基于莫宁-奥布霍夫相似理论的解析方程(风速廓线模型)自20世纪70年代以来一直被用于平坦地形上的风速预测,成熟且准确,但在非平坦地形适用性尚不清楚。其适用性标志着对非平坦地形近地层空气动力学参数(如零平面位移高度及粗糙度)估计的准确性,将决定基于涡度协方差法计算碳水及痕量气体通量中频率修正及其源区分析的准确性。因此,风速廓线模型在非平坦地形的适用性评价是确认通量模型是否需要改进的前提。本研究利用辽东山区清原森林站科尔塔群测量三维风速数据,并与辽河平原盘锦农田站同类数据相比较,评估了以莫宁-奥布霍夫相似理论为基础建立的通用风速廓线模型在非平坦地形上的适用性。结果表明: 通用风速廓线模型无法准确预测清原森林站3座通量塔所在地的风速,不适用于复杂地形。在非生长季和生长季,清原森林站3座通量塔实际观测与模型预测风速的决定系数(R²)为0.12～0.30,观测数据与预测值的标准误超过2 m·s^-1,模型风速约为实际观测风速的2.0倍,显著高估。然而,该模型可准确预测盘锦农田站平坦农田景观的水平风速,实际观测风速与模型预测之间的R²为0.90～0.93,观测数据与预测值之间的标准误仅为0.5 m·s^-1。经F检验指出,非平坦地形风速观测值与预测值的均方根误差远大于平坦地形,其中,地形是影响通用风速廓线模型适用性的主要因素,其次是季节性(无/有叶期)因素。风速廓线模型在非平坦地形上不适用,原因是零平面位移被低估,或零平面位移和粗糙度均被低估,进而使空气动力高度估计不准。

为探究人工长白落叶松边材、心材、树皮、树干含水率沿树干的纵向变化规律,本研究结合样地、样木效应,构建了基于beta回归的含水率混合效应模型,采用不限定相对高度(方案Ⅰ)和限定高度在2 m以下(方案Ⅱ)2种抽样方式对模型进行校正。结果表明: 边材、树干含水率沿树干向上逐渐增加;心材含水率沿树干向上先略减后增大;树皮含水率沿树干向上先增大后趋于平缓,然后再增加。相对高度、活冠高、林分每公顷胸高断面积、年龄和林分优势高是显著影响长白落叶松木材含水率的因子。方案Ⅰ下,随机抽取2~3个圆盘的含水率测量值来校准模型可以得到稳定的预测精度,树干含水率的平均绝对误差百分比(MAPE)可达7.2%(随机抽取2个),边材、心材、树皮含水率的MAPE可达7.4%、10.5%、10.5%(随机抽取3个);方案Ⅱ下,抽取1.3和2 m圆盘的含水率测量值校准模型最适宜,边材、心材、树皮和树干含水率的MAPE分别达到7.8%、11.0%、10.4%和7.1%。所有beta混合效应回归模型的预测精度都明显优于基础模型。包含样地、样木效应的两水平beta混合效应回归模型可以很好地预测长白落叶松各部位的含水率。

本研究以秦岭地区东部的牛背梁自然保护区(亚热带湿润气候)和西部的桃花沟自然保护区(暖温带半湿润气候)2个生境中的3个优势种辽东栎、锐齿槲栎和栓皮栎为对象,研究一级叶脉宽度、二级叶脉宽度、细脉平均宽度、一级叶脉密度、细脉密度、网眼直径、网眼密度、细脉三维表面积和细脉体积9个叶脉性状的种间、种内差异,以及生物和非生物因子对叶脉性状的影响机制与调控路径。结果表明: 树种对除细脉三维表面积外的8个叶脉性状均影响显著;生境对一级叶脉宽度、二级叶脉宽度、网眼直径、细脉密度和网眼密度影响显著;海拔对一级叶脉密度、细脉平均宽度、网眼直径、细脉密度和网眼密度影响显著。树种、生境和海拔的交互作用对一级叶脉密度、细脉三维表面积和细脉体积影响显著。辽东栎的一级叶脉宽度、细脉平均宽度、网眼密度、细脉三维表面积、细脉体积和一级叶脉密度在不同生境间存在显著差异,而锐齿槲栎和栓皮栎的二级叶脉宽度、网眼密度在不同生境间存在显著差异。叶脉性状受生物因子和非生物因子影响且其相对影响率不同:在生物因子中,叶柄长和叶片长宽比对叶脉性状的相对影响率最高;在非生物因子中,叶脉性状主要受气候和土壤因子的影响,且气候因子的影响高于土壤因子。生物因子对叶脉性状有直接影响,非生物因子(土壤和气候因子)则通过调控生物因子(叶片化学计量、叶片表型性状)间接影响叶脉性状。

