叶片和细根是植物地上和地下部分中最敏感和活跃的部分, 对森林生态系统的碳循环起着十分重要的作用。叶片和细根生理代谢特征及其相互关联的变化不仅反映植物在全球变暖背景下的生长状况, 也揭示了植物面对环境胁迫的响应特征和适应策略, 已经成为全球变化领域研究的热点和难点问题。国内外已开展了大量相关实验, 从氧化损伤、抗氧化防御及代谢物的角度探讨了全球变暖条件下植物叶片和细根生理代谢的变化特征和响应机制。目前部分研究认为大气增温将促进叶片体内活性氧类物质的积累, 对叶片产生氧化损伤, 而对细根的损伤作用不明显, 但也有部分研究认为细根受土壤增温的影响更大。总之, 植物叶片和细根如何通过调整自身生理代谢特征和器官间的相互协作来响应气候变暖, 以及这些响应的内在机制仍未得到充分研究。为此, 该文系统综述了全球变暖背景下植物叶片和细根氧化损伤与抗氧化防御特征及其相互关联变化的研究进展, 以期为植物对全球变暖的响应和适应机制研究提供参考, 并认为今后还应开展以下几个方面的研究: (1)在种群和群落尺度上加强增温对植物氧化损伤与防御特征的研究; (2)结合地上地下物候特征研究增温对植物氧化损伤与防御特征的影响; (3)从更多植物生理指标间的关联着手深入分析植物氧化损伤与防御特征对增温的响应; (4)加强植物地上和地下器官的关联和季节差异研究。

研究植物整体和地上、地下部分生物量和氮利用效率(nitrogen use efficiency, NUE)对氮添加的响应, 有助于了解全球氮沉降背景下中国陆地生态系统植物碳、氮循环的变化。然而氮添加对植物生物量和NUE的影响是否一致, 影响这种响应的主要因素仍不清楚。该研究收集整理了95篇已发表论文中有关中国人工氮添加实验的相关数据, 使用meta分析定量评估了氮添加对植物生物量分配和NUE的影响及其主要影响因素。结果表明: (1)氮添加在显著增加植物整体、地上和地下生物量的同时, 也显著降低了不同部分的NUE (p < 0.01), 但植物地上生物量的增加幅度(34%)高于地下生物量(5.3%), 而地下部分NUE (29.9%)的下降幅度高于地上部分NUE (15.4%); (2)植物整体和不同部分生物量及其NUE对氮添加的响应在不同生态系统类型、氮肥形式、施氮水平、持续时间和水分条件下均存在显著差异(p < 0.01), 且草地和荒漠生态系统对氮添加的响应明显高于其他生态系统类型; (3)影响植物整体、地上和地下生物量效应值的最主要因素均为土壤总氮含量, 植物整体和地上部分NUE的最主要影响因素均为施氮量, 而影响地下部分NUE效应值的最主要影响因素为氮肥形式。总之, 植物生物量和NUE在氮添加条件下的变化趋势相反, 两者分别主要受土壤总氮含量和施氮水平的影响, 这些发现可为未来氮沉降加重背景下植物碳、氮分配利用的相关研究和实践提供参考依据。

青藏高原正在经历剧烈的气候变化, 包括变暖、变湿和极端气候事件频发等, 然而, 气候变化对高寒植物的影响目前还了解较少。该研究依托西藏那曲高寒草地生态系统野外科学观测研究站, 以高寒草甸优势双子叶植物钉柱委陵菜(Potentilla saundersiana)为研究对象, 在2016–2018年设置了不同幅度的增温和降水改变实验, 观测了不同处理下6个物候序列的变化, 在7个不同极端降温幅度下定量了抗冻性, 并计算了2011–2022年生长季的安全裕度。主要结果有: 1)增温1 ℃和2 ℃以及降水增加50%对钉柱委陵菜物候序列的影响不显著, 只有增温达到4 ℃时, 返青期显著推迟, 而初花期显著提前。2)钉柱委陵菜的抗冻性(半致死温度)为–4.76 ± 4.28 ℃, 2011–2022年的生长季中34%的月份防止冻害的安全裕度为负值, 且大多出现在5月和9月, 表明钉柱委陵菜在早春和秋末遭遇极端霜降事件的风险很大。该研究结果揭示了多幅度增温和降水增加对钉柱委陵菜物候序列的影响, 解析了钉柱委陵菜对极端降温事件的抗性, 为预测青藏高原高寒植物对未来气候变化的响应提供了数据支撑。

