森林径级结构是树木生长、竞争、死亡等过程的综合反映, 也是估算森林生物量、判断森林演替阶段与健康状态以及预测森林碳汇潜力的基础依据。林学领域早期对径级结构的研究以统计描述为主, 多采用常见的概率分布函数来拟合样地尺度上径级结构的动态变化, 缺乏对其形成机制的阐释。随着宏观生态学的发展, 最大熵原理、中心极限定理等被用于解释大尺度上发现的相对一致的森林径级结构, 但这类模型侧重概率统计, 对具体生态学过程的分析仍然欠缺。2000年以来, 在原始成熟森林中发现的径级结构的幂律特征催生了一系列理论研究, 包括代谢尺度理论、林窗演替理论等。这些理论尝试从树木个体大小和资源利用之间的关系, 以及树木对资源的竞争过程来演绎径级结构达到稳态时幂律特征的形成机制。种群统计平衡理论为稳态径级结构的分析提供了一般性框架, 揭示了不同的树木生长速率和死亡率如何导致径级结构特征的变化; 在此基础上, 种群统计最优性假设为径级结构的分析提供了新的视角。数学层面上, 转移矩阵、积分投影、偏微分方程等都是径级结构动力学分析的有力工具, 但由于这类数学模型的时间动态解析求解较为困难, 研究中通常预先假定森林处于理想的结构平衡状态。而在实际情况下, 结构非平衡往往是森林的常态, 也是森林碳库变化与碳汇潜力估算的基础。为了更好预测全球变化背景下的森林动态趋势, 应明确环境因子对径级相关的树木生长速率、死亡率的影响, 并发展径级结构动态特征的解析方法。

非结构性碳水化合物(NSCs)包括淀粉和可溶性糖, 两者之间的相互转化可以增强植物对环境胁迫的抵抗力。热带雨林在陆地生态系统碳库和缓解气候变化中占有重要地位, 同时也是大气氮磷沉降的热点区域。目前, 热带雨林原始林和次生林优势植物叶片NSCs对长期氮磷输入的响应尚不清楚。该研究基于海南尖峰岭原始林和次生林10年的氮磷添加实验, 探究长期氮磷输入对两种森林各8个物种叶片NSCs的影响, 并分析叶片性状、光合作用参数和土壤养分含量与NSCs的关系。研究结果表明, 次生林优势植物叶片相对于原始林优势植物叶片有更高的可溶性糖和NSCs含量。低氮添加显著降低了原始林优势植物叶片淀粉的含量, 磷添加显著增加了原始林优势植物叶片可溶性糖的含量, 氮磷同时添加提高了原始林优势植物可溶性糖与淀粉的比值, 而氮磷添加对次生林优势植物叶片NSCs含量均无显著影响。两种森林8个物种的叶片NSCs含量均与叶片pH和比叶面积负相关, 而与叶片碳含量、光合速率和光合氮利用效率正相关。次生林土壤有效氮含量、总磷含量与叶片NSCs含量显著正相关。上述结果表明热带雨林优势植物叶片NSCs受到叶片性状和土壤养分的综合影响。该研究从叶片碳经济角度揭示了原始林优势植物相对于次生林优势植物对大气氮磷沉降的响应更敏感, 并呼吁加强对热带原始雨林的保护。

放牧是导致草地生态系统发生变化的重要驱动因素, 然而在不同放牧强度下草地植物群落与功能群对土壤因子的响应是否一致目前仍不明确。该研究以天山北坡中段草地为研究对象, 基于野外植物群落调查和室内土壤分析, 分析放牧对植物群落与功能群的影响, 以此为基础进一步揭示在放牧干扰下植物群落和功能群对土壤因子响应的差异。结果表明, 轻度放牧和未放牧草地的主要优势功能群为多年生禾草和莎草, 重度放牧样地中的主要优势功能群为毒害草, 优势种为醉马草(Achnatherum inebrians)。相较于重度放牧, 轻度放牧显著提高多年生禾草、豆科植物、莎草和杂类草功能群的地上生物量, 显著降低了毒害草地上生物量。轻度放牧的物种多样性指数显著高于重度放牧; 而在功能群多样性中, 轻度放牧的Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou指数显著高于重度放牧, Simpson指数在不同放牧强度间无显著差异。冗余分析、Mantel检验以及结构方程模型的结果显示, 植物群落特征、功能群和群落多样性与土壤有机碳含量、速效氮含量、速效钾含量、全磷含量、全钾含量、土壤密度和土壤含水量均存在显著相关关系; 放牧直接对草地植物高度、盖度、密度、地上生物量、植物群落和功能群多样性产生显著的负向影响, 也可通过提高土壤密度和降低土壤养分含量从而对群落高度、盖度、密度、地上生物量、植物群落和功能群多样性产生间接的负向影响。综上, 在放牧干扰下, 土壤因子对维持天山北坡中段草地植物群落的稳定生长起到至关重要的作用, 该结果为新疆草地植物资源的合理利用提供科学依据。

