人为活动所导致的氮、磷输入和大气氮、磷沉降使生态系统中的氮、磷可利用性大幅提高, 对陆地生态系统的碳循环过程产生了显著影响。树木生长和森林生产力在全球碳循环中发挥着重要作用, 它决定着陆地碳固存的大小和方向。目前, 在全球范围内开展了很多氮、磷添加调控树木生长和森林生产力的野外控制实验, 但是研究结果并不一致, 受到多种生物、环境和实验处理条件等因素的影响。该文从野外氮添加和磷添加实验的文献数量、实验数量及其全球空间分布三个方面概述了氮、磷添加对树木生长和森林生产力影响的研究现状, 并总结了氮、磷添加实验中树木生长和森林生产力的评估方法, 包括相对生长速率和绝对增长量。基于相关的研究结果, 阐述了氮、磷添加影响树木生长和森林生产力的调控因素及其潜在影响机制, 包括气候、树木径级与林龄、植物功能性状(共生菌根类型、树木固氮属性和保守性与获得性性状)、植物和微生物相互作用关系、区域养分沉降速率和实验处理条件等。最后, 基于当前的研究进行了系统总结, 并指出今后需要加强的几个方面的研究, 以期为后续研究提供参考: 树木生长响应氮、磷添加的生理学机制, 树木各部分生长对氮、磷添加响应的权衡与分配, 植物功能性状在调节与预测树木生长响应氮、磷添加中的作用, 树木之间的竞争关系如何调控氮、磷添加对树木生长的影响, 以及开展长期的和联网的氮、磷添加对树木生长和森林生产力影响的野外控制实验。

该研究基于机载激光雷达(LiDAR)和高光谱数据, 从森林物种叶片的生理化学源头探寻生化特征与光谱特征的内在关联, 探讨生化多样性、光谱多样性与物种多样性之间的响应机制, 选择最优植被指数并结合最优结构参数, 通过聚类方法构建森林物种多样性遥感估算模型, 在古田山自然保护区开展森林乔木物种多样性监测。研究结果表明: (1)从16种叶片生化组分中, 筛选出叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素、叶片含水量、比叶面积、纤维素、木质素、氮、磷和碳可通过偏最小二乘法用叶片光谱有效模拟(R² = 0.60-0.79, p < 0.01), 并选择有效的植被指数: 转换型吸收反射指数/优化型土壤调整指数(TCARI/OSAVI)、类胡萝卜素反射指数(CRI)、水波段指数(WBI)、比值植被指数(RVI)、生理反射指数(PRI)和冠层叶绿素浓度指数(CCCI)表征相应的最优生化组分; (2)基于机载LiDAR数据利用结合形态学冠层控制的分水岭算法获得高精度单木分离结果(R ² = 0.77, RMSE = 16.48), 同时采用逐步回归方法从常用的森林结构参数中选取树高和偏度作为最优结构参数(R ² = 0.32, p < 0.01); (3)基于6个最优植被指数和2个最优结构参数, 以20 m × 20 m为窗口通过自适应模糊C均值方法进行聚类, 实现了研究区森林乔木物种丰富度(Richness, R ²= 0.56, RMSE = 1.81)和多样性指数Shannon-Wiener (R ² = 0.83, RMSE = 0.22)与Simpson (R ² = 0.85, RMSE = 0.09)的成图。该研究在冠层尺度上获取了与物种多样性相关的生化、光谱和结构参数, 将单木个体作为最小单元, 利用聚类算法直接估算物种类别差异, 无需判定具体的树种属性, 是利用遥感数据进行区域尺度森林物种多样性监测与成图的实践, 可为亚热带地区常绿阔叶林的物种多样性监测提供借鉴。

