植物的叶片结构和功能性状受到自身、环境和系统发育的影响。该研究选取西双版纳20 hm²热带雨林动态监测大样地内18种分布格局不同的大戟科植物, 测量了幼树叶片的解剖结构、水分关系特征、最大光合能力和暗呼吸, 主要探讨了叶片结构对植物耐旱性和光合能力的影响, 耐旱性和光合能力之间的权衡关系, 以及环境水分条件对植物功能性状相关性的影响。结果表明: 1)生境内植物表现出一定的结构和功能的趋同性, 分布在山脊和山坡的种比沟谷种具有更强的耐失水能力; 2)去除了系统发育的影响后, 一些关键性状(特别是叶片密度和膨压丧失点时的水势、饱和渗透势等)之间存在跨生境尺度上的相关关系, 植物叶片结构同时影响了植物的耐失水能力和光合能力, 植物叶片自身的结构限制导致了植物的耐旱性(高的叶片密度、比叶质量)和光合能力(低的叶片密度、比叶质量)存在反向进化关系; 3)如果研究的植物类群亲缘关系较近, 传统的Pearson相关分析不能很好地揭示其性状间的相关关系, 因而必须采用系统发育独立对照差作相关分析。大戟科植物的结构和功能在水分梯度和光梯度上的生态位分化也从功能性状的角度为热带季雨林能维持高生物多样性, 保持植物物种长期共存提供了一个可能的解释。

以海南尖峰岭热带山地雨林为研究对象, 基于尖峰岭原始林60 hm²大样地, 分析了7个不同空间尺度(5 m × 5 m、10 m × 10 m、20 m × 20 m、40 m × 40 m、60 m × 60 m、80 m × 80 m、100 m × 100 m)、3个不同径级(胸径(DBH) ≥ 1.0 cm、DBH ≥ 2.5 cm、DBH ≥ 7.5 cm)物种丰富度与个体密度之间的关联性, 以期为负密度制约效应等研究的尺度选择提供参考依据。研究结果表明, 物种丰富度和个体密度之间的关联性是基于空间尺度存在的, 并受分析植株径级大小的影响。DBH ≥ 1.0 cm时, 在4个空间尺度下(5 m × 5 m、10 m × 10 m、20 m × 20 m、40 m × 40 m), 物种丰富度随个体密度增加而增加, 但物种丰富度和个体密度两者间的相关性随取样空间尺度的增大而逐渐下降; 在其他3个空间尺度下(60 m × 60 m、80 m × 80 m、100 m × 100 m), 两者间没有显著相关性。当DBH ≥ 2.5 cm和DBH ≥ 7.5 cm时, 物种丰富度和个体密度间的相关性随空间尺度变化的趋势也与上述结果基本一致; 在60 m × 60 m的空间尺度上, DBH ≥ 1.0 cm时物种丰富度和个体密度相关性不显著, DBH ≥ 2.5 cm和DBH ≥ 7.5 cm两个径级的物种丰富度和个体密度表现出弱相关性。DBH ≥ 2.5 cm和DBH ≥ 7.5 cm时, 各空间尺度下物种丰富度和个体密度之间的决定系数几乎一致, 但高于DBH ≥ 1.0 cm时两者之间的决定系数, 说明大径级植株的个体密度和物种丰富度之间有更强的关联性, 负密度制约效应和自疏效应可能是产生这种现象的主要原因。

以川西高山林线交错带3种典型植被类型(针叶林、高山灌丛、高山草甸)下两个层次(LF层: 新鲜凋落物层和发酵层; H层: 腐殖质层)的凋落物为研究对象, 分别模拟凋落物分解的前期和后期阶段, 对凋落物分解过程中的纤维素酶活性及凋落物质量进行了研究。结果表明, 凋落物分解前期的纤维素酶活性和纤维素含量均显著高于分解后期, 但植被类型对LF和H层的纤维素含量的影响都不显著。双因素方差分析结果表明, 凋落物分解阶段对纤维素酶活性和纤维素含量的影响比植被类型对纤维素酶活性和纤维素含量的影响更大。不同种类的纤维素酶活性在分解前期和分解后期受到不同因子的限制。凋落物分解前期, 微晶纤维素酶和β-葡萄糖苷酶活性可能受N、P含量的限制, 而羧甲基纤维素酶主要受底物纤维素含量控制; 凋落物分解后期, 羧甲基纤维素酶和β-葡萄糖苷酶可能受C、N含量的限制。生态化学计量学的理论预测, 底物质量比C:N > 27或C:P > 186时会限制微生物生长, 因此判断高山林线交错带凋落物微生物生物量和纤维素酶活性同时受到底物N、P的限制, 尤其是高山草甸上微生物生物量在凋落物分解前期受到底物N、P的限制比分解后期更显著, 这充分说明了底物质量调控着凋落物分解过程中的纤维素酶活性和微生物生物量。

