植物-土壤反馈实验是研究植物与土壤生物群落互作的一种重要手段。植物-土壤反馈是指植物生长改变了土壤物理结构、化学性质和生物群落组成, 这种改变反过来影响植物个体生长、种群消长和群落动态的过程。植物-土壤反馈研究可为生物多样性的维持、农业的可持续发展、退化生态系统的恢复等提供重要的理论依据。该文首先介绍了植物-土壤反馈的概念和研究方法。其次, 综述了植物-土壤反馈的研究进展, 即植物-土壤反馈在植物物种多样性的维持、植物群落演替、植物入侵与物种迁移、陆地生态系统对气候变化的响应、植物地上-地下多营养级生物互作、退化生态系统恢复、不同农业种植制度下的作物表现等方面具有的重要意义。最后, 基于上述研究进展, 提出了该领域的未来发展趋势, 包括: (1)研究对象: 从单一物种扩展到群落水平; (2)研究地点: 从温室转移到自然生态系统; (3)实际应用: 从理论研究到生态实践。

森林是重要的陆地生态系统, 分布广、生物总量大, 在全球碳循环中起着重要作用。森林地上生物量(AGB)是森林生态系统生产力的重要指标, 也是碳循环的重要参数, 森林AGB的精确估算对研究生态系统的物质循环和全球气候变化具有重要意义。传统的森林AGB估算方法需要获取单木尺度或者林分尺度的物理结构信息, 较为耗时、耗力, 而遥感技术因其可以获得全方位、多时相、大范围的森林结构信息, 在森林AGB估算中发挥着不可替代的作用。因此, 有必要对近年来遥感技术估算森林AGB领域所取得的进展进行归纳、总结和展望, 以期进一步促进遥感数据和方法在该领域的应用以及有效指导相关行业的发展。该文系统归纳了光学数据、合成孔径雷达(SAR)数据与激光雷达(LiDAR)数据估算森林AGB的原理及方法, 并对多源遥感数据协同估算森林AGB的研究现状进行了梳理, 总结了如下结论: 1)新型遥感数据(如高分系列卫星、全球生态系统动态监测激光雷达等)在生物量估算领域的应用愈加广泛, 在时空分辨率方面不断突破, 进一步丰富了森林AGB研究的数据来源; 2)多源遥感数据协同方式能更好地提高森林AGB估算的精度, 但相关模型仍需进行更深层次的优化; 3)目前机器学习、人工智能、深度学习已广泛应用于森林AGB的估算, 但是遥感机理的研究是创新的根源, 模型或方法的改进仍需围绕遥感机理展开。

随着全球变暖和人类活动加剧, 全球干旱区进一步扩张。干旱区植被生态系统的脆弱性和敏感性增强。因此, 探究干旱区植被长势对气候变化的响应机制及滞后效应成为了当前研究的热点。该研究基于中分辨率成像光谱仪(MODIS)提供的归一化植被指数(NDVI)资料、英国东英格利亚大学气候研究所提供的逐月网格化CRU TS4.05气候资料和干旱指数资料、ERA5 (ECMWF全球气候的第五代大气再分析资料)提供的太阳辐射资料和欧洲航天局全球基本气候变化监测项目提供的土壤水分资料, 借助于窗口交叉相关法和线性回归法, 探究了2001-2020年亚洲旱区草地NDVI对气候变化的响应及滞后效应。研究发现: 1)草地NDVI对当月平均气温和降水总量的响应最为强烈, 对太阳辐射和土壤水分则存在显著的滞后响应。具体表现为草地NDVI对太阳辐射和土壤水分的响应存在1个月的滞后; 2)草地NDVI与各气候要素响应的滞后时间在空间分布上较不均匀, 在亚洲旱区的东部和西部存在明显差异; 3)草地NDVI与自矫正帕默尔干旱指数间不存在显著的滞后效应; 4)海拔在一定程度上影响了亚洲旱区草地NDVI与各要素的响应关系。