及时了解和定量分析荒漠区河岸带湿地月度时序变化趋势及对生态输水过程的响应, 对认识湿地生态修复过程, 改进生态输水策略, 维护湿地生态系统稳定具有重要意义。该文基于Landsat ETM+/TM/OLI和Sentinel 2形成的月尺度的密集长时序遥感数据, 分析2000-2018年塔里木河下游英苏-阿拉干之间的湿地时序变化特征, 并评估湿地变化对生态输水过程的响应。结果表明: 近19年来湿地面积持续增加, 其中2011-2013年和2017-2018年是面积快速增加的时段。不同的单、双通道输水方式和输水量大小解释了喀尔达依湿地与博孜库勒湿地在不同时段增长的快慢。对湿地面积与生态输水量、地下水埋深关系的分析表明, 累计生态输水量的持续增加是近20年来塔里木河下游河岸带湿地扩张的重要因素, 每年大于3.5亿m ³的双通道生态输水, 地下水埋深维持在-5.0- -3.5 m是湿地持续稳定增长的关键。

水分利用效率(WUE)是深入理解生态系统水碳循环及其耦合关系的重要指标。为了揭示气候变化背景下区域尺度不同植被类型的响应和适应特征, 对中国西南高山亚高山地区2000-2014年的9种植被类型的WUE时空特征及其影响因素进行探究。该研究基于MODIS总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)数据和气象数据, 估算西南高山亚高山区植被WUE, 采用趋势分析及相关分析等方法, 分析了研究区植被WUE与气温、降水及海拔的关系。主要结果: (1)西南高山亚高山区2000-2014年植被WUE多年均值为0.95 g·m^-2·mm^-1, 整体呈显著增加趋势, 增速为0.011 g·m^-2·mm^-1·a^-1; 空间上WUE呈东南高西北低的分布, 85.84%区域的WUE呈增加趋势。(2)西南高山亚高山区各植被类型WUE多年均值表现为常绿针叶林>稀树草原>常绿阔叶林>有林草原>农田>落叶阔叶林>混交林>郁闭灌丛>草地; 时间上, 各植被类型WUE均呈上升趋势。(3)西南高山亚高山区89.56%区域的WUE与气温正相关, 92.54%区域的WUE与降水量负相关; 各植被类型中, 草地WUE与气温的相关性最高, 有林草原WUE与降水量的相关性最高。(4)西南高山亚高山区典型的地带性顶极植被常绿针叶林的WUE具有较强的海拔适应性及应对气候变化的能力。

放牧是草原的主要利用方式, 但对牧草造成了一定的生物胁迫。面对生存压力, 牧草会通过调节初级与次级代谢过程启动防御机制。该研究以内蒙古温带典型草原优势种植物为研究对象, 通过测定其在5个放牧水平下不同营养器官中的次级代谢产物及木质素等含量, 探讨大针茅(Stipa grandis)和羊草(Leymus chinensis)的各营养器官在防御机制中的角色及其碳氮权衡策略。结果表明: 面对放牧胁迫, 大针茅和羊草会产生大量的单宁、总黄酮、酚类以及生物碱等次级代谢产物, 并以叶片为主要的合成及储存器官。中度放牧使羊草的化学防御机制得到较充分的诱导及表达。但二者地上部分木质素含量并无显著增加, 因此, 二者在避牧性机制上更倾向于化学防御而非机械防御。由于羊草有更高的氮利用效率, 这使得羊草可以通过碳氮两种代谢途径进行防御, 但大针茅在生长初期并不能将氮高效地分配到化学防御中。大针茅和羊草在生长初期面对轻度放牧胁迫, 较多的资源仍然用于初级代谢, 增加了植物耐牧性。因此, 轻度放牧有利于提高牧草的碳氮资源利用效率、提高生态系统生产力及稳定性。

Epichloë内生真菌感染能够影响宿主植物的生长发育, 但关于内生真菌感染对宿主植物叶形状和叶面积的研究很少。该研究以羽茅(Achnatherum sibiricum)为实验材料, 采用长宽系数计算和扫描测定叶面积相结合的方法探究内生真菌种类和羽茅母本基因型对羽茅-内生真菌共生体叶形状和叶面积的影响。结果表明: 内生真菌感染与否、内生真菌种类和宿主母本基因型对反映叶形状的叶校正系数、叶片长度、宽度和长宽比均无显著影响, 经计算与验证, 确定了羽茅叶片的校正系数为0.594 9。采用该校正系数及叶长宽计算的叶面积与实测叶面积无显著差异, 且二者均未受到内生真菌感染与否、内生真菌种类或宿主植物母本基因型的显著影响。