【目的】我国草地管理实现了从应急性的围封禁牧，逐步转向兼顾生产生态目标，按照草畜平衡原则对放牧草地进行管理和利用。在按照草畜平衡载畜量条件下，进一步通过科学精细的放牧管理，实现草地生态的持续恢复和合理保育，是当前草地生态系统管理的重要理论和实践问题。【方法】本研究在锡林郭勒典型草原，以连续放牧、传统轮牧、高频轮牧为处理组，围封不放牧为对照组，展开为期两年的放牧实验，以回答草畜平衡放牧强度下的高频轮牧是否更有利于维持草地植物群落组成结构的稳定和生产生态的协同优化。【主要结果】实验结果表明，在草畜平衡条件下的高频轮牧管理，通过延长草地的牧后恢复时间，限制牲畜对植物物种的选择性采食，能够提升羊草(Leymus chinensis)、针茅属(Stipa spp.)等优质牧草的生物量和群落占比，同时促进成年绵羊的个体增长。因此，我们的初步研究结果表明在草畜平衡载畜量条件下的高频轮牧管理，能够促进草地群落植物功能群的优化，也有利于草地生产和生态功能的协同。

树种的空间格局和关联性能够反映种间关系及其与周围环境的相互作用, 对揭示群落构建和物种共存具有重要意义。因此, 为探究高黎贡山南段中山湿性常绿阔叶林树种的空间分布格局, 以高黎贡山4 hm2样地内胸径(DBH) ≥ 1 cm的所有木本植物为研究对象, 采用点格局分析方法分析重要值前10的优势物种的空间分布及其种间关联性。结果表明: (1) 10个优势种及整个样地的径级结构都呈现倒“J”形, 为增长型, 有利于种群的更新。(2)优势种在小尺度为聚集分布; 随着尺度的增加, 聚集程度降低; 大尺度为随机分布和均匀分布。而去除环境异质性后, 聚集分布的尺度范围缩小, 随机分布和均匀分布的尺度范围增大。(3)在双变量成对相关函数检验模拟下, 10个物种间的关联性的完全空间随机模型主要以显著正关联为主, 先决条件模型以无关联为主。研究表明, 高黎贡山的4种优势种的分布格局及其关联性随尺度而变化, 进一步证明物种的空间分布具有较强的尺度依赖性, 并且该森林可能受到扩散限制、负密度制约和生境异质性等影响。

衰老是植物重要的生活史阶段, 植物不同器官养分贮藏力及活动力是判断个体衰老的重要依据。目前对于无性系植物不同龄级分株在衰老过程中贮藏器官的贮藏力与活动力的变化规律尚不清楚。全叶马兰(Aster pekinensis)是根蘖型无性系植物, 在东北草原, 全叶马兰种群主要由3个龄级的分株组成。该研究分析了全叶马兰种群中3个龄级分株的茎基部、根颈和主根中可溶性碳水化合物(WSC)含量在贮藏器官间、龄级间的差异及季节变化规律。结果表明: 在枯黄期, 全叶马兰种群中3个龄级分株中主根的WSC含量普遍大于根颈; 根颈和主根的WSC含量均为1 a、2 a分株显著高于3 a分株, 茎基部的WSC含量以1 a分株显著低于2 a和3 a分株。在整个生长季内, 随着生长进程, 全叶马兰种群1 a分株根颈始终获得养分的优先分配, 其WSC含量呈指数形式的持续积累过程, 2 a和3 a分株根颈及3个龄级分株主根在WSC运转上均为先消耗再积累, 其WSC含量均呈二次曲线节律消长。全叶马兰3个龄级分株普遍以主根的贮藏力大于根颈, 而根颈的活动力大于主根。幼龄分株养分贮藏力和活动力最强, 壮龄分株无衰老迹象, 老龄分株明显衰老, 其养分贮藏力和活动力均显著下降。该研究为了解WSC含量的时空变化与植物种群个体衰老过程的关系提供了一种定性与定量相结合分析的新思路。

