随着全球逐渐暖干化, 林火不仅驱动着森林生态系统结构和功能的变化, 同时也影响树木的生理和生长。林火导致的热损伤引发树木一系列复杂生理响应。揭示火后树木生理的响应机制, 对于进一步理解树木碳水关系和火后恢复生长限制, 以及提高火后树木死亡预测准确性具有重要指导意义。该文从林火对树木的作用途径和方式着手, 基于不同形式林火(树冠火、地表火、地下火)对树木各部分(树冠、树干、根系)造成的损伤, 综述了林火对树木生理的直接影响和间接影响, 以及火后树木生理与非生物和生物因素的互作关系。热损伤诱导的形成层、韧皮部坏死和木质部水力失衡是火后树木生理的主要响应机制, 二者导致的两个生理功能限制——“碳饥饿”和水力失效——严重影响树木的碳水关系, 也决定了火后树木是恢复生长还是延迟死亡。火后树木生理机制还与干旱、昆虫攻击和微生物入侵等其他因素密切相关。该文强调了对林火强度的定量分析和对植物组织死亡阈值的准确判断的迫切性, 同时提出了探究火后树木生理与功能性状和其他因素的互作关系的必要性。精确评估树木生理机制间关系对于深入理解林火如何影响树木功能完整性极为关键, 有助于完善林火风险评估和树木死亡模型预测。在未来气候暖干化驱动的高频、高强度林火发生背景下, 对树木生理响应的深刻认识对于更好地研究火后生态系统动态及其与气候因子的相互关系同样具有重要意义。

电子传递速率光响应模型是研究植物光合生理和生态学的重要工具, 可为量化原初反应光能的吸收和传递对光的响应提供理论依据。该文综述了目前常用的电子传递速率光响应模型的数学特征, 分析了不同模型的优势及其在实际应用中的潜在问题, 并在此基础上对这些模型可能的发展趋势进行了展望。原初反应包括光能的吸收、光合色素分子的激发和退激发(包括光化学反应、荧光发射和热耗散)、激子共振传递以及光系统II (PSII)反应中心发生电荷分离产生电子传递速率等一系列复杂的物理和生化反应过程。电子传递速率光响应经验模型和半机理模型因不涉及或只涉及部分原初反应过程而难以解释藻类和高等植物的PSII动力学下调、光适应和光保护等现象。电子传递速率光响应机理模型综合考虑了光合色素分子的物理参数(如本征光能吸收截面(σ_ik)、分子处于最低激发态的平均寿命(τ_min)、分子的能级简并度和处于激发态的光合色素分子数(N_k))在整个原初反应过程中的重要作用, 不仅可以获得藻类和高等植物叶片的最大电子传递速率以及对应的饱和光强等光合参数, 还可以获得σ_ik和τ_min等重要的物理参数, 以及有效光能吸收截面($\sigma_{\mathrm{ik}}^{\prime}$)和N_k对光的响应规律等。将环境因子(如温度、CO₂浓度等)耦合到已有的电子传递速率光响应机理模型中, 并明确其与植物的$\sigma_{\mathrm{ik}}^{\prime}$和N_k等参数间的关系, 可能是今后光合电子传递速率光响应机理模型的发展方向。

内蒙古自治区作为中国北方重要的生态安全屏障, 研究其植被变化对北方地区的生态安全意义重大。该研究基于1982-2017年内蒙古地区的涡流协方差-光利用效率模型反演的植被总初级生产力(EC-LUE GPP)等多源遥感数据, 利用趋势分析和相关性分析法, 分析了内蒙古地区植被GPP的时空变化特征及其与气温、降水和土壤湿度的相关性。在此基础上, 采用多元线性回归和残差分析方法, 分解并量化气候变化和人类活动影响下的GPP, 分不同时间段开展了其对植被GPP影响的分析, 探索不同植被类型GPP对驱动因素的响应。主要结果有: (1)三种气象要素与植被GPP表现出良好的相关性, 其中降水和土壤湿度与GPP的相关性更高。(2) 1982-1990年期间植被GPP呈现不显著波动上升, 其余3个时间段(1991-2000、2001-2010、2011-2017年)呈不显著波动下降趋势。整体上呈下降趋势的区域占内蒙古植被总面积的55%, 另外45%的区域呈显著上升趋势。(3)除2001-2010年期间外, 其他3个时间段内(1982-1990、1991-2000、2011-2017年)气候变化对植被恢复起决定性作用, 分别解释20%、16%、13%的植被恢复; 人类活动在植被退化区占主导地位, 分别解释13%、19%、20%的植被退化。研究结果可为内蒙古生态环境保护与管理政策的实施以及绿色可持续发展提供科学参考。

