根系分泌物是植物与土壤进行物质能量交换和信息传递的重要媒介, 同时也是植物响应外界环境变化的主要形式, 在土壤碳库动态中发挥着重要作用。伴随着全球气候变化而频繁发生的极端干旱事件对植物地上地下生长过程都产生了深刻的影响, 然而, 由于根-土界面交互作用的复杂性, 以及根系分泌物收集手段与装置的不完善, 人们对干旱条件下根系分泌物及其介导的根际激发效应的响应及机制的认知尚存在较大的局限性。基于此, 该文结合国内外生态学领域的研究前沿动态, 论述了干旱下植物根系分泌物数量及组分的动态变化, 重点阐述了根系分泌物介导的根际激发效应及其机制, 在此基础上展望了未来根系分泌物研究中的重点关注方向, 以期为未来全球气候变化条件下土壤碳汇的评估提供科学依据。

根际微生物在植物养分获取以及碳、氮循环中发挥着重要作用, 而植物细根(包括吸收根和运输根)与根际微生物群落关系密切。阐明火后森林恢复过程中先锋树种细根性状的变化与根际微生物群落的关系, 可为基于细根和根际微生物动态的火后植被恢复管理提供理论支持。该研究以大兴安岭30年时间序列火烧迹地先锋树种白桦(Betula platyphylla)为研究对象, 利用16S rRNA高通量测序技术, 分析了火后恢复过程中白桦根际细菌群落结构与土壤性质和细根性状的关系。结果表明, 火后恢复时间显著影响土壤pH、吸收根性状和根际细菌α多样性。随火后时间的增加, 土壤pH呈先升高后下降再升高的趋势, 吸收根比根长和比表面积呈先升高后下降的趋势。火后9年是白桦根际细菌α多样性逐渐回升的转折点。不同火后恢复时间根际细菌群落主要优势门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)和酸杆菌门(Acidobacteriota), 主要优势属为慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)。玫瑰弯菌属(Roseiarcus)、酸球菌属(Acidipila)以及分枝杆菌属(Mycobacterium)等优势属的相对丰度在不同火后恢复时间中差异显著。根际细菌α多样性主要受土壤pH和吸收根比根长的显著影响, 细菌群落结构变化受细根的碳、氮含量和运输根磷含量的影响。综上, 细根、土壤和微生物之间的互作共同影响了根际细菌的群落结构及多样性, 从而塑造了根际环境, 促进火后生态系统的恢复。

潮汐涨落导致的植物残体异位分解是河口湿地最常见的分解方式, 研究分解环境变化下残体的分解及其养分释放对深入了解河口湿地养分循环具有重要意义。为此, 2021年3-12月, 在闽江河口互花米草(Spartina alterniflora)分布区, 以自然环境梯度作为分解环境变化研究的替代系统, 由陆向海方向布设入侵7年的互花米草湿地(M7, 残体记为L7)、新近入侵1年的互花米草湿地(M1, 残体记为L1)以及入侵前的光滩(BF) 3个分解样地, 采用分解袋法模拟研究了分解环境变化对不同入侵年限互花米草残体(L7和L1)分解及磷养分释放的影响。结果表明, 分解环境变化可对残体分解速率产生显著影响。L7在M1和BF环境中的分解相比其在原来环境中(M7)更快, 而L1在M7和BF环境中的分解相比其在原来环境中(M1)更慢。分解环境变化导致的L7或L1分解速率的改变一方面取决于分解环境中关键环境因子(温度和pH)的变化, 另一方面与分解环境变化导致的残体质量(碳氮比和氮磷比)发生改变有关。相较于原分解环境, 分解环境的变化导致L7的总磷(TP)含量整体增加, 而L1的TP含量降低, 但二者TP含量均在M1分解环境中最高。残留率是影响不同分解环境下残体TP含量变化的共性因素, 而分解环境变化引起的主要环境因子(电导率)和残体质量改变是导致TP含量存在差异的重要原因。不同分解环境下L7和L1的磷养分在分解期间均表现为不同程度的净释放。研究发现, L7和L1的分解速率及磷养分释放量均在M1分解环境中较高, 说明残体在该分解环境中的磷养分归还速率可能更快, 而这有利于提高对新近入侵互花米草的磷养分的供给能力。