叶片作为响应环境变化最为敏感的植物器官,是反映植物生存策略的重要指示者。为明晰高山植物响应海拔变化的生态适应策略,本研究于青藏高原东缘选取不同海拔(2600、2800、3000、3200和3400 m)下常绿阔叶树种川滇高山栎和落叶阔叶树种西南花楸为对象,测量叶片形态、解剖性状、气体交换参数、叶绿素荧光参数等指标,研究二者响应海拔变化的异同及生态适应策略。结果表明: 随着海拔的升高,川滇高山栎的叶片干物质含量显著降低,西南花楸显著增加,两者叶片均逐渐变小;川滇高山栎的栅栏系数呈下降趋势,西南花楸的栅栏系数呈上升趋势,二者的叶片、栅栏组织、海绵组织、上表皮和下表皮的厚度均显著增加,与海拔2600 m相比,海拔3400 m处分别增加22.4%、4.9%、45.1%、23.3%、19.6%和28.2%、46.9%、8.9%、25.9%、20.8%。西南花楸叶片气体交换参数和叶绿素荧光参数随着海拔升高显著增大,而川滇高山栎与之相反。两者叶片解剖性状、气体交换和叶绿素荧光参数均具有较强的可塑性,绝大多数叶片性状间以及叶片性状与海拔之间存在显著相关关系。川滇高山栎应对海拔变化的生存策略较为保守,西南花楸的生存策略则较为积极,两者均通过调节自身性状以适应不同海拔。

为揭示呼伦贝尔沙地樟子松根际与非根际土壤碳氮磷化学计量特征,以不同林龄(28、37、46年生)樟子松人工林为研究对象,以樟子松天然林为对照,研究根际与非根际土壤有机碳、全氮和全磷含量及其化学计量比,分析土壤性质与土壤化学计量特征间的相关性。结果表明: 在樟子松人工林中,根际效应显著影响土壤N∶P,林龄显著影响土壤有机碳含量;各林龄人工林的土壤有机碳含量均显著低于天然林。人工林的根际与非根际土壤有机碳、全氮含量均随林龄增加先降低再升高;全磷含量在根际土壤中先升高再降低,在非根际土壤中先降低再升高。C∶N与C∶P在根际土壤中呈显著正相关,但在非根际土壤中不存在显著相关关系,说明根际土壤氮磷限制具有更高的协同性。根际与非根际土壤N∶P均值分别为4.98与8.40,表明樟子松人工林的生长受土壤N限制,且根际土壤受N限制程度更高。根际与非根际土壤碳氮磷化学计量特征受土壤性质的显著影响,其中,速效磷是最主要的驱动因子。呼伦贝尔沙地樟子松生长受N限制,其植物根系对土壤养分的富集与维持有明显作用,建议在樟子松生长阶段适当补充土壤氮素,并根据根际土壤氮磷限制的协同性适当补充磷素。

土壤氮磷是限制亚热带地区林木生长的关键元素,研究土壤微生物对氮磷养分调控有助于深入揭示人工林土壤肥力维持机制。本研究以3种不同林龄(4、7、11年生)杉木＋闽楠复层林为对象,以杉木纯林为对照,分析不同林龄土壤氮磷组分、土壤微生物群落组成和功能变异特征及其相互关系。结果表明: 土壤多数磷组分含量随复层林林龄增大呈增加趋势。随林龄增大,活性磷组分中以无机磷增加为主,增幅为9.9%～159.0%,稳定态磷以有机磷增加为主,增幅为7.1%～328.4%。土壤无机和有机氮组分也随复层林林龄增大呈增加趋势,尤其是铵态氮和酸解铵态氮含量增幅较大,分别增加152.9%和80.2%。随林龄增大,细菌和真菌群落组成和功能类群差异显著,部分微生物优势属(如热酸菌属、原隐球菌属、被孢霉属)相对丰度增加,磷溶解和矿化功能基因、氮硝化功能和有氧氨氧化功能基因相对丰度呈增加趋势。真菌功能组成解释了不同磷组分变异的48.9%,纯林转变为复层林可能主要通过改变腐生菌(凋落物和土壤腐生菌)功能类群影响土壤磷组分转化。真菌群落组成变化解释了不同氮组分变异的45.0%,一些重要的属(如原隐球菌属和被孢霉属等)在促进土壤氮转化和积累过程中发挥了关键作用。杉木纯林转化为杉木+闽楠复层林有利于提高土壤氮磷有效性,细菌和真菌在土壤氮磷形态转化过程中发挥了重要作用,尤其是土壤真菌的贡献更大。

凋落物输入刺激土壤胞外酶的分泌,加快凋落物中碳(C)、氮(N)、磷(P)等养分释放,但不同基质质量凋落物输入如何调控土壤胞外酶活性和酶化学计量特征仍不清晰。本研究以亚热带10年生米槠和杉木人工林为研究对象,采用凋落物输入原位微宇宙试验,分析了2021年4—8月、10月和12月不同凋落物输入对β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶和酸性磷酸酶(AP)5种土壤胞外酶活性及其化学计量特征的影响。结果表明: 1)与无凋落物输入相比,米槠人工林凋落物输入对土壤酶活性、酶化学计量和矢量特征均无显著影响;而杉木人工林凋落物输入使5月土壤AP活性显著提高1.7%,使8月酶化学计量碳氮比、10月酶化学计量碳磷比和氮磷比分别降低3.8%、11.7%和10.3%,使10月土壤酶向量角增加到53.8°,表明土壤微生物存在显著磷限制。2)偏最小二乘回归分析表明,土壤可溶性有机质和微生物生物量C、N分别是米槠和杉木人工林土壤胞外酶活性响应凋落物输入的主要影响因子。总体上,低质量(高C/N)的杉木凋落物输入在短期内更能刺激土壤胞外酶的分泌,加快凋落物分解,研究区域土壤微生物受到磷限制。