川西亚高山森林存在明显的季节性冻土现象, 该地区的土壤经历着初冬冻融、深冬冻结、早春冻融等过程, 同时,该区域冬季受气候变化的影响强烈。为了全面地认识亚高山森林的生态过程, 该研究以川西亚高山针叶林两种主要树种——岷江冷杉(Abies fargesii var. faxoniana)和云杉(Picea asperata)为材料, 研究其叶片及细根内丙二醛含量、渗透调节物质的含量、组织含水量、过氧化物酶活性以及硝酸还原酶活性在季节性冻土期的变化, 同时还比较了冻土期和冻融期细根的比根长, 比表面积, 直径以及组织密度的变化。研究结果显示: 在季节性冻土期, 土壤温度昼夜波动幅度小于空气温度波动幅度, 细根却表现出更强的过氧化物酶活性以及更高的渗透调节物质含量, 说明细根较叶片对季节性冻土更为敏感。与冻结期相比, 冻融期土壤温度、空气温度以及空气相对湿度昼夜波动幅度增加, 促使云杉叶片可溶性糖含量以及两针叶树种叶片内过氧化物酶活性、脯氨酸含量显著增加, 而细根的组织含水量显著降低, 脯氨酸、可溶性蛋白质及可溶性糖含量均显著增加, 表明冻融期对两针叶树种的影响较冻结期更为强烈。岷江冷杉和云杉的过氧化物酶活性及渗透调节物质含量具有相同的变化趋势, 但叶片和细根的膜脂过氧化程度及酶活性变化并不一致, 就岷江冷杉而言, 细根的丙二醛含量显著增加, 而叶片、细根的硝酸还原酶活性均显著降低, 云杉仅叶片的丙二醛含量发生变化, 且显著降低, 说明云杉更能忍耐冻融循环造成的胁迫。研究还发现细根形态在季节性冻土期无显著变化。

灌丛面积增加引起的碳储量增加被认为是我国陆地生态系统碳储量增加的主要原因, 是陆地生态系统碳汇研究中一个最不确定的因素。为了揭示高寒矮灌丛生物量在不同器官、不同层片的分配规律和估算高寒矮灌丛生物量碳密度, 该文对青藏高原东缘海拔3500-4650 m的14个灌丛群落进行了研究。结果表明: 1)研究区域灌木层平均生物量为(5.38 ± 3.30) Mg·hm^-2; 不同灌丛类型灌木层生物量存在显著差异, 亚高山落叶阔叶灌丛灌木层平均生物量为(7.28 ± 4.96) Mg·hm^-2, 亚高山革叶灌丛灌木层平均生物量为(4.32 ± 1.36) Mg·hm^-2; 个体形态和群落结构指标与亚高山灌丛单位面积生物量存在显著相关关系, 但这种相关关系是建立在多个群落结构因子基础上的, 单个群落结构因子不足以解释生物量的变化规律; 不同灌丛类型的生物量分配规律存在显著差异, 表现为高寒生境条件下亚高山灌丛将更多的光合产物分配到植物的根部。2)灌丛群落平均总生物量为(6.41 ± 3.86) Mg·hm^-2, 灌木层生物量占群落总生物量的(83.18 ± 8.14)%; 灌木层生物量与草本层生物量、凋落物层生物量、灌丛群落总生物量之间均存在显著相关性(p < 0.05), 灌木层各器官生物量与群落总生物量之间也存在极显著的相关性(p < 0.01), 故可以建立生物量模型。3)采用生物量转换因子法从14个调查群落获得的该区域灌丛平均生物量碳密度为(3.20 ± 1.93) Mg·hm^-2。

通过采样调查法和烘干称量法检测了青藏高原东缘不同海拔种群波缘风毛菊(Saussurea undulata)花期与果期的形态特征, 研究了其花期与果期的资源分配, 并对花期花部特征对果期种子特征的影响作出分析。结果表明: 1)波缘风毛菊在花期将更多的资源投入繁殖器官, 而在果期增加了对种子的资源投资; 2)波缘风毛菊花期部分花部特征的变异导致其果期产生的种子随海拔升高数量减少、百粒重增加, 因为波缘风毛菊需要在高寒草甸的极端环境下保证每粒种子的存活能力, 因此采取了产生更少但更大种子的生存策略。