放牧是草原生态系统最主要的人为干扰因素, 也是草原群落构建的重要“外部”过滤因子。然而, 关于放牧强度对草原群落构建的作用机制, 尤其是在这一过程中种内性状分化和种间性状差异的相对作用目前的了解还比较有限。为此, 该研究利用在内蒙古典型草原建立的长期放牧控制实验平台, 采用土芯法(环刀)取样, 系统分析了植物群落地上(株丛、叶片)和地下(根系)性状对放牧的响应。通过环刀-小区和小区-样地两个推绎尺度, 研究了基于种内与种间性状变异的放牧强度过滤作用。研究结果表明: (1)随着放牧强度的增加, 大多数地上性状的种内和种间变异呈增加趋势, 而根系性状的种内和种间变异则显著降低。(2)随着放牧强度的增加, 在环刀尺度上, 基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度先增大后减小, 在中度放牧时达到最大; 然而基于地下性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度逐渐增加。在小区尺度上, 基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度呈线性降低趋势; 而基于地下性状种内变异的放牧过滤强度增加, 基于种间差异的放牧过滤强度减弱。(3)随着空间尺度增大, 放牧强度对草原群落构建的影响由基于种间性状差异的过滤作用逐渐转变为基于种内性状变异的过滤作用, 此过程受土壤水分和养分的调控。这些研究结果为深入揭示放牧对草原群落构建的调控机制提供了科学依据, 也为正确理解长期放牧导致的植被景观异质性和尺度效应评估提供了重要参考。该研究中叶片和根系性状主要考虑了结构性状, 因此具有一定的局限性, 未来研究可结合叶片和根系碳氮含量等化学性状指标, 以全面理解放牧对植物地上、地下性状变异的调控机制。

植物叶片生态化学计量特征及其差异可以反映植物对环境的响应, 是了解植物与环境相互作用的关键。特殊的天坑环境创造了良好的植物生长条件。为探究天坑植物的养分利用特征与环境适应性差异, 揭示天坑森林植物适应机制, 为天坑森林养分循环与群落构建理论研究提供基础数据, 该研究对广西大石围天坑群坑内外植物叶片中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)养分化学计量特征进行比较。采用相关性分析和冗余分析等统计方法研究植物各化学计量间的内在联系和环境对其的影响。结果表明: (1)与其他喀斯特地区植物以及全国陆地植物相比, 研究区域内的36科55属64种植物叶片具有较低的C含量, 较高的N、P、K、Ca、Mg含量和较低的C:N、C:P, 表明天坑植物具有低固C、高养分积累、高生长速率与低养分利用效率的总体特征。(2)大石围天坑群植物叶片N:P平均值为16.65, N:K平均值为1.50, K:P平均值为10.10, 表明天坑植物整体K富足而N、P养分受限。(3)显著性分析表明: 不同位置、不同功能群植物养分含量与化学计量比存在显著差异, 不同环境、不同类型植物养分吸收的策略不同。(4)相关分析表明: 植物叶片各养分含量与化学计量比间存在较为显著的相关关系, 植物叶片对不同养分的吸收具有一定的比例与协调关系。(5)对叶片化学计量特征影响因子的分析结果表明: 土壤是影响叶片养分含量的关键环境因素。研究结果揭示了大石围天坑群植物养分利用特征、生境养分差异以及植物对环境的适应情况, 为天坑森林生态系统养分循环与群落构建机制的探索提供了基础数据。

