植物-土壤反馈作为植物分布、群落组成和演替的重要驱动力, 近年来受到广泛关注。时空变异是驱动植物-土壤反馈效应的重要因素, 但目前缺乏对其研究进展的梳理。该文综述了植物-土壤反馈时空变异的研究进展, 并提出了未来可以继续深入的研究方向。在植物-土壤反馈时间尺度上, 重点论述了植物不同发育阶段、实验周期与反馈效应的关系。在植物-土壤反馈的空间尺度上, 重点讨论了植物空间分布及空间转移、土壤微生物类群及理化因子空间位置差异以及地上与地下系统对反馈系统的影响。基于研究进展, 该文提出在反馈时间尺度上, 需关注长期的、多点的动态反馈过程, 提高反馈过程时间尺度上的分辨率; 应充分考虑微生物类群与驯化和测试植物作用的缓冲时间, 设置合理的驯化和反馈周期, 让研究结果更为客观; 在空间尺度上, 需关注植物空间分布、土壤因子空间异质性以及地上和地下系统对反馈效应的影响, 尽量做到接种土壤在物理结构上的相似性, 以期获得更真实的反馈效应。

重建区域干扰历史对于了解当地森林健康状况以及有针对性地指导森林管护具有重要意义。然而, 目前关于祁连山森林的干扰历史及主要干扰类型尚不清楚。该研究以主要分布于祁连山阳坡的树种——祁连圆柏(Juniperus przewalskii)为研究对象, 在8个采样点采集其树木年轮样芯并建立树轮宽度标准年表。通过分析气候因子与树轮指数的相关关系, 确定影响该区域祁连圆柏生长的主要气候因子。通过分析每株树木的生长变化率, 识别树木的生长释放和抑制现象, 从而判断干扰发生的时间和空间格局。结果表明冬季气温、夏季水分条件显著影响了祁连圆柏的生长。重建的干扰历史显示, 研究区在1930s、1970s发生过两次区域性的森林干扰事件, 两次干扰事件与冬季极端寒冷、夏季极端干旱密切相关, 与连续的厄尔尼诺事件发生时间相一致。两次干扰事件均显示出干扰在空间上的差异性, 体现出了不同森林抵抗力的差异。研究结果为预防和缓解森林衰退提供了重要参考。

随着全球气候变化, 干旱的频率和强度不断增加, 导致森林退化和树木生长速率下降甚至死亡。了解干旱对树木径向生长的影响机制, 量化干旱强度对树木径向生长的影响至关重要。该研究利用相关性分析确定祁连山西段3个海拔青海云杉(Picea crassifolia)径向生长的主要气候限制因子, 并基于抵抗力、恢复力、弹性和生长偏离程度比较树木径向生长对不同强度干旱事件的响应差异。结果显示: 1) 3个海拔树木径向生长均对6月平均气温、降水量和标准化降水蒸散发指数响应最强, 尤对后者更为显著, 说明干旱胁迫强烈限制树木径向生长。2) 3个海拔树木径向生长随干湿变化而显著变化; 随着干旱强度增强, 树木应对干旱事件的抵抗力下降, 恢复力上升。3)在中等和极端干旱事件后, 3个海拔树木均表现出补偿性生长, 但这种补偿性生长是短暂的, 在第二年就基本回到干旱前的生长状态; 3个海拔树木在严重干旱事件后第一年没有表现出补偿性生长。因此, 严重干旱事件后第一年的生长动态是预测青海云杉生长恢复的关键。

全球变暖背景下, 油松(Pinus tabuliformis)人工林生态系统对气候变化响应更为敏感, 但目前对于气候变化下油松早材和晚材的径向生长还不完全了解。研究油松早材和晚材径向生长对气候变化的响应, 对预测人工林生产力与植被动态具有重要意义。该研究选取华北和西北地区5个油松人工林, 基于树木年代学方法构建油松树木年轮标准年表, 分析了气候因子对油松径向生长的影响。结果表明, 1980-2020年间研究区气温呈显著上升趋势, 区域气候向暖干化发展。康乐(KL)、天水(TS)、灵寿(LS)油松树轮宽度高于旬邑(XY)和淳化(CH), 且TS、KL、LS油松的整轮和早材树轮宽度下降更为平缓。油松的早材宽度与上年9月、当年生长季前降水量呈正相关关系。而晚材宽度则大都与气温正相关。在LS、CH、TS、KL, 气温对晚材宽度变化的相对影响较早材分别上升了21.89%、8.63%、3.31%和7.25%。因此, 与早材相比, 晚材对气温变化更为敏感, 并受到早春季节干旱的限制。综上所述, 该研究利用早材和晚材径向生长对气候变化的响应分离了油松人工林生长季不同时段的气候信号, 早材径向生长主要反映了生长季早期的降水信号, 晚材径向生长主要反映了生长季后期的温度信号。在今后的预测模型中考虑这一差异性影响将有助于提高区域气候重建的准确性。

