陆地生态系统碳循环对气候变暖的响应受到土壤有机碳动态的调控。以往的研究开发了多样化的增温方法(如室内培养实验、野外增温实验和温度梯度采样等)来探究土壤有机碳动态对气候变暖的响应及其机制。然而, 由于不同增温方法都存在一定的局限性, 目前有关增温对土壤有机碳动态影响的研究无法形成一致结论。从过程上看, 土壤有机碳动态主要包括碳输入与碳分解两个过程, 并受到碳稳定性的调控, 这三者的变化共同决定了土壤有机碳动态对增温的响应。先前的研究表明, 碳输入和碳分解对增温存在积极响应, 这与植物和土壤微生物活性的增强有关。但也有研究指出, 由增温导致的土壤理化性质改变(如土壤水分含量降低)以及生物过程变化(如土壤微生物热适应), 可能会影响碳输入和碳分解对增温的响应。需要注意的是, 表层(0-30 cm)与深层(>30 cm)土壤有机碳动态对增温的响应机制可能存在差异, 这是因为深层土壤有机碳的输入和分解过程受环境因子的限制, 且稳定性与表层土壤存在较大差异。未来的研究应致力于开发新的增温方法, 增加对深层土壤有机碳动态和气候敏感的生态系统的研究, 引入新技术研究土壤有机质的来源、结构、保护机制等, 关注植物-土壤动物-土壤微生物体系对增温的响应及其对土壤有机碳动态的调控作用, 以改善碳循环模型中的不确定性, 更准确地预测全球碳循环对气候变暖的反馈。

植物细根和丛枝菌根(AM)真菌的养分觅食策略直接影响植物的生产力与碳汇能力, 是森林生态系统稳定性的关键影响因素。养分觅食精度是养分觅食策略的重要方面, 指植物将其根系、菌丝精准地部署到养分相对丰富斑块中的能力。然而, 目前对内生菌根树种细根和菌根菌丝觅食精度间的权衡关系, 以及细根形态能否较好地预测觅食精度仍存在争议。该研究对中亚热带天然常绿阔叶林内17个AM树种进行野外原位根袋磷添加实验, 以模拟土壤中磷养分斑块。施加磷肥4个月后, 对对照组和磷添加组的细根进行形态扫描和分析, 采用膜过滤法提取土壤中的菌丝并用电子显微镜观测, 筛选中部无隔膜且易于染色的菌丝作为AM内生菌根菌丝, 计算其长度。在此基础上, 计算根长觅食精度和菌丝觅食精度, 以研究亚热带AM树种的根长觅食精度与菌丝觅食精度间的权衡及其与细根形态间的相关关系。主要结果有: (1) AM树种根长觅食精度与菌丝觅食精度间相互独立; (2)细根组织密度与根长觅食精度呈显著正相关关系; (3)细根直径与菌丝觅食精度呈显著负相关关系, 比根长与菌丝觅食精度呈显著正相关关系。该研究结果有助于理解亚热带常绿阔叶林AM树种根系养分觅食策略, 表明细根形态等易观测指标可用于评估AM树种细根养分觅食精度。

陆地生态系统固碳是减缓大气CO₂浓度升高的重要途径, 了解气候变化下潜在自然植被生态系统碳储量(ECS)有利于区域土地管理政策的制定。该研究基于遗传算法对LPJ-GUESS模型的敏感参数进行校准, 使用降尺度的气候数据驱动模型, 结合Mann-Kendall趋势检验、Sen’s斜率估计方法和偏相关分析法, 分析2001-2100年中国ECS的时空格局、趋势变化特征及气候主导因子。结果表明: 1)校准后的LPJ-GUESS模型模拟ECS的纳什效率系数和皮尔逊相关系数分别为0.751、0.901, 表明LPJ-GUESS模型可以较好地模拟中国ECS。2) 2001-2020年, 中国潜在自然植被ECS由东南向西北递减, 总量为156.06 Pg, 其中植被、凋落物、土壤碳储量分别占34.2%、1.9%、63.8%。相比于2001-2020年, 2081-2100年ECS具有相似的空间分布, ECS总量预计增加0.51-11.16 Pg; 2001-2020年和2021-2100年, 中国潜在自然植被ECS的增加速率分别为8.5 g·m^-2·a^-1、3.7-21.0 g·m^-2·a^-1。3) 2021-2100年中国东南部、内蒙古高原、青藏高原等地区ECS显著增加(37-44 g·m^-2·a^-1), 云贵高原南部、两广丘陵等地区ECS显著减少(45-72 g·m^-2·a^-1)。4)不同区域的气候主导因子不同: 气温在中国西北地区主导ECS变化; 受区域干旱程度影响, ECS与降水量的相关性由东南向西北递增; 辐射在高纬度、高海拔地区主导ECS变化; 在中国47.9%-56.1%的区域CO₂浓度主导ECS变化。