种群是草原生态系统结构、功能形成和发展的基础。然而, 长期放牧伴随着全球气候变化深刻影响着种群的生长和繁殖。长芒草(Stipa bungeana)是黄土高原典型草原的优势种, 具有较高的生态和经济价值。该研究依托黄土高原典型草原长期滩羊轮牧实验平台, 采用完全随机的裂区实验设计, 以放牧率(0、2.7、5.3、8.7 sheep·hm^-2)作为主因子, 氮添加水平(0、5、10、20 g·m^-2)作为副因子, 探究放牧、氮添加及其交互作用对长芒草的形态性状、地上生物量及其占群落生物量比例的作用。结果表明: 随放牧率的增加, 长芒草的株高、冠幅直径、分蘖密度、实生苗密度、地上生物量和生物量占比呈“单峰”曲线变化趋势, 种群密度降低。而氮添加增加长芒草的株高、冠幅直径、生殖枝密度、分蘖密度、地上生物量和生物量占比; 实生苗密度随氮添加的增加呈先增后减的趋势。相比氮添加, 放牧对长芒草地上生物量和生物量占比的总效应小, 放牧对地上生物量有直接的负效应, 并通过调控分蘖密度、种群密度及地上生物量影响其生物量占比; 氮添加不仅对地上生物量有直接的积极效应, 还通过株高、生殖枝密度对地上生物量有间接的正效应, 同时通过调控种群密度、冠幅直径、分蘖密度和生殖枝密度影响生物量占比。总体上, 氮添加增加长芒草的冠幅直径和生殖枝密度(相比株高和分蘖密度), 放牧增加实生苗密度(相比种群密度), 而放牧和氮添加的交互作用显著影响生殖枝密度。放牧率为4.10和5.29 sheep·hm^-2时长芒草具有最大地上生物量及其群落占比。上述结果表明放牧和氮添加通过影响长芒草种群的形态特征来调控其地上生物量和群落地位。

为探讨长期(19年)放牧干扰下荒漠草原植物的响应与适生策略, 该研究以荒漠草原优势种无芒隐子草(Cleistogenes songorica)作为研究对象, 测量不同放牧强度(控制、轻度、中度、重度)下叶片解剖结构指标, 探讨无芒隐子草叶片解剖结构对长期放牧干扰作出的响应。结果表明: (1)保护组织方面, 角质层厚度、角质层厚度占叶片厚度比均随着放牧强度的增加呈先减小后增加趋势。泡状细胞厚度随着放牧强度的增加先减小后增加, 与对照、中度、重度放牧区相比, 轻度放牧区泡状细胞厚度显著减小。(2)维管组织方面, 维管束面积、导管面积、韧皮部面积3个指标均随放牧强度的增加呈先增加后减小趋势。木质部面积随着放牧强度增加先减小后增加。维管组织占比方面, 木质部占维管束面积比随着放牧强度增加而增加, 而主导管占主脉维管束面积比随着放牧强度增加而减小。韧皮部面积随着放牧强度的增加呈先增加后减小趋势, 与对照区相比, 3种放牧区韧皮部面积显著减小。(3)花环结构面积随着放牧强度的增加呈增加趋势, 与对照区相比, 3种放牧区花环结构面积显著增加。上述结果表明无芒隐子草叶片各项解剖结构均对长期放牧干扰作出适当响应以确保自身在受放牧等人为干扰的荒漠草原脆弱生态系统中持续生存。