性状有助于更好地理解邻体竞争和环境对于幼苗存活的影响, 然而以往研究使用物种平均性状, 忽视了种内性状变异。因此, 基于吉林蛟河针阔混交林150个幼苗样方中的幼苗个体监测数据, 运用二项分布的广义线性混合效应模型比较种内性状变异和物种平均性状对幼苗存活率的影响, 探究性状如何调节幼苗对邻体竞争和环境的响应。研究结果表明种内性状变异模型和物种平均性状模型对幼苗存活率的预测能力并不一致, 考虑种内性状变异的比叶面积(SLA)模型比物种平均性状的SLA模型赤池信息量准则值和贝叶斯信息准则值更小, 解释的方差也更多, 模型的拟合度更好。但是, 叶面积(LA)、叶碳含量(LCC)和叶氮含量(LNC)的物种平均性状模型比种内性状变异模型效果更好。此外, 性状调节邻体竞争和土壤元素含量对幼苗存活的影响, 例如: 受到相同的密度制约时, LA更小的幼苗存活率更高; 土壤营养元素缺乏时, 较高的LCC会提高幼苗存活率, 反之在优良的土壤中, 幼苗存活率降低。模型比较的结果说明种内性状变异预测幼苗个体存活的能力并不绝对比物种平均性状强, 这种原因可能与林分和环境有关。另外, 加入邻体竞争和环境变量能够增强性状与幼苗存活之间的关系。尽管种内性状变异不能更好地预测幼苗存活率, 但这种基于个体性状的方法为预测幼苗动态变化提供了一个新的视角。

叶性状受植株大小的影响, 但也会因成年树和幼树所处林冠条件的不同而产生差异。因此植物可通过调整叶性状进而选择不同的生存策略。该研究测量了小兴安岭阔叶红松(Pinus korainesis)林中花楷槭(Acer ukurunduense)、青楷槭(A. tegmentosum)、五角槭(A. pictum subsp. mono) 3种槭树的林隙成年树、林隙幼树和林内幼树的叶经济谱性状: 比叶面积(SLA)、叶干物质含量(LDMC)、叶片厚度(LT)、叶绿素(Chl)含量、净光合速率(A_area)和非结构性碳水化合物(NSC)含量及防御性状: 总酚(TP)含量和类黄酮(FLA)含量, 通过研究植株大小和林冠条件对叶性状变异及相关性的影响, 阐述林隙如何通过影响叶性状进而影响林分更新以及不同生境下植株所选生存策略的差异。结果表明: 林隙成年树的LDMC、Chl含量、FLA含量和NSC含量显著高于林隙幼树, SLA则显著低于林隙幼树; 而林隙幼树的LDMC、LT、Chl含量和A_area均显著高于林内幼树; 成年树SLA和LDMC相关性斜率的绝对值显著大于林隙幼树, 林内幼树两者间的斜率的绝对值又显著小于林隙幼树。林隙成年树表现为“保守型”策略, 林内幼树表现为“获取型”策略; 林隙幼树则表现为两种策略之间的过渡策略。研究结果表明, 当幼树不再受到林内环境光照条件限制时, 植株大小对叶性状的影响可能发生改变。另外, 林隙可以通过提高幼树光合速率, 提高对病虫害的抵抗能力等方式促进林分更新。

个体大小反映林木径向生长状况, 细根对根际土壤环境变化具有高度敏感性, 探讨不同大小个体的林木细根功能性状与根际土壤微环境之间的关系, 有助于从个体水平揭示林木地下生态系统内的相互作用机制。该研究以11年生刨花楠(正名: 刨花润楠, Machilus pauhoi)为对象, 基于不同大小个体进行细根与根际土壤取样, 分析不同大小刨花楠个体细根功能性状与根际土壤养分含量、微生物群落结构及酶活性的关系。结果表明: 1)不同大小林木个体细根功能性状与根际微环境均存在差异, 其中细根生物量、比根长、根长密度、根体积密度、根组织密度、根氮含量和根磷含量等指标差异显著, 除比根面积和根组织密度外, 其他各细根功能性状均以中等个体为最大, 根际土壤碳氮磷含量也以中等个体刨花楠为最高。2)不同大小刨花楠个体细根比根长、根体积密度、细根生物量及根际土壤真菌、放线菌含量等性状变异系数较大, 其中中等刨花楠个体变异系数相对较大, 而小刨花楠个体相对较小, 各大小个体都倾向于通过调节根体积密度、细根生物量及根际土壤真菌含量、硝态氮含量等性状以适应环境变化。3)不同大小个体细根采取的资源利用策略不同, 中等刨花楠个体具有较大的比根长、根氮含量、根磷含量, 采取资源获取型策略以优化其对养分的获取能力, 根组织密度较大的小个体细根采取资源保守型策略以提升其应对环境胁迫的能力, 而大个体细根则采取地上、地下协同生长的资源权衡策略。4)根际土壤微环境中的土壤全碳含量、微生物生物量碳含量、放线菌含量、铵态氮含量、酸性磷酸酶活性和微生物生物量氮含量是影响刨花楠细根功能性状的主要因子。不同大小刨花楠个体细根功能性状与根际微环境间关系存在差异。小刨花楠个体细根主要受根际土壤养分的影响; 中等刨花楠个体细根主要受根际土壤中放线菌含量及酸性磷酸酶活性影响; 而大刨花楠个体细根性状表现出既受根际土壤养分影响又受根际土壤微生物群落结构中细菌、放线菌含量影响的特征。研究结果可为开展刨花楠微地形造林、精确制定其人工林抚育间伐措施、培育大径材人工林等提供理论依据。