随着全球气候变化, 植物的生长和生存模式均受到影响。预测气候变化下物种潜在的地理分布范围变化, 是判断该物种如何响应气候变化的重要手段, 有助于制定科学的物种保护策略。巨柏(Cupressus gigantea)是雅鲁藏布江中游末段及主要支流尼洋河近江河段河岸带的特有物种, 也是国家一级重点保护植物, 其分布范围主要在朗县至米林市丹娘乡的雅鲁藏布江两岸及尼洋河河谷的巨柏公园, 生存受到区域自然资源开发和气候变化的明显影响。该研究基于巨柏当前地理分布数据､地形因子､当前及未来气候条件下的环境因子数据, 利用最大熵(MaxEnt)模型､广义线性模型(GLM)和广义相加模型(GAM)与ArcGIS空间分析分别对西藏当前及未来2081-2100年2种气候变化情景(高排放模式SSP5-8.5和低排放模式SSP1-2.6)下的巨柏生境适宜性进行模拟分析。研究结果表明: (1)巨柏的潜在地理分布范围较狭窄, 适生区集中分布在加查县至米林市的雅鲁藏布江两岸和米林市至工布江达县的尼洋河两岸, 在隆子县､贡嘎县､错那县等地呈零星分布; (2)对巨柏潜在地理分布影响较大的环境因子有最冷季平均气温、温度季节性、昼夜温差月均值和海拔, 适宜范围分别为-1.62-2.14 ℃､565.29-603.78、11.66-12.97 ℃和2 898-3 550 m; (3)三种模型模拟结果均表明与潜在地理分布面积相比, 未来气候变化情景下巨柏的总适生区面积呈现扩大的趋势, 且SSP5-8.5情景下巨柏适生区面积的扩增程度明显高于SSP1-2.6气候情景; (4)与当前适生区质心相比, 未来情景下的巨柏适生区质心整体呈向西南偏移的趋势, 巨柏的分布区也呈向藏西南雅鲁藏布江中游方向较高海拔迁移的趋势。该研究探究了巨柏生长的关键影响因子及巨柏对气候的响应状况, 对巨柏保护具有十分重要的科学意义和实践指导价值。

研究气候变暖对树木径向生长和生物量分配的影响, 对准确评价气候变化背景下树木的固碳能力具有重要意义。该研究于2004年将4个纬度地点(从北往南依次为塔河、松岭、黑河和带岭)的落叶松(Larix gmelinii)幼树向南移植到黑龙江帽儿山森林生态研究站的同质园内, 模拟气候暖化。在同质园和移栽来源地同步测定树木径向生长和生物量及其分配。结果表明: (1)气候变暖显著促进了松岭和塔河落叶松树木的径向生长, 胸径(DBH)、树干距离地面10 cm处直径(D₁₀)及其相对增长率和单位增温相对增长率均随增温幅度的增加而增大; 松岭和塔河树木DBH的相对增长率分别为58.62%和101.49%, 单位增温相对增长率分别为16.11%·℃^-1和18.79%·℃^-1。(2)气候变暖显著减小了塔河树木叶、枝和根生物量的占比, 增大了树干和地上生物量的占比; 气候变暖也显著减小了松岭树木根生物量占比, 增大了树干生物量占比。气候变暖后, 松岭和塔河树木根冠比均显著减小。气候变暖会影响落叶松树木的径向生长和生物量的分配, 且这种影响因暖化程度的不同而存在一定的差异。