为探讨林龄、低温胁迫及其交互作用对柠条锦鸡儿(Caragana korshinskii)幼苗叶片生理和生长的影响, 该研究选取晋西北丘陵风沙区5种林龄(7、13、19、41和51 a)人工林柠条锦鸡儿的种子进行萌发, 取2个月左右幼苗为实验材料, 设置低温(-8 ± 1) ℃)胁迫, 进行不同时长低温处理: W1 (6 h)、W2 (12 h)、W3 (24 h)、W4 (48 h)和W5 (72 h), 并以常规温度(25 ℃)培养为对照(CK), 测定幼苗与抗冻性相关的生理和生长指标, 并采用隶属函数法进行综合评价。研究结果表明: (1)低温胁迫对不同林龄柠条锦鸡儿种子源萌发幼苗光合作用色素和渗透调节物质的影响存在显著差异, 其中林龄和低温胁迫对幼苗叶片叶绿素a含量有显著影响, 林龄、低温胁迫及其交互作用对柠条锦鸡儿幼苗的叶绿素b、总叶绿素、类胡萝卜素含量和叶绿素a/b均有显著影响; 低温胁迫和林龄与低温胁迫的交互作用对可溶性糖含量有显著影响, 林龄、低温及其交互作用对游离脯氨酸含量有显著影响。随着低温胁迫时间的增长, 柠条锦鸡儿幼苗叶片内叶绿素a、叶绿素b和总叶绿素含量整体呈先降后升的趋势, 而叶绿素a/b和类胡萝卜素含量呈先升后降的趋势, 游离脯氨酸含量则呈上升趋势。(2)低温胁迫对不同林龄柠条锦鸡儿种子源幼苗生长的影响差异显著, 一方面, 不同林龄种子萌发幼苗的株高、叶片数、干质量、主根长和根冠比均存在显著差异, 随林龄的增加呈先升后降的趋势, 另一方面, 低温胁迫对幼苗株高有显著抑制作用, 而林龄和低温胁迫的交互作用则对幼苗的上述生长参数没有显著影响。(3)通过聚类分析低温胁迫下柠条锦鸡儿幼苗的抗冻性生理指标综合评价D值, 将5种幼苗的耐低温性划分为两大类: 第一类包括7、13 a种源幼苗, 耐低温性强; 第二类包括19、41、51 a种源幼苗, 耐低温性弱, 这表明低龄(7、13a)柠条锦鸡儿种子萌发幼苗比高龄(19、41、51 a)具有更强的抗冻性。综上, 生理指标叶绿素b含量、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量、叶绿素a/b和生长指标株高、叶片数、干质量、主根长和根冠比可作为柠条锦鸡儿幼苗的抗冻性鉴定指标, 同时, 在人工促进柠条林天然更新时, 可以选用青壮年柠条的种子进行幼苗培育, 进而提高人工林更新的成功率。

为了解玉米(Zea mays)和其定殖微生物组之间的相互作用, 探究玉米与叶际微生物组之间的互作遗传机制, 该研究采用数学模型量化微生物之间相互作用的4种方式: 互利共生、拮抗、侵略、利他, 分析230份玉米叶际微生物组数据, 利用网络作图研究玉米与叶际微生物组之间的互作遗传机制。结果表明: 在微生物互作网络中确定了67个中心节点微生物, 通过网络作图筛选到玉米405个显著单核苷酸多态性(SNPs)位点, 最终定位到23个枢纽基因, 发现其在促进植物生长、抵御病原菌侵染、耐受非生物胁迫方面起到重要作用。研究结果有助于在作物遗传育种以及构建新型菌剂促进植物生长方面提供思路。