白桦(Betula platyphylla)作为温带次生林的典型先锋树种, 在森林生长研究中具有重要意义。该研究利用微树芯法连续监测了长白山两个生长季(2020-2021年)白桦径向生长的季节动态, 并分析了其与环境因子的响应关系。结果表明, 白桦形成层于5月中下旬开始活动, 6月和7月为快速生长期, 9月下旬木质化结束。2021年早春温度升高导致白桦径向生长提前开始, 但两年径向生长停止的时间无显著差异。在快速生长期, 白桦径向生长速率与平均气温、最低气温、相对空气湿度和土壤温度呈显著正相关关系, 与饱和水汽压差呈显著负相关关系; 而在慢速生长期, 白桦径向生长速率仅与最低气温和土壤温度呈显著正相关关系; 在较干燥年份, 土壤含水量降低显著抑制了白桦径向生长, 温度始终是影响白桦年内径向生长的主要气候因子。研究结果对白桦林的经营和可持续管理具有参考价值。

为了探究长白山天然水曲柳(Fraxinus mandshurica)径向生长与气候因子的关系, 探寻限制水曲柳生长的主要气象因子, 以红石、清原、桓仁和集安4个种源地的天然水曲柳为研究对象, 运用树木年代学方法, 研究天然水曲柳径向生长差异及其对气候因子的响应。结果表明: 4个种源地水曲柳在1960-1980年的轮宽指数都较低, 具有不同的变化趋势和波动特征。4个种源地水曲柳标准年表的相关性都达到了极显著水平, 这4个种源地水曲柳的径向生长具有较强的区域一致性。温度, 特别是生长季初期最低气温是红石、清原、桓仁和集安天然水曲柳径向生长的主要限制因子, 非生长季的水分状况也对来年水曲柳的径向生长有着重要影响, 而且长白山北麓水曲柳对气候的敏感性高于南麓和西南麓。方差分解分析也进一步印证了温度尤其是最低气温对长白山水曲柳径向生长的限制作用。在全球气候变化的背景下, 长白山集安水曲柳应对气候变化更加稳定, 是优良的水曲柳种质资源。

树干径向生长量(GROrate)和水分亏缺量(TWD)是树木响应环境因子的重要表征, 分别受不同环境因子的影响, 对环境因子的响应也不同。研究径向变化动态及其对环境因子的响应关系, 对了解树木生长和生理特性应对气候变化具有重要意义。该研究利用高分辨率径向变化记录仪, 连续记录2018-2020年红锥(Castanopsis hystrix)树干径向变化过程, 同步监测环境因子, 分析GROrate和TWD的动态变化及其与环境因子的关系。结果表明: 径向生长的开始时间为3月4日至4月1日, 结束时间为9月23日至11月5日, 最大生长速率的出现时间为5月31日至6月8日。生长季内红锥生长呈不连续性, 实际生长天数占整个生长季长度的47.8%-74.1%。生长季越长, 生长发生的天数越多。日尺度上, 在主要生长期(4-9月)环境因子中空气相对湿度(RH)、降水量(P)、光合有效辐射(PAR)和饱和水汽压差(VPD)与GROrate的相关性最强, 而TWD的环境相关性与GROrate类似, 但方向相反。21天滑动相关结果显示, 在3年生长季的绝大部分时间VPD、P和RH是影响红锥径向变化的关键因素。月尺度上, GROrate与月降雨事件高度同步, 而TWD与干旱期同步。因此红锥径向变化主要响应水分相关的环境因子, 这将有助于更好地预测气候变化下森林动态的生长响应。