基于cpDNA序列, 研究柴达木野生黑果枸杞(Lycium ruthenicum)的遗传多样性、遗传结构和单倍型进化关系, 可为其种群的遗传保护提供理论依据。该研究基于3个筛选的叶绿体多态引物: psbA-trnH、psbK-psbI和trnV, 利用群体遗传分析方法研究柴达木盆地野生黑果枸杞的遗传变异格局: 利用软件DnaSP 6.0和Permut 2.0计算分子多样性指标, 利用分子方差分析研究组间和种群间的遗传变异来源, 利用单倍型网络分析和主坐标分析研究单倍型的聚类关系; 利用最大似然树和贝叶斯系统树分析单倍型的谱系进化关系。结果显示: 叶绿体序列psbA-trnH、psbK-psbI和trnV拼接后的总长度为1 454 bp, 鉴别出14个核苷酸变异位点, 共定义了7个单倍型。种群间总的遗传多样(h_T)和种群内遗传多样性(h_S)分别为0.916和0.512。AMOVA分析结果表明, 80%以上的遗传变异来源于组间和种群间。叶绿体单倍型的贝叶斯系统树和最大似然树均表明柴达木盆地黑果枸杞种群聚为2支: 德令哈和格尔木为一支, 诺木洪为另一支。单倍型网络和主坐标分析结果揭示的拓扑结构和聚类关系与系统树一致。Mantel检验结果表明柴达木黑果枸杞种群间的遗传距离与地理距离存在显著的弱相关关系(r = 0.591 1, p = 0.000 9)。柴达木盆地黑果枸杞种群具有较高的遗传多样性, 种群间遗传分化显著。从遗传多样性保护的角度而言, 具有较高遗传多样性的诺木洪林业站和格尔木新乐村种群可划分为保护管理单元。

植物光合作用产生的非结构性碳水化合物(NSCs)水平可以反映植物和生态系统对环境变化的响应程度。近年来, 草原极端干旱事件的发生频率和持续时间增加趋势明显, 对生态系统结构和功能产生深远影响。该研究以内蒙古呼伦贝尔草甸草原为研究对象, 通过连续4年减少66%生长季降水量的控制实验来模拟极端干旱事件, 分析草原6种优势物种和植物功能群NSCs各组分对极端干旱的响应规律与机制。结果显示, 由于植物生物学、光合特性以及生理生态等特性的差异, 不同物种对干旱胁迫的响应具有明显差异。这表明草地植物NSCs组分及其利用策略对干旱胁迫的响应具有物种特异性, 从而导致其生物量的不同响应。将6种植物分为禾草和非禾草两类, 发现干旱显著增加了禾草的淀粉含量, 但对其可溶性糖含量无显著影响; 相反, 干旱显著增加了非禾草功能群的可溶性糖含量, 对其淀粉含量无显著影响, 表明不同功能群采取了不同的干旱应对策略。禾草选择将光合作用固定的能量进行储存以应对干旱胁迫, 其生物量对干旱响应不敏感; 而非禾草选择将能量以可溶性糖的形式直接供植物生长利用以及抵御干旱胁迫, 其生物量对干旱响应较为敏感。这一发现可为预测在全球气候变化背景下草甸草原生态系统结构与功能对极端干旱的响应提供科学参考。