植被恢复能有效改善土壤质量,促进土壤有机碳(SOC)的固存。本研究以宁南山区0～100 cm土层不同恢复年限(16、28、38年)柠条林为研究对象,以农田和天然草地作为对照,分析了土壤养分及有机碳组分沿剖面分布特征及其对恢复年限的响应。结果表明: 1)SOC、土壤全氮(TN)、全磷(TP)、颗粒态有机碳(POC)和矿物结合态有机碳(MAOC)含量以及颗粒态有机碳占总有机碳的比例(POC/SOC)均随土层深度增加而降低,而矿物结合态有机碳占总有机碳的比例(MAOC/SOC)呈相反趋势; 2)随着柠条恢复年限的增加,SOC、TN、TP、C∶P、N∶P、POC和MAOC含量逐渐降低,C∶N无显著变化,POC/SOC先增后减,MAOC/SOC先减后增;3)在3种土地类型中,POC、MAOC与SOC之间均呈极显著正线性相关关系,且SOC的增加主要依赖于MAOC的增加。天然草地和柠条林地土壤SOC、TN、TP、POC和MAOC含量均显著高于农田。综上,柠条林地土壤养分及POC、MAOC含量随着恢复年限增加逐渐降低;与农田相比,天然草地和柠条林地维持和提高土壤养分及碳储存的能力较高。

流域碳湿沉降与河流碳输出是全球碳循环的重要组成部分,对区域碳收支评估具有重要意义,然而在我国高纬度多年冻土区的相关研究仍然缺乏。本研究以大兴安岭多年冻土区典型森林流域——老爷岭流域为对象,在2022年5月28日—10月30日通过对流域内碳湿沉降过程及河流碳输出过程的动态监测,分析了降水和河流中各碳组分浓度与通量的变化特征及影响因素,并估算了流域内碳湿沉降对河流碳输出的贡献。结果表明: 观测期内,老爷岭流域溶解有机碳(DOC)、溶解无机碳(DIC)和总溶解碳(TDC)湿沉降通量分别为1354.86、684.59和2039.45 kg·km^-2;河流中DOC、DIC、TDC的输出通量分别为601.75、1977.30、2579.05 kg·km^-2,颗粒有机碳(POC)、颗粒无机碳(PIC)、总碳(TC)的输出通量分别为125.13、21.99、2726.17 kg·km^-2;流域内TDC湿沉降对河流TDC输出的贡献量为9941.89 kg,相对贡献率为17.6%;河流中DIC浓度表现出显著的季节性差异,降水引起径流量的增加使河流中DIC浓度降低并表现出明显的稀释效应,而DOC、POC、PIC的浓度有所增加,主要表现出冲刷效应。综上,老爷岭流域的碳湿沉降通量主要由降水量决定,碳湿沉降对河流碳输出的贡献较小,径流量是影响河流碳输出的主导因素。本研究结果对理解气候变化影响下多年冻土区流域碳循环过程及碳收支平衡具有重要意义。

为准确遥感监测草原净生态系统碳交换(NEE)物候,利用内蒙古锡林浩特国家气候观象台2018—2021年的涡度相关系统和气象梯度观测系统观测数据,结合2018年1月1日至2021年12月31日的Sentinel-2卫星数据,分析克氏针茅草原NEE及其物候的变化规律,并探讨了NEE物候的遥感植被指数及阈值。结果表明: 2018—2021年,研究区NEE呈季节性变化,4—10月为碳汇,其他月份为碳源,总体呈碳汇。碳吸收开始日期(SCUP)和结束日期(ECUP)的平均儒略日分别为第95天和第259天,碳吸收持续时间平均为165 d。光合有效辐射与日NEE呈极显著负相关,有助于草原生态系统吸收大气中CO₂。最佳阈值10%的红边叶绿素指数能够较好地捕捉SCUP,而最佳阈值75%的归一化植被指数则能较好地反映ECUP。研究结果可为草原生态系统碳源汇的遥感监测提供依据。