随着气候变化和人类活动干扰的加剧, 干旱半干旱地区草地灌丛化现象普遍发生, 严重影响了草地生态系统的碳汇功能。水分是内蒙古半干旱草原的主要限制因子, 未来降水格局的变化对草原生态系统的碳交换具有重要影响。然而, 目前关于降水变化对灌丛化草地生态系统, 特别是异质斑块碳交换过程的影响研究较少, 相关机制尚不清楚。为此, 该研究利用内蒙古小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)灌丛化草地季节性降水增加(冬季增雪、夏季增雨)实验平台, 系统观测了灌丛斑块和草本斑块的碳交换参数, 即净生态系统碳交换(NEE)、总生态系统生产力(GEP)、生态系统呼吸(ER), 并结合基于地上净初级生产力(ANPP)和叶面积指数(LAI)标准化的参数比较分析, 研究了季节性降水增加对灌丛化草地碳交换的影响以及异质斑块的响应差异。结果表明: 1)夏季增雨显著提高了草本斑块|NEE|、GEP和ER值, 而冬季增雪显著降低了草本斑块|NEE|_ANPP、GEP_ANPP和ER_ANPP。夏季增雨显著增加了灌丛斑块GEP和ER值, 但对NEE影响不明显, 冬季增雪对灌丛斑块的碳交换过程有促进作用。总体而言, 灌丛斑块的|NEE|、GEP、ER显著高于草本斑块。相较于湿润年份(2021年), 干旱年份(2020年)的碳交换对降水增加的响应更为敏感。2)灌丛斑块碳交换(|NEE|、GEP和ER)与土壤水分含量、叶片生物量呈正相关关系, 夏季增雨主要通过增加深层土壤(40-80 cm)水分含量、降低土壤温度来促进碳交换。草本斑块碳交换与浅层土壤(0-20 cm)水分含量、ANPP呈正相关关系, 与土壤温度、根冠比呈负相关关系; 夏季增雨主要通过增加浅层土壤水分含量、降低土壤温度促进碳交换, 而冬季增雪则通过增加深层土壤水分含量和减少地下生物量来抑制草本斑块碳交换。3)基于ANPP标准化后的碳交换参数能更好地揭示灌丛斑块和草本斑块对降水变化的响应差异。该研究结果为准确评估气候变化下干旱半干旱草地生态系统的碳汇功能和固碳潜力提供了重要科学依据。

研究不同氮添加水平和铵硝态氮配比对杉木(Cunninghamia lanceolata)幼苗叶片光合特性和叶绿素荧光参数的影响, 从光合生理生态的角度探讨杉木幼苗对氮逆境的短期响应, 可以为杉木栽培中氮肥的经营管理提供理论依据。该研究以一年生杉木幼苗为材料, 设置3个氮添加水平: 0.5 (N₁)、1.0 (N₂)和2.0 mmol·L^-1 (N₃)及7个铵态氮:硝态氮的配比: 10:0 (P₁)、8:2 (P₂)、6:4 (P₃)、5:5 (P₄)、4:6 (P₅)、2:8 (P₆)和0:10 (P₇)的21个实验处理组, 沙培盆栽处理180天后, 测定幼苗叶绿素含量、光合特性、叶绿素荧光参数、生物量等指标。结果表明: (1)在N₁水平下, 叶绿素a和b含量分别在P₂和P₆配比下最高; 在N₂水平下, 叶绿素a和b及叶绿素(a+b)含量均为P₄配比下最高; 在N₃水平下, 叶绿素a和b含量均在P₃配比下最高, 整体上表现为N₃和N₂高于N₁。(2)叶片净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、蒸腾速率(T_r)和水分利用效率(WUE)均为较高铵态氮浓度的配比处理高于较高硝态氮浓度的配比处理; P_n在N₃水平为P₁配比最高, 但在N₁和N₂水平为P₂配比最高, 整体上P_n和WUE均表现为: N₃ > N₂ > N₁。(3)各处理的最大光化学效率均在0.80-0.85的正常范围内, 光系统II潜在光化学活性在P₂配比下N₃显著高于N₁和N₂; 叶片快速叶绿素荧光诱导曲线在N₁的P₁配比下曲线偏离程度大, N₂水平的P₁、P₂和P₄配比和N₃水平的P₁、P₂和P₅配比在I、P相逐渐降低, J相逐渐上升; P₂和P₃配比下单位面积吸收、捕获和传递的光能以及热耗散和反应中心的数量随氮浓度的升高明显增大, 而P₆配比下单位反应中心吸收、捕获和传递的能力以及耗散掉的能量随氮浓度的升高明显降低, 其他配比下差异不显著。最大光化学效率在各处理间无显著差异表明该研究模拟的低氮水平和氮形态异质性配比的环境未对杉木幼苗生长造成胁迫。(4)总生物量和地上生物量均表现为较高铵态氮浓度的配比处理大于较高硝态氮浓度的配比处理, 其中N₂P₂处理下最高, 氮添加水平间表现为N₂ > N₃ > N₁。根冠比在N₁和N₃水平均为P₆配比显著高于其他处理, N₂水平为P₇显著高于其他处理, 且整体上N₁水平的根冠比显著高于N₂和N₃。相对较高的氮添加水平和铵态氮浓度配比的环境能提高杉木幼苗光化学反应效率, 优化光系统II反应中心的能量利用, 最终促进其光合作用和生物量的积累。