喀斯特地区岩石裸露、土壤浅薄、持水能力差。对比分析喀斯特和非喀斯特森林树种叶性状有利于了解叶片对喀斯特生境的生理生态适应。前期比较研究集中在叶经济学性状, 对叶水力学(抗旱)和机械抗性(防御)性状关注较少。该研究测定热带-亚热带地区典型喀斯特和非喀斯特森林共101种乔木的叶形态解剖、机械抗性和水力学性状, 比较两个植物类群叶性状以及性状网络的差异。结果发现: (1)与非喀斯特森林乔木相比, 喀斯特森林乔木叶撕裂力(F_t)较大、最大导水率(K_{leaf_max})较高, 膨压丧失点(Ψ_tlp)和气孔安全边界均较低。(2)喀斯特森林乔木叶性状网络的平均路径长度和直径较短, 边缘密度较大, 表明叶性状之间的关联程度更高。(3)喀斯特森林乔木叶性状网络的关键性状为比叶质量(LMA)和机械抗性, 而非喀斯特森林则为叶厚度(LT)和叶密度。喀斯特森林乔木LMA与Ψ_tlp负相关, 与F_t正相关, 即增加叶构建成本可同时提高机械抗性和耐失水能力; 非喀斯特森林乔木无此相关关系。(4)喀斯特森林乔木K_{leaf_max}与叶抗栓塞能力(耐旱性)之间权衡, 它们与叶形态解剖和机械抗性均不相关; 非喀斯特森林乔木无水力学权衡关系, K_{leaf_max}与LT和叶密度显著相关。该研究进一步揭示了与非喀斯特森林相比, 喀斯特森林乔木倾向于采取异水策略, 且叶性状之间密切协同。

揭示功能性状如何影响关键植物种群特征有助于深化对群落动态的理解。该研究基于上海大金山岛26种常见木本植物5年期(2016-2021年)生长死亡动态的监测数据, 通过测量各物种与光、水和养分资源竞争与利用策略相关的9个叶片和木质性状, 分析了不同功能性状单独及其综合形成的植物经济谱与物种相对生长率和死亡率的关系。结果显示: 叶面积和叶片氮含量与物种相对生长率显著正相关, 叶片厚度、小枝密度和叶干物质含量与相对生长率显著负相关。干材密度和小枝密度与物种相对死亡率显著负相关。由9个功能性状构成的植物经济谱可解释物种相对生长率32.8%的变异, 但是与相对死亡率无显著相关关系; 资源获取型物种比保守型物种具有更高的相对生长率。以上结果表明, 植物功能性状是影响植物生长的重要因素, 植物经济谱可较准确地预测物种间相对生长率的差异, 但对物种相对死亡率的预测较弱。

梭梭(Haloxylon ammodendron)是古尔班通古特沙漠的主要建群种, 在生物多样性保护和防止旱地退化等生态系统服务方面有重要作用。气候变化引起的频发干旱对梭梭生存有显著的影响, 明晰干旱胁迫下梭梭的抗旱策略, 对于荒漠生态系统的可持续发展至关重要。水力性状和碳收益作为抗旱机制中的重要部分, 目前对干旱胁迫下梭梭生存的水力性状阈值尚不明确。该研究以成年梭梭为对象, 分别设置对照组和干旱处理组, 对梭梭上、中、下3个高度的同化枝水分状况、枝条木质部导度损失率、气体交换特征、非结构性碳水化合物含量和形态特征等进行了测定, 利用单因素方差分析检验不同处理及枝条高度间的各项性状差异, 结合线性回归了解梭梭气孔敏感性, 通过主成分分析解析梭梭的抗旱策略。研究表明: (1)梭梭的黎明和正午同化枝水势、同化枝含水量和枝条含水量均因干旱胁迫而下降, 但并未随高度增加而降低; P50和P88 (最大导水度损失50%和88%的木质部水势)未因干旱胁迫和枝条高度的增加显著变化, 两个处理下3个枝条高度的P50平均值为-4.12 MPa, P88为-7.10 MPa, 而水力安全边界在干旱胁迫下显著降低; (2)梭梭的气孔行为对水分亏缺敏感性低, 干旱胁迫和枝条高度增加总体上未对其净光合速率和气孔导度产生显著影响; (3)同化枝和枝条非结构性碳水化合物含量未因干旱胁迫和枝条高度的增加而降低, 反而略有升高, 干旱胁迫下同化枝和枝条非结构性碳水化合物含量相较对照组分别升高22.11%和13.10%; (4)梭梭在干旱胁迫下的胡伯尔值相较对照组升高73.78%; 比叶面积相较对照组降低14.60%, 但两者均与对照组无显著差异。总之, 梭梭的水力性状受干旱胁迫影响显著, 但不受枝条高度的影响, 并不存在随枝条高度增加的水力限制; 干旱胁迫下, 梭梭树冠外缘枝条同时发生水力失效的风险较大, 水力安全边界(正午同化枝水势与P88的差值)只有对照组的40.85%; 但由于梭梭气孔对水分亏缺的低敏感性, 这使得其光合固碳并未受到影响, 反而同化枝和枝条的非结构性碳水化合物含量会有所升高。