在全球气候变化背景下, 干旱诱导木质部栓塞被认为是驱动树木死亡的主要因素。因此, 分析木质部栓塞抗性(用导水率损失50%的水势(P₅₀)表示)的内在解剖决定因素对于理解其结构与功能间的机制具有重要意义, 为气候变化背景下植被恢复树种选择提供理论依据。该研究测定广西弄岗喀斯特森林内12个主要常绿树种的木质部导管直径、导管组指数、组分占比、纹孔形态和纹孔膜超微结构, 同时结合木质部储水特征(如木材密度和饱和含水量), 综合分析干旱诱导木质部栓塞抗性与其解剖结构以及储水特征之间的关系。结果显示: (1) P₅₀与导管直径、密度、导管组指数以及组分占比间的相关性均不显著; (2) P₅₀与纹孔形态特征以及纹孔膜厚度和纹孔腔深度等特征间的相关性均不显著; (3) P₅₀与木材密度显著负相关, 与饱和含水量边缘显著正相关, 即木材密度较大、饱和含水量较低的树种表现出较强的栓塞抗性。研究结果表明, 运用单一的解剖结构来评估栓塞抗性是不全面的; 此外, 木质部水分存储能力与栓塞抗性之间的权衡关系对于深入理解喀斯特植物耐旱性的内在结构机制以及多元化的水分利用策略具有重要的生态学意义。

探究不同降水情景下荒漠植物茎干解剖学结构的适应性调节, 可以更好地理解未来降水格局变化下荒漠植物水和碳运输间的协调机制。该研究以毛乌素沙地黑沙蒿(Artemisia ordosica)种群为对象, 通过野外人工控制降水的方法, 模拟半干旱气候区降水变化趋势, 设置3个降水量水平(减水30%、自然降水、增水30%)以及2个降水间隔水平(降水间隔5 d、降水间隔15 d)开展双因素完全随机实验, 测定了黑沙蒿茎木质部与韧皮部解剖结构在不同降水情境下的轴向与径向变异。结果表明: 1)在降水改变的情况下, 黑沙蒿并未产生更抗栓塞的轴向木质部结构及传导效率更高的轴向韧皮部结构来适应环境; 2)降水变化通过改变40-60 cm土层含水率对黑沙蒿的木质部、韧皮部径向解剖性状产生影响。在低水分生境下, 黑沙蒿减小导管直径和增大导管壁厚度以保证水分运输的安全性, 并且通过增大韧皮部筛管面积来维持韧皮部导度保证碳的有效运输, 以此保证黑沙蒿进行正常的生理活动; 3)黑沙蒿木质部导管和韧皮部筛管具有等标度的轴向缩放规律, 二者协同关联共同维持水力功能, 且这种相关关系不受降水变化的影响。该研究表明, 黑沙蒿通过改变径向茎干结构而不是轴向结构来适应降水的改变。

随着植株高度增加, 水分运输路径加长, 水分运输阻力增大。双子叶植物可以通过向下拓宽的木质部管道来补偿随着高度增加而增加的水分运输阻力。而单子叶植物无次生生长, 需终生使用同一套导管系统运输水分, 这会对其个体生长过程中维持木质部水力传输效率产生极大的限制。因此, 探明单子叶植物水力结构的轴向变化对于探讨该类物种的水分运输效率维持机制及其在自然界中能够广泛分布的原因显得尤为重要。该研究以树状单子叶植物雷竹(Phyllostachys violascens ‘Prevernalis’)和青皮竹(Bambusa textilis)为研究对象, 测定了植株茎干不同位置(即距茎尖不同距离)的导管大小、导管数量以及茎干外径等参数, 并进一步计算水力加权导管直径(D_h)、平均导管面积、导管密度、导管面积/导管密度等指标, 采用标准化主轴估计(SMA)的方法, 对各性状沿茎干轴向的变化规律及性状间的协变关系进行分析。研究结果显示, 雷竹和青皮竹从茎干顶端到基部, (1) D_h逐渐加宽、平均导管面积增大; (2)导管密度减小, 导管面积/导管密度增大; (3)导管密度与导管大小之间呈显著负相关关系。表明竹子从茎干顶部向基部, 导管大小逐渐拓宽, 单位木质部横截面积内的导管数量逐渐减少, 导管的大小与数量的变化是相互权衡的。