研究气候变暖对树木生态化学计量特征的影响, 对深入了解树木对气候变化的响应机理具有重要意义。在2004年将4个不同纬度的落叶松(Larix gmelinii)种源幼树移植到其自然分布区南缘的黑龙江帽儿山生态站的同质园内, 模拟气候变暖, 测定叶、枝、根的碳(C)、氮(N)、磷(P)含量。结果表明: 新枝叶和各级根的C、N、P含量以及老枝叶的N、P含量均存在显著的种源差异, 高纬度种源的树木具有较低的C、N含量和较高的P含量。气候变暖显著增加了各器官(1-2 mm径级根除外)的C含量, 增加了叶、老枝和<1 mm径级根的N含量, 也显著提高了各器官(枝除外)的P含量。随着变暖程度的增加, C和P含量的暖化效应减弱, N含量的暖化效应增强。各器官的C:N、C:P和N:P均存在显著的种源差异(枝的C:P除外), 高纬度种源的树木具有较大的C:N和较小的C:P和N:P。气候变暖显著降低了除枝以外其他器官的C:N、C:P和N:P。综合而言, 落叶松资源获取型器官叶和根化学计量特征具有明显的地理变异, 气候变暖主要缓解了叶和根的N和P的需求限制, 降低了其N和P的固碳效率; 气候变暖对C和P化学计量特征的影响随暖化程度的增大而减弱, 但N含量除外。

深入理解中国沿海红树林树高变异及其机制, 可以为中国沿海红树林修复、造林及重建红树林生态系统提供科学依据。该研究以1990-2022年发表的所有关于中国土壤、气候和潮差与红树林树高相关的文献为研究资料, 建立红树林树高与环境因子数据库, 对比红树林树高和环境因子在广西与东南沿海之间的差异, 并分析环境因子与红树林树高的关系及影响广西沿海与东南沿海红树林树高的关键因子。结果表明: (1)广西沿海红树林树高显著低于东南沿海的红树林。(2)广西与东南沿海的环境因子存在显著差异, 其中年降雨量、平均潮差、土壤盐度在广西最高; 土壤pH、土壤全氮含量和土壤全磷含量在广西最低。(3)除年降雨量、土壤有机质含量与红树林树高相关性不显著外, 其余环境因子与红树林树高显著相关。其中, 平均潮差、土壤pH和土壤盐度与红树林树高显著负相关; 年平均气温、土壤密度、土壤全氮含量和土壤全磷含量与红树林树高显著正相关。(4)结构方程模型结果显示, 平均潮差、土壤全磷含量和土壤pH是影响红树林树高最关键的环境因子, 年降雨量和年平均气温可直接影响红树林树高或通过调控其他环境因子之间相互关系从而间接影响红树林树高。(5)线性混合效应模型显示, 年平均气温、平均潮差和土壤盐度是限制广西沿海红树林树高的主要因素; 而东南沿海地区(除福建外)红树林的树高主要受到土壤因子限制。

夜间液流可通过叶片气孔流失, 即夜间蒸腾, 也可存储在茎干中, 即茎干充水。从夜间液流中区分夜间蒸腾与夜间茎干充水是一个亟待解决的难题。预测充水法由于其便捷性被广泛应用, 但其准确性备受质疑。为了系统分析现有的不同预测充水法在夜间液流组分划分中的准确性与适用性, 该研究以毛白杨(Populus tomentosa)为实验材料, 利用热扩散探针在高1.3 m处和7.0 m处进行液流测量, 结合高度差法和预测充水法分别在茎干充水和夜间蒸腾上的准确性优势, 分析对比4种传统预测充水法的估算效果。就4种预测充水法对不同高度液流进行分析得出的夜间蒸腾量而言, 仅基于线性衰减模型的预测充水法(Line法)误差不显著, 其他方法均存在较大偏差。采用4种预测充水法估算的茎干充水量与高度差法所得结果相比, 仅基于蒸腾反推的预测充水法(Et法)的预测结果与之存在极显著差异, 其余预测法差异均不显著, 且Line法偏差最小。基于以上结果, 该研究提出“液流高度差预测充水法”作为夜间液流组分划分新方法, 可将夜间液流划分为3个组分, 即茎干充水、冠层充水和夜间蒸腾。新方法通过高度差法提高对冠层以下茎干充水量估算的准确性, 通过误差最小的Line法提高冠层充水组分和叶片蒸腾组分划分的准确性。新方法计算的夜间充水约为76.5%, 较现有研究提高了19.8%-26.5%。划分出的夜间液流组分对环境因子的响应结果表明, 空气水汽压亏缺(VPD)与浅层土壤含水率为夜间充水的主要影响因子, 夜间蒸腾在夜间液流中的占比与VPD呈非线性负相关关系。