红树林是分布于热带、亚热带潮间带的重要蓝碳生态系统之一,在我国广西沿岸广泛分布。为了更好地探究全球气候变化背景下我国红树林潜在适宜生境的变化趋势,本研究利用2021年广西沿海湿地遥感解译数据、全球海洋环境和生物气候环境数据,构建了最大熵生境分布模型,用于模拟广西沿海红树林及其入侵种互花米草潜在适宜区的空间分布,并预测极端气候变化情景下(SSP5-8.5)的变化趋势。结果表明:2021年,广西沿海现有红树林面积9136.7 hm²,模型预测其潜在适宜生境面积为55955.9 hm²,现有红树林分布区面积已基本覆盖其潜在高适宜区和近10%的中等适宜区。互花米草现有面积1320.4 hm²,预测其潜在高适宜区面积是现有面积的2倍,表明仍有大面积高适宜区未被互花米草占据。影响红树林现有潜在生境分布重要性最大的环境因子依次为离岸欧氏距离(62.2%)、地形凹凸指数(8.7%)、最热季平均海温(6.1%)、海底地形高程(5.6%),其潜在适宜分布区主要受地理条件影响。全球气候变化情景(SSP5-8.5)下,预测红树林的潜在适宜区面积将增加5.3%,互花米草的潜在适宜区将减少3.1%。当前和未来气候情境下,红树林和互花米草的适应生境重叠区域面积占红树林潜在适宜生境的比例相当,分别为15.2%和14.5%。未来仍需加强本区红树林的保护和生态修复,预防互花米草进一步入侵的挑战依旧严峻。

探明蚂蚁巢穴对热带次生林土壤甲烷排放的影响过程及机理,对于理解土壤动物活动对温室气体排放的贡献具有重要科学意义。以西双版纳高檐蒲桃热带次生林群落为研究样地,采用静态箱-气相色谱法测定蚁巢与非蚁巢土壤甲烷排放干湿季动态,探讨蚂蚁巢穴引起土壤功能微生物多样性及理化性质的变化对甲烷排放的影响机制。结果表明: 1)蚂蚁巢穴显著促进土壤甲烷的排放,蚁巢排放量是非蚁巢土壤的2.6倍。2)蚁巢与非蚁巢土壤甲烷排放通量具有显著的干湿季变化,干季为碳汇,其通量变幅为(-0.29±0.03)～(-0.53±0.02) μg·m^-2·h^-1;湿季为碳源(0.098±0.02)～(0.041±0.009) μg·m^-2·h^-1;蚁巢甲烷通量均大于非巢地,蚁巢干湿季变幅(-0.38± 0.01)～(0.12±0.02) μg·m^-2·h^-1小于非巢地(-0.65±0.04)～(0.058±0.006) μg·m^-2·h^-1。3)蚂蚁巢穴显著促进土壤产甲烷菌多样性(Ace和Shannon指数)、温湿度、碳库(有机碳、易氧化碳和微生物生物量碳)和氮库(全氮、水解氮、铵态氮和微生物生物量氮)组分的增加(增幅为6.2%～37.8%),蚂蚁巢穴却引起土壤甲烷氧化菌多样性(Ace和Chao1指数)的减少(减幅为21.9%～23.8%)。4)结构方程表明:土壤温度、湿度、碳库、氮库、产甲烷菌多样性显著促进土壤甲烷排放,分别解释了6.9%、21.6.%、18.4%、15.2%和14.0%的通量变化;甲烷氧化菌多样性的变化对甲烷排放具有抑制作用,解释10.8%的通量变化。因此,蚂蚁巢穴的存在引起了土壤功能细菌多样性、微气候和碳氮库的改变,进而影响热带次生林甲烷排放。

绿洲化过程中的土地结构变化和稳定性研究对沙地荒漠化治理尤为重要。本研究基于1980—2020年8期土地利用数据,提取了该时间段毛乌素沙地绿洲化土地空间分布信息,使用叠置分析、格网化等方法,分析毛乌素沙地绿洲化土地变化模式和稳定性的时空分异特征。结果表明: 研究期间,毛乌素沙地荒漠化问题已得到有效解决,并成功实现逆转,绿洲化过程显著,林草覆盖率从1980年的10.2%增长到2020年的73.7%,绿洲化土地面积从1980年的3.25万km²增长到2020年的3.39万km²,极重度、重度和中度荒漠化面积大幅下降,非荒漠化和轻度荒漠化面积大幅上升;绿洲化土地变化表现为稳定、波动、扩张和退缩4种模式,2020年这4种模式的绿洲化土地面积占比分别为78.7%、12.2%、6.2%和2.9%;毛乌素沙地累积变化强度较低的绿洲化(低于0.12)占总绿洲化土地面积的82.7%,沙地绿洲化总体趋于稳定。针对毛乌素沙地稳定沙带及不同变化模式绿洲化土地应采用适宜的分区治理对策,其中,在风沙活动强烈的沙漠化扩张区域歼灭沙害;在生态脆弱、沙漠化反复的绿洲化区域巩固风沙治理成效;在林草资源丰富的稳定扩张绿洲化区域,应积极开展对沙地资源的持续管理和利用,以实现沙地系统治理和提质增效的目标。

