、水交互作用下降香黄檀树干C:P和N:P降低; (3) N添加、干季延长及其交互作用下降香黄檀总生物量无显著变化, 但叶质比显著降低, 并且N添加与干季延长下根冠比降低, 茎叶比则显著增加。因此, 未来干季延长背景下, N添加可能会促进降香黄檀幼苗树干的生长, 有利于提高降香黄檀的经济价值, 但需要在干季适量补水, 防止降香黄檀受干旱胁迫导致生长受到抑制。

环南海区域是围绕中国南海的陆地形成的相对独立的半封闭地理单元, 分为华南沿海、台湾岛、海南岛、中南半岛、马来半岛、加里曼丹岛(婆罗洲)、巴拉望岛、吕宋岛等8个地区。环南海区域是全球红树植物分布最集中的区域之一。为了揭示红树物种在环南海区域的地理分布格局及其形成原因, 该研究通过文献和网站等确定环南海区域及全球主要红树分布区的物种分布点, 并用ArcGIS绘制分布图; 利用DIVA-GIS 7.5.0构建红树科、锦葵科、海桑属(Sonneratia)、海榄雌属(Avicennia)等4个典型红树植物类群的1° × 1°物种多样性分布格局。红树物种的迁移历史及路线主要通过在ISI Web of Science查找文献, 通过文献整合揭示环南海区域红树物种的迁移规律及主要影响因素。主要结果有: (1)环南海区域分布有真红树39种、半红树14种, 红树物种数量仅次于邻近的大洋洲及新几内亚, 远高于全球其他区域; 环南海区域的马来半岛和加里曼丹岛红树物种多样性最高, 其次是中南半岛、海南岛和吕宋岛, 巴拉望岛红树物种多样性最低。(2)环南海区域红树物种都是广布种, 这可能是因为南海在夏季和冬季具有完全不同的洋流方向和季风方向, 促进了红树植物在环南海区域的长距离扩散。(3)南海北部和南部的洋流存在一定的内循环, 导致海漆(Excoecaria agallocha)、蜡烛果(Aegiceras corniculatum)和榄李(Lumnitzera racemosa)等真红树物种在中南半岛金兰湾、巴拉望岛北端连线的两侧出现了相对隔离的遗传谱系。(4)南海海平面在更新世曾下降了120 m左右, 深刻影响了环南海区域红树植物的分布格局及迁移路线。建议未来的研究利用现代分子生物学技术解析整个环南海区域的代表性红树类群的谱系地理学格局, 以揭示该区域红树植物演化历史及其在全球气候变化影响下的变迁趋势。

叶片是林木获取和利用生存资源的重要器官, 其形态结构一定程度上反映了林木的生境适应性。探究南盘江—红水河流域的地理气候对该区域重要树种细叶云南松(Pinus yunnanensis var. tenuifolia)针叶形态及显微结构的塑造作用, 对理解该树种的生态适应性及资源保育具有重要参考价值。该研究以分布于贵州和广西的细叶云南松9个自然种群的18个针叶形态及显微性状为研究对象, 结合种群所在地7个地理和气候因子, 采用巢氏方差分析、相关分析、多元统计分析(主成分分析、冗余分析和系统聚类分析)方法解析其种群差异及环境关联。结果表明, 除叶截面面积与中柱截面面积之比(V1)外, 其他指标在种群间均存在不同程度的分化(表型分化系数(V_ST) = 22.32%-51.42%), 即种群间生境异质性对大部分指标有显著影响。Pearson相关分析和多元统计分析表明: 针叶树脂道相关指标(树脂道数目、周长、面积等)随纬度、海拔、降水量增加而增大, 随年平均气温升高而减小; 气孔相关指标(气孔密度、气孔密度与V1之比)随经纬度增加而增大, 随相对湿度增加而减小; 针叶横截面大小相关指标(叶宽、叶厚、叶截面面积、中柱面积等)则主要与采样地至南盘江—红水河谷的距离显著相关, 距离越近, 指标值越小。综上, 细叶云南松在与云南松(P. yunnanensis)截然不同的干热生境驱动下, 表现出所有树脂道性状小型化趋势, 细叶云南松较高的气孔密度(以及下陷的气孔)有利于其在干旱环境下平衡呼吸和蒸腾失水作用, 而其相对细柔的针叶则可能主要由该区域特殊的河谷地形造成的焚风及峡谷强风的胁迫作用以及季节性暖干气候对针叶的生长限制作用所塑造。