在青海省都兰县香日德镇东盛村, 以中国科学院西北高原生物研究所培育的春小麦(Triticum aestivum)品种为材料, 主要采用调制叶绿素荧光分析手段, 研究了抽穗期旗叶光合作用的光抑制现象, 并分析了非光化学猝灭组分的光诱导和非光诱导耗散的量子产量变化。结果表明, 高原春小麦各品种间旗叶光合色素含量和比叶重存在差异; 全晴天3个典型时段准确暗适应20 min后的PSII最大光化学效率(F_v/F_m)的比较分析证实, 高原春小麦存在着光合作用的光抑制现象, F_v/F_m的降低是由于PSII反应中心的可逆失活; 稳态作用光下PSII有效光化学效率(F_v′/F_m′)易受持续强光胁迫的影响, 而PSII实际光化学效率(Φ_PSII)在各春小麦品种间的差异略为明显; 上下午间4个春小麦品种的光化学猝灭系数(q_P)和非光化学猝灭系数(NPQ)呈较一致的变化趋势, 显然q_P和NPQ既属品种的内禀特性, 又与强太阳光胁迫的累积密切相关; 非光化学猝灭组分中光诱导的PSII调节性能量耗散的量子产量(Φ_NPQ)所占比例较大, 下午时分Φ_NPQ的上调反映了高原春小麦对青藏高原持续强光胁迫的驯化适应。

在新疆气候生态条件下, 采用膜下滴灌植棉技术, 设置不同滴灌水分处理, 研究了不同滴灌量条件下棉花(Gossypium hirsutum)苞叶和叶片碳同化、光呼吸作用、光系统II (PSII)热耗散作用及其光破坏防御机制的差异, 以揭示滴灌节水条件下棉花苞叶缓解光抑制的机理及与棉花抗旱特性的关系。结果表明: 棉花开花后苞叶及叶片在高温强光下实际光化学效率(Φ_PSII)显著降低, 发生明显的光抑制现象, 但苞叶的光抑制程度较叶片轻; 与正常滴灌量处理相比, 节水滴灌条件下棉花水分亏缺, 叶片净光合速率(P_n)、Φ_PSII、光呼吸(P_r)、光化学猝灭系数(q_P)降低, 非光化学猝灭系数(NPQ)升高, 叶片光抑制程度加重, 而苞叶P_n、Φ_PSII、P_r、q_P、NPQ变化不大, 与正常滴灌量处理相比, 光抑制程度无显著差异。苞叶光呼吸速率与光合速率的比值(P_r/P_n)显著高于叶片; 滴灌节水条件下棉花适度水分亏缺对苞叶光呼吸及P_r/P_n无显著影响。高温强光下, 棉花节水滴灌对叶片PSII量子产量的转化与分配影响显著, 但对苞叶的影响不显著; 苞叶非调节性能量耗散的量子产量(Y(NPQ))高于叶片, 因此能有效地将PSII的过剩光能以热的形式耗散。综上所述, 与叶片相比, 苞叶对轻度水分亏缺不敏感, 是棉花适应干旱逆境较强的器官, 苞叶光呼吸和热耗散作用对光破坏防御具有重要意义。

土壤呼吸是陆地生态系统碳循环的重要组分, 由于受到生物因子与非生物因子的共同作用, 土壤碳排放量在时间和空间尺度上都具有一定的变异性。为弄清松嫩平原西部草甸草原植物群落土壤呼吸作用的时空动态变化及其影响因子, 以典型植被碱蓬(Suaeda glauca)、虎尾草(Chloris virgata)、碱茅(Puccinellia distans)、芦苇(Phragmites australis)、羊草(Leymus chinensis)群落为研究对象, 采用LI-6400土壤呼吸测定系统对该生态系统2011-2012年植物生长季内土壤呼吸作用进行了监测。结果表明: 土壤温度可以解释土壤呼吸作用变异的53%-82%, 是影响该生态系统土壤碳排放时间变异的主要因素。土壤水分并未对土壤呼吸作用时间变异产生明显的影响。不同植物群落的土壤呼吸的温度敏感性(Q₁₀)有所差异, Q₁₀为2.0-6.7。生长季内, 5种植物群落的土壤累积碳排放量的平均值为316.6 g C·m^-2。生长季内土壤碳累积排放量与植被地上生物量、土壤有机碳含量、平均土壤温度显著正相关, 与平均土壤含水量、pH值、土壤电导率及交换性钠百分比呈负相关关系。土壤的微气候、植被的地上生物量及土壤性质的差异是土壤碳排放空间变异的主要影响因素。