水分是干旱沙区植被重建和恢复的主要限制性因子, 土壤有效水分含量直接影响植物木质部水分运输能力。但是不同水分条件下不同物种、不同年龄木质部水力特性和叶片气体交换的差异以及土壤水分含量对其影响的相关研究目前尚不明确。因此, 该研究以10年和30年树龄人工固沙区的柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)和中间锦鸡儿(C. liouana)为实验材料, 研究它们在旱季和雨季下水力特性和光合特性的差异及其关系。研究结果表明, 树龄对柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿木质部导水率、导水率损失百分比、叶片水势和相对含水量等无显著的影响, 而土壤水分含量对其功能性状的影响较显著。树龄和土壤水分含量均对灌木叶片光合作用有显著影响, 但在土壤水分条件良好的情况下树龄对其影响不显著。此外, 土壤含水量与叶片水分含量和木质部茎比导水率之间呈显著的正相关关系; 木质部导水率与叶片水分状态和气孔导度也存在显著的正相关关系, 而光合速率与木质部导水率和叶片水分含量存在显著正相关关系, 这表明土壤水分含量通过影响木质部导水率和栓塞程度而直接影响了叶片水分状况和光合碳同化能力。总而言之, 柠条锦鸡儿和中间锦鸡儿的木质部导水能力和叶片光合碳同化能力显著地响应了土壤水分含量的变化。

全球气候变化背景下, 极端高温事件日益频繁, 对植物的生长、存活造成严重威胁, 准确评估植物的耐热性, 对物种保育和适应性预测具有重要作用。木兰科是中国亚热带常绿阔叶林的标志类群, 也是被子植物基部类群, 具有重要的生态价值和演化生物学地位, 然而目前对其耐热性尚缺乏了解。该研究以种植于同质园的23种木兰科植物为研究对象, 利用叶绿素荧光技术研究了叶片光合系统的耐热性, 同时测定了叶片形态性状, 并基于这些物种在全球的分布地气候数据, 分析了叶片光合系统耐热性与叶片形态及温度生态位的关系。发现木兰科植物光系统II最大光化学效率降低50%时的温度(T50)范围在46.1-56.7 ℃之间, 且常绿物种的T50显著高于落叶物种。叶片形态方面, T50与叶面积显著正相关, 与叶片厚度无显著相关关系。温度生态位方面, T50与年平均气温、最冷月最低气温呈显著正相关关系, 但与最暖月最高气温无显著相关关系。T50具有较弱的系统发育信号, 暗示T50受系统发育影响较小, 受叶片形态与环境气候的影响较大。研究结果说明木兰科植物的叶片光合系统耐热性较强, 但耐热性的气候适应可能并不受高温环境驱动, 未来的高温事件对生活于更炎热地区的木兰科落叶植物威胁较大。