为了探究木本植物根际效应的季节动态及其驱动因素, 以北京市东灵山地区两种主要植被类型——白桦(Betula platyphylla)林和蒙古栎(Quercus mongolica)林中的优势树种为研究对象, 于2017年的春(5月)、夏(7月)、秋(9月)、冬(12月) 4个季节分别测定根际土壤与非根际土壤的理化性质、微生物生物量、碳矿化速率及净氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征以及植物的根系、叶片功能性状, 分析根际效应的季节变化动态。结果发现: (1)土壤pH及铵态氮含量、微生物生物量、碳氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征指标在根际土壤与非根际土壤之间存在显著差异, 根际效应主要呈现为正效应, 即根际土壤高于非根际土壤。(2)根际效应存在显著的季节动态, 表现为秋季的根际效应最强。(3)根际效应与植物根系和叶片功能性状之间存在显著相关关系。细根生物量与可提取有机碳、土壤总碳、总氮含量的根际效应显著正相关; 叶干物质含量、叶碳氮比与微生物生物量碳含量、微生物生物量氮含量、碳矿化速率、酸性磷酸酶活性的根际效应显著正相关。研究结果表明, 植物功能性状对于植物的根际效应具有重要作用; 在东灵山的温带落叶阔叶林, 可能由于秋季植物地下碳输入量最高, 导致根际微生物数量和活性增加, 从而出现秋季微生物生物量及活性的根际效应高于其他季节的现象。

土壤中的无机氮是维持陆地生态系统生产力的主要限制因子, 主要通过有机氮的矿化产生。土壤氮可利用性的高低取决于土壤微生物、地上植被类型以及土壤理化性质等。土壤微生物对环境变化极为敏感, 尤其是温度与微生物生长繁殖密切相关。因此, 在较大空间范围内研究微生物调控氮矿化速率的温度敏感性(Q₁₀)对于预测全球气候变化对陆地生态系统生产力的影响至关重要。该研究以中国三大高原(内蒙古高原、黄土高原和青藏高原)的不同类型草原为研究对象, 通过野外采集土壤样品, 室内不同温度培养测定三大高原不同类型草地土壤的净氮矿化速率, 计算其Q₁₀, 并分析其与土壤微生物及土壤理化性质参数的相关性。结果表明: (1)黄土高原不同类型草地土壤氮矿化速率的Q₁₀显著高于内蒙古高原和青藏高原; (2)在黄土高原和内蒙古高原, 草甸草原和典型草原土壤净氮矿化速率的Q₁₀显著高于荒漠草原, 而青藏高原高寒草甸草原土壤净氮矿化速率的Q₁₀显著低于高寒典型草原和高寒荒漠草原; (3)三大高原草地土壤微生物生物量碳含量与土壤净氮矿化速率的Q₁₀显著相关; (4) Q₁₀的空间格局受微生物、土壤质地以及底物的共同调控。该研究结果为中国不同类型草原土壤氮循环对全球变化响应的研究提供了重要数据, 对于陆地生态系统氮循环模型的完善具有一定的科学价值。

柴达木盆地地处青藏高原东北部, 为高原型巨大封闭盆地, 植被以荒漠为主, 兼具沼泽湿地、盐生草甸和山地草原等。为更精细地展示柴达木盆地地区植被的物种组成、群落特征及其分布格局, 该研究利用2022年夏季第二次青藏高原综合科学考察及2014年青藏高原资料匮乏区综合科学考察的野外数据, 共157个样地, 458个样方, 整合为柴达木盆地植物群落样方数据集。通过数据的整理与汇编, 共得到185条物种信息, 其中物种数最多的科依次为菊科(39种)、禾本科(33种)、豆科(17种)、苋科(16种)及十字花科(10种), 包含物种数最多的属依次为针茅属(Stipa)、蒿属(Artemisia)、黄耆属(Astragalus)、棘豆属(Oxytropis)和风毛菊属(Saussurea)等。植物生活型组成以草本居多, 占78.37%; 区系地理成分以亚洲中部种占优势, 占41.62%。基于群落学-生态学分类原则, 157个样地可以归为4个植被型组, 7个植被型, 11个植被亚型, 40个群系。该数据集可为深入研究柴达木盆地植被特征、《中国植被志》编研、青藏高原及全国植被图绘制提供最原始的基础数据。