雌雄异株植物由于繁殖成本不同, 其不同性别植株对资源的需求也不同, 这种性别差异通常会使其在生活史过程中出现性二态现象。该研究试图通过研究雌雄异株植物性二态在不同繁殖成本和不同生长阶段的表现规律和特征, 深入了解植物对环境资源需求具有性别差异性的现象。以吉林蛟河天然针阔混交林样地内雌雄异株植物髭脉槭(Acer barbinerve)为研究对象, 以叶片的元素化学计量特征作为衡量髭脉槭不同性别植株叶片元素的性二态量化指标, 探究不同生长阶段和不同繁殖成本变化下雌雄异株植物髭脉槭的性二态现象。在研究样地内选取髭脉槭雌雄个体各60株, 将其分为3组, I组的所有植株不进行任何处理, II组的所有植株在花蕾初期去除整株的所有花蕾, III组的所有植株在开花末期去除整株的所有花朵。在开花期和结果期分别采集不同处理组中髭脉槭的叶片作为样本, 运用双因素方差分析检验不同繁殖成本下雌雄髭脉槭植株叶片元素计量特征的差异显著性。主要结果: 性别对开花期叶片的碳(C)、磷(P)、钾(K)、镁(Mg)、硫(S)含量和结果期叶片的C、氮(N)、P、K、钙(Ca)、Mg、S含量以及叶片C:N、C:P、N:P均有显著影响。开花期, II、III组的雄株叶片C含量及C:N、C:P、N:P显著高于雌株, 雌株叶片P、K、Mg、S含量显著高于雄株; 结果期, I组中雌株叶片C含量及C:N、C:P、N:P显著高于雄株, 雄株叶片N、P、K、Ca、Mg、S含量显著高于雌株。研究结果表明髭脉槭雌雄植株叶片元素化学计量具有性二态现象。繁殖成本和生长阶段的变化均会影响雌雄异株植物性二态现象的发生过程。

林火是北方森林更新的重要驱动因子, 伴随着火烧产生的一系列产物, 在促进或抑制种子萌发方面具有重要作用。而火后种子库中的种子萌发是种子植物主要的更新和恢复途径, 相比于草本植物和灌木, 国内对于乔木的火后更新恢复研究较少。该研究以大兴安岭地区兴安落叶松(落叶松, Larix gmelinii)种子为研究对象, 对热激、火烧灰、光照三种因素进行单因素、双因素及三因素处理, 探究其对兴安落叶松种子萌发率和萌发势的影响。对标准化后的数据进行方差分解, 探究三种因素交互作用下的主要影响因素和驱动因子。研究结果显示: (1) 90 ℃ 5 min干热激的处理下兴安落叶松种子萌发率(61.11%)最高, 较对照提高21.11%, 90 ℃ 5 min及以上的湿热激处理会使种子失活。火烧灰质量与兴安落叶松种子的萌发率呈正相关关系, 1 g火烧灰的加入使兴安落叶松种子萌发率高达71.1%, 较对照提高了30%; 光照与兴安落叶松种子萌发率呈负相关关系, 100%遮光状态下的种子萌发率较对照提高了14.00%, 0遮光则降低了16.67%。在热激、火烧灰和光照的交互处理中, 1 g火烧灰+100%遮光处理的兴安落叶松种子萌发率(57%)最高, 比对照高17%。(2)模型评估显示, 在热激、火烧灰和光照交互作用中, 对兴安落叶松种子萌发率因子贡献度从大到小排序依次为: 火烧灰>干热激>光照>湿热激, 分别解释了方差分解模型33.0%、31.8%、20.3%、14.9%的非生物多功能性变异。灰分是最主要的非生物驱动因子, 在95%置信区间内, 因子重要性排序为: 火烧灰添加(1.00 g) >干热激(60 ℃ 3 min) >遮光度(0) >湿热激(90 ℃ 3 min) >湿热激(60 ℃ 3 min) >遮光度(100%) >火烧灰添加(0.25 g) >干热激(120 ℃ 3 min)。