新疆野苹果(Malus sieversii)根际固氮菌(NFB)、解磷菌(PSB)及解钾菌(KSB)的定植数量, 不仅影响植物补充养分, 促进生长, 也可以诱导系统抗性(ISR), 提高抗性抑制疾病。因此, 探讨新疆野苹果根际NFB、PSB及KSB定植数量对生理指标的影响, 确定野苹果生长较好时根际微生物数量, 对研究其氮、磷、钾的吸收至关重要。该研究以新疆8个自然种群新疆野苹果根际土壤及植株叶片为实验材料, 分离NFB、有机解磷菌(oPSB)、无机解磷菌(iPSB)及KSB, 估算功能菌株数量并测定新疆野苹果叶片生理指标, 叶片及土壤中氮、磷、钾含量。结果表明: (1) 8个种群新疆野苹果根际4种功能菌株定植总数量存在极显著差异, 其中新源县野果林种群oPSB、iPSB、NFB及4种功能菌株定植总数最多, 巩留县那孜工队种群KSB定植数量最多; (2) 4种功能菌株总数、PSB数量与新疆野苹果叶片过氧化氢酶活性呈正相关关系, KSB数量与其叶片氧化还原酶活性呈正相关关系。证明新疆野苹果根际氮、磷、钾活化菌定植数量与其抗性存在关联。(3)在营养生长方面, oPSB数量反映叶片磷和氮含量; iPSB数量反映土壤磷含量, oPSB和NFB数量反映土壤氮含量; KSB数量反映叶片和土壤钾的含量; (4)定植数量分别在7.08 × 10⁴ CFU·g^-1 (NFB)、2.7 × 10⁷ CFU·g^-1 (PSB)及4.98 × 10⁵ CFU·g^-1 (KSB)时, 叶片及土壤中氮、磷、钾含量较高, 新疆野苹果营养生长最佳。研究确定了野苹果生长较好时根际微生物数量, 以期为施用功能菌株的接种量提供理论依据, 也为新疆野苹果林生态保护提供参考。

土壤生态化学计量是土壤肥力和植物养分状况的重要指标, 探索森林的恢复方式对土壤生态化学计量特征的影响, 可为准确评价生态系统物质循环过程对干扰和恢复的响应提供理论依据和数据支撑。该研究比较测定了东北东部山区人工恢复的3种针阔混交林和天然恢复的4种落叶阔叶林的土壤、凋落物和枯落物的碳(C)、氮(N)和磷(P)含量, 以及土壤pH、土壤密度等理化性质。结果显示: 人工针阔混交林和天然落叶阔叶林的土壤C、N和P含量均随着土壤深度的增加而降低。各林分类型的O (有机质)层土壤C、N和P含量的波动范围分别为53.78-90.59、5.02-7.83和0.75-0.91 g·kg^-1。人工针阔混交林O层土壤的C和N含量显著低于天然落叶阔叶林, 而人工针阔混交林A (腐殖质)和B (淀积)层土壤的C、N和P含量均高于天然落叶阔叶林。人工针阔混交林O层土壤的C密度显著低于天然阔叶林。土壤C:N、C:P和N:P的波动范围为10.08-12.53、43.97-135.52和4.56-11.64; O层土壤的C:N在两种恢复方式的森林间无显著差异, 人工针阔混交林O和A层土壤的C:P和N:P显著低于天然落叶阔叶林。土壤各层次的C和N含量均存在显著的正相关关系(R²范围0.40-0.76)。除C:N以外, 恢复方式、土壤发生层及其二者交互作用对土壤C、N、P含量、密度和计量比均存在显著影响。土壤密度和凋落物C含量显著影响土壤C、N和P含量。这些结果表明, 通过人工恢复方式增加针叶树种的比重, 使表层土壤的C、N含量降低, 导致表层土壤的碳固持量减弱; 但是对C:N无显著影响, 表现出相对稳定的土壤C、N计量特征。