为探究免耕条件下不同秸秆覆盖量对黑土碳氮含量及酶活性的影响,寻找既能满足土壤碳氮积累需求,又能使经济效益最大化的秸秆覆盖量,本研究依托始建于2007年的东北黑土区保护性耕作长期定位试验平台,于2020年5月春播前对传统耕作(对照,CT)、免耕+无秸秆覆盖(NT₀)、免耕+33%秸秆覆盖(NT₃₃)、免耕+67%秸秆覆盖(NT₆₇)和免耕+100%秸秆覆盖(NT₁₀₀)处理下土壤碳氮含量、土壤酶活性及经济效益进行分析。结果表明:1)与CT相比,NT₀的土壤有机碳(SOC)和总氮(TN)含量没有显著变化,但提高了土壤有机质抗分解性,降低了可溶性有机氮(DON)和铵态氮等可利用养分含量。与NT₀相比,免耕秸秆覆盖显著增加了0～10 cm土层SOC含量,且随着覆盖量的增加而增加,此外NT₆₇和NT₁₀₀还显著提高了SOC储量,有机质积累效果好。不同秸秆覆盖量对0～10 cm土层土壤氮的影响不同,NT₃₃显著提高了DON含量及其占TN的比例;NT₆₇显著提高了DON含量;NT₁₀₀显著提高了TN含量。2)与CT相比,NT₀显著降低了0～10 cm土层过氧化物酶(POD)活性。与NT₀相比,NT₃₃显著提高了0～10 cm土层β-葡萄糖苷酶(βG)、纤维二糖酶(CB)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、多酚氧化酶(PPO)和POD活性,NT₆₇仅提高了CB、NAG和POD活性,但二者均缓解了微生物养分氮限制;NT₁₀₀则显著提高了10～20 cm土层PPO活性。3)NT₃₃的秸秆碳转化效率显著高于NT₁₀₀,其经济收益也最高。综上,免耕33%秸秆覆盖处理既能促进养分循环,提高秸秆利用效率,提升黑土质量,又能最大限度保证农民收入,是本试验条件下的最佳组合。

土壤团聚体组成及稳定性是衡量土壤质量的重要指标,土地利用方式的转变会对其产生不同程度的影响。本研究以黄河三角洲不同退耕年限土地(退耕2年和15年)为对象,以退耕前土地(稻田)和未开垦的自然湿地为对照,分析退耕前后土壤理化性质和土壤团聚体组成及稳定性的变化。结果表明: 稻田退耕后土壤(0～40 cm)含水量、总有机碳、溶解性有机碳和全磷整体上呈现随退耕年限延长而增加的趋势,而土壤pH和容重呈下降趋势,但黏粒含量、电导率和全氮含量无明显变化。随退耕年限延长,土壤大团聚体含量整体上呈增加趋势,而小团聚体含量呈减少趋势。表层土壤(0～10 cm)团聚体稳定性随退耕年限延长而增加,退耕15年后,团聚体几何平均直径和平均重量直径较退耕前增加了8.9%和40.4%,而>0.25 mm团聚体质量分数则减少了10.5%;退耕对下层土壤(10～40 cm)团聚体的影响不明显。综上,黄河三角洲退耕还湿对改善土壤结构、提升团聚体稳定性起到积极作用。

设施连作土壤普遍存在由于氮素过量积累导致的土壤障碍问题。本研究以不添加生物炭作为对照,以添加5%的生物炭(质量比)为处理,采用盆栽方式分析了生物炭对土壤微生物群落结构、氮循环功能基因丰度以及黄瓜幼苗根系生长和氮素代谢相关基因表达的影响,以期探明外源添加生物炭对设施连作土壤氮素转化的调控作用。结果表明: 与对照相比,设施连作土壤添加生物炭处理后显著提高了黄瓜幼苗的株高、根系干重、总根长、根表面积和根体积;改善了根区环境,诱导黄瓜通过上调植物氮代谢相关基因的表达促进了黄瓜根系对氮素的吸收。施入生物炭显著提高了土壤微生物生物量氮、硝态氮和亚硝态氮含量,显著提高了土壤中变形菌门和蓝细菌门以及鞘脂单胞菌(土壤固氮菌)等氮代谢相关菌群丰度;增加了土壤硝化、氮同化还原功能基因丰度;增强了参与氮代谢的羟胺脱氢酶、硝基单加氧酶和碳酸酐酶活性。综上,根施生物炭改善了设施连作土壤理化性质和微生物生态系统,通过促进硝化作用和氮同化作用来调节土壤的氮循环过程,提高了植株对土壤氮素的吸收能力,最终促进了黄瓜植株生长。