老龄树不仅记载着气候与环境的变化信息, 同时也见证了社会的变迁历史。了解老龄树的生长变化和干扰历史对准确评估全球变暖背景下老龄树的健康并为其制定合理的保护计划具有现实的意义。该研究利用树木年轮生态学方法分析了北京西山地区油松(Pinus tabuliformis)的干扰历史及其原因。结果发现: 在1820-2021年间, 该地区油松生长释放的高峰期主要是5个, 分别是1820-1830、1869-1881、1909-1918、1947-1959和2004-2010年间。树木生长抑制事件多集中在1831-1837、1855-1868、1882-1891、1920-1930、1960-1970和1980-1986年间。该地区油松生长与气候因素的响应分析以及相关的历史资料显示, 干旱事件及随后的气候条件好转是导致该地区森林生长抑制及释放事件的重要原因。进一步研究发现, 老龄树在1840年前的平均径向生长速率可达到2.70 mm·a^-1, 随后出现生长速率逐渐下降的趋势; 1980年以后出现明显生长抑制现象, 年平均径向生长速率下降到0.38 mm·a^-1, 下降幅度达85%。1965年后生长速率和气温出现了更强的负相关关系, 生长速率和帕尔默干旱指数(PDSI)出现了显著的正相关关系。以上结果表明, 1980年后北京地区加剧的暖干化趋势对该地区老龄树的生长产生负面影响。该研究结果有助于认识北京地区历史时期森林干扰发生的规律, 对准确评估气候变化背景下老龄树的健康状况具有重要意义。

物种多样性是生物多样性的重要组成部分。森林演替过程中物种多样性的变化会直接影响生态系统功能和稳定性。因此, 揭示森林演替过程中物种多样性变化及其与影响因子之间的关系, 对于准确预测森林生态过程和生物多样性格局具有重要意义。该研究选择大兴安岭北部白桦(Betula platyphylla)林(演替前期)、白桦-兴安落叶松(Larix gmelinii)混交林(演替中期)和兴安落叶松林(演替后期)为研究对象, 采用空间代替时间的研究方法, 分析我国寒温带地区森林演替过程中物种多样性的变化规律及其与影响因子之间的关系。结果表明: (1)大兴安岭北部森林演替过程中物种丰富度和多样性呈显著增加趋势, 演替初期Margalef丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数分别为2.42和2.69, 演替末期则分别为5.90和3.43; 而物种Pielou均匀度指数无显著差异。(2)随森林演替的进行, 植物群落的相似性逐渐降低, 差异性逐渐增强, Jaccard指数、Sorenson指数和Bray-Curtis指数均减小。(3)森林演替过程中土壤pH、有机质含量、全氮含量和全磷含量对物种多样性存在显著影响, 其中全氮含量和全磷含量是演替前期和中期物种多样性的主要影响因子, 土壤pH和有机质含量是影响演替后期物种多样性的主要因子。(4)随着演替的进行, 林分空间结构对物种多样性的影响逐渐增强, 角尺度和大小比数是影响物种多样性的主要空间结构因子。以上结果表明大兴安岭北部森林演替过程中土壤因子对物种多样性具有主导作用, 而林分空间结构对森林演替过程中物种多样性的驱动作用也不容忽视。

植物叶功能性状的变异模式以及相关关系一直是解析植物对气候变化响应机制的关键, 然而不同生长型阔叶植物间叶片结构性状和光合生理性状变异及相关性的异同性尚不清晰。该研究以典型阔叶红松(Pinus koraiensis)林中的优势或常见的18种阔叶植物为研究对象, 通过测量4个结构性状(叶面积(LA)、叶片厚度(LT)、叶干物质含量(LDMC)和比叶质量(LMA))和4个光合生理性状(叶绿素值(SPAD)、胞间CO₂浓度(C_i)、气孔导度(G_s)和净光合速率(P_n)), 分析了在不同生长型阔叶植物叶片结构性状和光合生理性状的变异及相关性。结果表明: 不同生长型植物叶功能性状的变异范围为7.73%-74.54%, 其中种间变异是LA和LT的主要变异来源, C_i、SPAD、LDMC以及LMA的变异主要由生长型驱动, G_s和P_n变异的主要来源是种内; 不同生长型叶功能性状间存在显著差异, 其中草本的LA、LT和C_i显著高于灌木和乔木, 乔木的LMA、LDMC、SPAD、P_n和G_s显著高于灌木和草本; 不同生长型之间P_n和LMA、LDMC之间具有显著的异速生长关系, 且斜率大于1, 而SPAD和LA、LT、LDMC、LMA, C_i与LT、LDMC、LMA之间则呈斜率小于1的异速生长关系; 草本采取“快速投资-收益”型(获取型)策略, 相对而言, 乔木采取“缓慢投资-收益”型(保守型)策略, 灌木采取介于乔木与草本之间的资源利用策略, 这可能与不同生长型植物所处环境的光照条件有关。植物叶片结构性状和光合生理特征的变异及相互关系的研究对于揭示植物资源获取与分配策略具有重要意义。