研究蕨类在不同垂直高度下叶功能性状及其相关关系的差异, 可为揭示大型蕨类叶片的资源利用策略提供科学依据。以阔叶红松(Pinus koraiensis)林内的粗茎鳞毛蕨(Dryopteris crassirhizoma)、东北蹄盖蕨(Athyrium brevifrons)和荚果蕨(Matteuccia struthiopteris) 3种蕨类为研究对象, 将个体按叶片垂直高度分为上、中、下3层, 分别测定其比叶面积、叶干物质含量、净光合速率、瞬时水分利用效率、叶氮含量和叶磷含量, 并测定每株个体的光环境和土壤因子, 重点揭示叶功能性状的垂直变异规律及相关关系。结果表明: (1) 3种蕨类叶干物质含量随叶片垂直高度增加均呈递增趋势, 比叶面积无显著差异; 东北蹄盖蕨和荚果蕨净光合速率随叶片垂直高度增加呈递增趋势; 荚果蕨瞬时水分利用效率随叶片垂直高度增加先增后减, 叶氮含量逐渐减少; 粗茎鳞毛蕨叶磷含量随叶片垂直高度增加表现为先增后减。(2)叶氮含量与比叶面积, 瞬时水分利用效率与净光合速率显著正相关; 叶氮含量与叶干物质含量, 叶干物质含量与比叶面积则显著负相关; 上述叶功能性状间的相关关系在不同垂直高度间均无显著差异。(3)土壤有效磷含量和土壤pH是不同垂直高度叶功能性状变异的主要影响因子, 土壤有效磷含量对叶功能性状变异的解释度最高。该研究表明, 阔叶红松林内大型蕨类的叶功能性状存在一定的垂直差异, 然而个体内部性状间的变化速率基本恒定, 光环境和土壤因子对不同垂直高度叶功能性状变异的影响程度不同。

桦木属(Betula)树种作为北方温带森林的先锋树种, 在次生林恢复中起重要作用。在当前的气候变化背景下, 桦木属不同种类树干木质部解剖特征对气候变化的响应与适应策略还知之甚少。该研究以黑龙江省穆棱市东北红豆杉国家级自然保护区的3种天然桦木: 白桦(B. platyphylla)、黑桦(B. dahurica)和硕桦(B. costata)为研究对象, 运用树轮年代学和树轮解剖学方法, 比较了3种桦木木质部导管特征, 分析了导管特征与季节气候因子关系、时间稳定性及生长对极端气候的抵抗力与恢复力。结果表明: 3种桦木导管数量和密度都与轮宽显著正相关。白桦在3个树种中平均轮宽最宽, 导管小且多。黑桦和硕桦平均轮宽较小, 导管明显大而少, 可能使黑桦和硕桦更容易产生栓塞。3种桦木的径向生长主要受水分因素的限制, 温度限制作用不明显。3种桦木导管数量与各季节降水量正相关, 其中硕桦的正相关关系最强。春季气温上升, 促进白桦导管变多, 非生长季(11月至次年4月)气温升高使黑桦导管变多而硕桦导管数量变少。随着气候变暖, 黑桦导管更趋向于小而多, 硕桦导管更倾向于小而少。3种桦木径向生长对生长季干旱和非生长季高温的抵抗力和恢复力趋势在种间大致相同, 且对非生长季高温的抵抗力和恢复力均较低。黑桦对非生长季高温的响应在个体间变异较大。该研究发现不同桦木木质部导管应对气候变暖的策略不同, 白桦采取较为保守的策略(产生较多且较小导管)应对气候变化; 硕桦则采用大导管提高水分运输效率的策略, 这可能导致其最先衰退, 甚至死亡; 黑桦介于白桦和硕桦之间, 导管数量和面积适中。