土壤中金属纳米颗粒可引发蓄积效应进而威胁农作物的生态安全。探讨氧化亚铜纳米颗粒(Cu₂O-NPs)对小麦幼苗叶片光系统Ⅱ(PSⅡ)的影响,对了解Cu₂O-NPs对农作物光合作用的影响具有重要意义。本研究以“周麦18”小麦为供试植物,采用水培法,研究了0、10、50、100和200 mg·L^-1 Cu₂O-NPs对小麦幼苗叶绿素荧光诱导动力学特性及相关基因的影响。结果表明: 随着Cu₂O-NPs浓度的增加,小麦叶片叶绿素含量降低,OJIP曲线的标准化出现明显的K相(ΔK＞0),PSⅡ反应中心活性参数[单位反应中心吸收的光能(ABS/RC)、单位反应中心捕获的光能(TRo/RC)、单位反应中心捕获的用于电子传递的能量(ETo/RC)和单位反应中心以热能形式耗散的能量(DIo/RC)]的值升高,PSⅡ能量分配比率参数[PSⅡ最大光化学效率(φ_Po)、用于电子传递的量子产额(φ_Eo)和捕获的激子将电子传递到QA以后的其他电子受体的概率(ψ_o)]呈下降趋势,而用于热耗散的量子比率(φ_Do)升高。小麦幼苗叶片光合量子产率Y(Ⅱ)、光化学猝灭系数(q_P)、净光合速率(P_n)、气孔导度(g_s)、胞间CO₂浓度(C_i)和蒸腾速率(T_r)随Cu₂O-NPs处理浓度的增加而降低。Cu₂O-NPs胁迫下,小麦幼苗叶片PSⅡ基因(PsbD、PsbP、Lhcb1)、Rubisco大亚基基因(RbcL)、细胞色素b₆/f复合体基因(PetD、Rieske)和ATP合成酶类基因(AtpA、AtpB、AtpE、AtpI)均显著下调。综上,施加Cu₂O-NPs改变了小麦幼苗PSⅡ的活性及结构,PSⅡ反应中心活性、PSⅡ供体侧和受体侧性能参数等均受到影响,PSⅡ相关基因下调,并表现出明显的浓度效应。

构建东北地区水稻开花期冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估等级指标,对阐明中高纬度地区冷涡型复合灾害叠加效应对水稻产量损失的影响机制具有参考意义,可为保障中国优质粳稻安全生产、区域减灾增效提供气象支撑。本研究利用生育期资料、气象资料、产量资料,界定并构建寒稻开花期冷涡型光-温-水复合逆境发生指数,采用BP神经网络法分层次分析致灾因子与产量结构的关系度、不同产量结构与产量的关系度,解析复合致灾过程,基于K-均值聚类方法及历史典型灾害年确定灾害临界值和等级,建立冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估指标及评估模型,并分析东北三省水稻开花期低温多雨寡照的时空分布特征。结果表明: 研究区水稻开花期轻度、中度、重度冷涡型光-温-水复合逆境产量损失评估指标临界阈值分别为[0,0.21)、[0.21,0.32)、[0.32,0.64],产量损失率分别为[0, 0.03)、[0.03, 0.08)、[0.08, 0.096]。基于1961—2020年随机11年总计751条样本的验证结果显示,利用本研究构建复合指数计算的减产等级与实际减产等级一致的站点比例为63.7%,各年均超过58.0%;一致或相差1级的站点比例为88.3%,各年均超过85.0%。该指标能够很好地评估冷涡型复合灾害造成的东北地区水稻产量损失率。

生物土壤结皮(生物结皮)是黄土高原广泛分布的生物地被物,在调节生态系统稳定性和多功能性方面具有重要作用。目前黄土高原生物结皮区域分布特征鲜有报道,限制了该区生物结皮生态功能的评估。本研究基于课题组2009—2020年间5次黄土高原不同降水量带388个样点的生物结皮分布特征调研资料,分析了该区不同退耕年限、降水量、地形(坡向和坡位)和退耕方式(还乔、还灌和还草)下生物结皮的盖度、组成及其影响因素。在此基础上,借助机器学习和空间建模方法,绘制了黄土高原250 m×250 m分辨率生物结皮及组成分布图,分析了黄土高原生物结皮区域空间分布特征。结果表明: 黄土高原地区林草地的生物结皮平均盖度为47.3%,其中,藻结皮占25.5%,藓结皮占19.7%,地衣结皮占2.1%,具有明显的时空变化特征。在时间上,对特定区域,生物结皮盖度随封禁年限的延长呈波动式下降,其中,藻结皮和藓结皮盖度呈明显的反向波动。在年内,生物结皮盖度在湿润季节略高于干旱季节。在空间上,风沙区生物结皮盖度较高,且以藻结皮为主,土石山区生物结皮盖度较低。降水量和退耕方式显著影响生物结皮盖度和组成的空间分布,坡向和坡位的影响相对较小。生物结皮的空间分布与土壤有机碳、pH和质地有关。本研究描述了黄土高原区域生物结皮分布的时空分异特征,可为该区生物结皮研究提供数据支持。