土壤有机碳(C)库在稳定陆地C循环和调节全球气候等方面扮演着重要角色。该研究基于2017年设立于宁夏荒漠草原的降水量变化(-50%、-30%、自然、+30%、+50%)及氮(N)添加(0和5 g·m^-2·a^-1)的两因素野外实验, 探讨了处理4年后, 0-60 cm土壤有机C特征(含量、储量、组分)的变化规律和影响因素, 以期为科学预测全球变化下半干旱区草原C汇功能提供数据支撑。N添加对土壤有机C特征影响较小。相比之下, 降水量改变了有机C特征, 且其影响程度依赖于N水平和土层深度。就整个0-60 cm而言, 与自然降水量相比, 0 g·m^-2·a^-1 N添加下, 增减降水量对有机C特征影响较小; 5 g·m^-2·a^-1 N添加下, 减少30%降水量显著提高了易氧化有机C和溶解性有机C含量, 增加30%降水量显著提高了颗粒有机C和轻组有机C含量。有机C含量及其储量与土壤含水量、纤维二糖水解酶、碱性磷酸酶活性正相关, 与土壤NO₃^--N含量负相关。易氧化有机C、颗粒有机C和轻组有机C含量与土壤亮氨酸氨基肽酶活性正相关, 与微生物生物量N含量负相关。溶解性有机C和微生物生物量C含量则与以上3个指标呈相反的关系。研究结果表明, N添加下, 降水量改变对土壤有机C含量及其储量影响较小, 但适度增减降水量会通过改变土壤含水量、N有效性、酶活性以及植物群落优势度等途径降低有机C稳定性, 从而导致荒漠草原土壤C排放风险增加。

凋落叶和根系输入是土壤有机碳(SOC)的重要植物来源, 探讨凋落叶和根系去除对SOC及其组分的影响有利于深入理解森林生态系统SOC的积累机制。该研究依托中国科学院湖南会同森林生态系统国家野外科学观测研究站长达12年的凋落物去除实验(对照、凋落叶去除、根系去除、凋落叶和根系同时去除), 比较了亚热带杉木(Cunninghamia lanceolata)人工林凋落叶和根系对SOC及其组分和各组分对总有机碳碳库相对贡献的影响及季节动态。结果表明: 凋落叶和根系去除均会降低SOC含量, 且不同凋落物去除对碳组分的相对影响各不相同。具体表现为: 凋落叶去除对SOC、土壤矿质结合态有机碳(MAOC)和重组分有机碳(HFOC)含量的负效应显著大于根系去除, 而根系去除对土壤颗粒有机碳(POC)含量的负效应显著大于凋落叶去除, 凋落叶和根系同时去除对轻组分有机碳(LFOC)含量的负效应大于其他处理。相关性分析和冗余分析表明: 碳组分含量与土壤全氮含量、碳氮比均呈正相关关系。此外, 季节对POC和LFOC含量以及不同碳组分对总有机碳碳库的贡献有显著影响。夏季土壤碳组分含量与全磷含量和碳磷比的相关性明显高于冬季。该研究为长期凋落物去除对亚热带杉木林SOC及其组分的影响提供了证据, 有助于探究SOC的积累机制对凋落物去除的响应。