火是制约植物生长发育的重要干扰因子, 影响植物的生理代谢, 甚至导致植物死亡。非结构性碳水化合物(NSC)主要包括可溶性糖(SS)和淀粉(ST), 对植物在干扰下存活具有重要作用。然而, 关于植物NSC及其组分含量对火后时间响应机制的研究尚有不足。该研究采用“空间替代时间”的方法, 在大兴安岭呼中区选取5个不同火烧时间的重度火烧地块和1个临近的未火烧地块, 分别采集白桦(Betula platyphylla)的叶片、细根以及根际土壤样品, 测定白桦叶片和细根的NSC及其组分含量、白桦叶片和细根的性状特征, 以及根际土壤属性。结果表明: 白桦叶片ST和NSC含量随火后时间的增加显著降低, 而细根ST和NSC含量随火后时间的增加显著增加, 叶片和细根的NSC含量分别在火后30年和火后17年与火烧前无显著差异, 表明细根NSC含量从重度火烧干扰的影响中恢复得更快; 火后时间对白桦叶片的NSC含量有直接影响, 还通过影响比叶面积对叶片的NSC含量产生间接影响; 火后时间对白桦细根NSC含量的影响主要是通过影响土壤pH和比叶面积间接产生。综上, 火后时间对植物NSC含量的影响具有明显的器官差异性。该结果可为火烧迹地的植被恢复研究提供科学数据和理论基础。

活立木茎干水分含量作为一种典型的生理水分参数, 一直是活立木生命状态最为有效的表征参数之一, 对维持整株树木水分平衡起着极其重要的作用, 受到研究者、林木抚育者的高度重视。但活立木茎干水分含量的获取方法一直受到操作烦琐、成本昂贵、实时性不强、准确率不高及有损活立木生命等因素的影响, 限制了对其深入的应用研究。该研究创新性地采用一种具有自主知识产权的茎干水分传感器, 实时、无损地获取活立木茎干水分含量, 并对茎干水分含量序列特征及其影响因素进行较为详细的研究。以常见的绿化树种五角枫(五角槭, Acer pictum subsp. mono)为研究对象, 采用基于驻波率原理的植物茎干水分传感器实现对五角枫茎干水分含量原位且无损监测, 同步监测相关气象因子, 分析生长季不同时期茎干水分含量序列特征及其与各气象因子的关系。结果显示: (1)茎干水分含量在春季(4月)和秋季中后期(9-10月)呈“昼升夜降”的趋势, 夏季至秋季中期(5-8月)呈“昼降夜升”的趋势; 阴天会抑制茎干水分含量的日极差与极大值, 雨天时, 茎干水分含量会明显上升; 干燥天气会使茎干水分含量呈下降趋势; (2)生长季萌芽期, 对茎干水分含量变化起直接作用的气象因子主要是空气温度和饱和水汽压差, 茎干水分含量与空气温度和土壤水分含量呈显著相关关系; 生长期, 影响茎干水分含量的主导因子为饱和水汽压差和土壤温度, 茎干水分含量与饱和水汽压差和空气温度呈显著相关关系; 落叶期, 对茎干水分含量变化起直接作用的因子主要为空气温度和饱和水汽压差, 且茎干水分含量与两因子的皮尔逊相关系数较高。采用逐步回归分析法构建3个时期茎干水分含量与各气象因子的回归方程模型, 不同时期进入回归模型中的气象因子均有所不同。综上所述, 该研究揭示了在不同气象因子协同作用下生长季茎干水分含量呈现出不同的序列特征及其影响因素, 可为理解植物茎干内部水分运移规律及其环境适应机制提供一定的借鉴作用。

分离对地黄(Rehmannia glutinosa)生长有害的菌株并解析其代谢产物对地黄生长的影响, 可为破解地黄连作障碍问题提供理论支持。从地黄重茬土壤中分离霉菌并研究其发酵液对地黄生长的影响, 然后通过不同极性梯度萃取、硅胶柱层析方法分离对地黄危害最严重的代谢产物, 并通过高效液相色谱和液相色谱-质谱联用技术鉴定分离出的物质。结果： 筛选出1株草酸青霉(Penicillium oxalicum)菌株C11, 分离鉴定到其有害化感物质是环(精-亮)二肽(分子量为269.347, 分子式为: C₁₂H₂₃N₅O₂)。结果表明草酸青霉C11抑制了地黄产量41.5%, 其有毒代谢产物环(精-亮)二肽可能是造成地黄连作障碍的原因。