随着关中地区经济发展,产生大量以塿土为主要土壤类型的工程堆积体。采用模拟降雨的方法研究不同降雨强度(1.0、1.5、2.0、2.5 mm·min^-1)和不同坡长(3、5、6.5、12 m)条件下土质(0%砾石)、土石质(30%砾石)塿土堆积体坡面径流和产沙特征。结果表明: 雨强在1.0～1.5 mm·min^-1时,径流率相对稳定,而在2.0～2.5 mm·min^-1时,径流率波动变化明显;平均径流率在相同坡面不同雨强时存在显著差异,随雨强增大2种坡面间平均径流率差异显著增大,在相同雨强下,土石质坡面径流率在各坡长间的差异较土质坡面更明显。在3～6.5 m 坡长时,坡面流速先迅速增大后缓慢增大或趋于稳定,12 m坡长时则显著提高;随雨强增大,砾石对平均流速的抑制作用增强,雨强2.5 mm·min^-1时,土石质坡面平均流速较土质坡面的减幅最大可达61.5%。雨强<2.0 mm·min^-1时,产沙率呈逐渐下降或稳定变化的趋势,其他雨强时则呈先迅速下降后“多峰多谷”波动变化的趋势,且雨强越大波动越明显。平均产沙率与径流参数之间呈极显著正相关,其中,与径流率的拟合效果最好。各因子中,坡长对径流流速和次降雨侵蚀量的贡献率均最高,分别为51.8%和35.5%。该研究结果可为塿土区工程堆积体水土流失治理提供科学依据。

碳排放的加剧是全球变暖的重要原因之一,城市作为碳排放的重点区域急需提升整体固碳能力。固碳服务可在供给与需求区域之间依靠大气的流通实现相邻区域间生态系统服务的转移。本研究以临沂市为例,应用最小累积阻力模型提取供需匹配路径并进行固碳生态网络的构建。结果表明: 研究区域固碳服务供给量较高的区域位于北部和南部,现有供给总量约可解决60%的需求总量;供需空间分布不平衡,仍有54%的可解决周边固碳需求的区域被闲置;优化供需匹配路径能保持较好的物质能量传播效率,成本较低,潜在固碳能力较强的路径位于研究区中部和西北部。在固碳生态网络的建设中,需加强固碳服务供给端的保护与修复,实现固碳服务需求端的减碳排与强固碳,并做到供需匹配路径的优化与协调。该方法通过生态系统服务供给过剩区域为周边高需求区域提供服务,优化整体资源配置,可提升区域固碳能力。

探究生态系统服务价值与景观生态风险之间的相关性及其空间分异的驱动因子,有助于维护区域生态安全的稳定并促进人类福祉的持续创造。本研究以吉林省为例,基于5 km×5 km的评价单元,对2000、2005、2010、2015、2020年土地利用数据进行网格化和重采样,定量评价研究区的景观生态风险和生态系统服务价值,揭示其时空变化特征,并采用双变量空间自相关分析方法和地理探测器模型揭示二者的相关性及其空间分异的驱动因子。结果表明: 2000—2020年间,研究区生态系统服务价值总量由3858.95亿元下降至3782.11亿元。研究区东部以极低风险区、中风险区和低风险区为主,西部以极高风险区和高风险区为主。吉林省景观生态风险与生态系统服务价值间呈现出显著的负相关性以及显著的空间负相关性。土地利用类型和人为影响指数是促使研究区生态系统服务价值和景观生态风险产生空间分异的重要驱动因子。未来应通过合理规范土地利用和合理控制人为活动强度对吉林省进行生态环境优化。

国家公园的首要目标是生态保护,同时兼备科研、教育与游憩等功能。从实现全民共享出发,以大熊猫国家公园小相岭片区及周边社区为例,采用层次分析法,选取景观资源、生态环境承载力、游憩利用能力和社会条件4个因子构建生态旅游适宜性评价体系。基于GIS技术进行生态旅游适宜性评价,并开展游客问卷调查,从生态旅游适宜性和游客选择偏好两方面对评价区域的功能分区提出建议。结果表明: 评价区域生态旅游适宜性被划分为5个等级,适宜性最高的区域靠近自然景观资源且远离核心保护区,适宜性最低的区域分布在核心保护区边缘。根据适宜性分析结果,评价区可被划分为适宜发展区、适度发展区和限制发展区,结合游客偏好,评价区域游憩活动可被划分为7类:生态观光、生态露营、科普教育、休闲度假、农牧文化体验、生态教育与山地探险,该划分结果可为不同类型游客提供适宜的服务,并为小相岭片区开展生态旅游规划提供参考。

利用自动机器学习方法建立预测土壤中除草剂阿特拉津降解效率的最佳模型,可评估土壤中阿特拉津的残存风险。本研究收集了49篇已发表文献中的494对数据,选择土壤pH、有机质含量、饱和导水率、土壤湿度、阿特拉津初始浓度、培养时间和接菌量7个因素作为输入特征,以阿特拉津在土壤中的一级反应速率常数作为输出特征,建立了6种预测土壤中阿特拉津降解效率的模型。通过线性回归和相关评价指标对模型性能进行综合分析。结果表明: XGBoost模型在预测一级反应速率常数(k)方面性能表现最佳。基于预测模型获得各因素的特征重要性排名,依次为土壤湿度>培养时间>pH>有机质>阿特拉津初始浓度>饱和导水率>接菌量;应用SHAP解释各特征与土壤中阿特拉津降解能力间的潜在联系以及各特征贡献度发现,时间对k有负贡献,而饱和导水率则对k有正贡献。土壤湿度、阿特拉津初始浓度、pH、接菌量和有机质含量的高值普遍分布在SHAP=0两侧,说明它们对土壤中阿特拉津降解存在复杂贡献。XGBoost模型结合SHAP方法在预测k性能和可解释性方面具有较高的准确性。通过机器学习方法,充分挖掘历史试验数据的价值,利用环境参数对阿特拉津降解效率进行预测,对设定阿特拉津施用阈值、降低土壤中阿特拉津的残留和扩散风险、保障土壤环境的安全具有重要意义。