为研究水通道蛋白PtPIP2;8基因功能, 了解其不同表达水平的转基因84K杨(Populus alba × P. glandulossa)应对干旱胁迫的响应, 该文以转PtPIP2;8 84K杨抑制表达株系(抑制表达)、野生型(WT)和转PtPIP2;8 84K杨超表达株系(超表达)为试验材料, 测定PtPIP2;8表达水平、根系导度、光响应曲线、气体交换参数、生长及根系形态指标。结果显示: (1) WT植株PtPIP2;8仅在根系表达; 超表达植株PtPIP2;8除在根部显著表达外, 在茎和叶片中也显著表达; 抑制表达植株PtPIP2;8仅在根部有微量表达, 表达量分别是WT和超表达植株的1/20和1/80。(2)根系结构分析发现, 超表达植株总根长、总根表面积、总根体积、总根尖数显著低于WT和抑制表达植株, 根系导水率显著高于WT和抑制表达植株, 表明PtPIP2;8参与了植物根系水分运输, 提高了水分运输效率。(3)正常水分条件下, 抑制表达植株苗高、叶面积显著低于WT和超表达植株, 根冠比显著高于WT和超表达植株。干旱胁迫后, 抑制表达植株净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)下降幅度小, 仍能维持较高的P_n。气体交换参数显示抑制表达植株P_n、G_s日变化为“单峰”型, 属气孔因素引起的净光合速率下降;WT和超表达植株P_n、G_s日变化为“双峰”型, 干旱胁迫后, 抑制表达植株P_n略微下降, WT和超表达植株P_n均下降, 尤其是13:00、15:00下降显著, 表明WT和超表达植株对干旱胁迫更加敏感, 干旱对其影响更大。(4)干旱胁迫后, 抑制表达植株相对生长速率、总生物量降低的最少, 根冠比最高; 总根表面积、总根体积、总根尖数显著高于WT植株。表明PtPIP2;8直接参与水分运输并提高水分运输效率, 其转化影响了植株根系发育和生长。超表达植株根系发育的下降和叶面积的增大减弱了它的抗旱性, 而抑制表达植株矮小, 降低的叶面积, 增加的根系生长和根冠比提高了它的抗旱能力。从研究结果来看, 水通道蛋白提高了水分跨膜运输效率, 而非水通道蛋白导水机制对干旱有较强的耐受性。

土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)是陆地碳循环与气候系统间相互作用的关键参数。尽管已有大量关于不同类型森林Q₁₀季节和年际变化规律的研究, 但是对Q₁₀在区域尺度的空间变异特征及其影响因素仍认识不足, 已有结果缺乏一致结论。该研究通过整合已发表论文, 构建了中国森林生态系统年尺度Q₁₀数据集, 共包含399条记录、5种森林类型(落叶阔叶林(DBF)、落叶针叶林(DNF)、常绿阔叶林(EBF)、常绿针叶林(ENF)、混交林(MF))。分析了不同森林类型Q₁₀的空间变异特征及其与地理、气候和土壤因素的关系。结果显示, 1) Q₁₀介于1.09到6.24之间, 平均值(±标准误差)为2.37 (± 0.04), 且在不同森林类型之间无显著差异; 2)当考虑所有森林类型时, Q₁₀随纬度、海拔、土壤有机碳含量(SOC)和土壤全氮含量(TN)的增加而增大, 随经度、年平均气温(MAT)、平均年降水量(MAP)的增加而减小。气候(MAT、MAP)和土壤(SOC、TN)因素间存在相互作用, 共同解释了33%的Q₁₀空间变异, 其中MAT和SOC是Q₁₀空间变异的主要驱动因素; 3)不同类型森林Q₁₀对气候和土壤因素的响应存在差异。在DNF中Q₁₀随MAP的增加而减小, 而其他类型森林中Q₁₀与MAP无显著相关性; 在EBF、DBF、ENF中Q₁₀随TN的增加而增大, 但Q₁₀对TN的敏感性在EBF中最高, 在ENF中最低。这些结果表明, 尽管Q₁₀有一定的集中分布趋势, 但仍有较大范围的空间变异, 在进行碳收支估算时应注意尺度问题。Q₁₀的主要驱动因素和Q₁₀对环境因素的响应随森林类型而变化, 在气候变化情景下, 不同森林类型间Q₁₀可能发生分异。因此, 未来的碳循环-气候模型还应考虑不同类型森林碳循环关键参数对气候变化的响应差异。