日益加剧的氮沉降不断影响着草地生态系统碳循环过程及碳汇功能, 活性有机碳作为能够指示土壤碳库变化的重要指标, 探究氮添加对草地中土壤活性有机碳组分的影响对正确认识碳循环过程并制定合理有效的生态系统管理措施有重要意义。该研究以内蒙古温带典型草原为研究对象, 设置5个不同氮添加处理, 探讨不同氮添加水平下温带典型草原土壤活性有机碳组分含量的变化特征及影响因子。结果表明: 氮添加减少了可溶性有机碳(DOC)、微生物生物量碳(MBC)和易氧化有机碳(EOC)含量, 且DOC、MBC、EOC含量均随着土壤深度的增加而减少。5 g·m–2·a–1氮添加处理显著促进了活性有机碳组分的分解。施氮对土壤活性有机碳组分的影响受生物因子(微生物生物量、胞外酶活性等)和非生物因子(土壤理化性质、团聚体稳定性等)共同调控。氮添加降低了土壤密度(SD), 提高了平均质量直径(MMD)和大团聚体占比, 增大了有机质与底物的接触, 促进了活性有机碳分解, 减少了DOC和EOC含量。氮添加抑制多酚氧化酶(POX)和过氧化物酶(PER)活性, 减少了难分解有机质的分解, 降低了EOC和MBC含量。此外, 氮添加提高了β-葡萄糖苷酶(BG)和纤维素水解酶(CB)活性, 促进了微生物对DOC的利用, 降低了DOC含量。以上结果表明, 氮添加处理通过改变土壤理化性质和微生物胞外酶的分泌影响活性有机碳的分解过程, 促进温带典型草原土壤碳释放, 这为今后进一步探究养分添加下草地土壤碳动态提供了理论依据。

探究土壤胞外酶活性及其化学计量对了解土壤微生物的养分限制情况和土壤养分的循环过程具有重要意义。尽管亚热带森林土壤风化严重, 土壤磷有效性低, 但是亚热带森林生态系统具有较高水平的植被生产力。在气候变化(如变暖和CO2浓度增加)背景下, 植被生产力被预测将会提高, 这将增加凋落叶的输入。然而, 未来不同质量凋落叶输入增加对土壤酶活性及其化学计量的影响是否受土壤磷有效性的调控仍不清楚。该研究以马尾松(Pinus massoniana)林土壤为研究对象, 探究了3种具有不同质量(如叶碳氮比或碳磷比存在差异)的凋落叶(马尾松、醉香含笑(俗名: 火力楠, Michelia macclurei)和枫香树(Liquidambar formosana))和磷的添加对土壤理化性质、胞外酶活性的影响。同时, 结合土壤酶化学计量、矢量长度(VL)和矢量角度(VA)分析, 解析了土壤微生物的养分限制状况及其关键调控因素。结果表明: 与对照相比, 凋落叶添加增加了土壤β-N-乙酰氨基葡糖苷酶和酸性磷酸酶(ACP)活性。通过酶化学计量分析发现, 凋落叶添加显著提高VL和VA, 且影响强度表现为醉香含笑>枫香>马尾松, 表明凋落叶添加会改变土壤微生物的养分限制状况, 且影响程度与凋落叶的质量有关。与凋落叶单独添加相比, 凋落叶与磷共同添加显著增加土壤有效磷含量, 降低ACP活性和VA, 表明磷添加有助于缓解凋落叶输入下土壤微生物的磷限制。冗余分析表明, 土壤碳氮比、可溶性有机碳和有效磷含量是影响土壤酶活性和酶化学计量的主要因素。综上所述, 该研究发现亚热带森林土壤微生物养分限制对凋落叶输入的响应不仅受凋落叶质量的影响, 同时还受土壤磷有效性的调控。这一结果可以为未来气候变化下亚热带森林土壤微生物养分获取策略对不同凋落叶输入和磷添加的响应提供理论参考, 同时也将有助于提高对亚热带低磷森林生态系统土壤生物地球化学循环过程的理解。

洞头国家级海洋公园位于我国浙江东南沿海, 在植被区划上属于中亚热带常绿阔叶林区域, 但缺乏系统的植被调查数据, 对该区域内植被的了解不足。该研究利用样方调查法, 在洞头国家级海洋公园内选择16个岛屿共设置90个植物群落调查样方, 记录样方中的物种组成、数量特征和生境信息等, 并参考《中国植被志》进行植被类型划分和命名。结果表明: 在洞头国家级海洋公园中共发现3个植被型组、8个植被型、34个群系和80个群丛, 广泛分布有黑松(Pinus thunbergii)林、木麻黄(Casuarina equisetifolia)林、台湾相思(Acacia confusa)林、滨柃(Eurya emarginata)灌丛、柃木(Eurya japonica)灌丛等, 为了解我国东部海岛的植被类型提供了详实的数据资料。