低温是青藏高原地区植物生长季内频繁发生的非生物胁迫, 然而其对典型高山植物叶片光能利用和分配的影响如何, 尚缺乏研究。该研究以高寒草甸优势种高山嵩草(Kobresia pygmaea)为材料, 采用叶绿素荧光成像分析技术, 研究了低温对光系统II (PSII)光化学及非光化学猝灭中光诱导和非光诱导的量子产量相对份额的影响。结果表明: PSII最大光化学量子效率(F_v/F_m和1/F_o - 1/F_m)的最适温度在10 ℃左右, 且变异系数(CV)较小; PSII相对电子传递速率(rETR)的光响应曲线随温度降低而整体下移, 其初始斜率(α)也相应降低。低温逆境可引起PSII实际光化学量子效率(Φ_PSII)和非光化学猝灭中非调节性能量耗散量子产量(Φ_NO)的降低, 及调节性能量耗散量子产量(Φ_NPQ)的增大, 并导致均值CV的增高。1 000 µmol·m⁻²·s⁻¹稳态光强下, Φ_PSII、Φ_NPQ和Φ_NO三组分的相对比率在20、10、5、0和-5 ℃分别为: 23:57:20、18:63:19、15:68:17、11:75:14和8:80:12。PSII反应中心光化学效率的相对限制(L_PPFD)随温度降低而逐渐增大, 且光强越大其限制增强。一般线性模型的双因素方差分析表明, PSII光化学和非光化学能量耗散过程没有交互效应产生。尽管光化学能量转换和保护性的调节机制可有效分配激发能, 能避免Φ_NO的增加, 但高山嵩草叶片的光合机构在维持运行的同时依然承受着来自低温的胁迫, 是影响植物光合生理过程及限制生长发育的重要因素。

地层孢粉数据是古植被和古气候重建等古环境研究的重要基础。孢粉数据库推动古环境研究从点到区域和全球尺度, 从定性到定量, 从而实现在大空间尺度和长时间序列上探索植被、气候和人类干扰的相互关系, 以更好地理解地球系统的演变。该数据集整合了全国第四纪末期(5万年以来)共372个地层花粉序列, 涵盖790个花粉类群, 样点分布于中国30个省级行政区与领海。数据集包含地层花粉采样点的地名、经纬度坐标和海拔高度、数据来源、样品类型、沉积物长度、样品数量、测年方法及测年数量、时间跨度和参考文献, 以及每个采样点的花粉含量百分比。数据主要来源于20世纪80年代至今。采样点集中分布在温带和亚热带森林、温带草原和荒漠以及青藏高原高寒植被区域; 在深海到青藏高原不同海拔高度都有分布, 但集中在海拔2 000 m之下。按照数据来源区分, 原始数据样点178个, 占47.8%; 数值化数据194个, 占52.2%。按照样品类型分类, 多数样点为湖泊样品(151个)、冲积物/洪积物样品(99个)与泥炭样品(67个), 占总样点数的85.2%。年代测定的主要方法为放射性碳同位素手段(占样品总数的93.8%), 大部分记录有2-10个测年数据。采样点的平均花粉类群数量是19个, 以4-30个花粉类群的采样点最多。代表性花粉类群(松属(Pinus)、栎属(Quercus)、蒿属(Artemisia)、禾本科)含量的时空分布格局表明, 从末次盛冰期到全新世, 这些花粉科属的分布范围扩大, 含量也增加, 但分布区域具有分异。半个多世纪以来, 孢粉学工作者建立中国大部分地区的地层花粉记录, 为探究古环境演变及其气候变化、人类活动驱动机制奠定了重要的基础。

针对世界性的草原普遍退化, 以及人类利用的影响问题, 该文阐述了生态系统恢复、生态演替中气候顶极、环境变化与草原状态转移、放牧利用与干扰顶极, 以及人工辅助干预恢复, 提出了退化草原生态系统恢复的路径与状态模式。该文特别强调: 应该以生态系统为视角开展退化草原恢复, 而非仅考虑植被或土壤等单一过程; 同时注重干扰下的退化草原恢复, 其恢复状态可能存在多个选择。退化草原恢复包括3种基本方式: 1)依渐进式恢复的生态演替理论, 在环境条件较好, 退化程度处于中轻度的草原, 借助系统自组织性, 以“自然演替”能够达到顶极或近顶极状态; 2)人工辅助干预恢复: 对重度或极度退化草原, 突破由于非生物(土壤物理、养分等)与生物(植物定植、物种相互作用等)因素带来的限制, 使用工程、物理、化学及生物生态等方法, 可以恢复到某种平衡或稳定状态, 或者顶极状态; 3)放牧干扰恢复: 通过适度家畜放牧, 调控生态系统基本结构(物种组成、多样性)、主要过程(生产力形成、养分循环、反馈作用), 进而促进与维持较高的草原生态系统多功能性与稳定性, 对于处于中轻度的退化草原可以选择这种恢复方式。总之, 退化草原恢复的目标是实现其长期稳定的生态系统多功能性。