揭示次生演替过程中土壤细菌群落对植被类型变化的响应格局, 有助于深化对生态系统地上地下相互作用机制的理解。该研究以上海大金山岛处于演替前、中和后期的落叶灌丛、落叶阔叶林和常绿阔叶林为对象, 通过测定土壤碳、氮、磷含量以及土壤细菌群落特征, 分析土壤细菌多样性、类群关系网络结构和标志性类群如何随植被演替而更替。结果发现: 土壤养分含量在常绿阔叶林显著高于落叶阔叶林, 但土壤细菌多样性在落叶阔叶林显著高于常绿阔叶林, 土壤养分含量和细菌多样性在落叶灌丛处于中等水平。土壤细菌的相关性网络节点、密度和复杂性在落叶阔叶林最高, 在落叶灌丛中等, 在常绿阔叶林最低。落叶灌丛和落叶阔叶林的优势土壤细菌分别为根瘤菌目(Rhizobiales)和伯克氏菌目(Burkholderiales)等具有潜在固氮功能的类群, 常绿阔叶林的优势土壤细菌为黄单胞菌目(Xanthomonadales)和嗜热芽菌目(Thermogemmatisporales)等具有潜在致病和抗病性功能的类群以及酸杆菌目(Acidobacteriales)等与纤维素降解相关的类群。该结果表明: 海岛植被演替过程中, 植物种类组成和土壤养分供给性的改变会极大地重塑土壤细菌多样性、群落组成、互作网络结构和标志类群。海岛常绿阔叶林显著更低的土壤细菌多样性、趋于松散简化的细菌网络结构以及具有潜在致病和抗病功能的标志类群的出现, 说明了顶极群落地下部分对地上部分退化趋势的响应。

新疆阿勒泰地区额尔齐斯河流域河谷林是中国杨柳科树种的种质资源库, 具有重要的遗传多样性价值。在当前气候变化背景下, 以及水电工程和放牧等人类活动干扰下, 研究其植物种类及植被类型的分布现状对于珍贵资源保护利用具有重要意义。该研究在额尔齐斯河流域布尔津河、哈巴河和别列则克河平原河谷林区, 每隔4-8 km设置典型样地, 调查了20个样地80个样方, 分析了群落建群种组成、数量特征和径级结构, 并对群落类型进行统计和划分。结果表明: (1)额尔齐斯河流域主要支流平原河谷林区共调查植物34科92属121种, 多年生草本植物数量较多。(2)垂枝桦(Betula pendula)与苦杨(Populus laurifolia)在布尔津河、哈巴河为群落建群种, 银白杨(P. alba)则是别列则克河群落建群种, 黑杨(P. nigra)、额河杨(Populus × berolinensis var. jrtyschensis)、银灰杨(P. canescens)为伴生种, 而白柳(Salix alba)主要见于河岸边缘, 较少与其他杨属树种混生。(3)垂枝桦个体数量均在3条支流中等海拔达到最大值, 而苦杨个体数量在中等海拔较小。(4)乔木层树种的径级结构受夏季打草放牧的影响较大, 以大径级个体居多, 幼树和幼苗数量较少。(5)河谷林群落可划分为6个群系34个群丛。