研究雌雄异株植物在干旱-复水过程中的生长表现和生理机制变化有助于了解不同性别植物对环境的适应以及抗逆能力差异, 可为全球气候变化背景下造林树种的选择提供理论依据。该研究以美洲黑杨(Populus deltoides)为研究对象, 采用盆栽控水实验, 通过测定干旱-复水条件下幼苗的生长、叶片水分参数、光合参数等指标, 分析雌雄植株对不同水分处理的生理响应差异。结果显示: 干旱对雌雄植株生长均产生不利影响, 植株株高和地径生长减缓, 叶片的相对含水量、水势、净光合速率、气孔导度、蒸腾速率、光合电子产量、光化学猝灭系数以及电子传递速率均显著降低。干旱胁迫下, 雄株的生长情况优于雌株, 表现为雄株有更高的株高生长速率、地下生物量分配和水分利用效率。干旱胁迫下, 雌株最大光化学效率与光系统II (PSII)的潜在活性显著降低, 胞间CO₂浓度显著增加; 雄株PSII受损伤较小, 但根和叶的线粒体交替氧化酶活性显著升高。复水30天后, 植株的各指标均有不同程度的恢复, 但雌雄株的株高、地径增长率和净光合速率等显著低于未经过干旱胁迫的对照组, 且不存在性别差异。干旱胁迫下, 美洲黑杨雌雄株幼苗的生长均受到不同程度的抑制, 雌株较雄株受影响更大。雄株通过降低叶片相对含水量、光合速率和叶绿素荧光参数, 增加交替氧化酶活性等一系列生理响应来提高植株干旱适应性。因此, 雄株比雌株具有更有效的保护机制, 有利于复水后各生理活动的恢复。

近年来贵州草海呈现出以水生植物为主的草型清水稳态向以浮游植物为主的藻型浊水稳态转变的趋势, 生态功能降低。叶绿素a (Chl a)浓度是衡量浮游植物生物量的重要指标, 探究Chl a浓度变化对全面掌握草海生态状况及制定相应的恢复措施具有重要意义。该研究于2020-2021年夏秋季对草海水体进行采样, 分析草海草-藻型稳态转换过程中Chl a浓度的变化; 运用广义可加模型(GAM)分析各环境因子与Chl a浓度的关系。结果表明: 稳态转换后(2021年调查期间)草海水体Chl a浓度显著升高, Chl a浓度均值为(17.96 ± 10.62) μg·L^-1, 较稳态转换前(2020年调查期间)高出2.5倍; 草海营养状态由中营养状态发展为富营养状态, 水质恶化趋势明显; 单因素GAM模型结果显示, 高锰酸盐指数(COD_Mn)、总氮(TN)浓度和水温(WT)对Chl a浓度影响显著, 解释率较高(26.70%-33.30%); 环境因子影响程度为WT > COD_Mn > TN浓度。该研究认为COD_Mn、TN浓度是驱动湖区Chl a浓度变化的重要因子, WT则为诱导因子。草海沉水植被的大面积消亡和Chl a浓度显著升高, 表明草海正处于草型向藻型转换的关键节点, 须及时采取干预措施促进沉水植被恢复, 进一步深入研究草海稳态转换的成因及恢复对策。

蒙古莸(Caryopteris mongholica)是分布在典型草原、荒漠化草原、荒漠的重点保护野生植物, 但对于其群落特征和分类的研究较匮乏, 研究蒙古莸在中国北方的分布、群落特征及其分类, 可为其保护管理提供参考依据。该研究于2018-2021年, 在中国北方共选择40处具有代表性的蒙古莸样地, 利用样地调查法对其群落特征进行研究。主要结果有: (1)蒙古莸在中国集中分布于内蒙古高原东、中部及西部, 黄土高原北部, 河西走廊, 祁连山等西北温带荒漠区及草原区, 常为群落中的优势种或伴生种。(2) 40个样地中共记录种子植物149种, 隶属于37科107属。其中以蒙古莸为优势种的群落共31个, 记录种子植物140种, 群落中以菊科、豆科和禾本科植物为主; 其中灌木、小半灌木39种, 多年生草本76种, 一/二年生草本24种; 物种存在度等级划分中, I级(0-20%)植物占总物种数的87.94%, 多为群落中的偶见种; 水分生态类型中, 广幅旱生植物占优势(63.12%); 区系地理成分以亚洲中部植物为主(26.24%)。(3)根据生活型和优势度, 将31个蒙古莸群落划分为3个群丛组, 分别为蒙古莸-草本群丛组、蒙古莸+灌木-草本群丛组和蒙古莸+灌木群丛组, 进一步细分为19个群丛。(4)经度及年降水量显著影响蒙古莸群落的分布及物种多样性。