马铃薯块茎蛾是一种全球性检疫害虫,也是马铃薯的主要害虫,对其进行早期预警和检测非常重要。本研究从3个维度,即原产地南美洲与整个入侵地(以除南美洲以外的所有分布地为整体)之间、原产地南美洲与5个入侵大洲(北美洲、大洋洲、亚洲、非洲和欧洲)之间、原产地南美洲与入侵地中国之间的气候生态位变化,分析了马铃薯块茎蛾在入侵期间的气候生态位保守性,并构建了该害虫在当前和未来气候情景下在其原产地和入侵地(中国)的生态位模型。结果表明: 该害虫的气候生态位在上述地区均发生了不同程度的扩张,说明该害虫在入侵过程中能适应新的入侵地环境。马铃薯块茎蛾的适生区几乎遍布整个南美州;在中国,其适生区主要集中在山东、河北、天津、北京、河南、湖北、云南、贵州、四川、海南、广西北部、湖南南部、安徽、广东、江苏、山西和陕西的南部,随着温室气体排放浓度增加,全球气温升高,其适生区将在低纬度地区减少,逐渐向高纬度地区扩展,具体表现为:北部向辽宁、吉林、内蒙古东南部扩展,西部向四川及青藏高原东南部延伸,而云贵高原东南部、海南岛及长江以南等地区的适生区逐渐减少。与当前气候条件相比,未来气候条件下我国马铃薯块茎蛾适生区总面积呈增加趋势,在2081—2100年,在ssp126、ssp370和ssp585 3种温室气体排放情景下,其适生区面积分别增加27.78、165.54、140.41 hm²。因此,迫切需要提高警惕,严防马铃薯块茎蛾危害的进一步扩展。

延河流域位于黄土高原丘陵沟壑区,水土流失严重。流域中下游人类活动干扰强烈导致生态环境脆弱。流域内不同地貌单元(峁梁丘陵沟壑区、峁状丘陵沟壑区、破碎塬区)水土流失状况不同,本研究于2021年4月(春季)和10月(秋季)对流域底栖动物群落进行调查,通过构建底栖动物生物完整性指数(B-IBI)对流域水生态进行健康评价,并探究不同地貌单元对底栖动物生物完整性的影响。共鉴定底栖动物4门73属113种,两季度中水生昆虫均为绝对优势类群。对26个候选指标进行筛选发现: 春季B-IBI由优势分类单元个体相对丰度、科级耐污指数(FBI)、捕食者个体相对丰度3个指标构成;秋季B-IBI由蜉蝣目分类单元数、FBI、捕食者个体相对丰度3个指标构成。B-IBI评价结果显示,上游干支流83.3%的采样点处于健康状态,而中下游干支流仅有28.6%的采样点处于健康状态,流域春季健康状况优于秋季。Kruskal-Wallis非参数检验表明,破碎塬区秋季底栖动物密度、物种数和B-IBI均显著低于春季,且在秋季时显著低于峁梁丘陵沟壑区、峁状丘陵沟壑区,丰水期集中降雨导致水土流失加剧是造成这种差异的主要原因。冗余分析结果显示,影响春季底栖动物群落结构的关键因子为大石底质、叶绿素a、氧化还原电位、浊度、电导率、溶解氧,影响秋季群落结构的关键因子为硝态氮、氧化还原电位、pH。

为探究2022年秦皇岛近岸海域赤潮过程的成因,于2022年4—9月进行了水质和赤潮生物调查,利用因子分析和典范对应分析等方法分析了主要环境因子与赤潮生物之间的关系。结果表明: 2022年秦皇岛近岸海域共发生8次赤潮,累计赤潮面积716.1 km²,根据赤潮藻种差异和暴发时间的不同,可分为夜光藻赤潮、硅藻-裸藻(中肋骨条藻、运动异双鞭藻、伪菱形藻属)赤潮和甲藻(锥状斯克里普藻和叉状角藻)赤潮3种主要的赤潮过程。因子分析结果表明,季节因子的主要作用时间为7—9月,氮磷营养盐因子的主要作用时间为4月和7月。典范对应分析表明,夜光藻喜低温,其赤潮发生时往往伴随有较高浓度的铵氮和活性磷酸盐;中肋骨条藻、运动异双鞭藻和伪菱形藻属对各类环境因子具有广泛的耐受性,但更喜高温和富氮海水;叉状角藻和锥状斯克里普藻在寡磷环境下生存竞争力更强。综合两种方法的结果认为,3种赤潮过程的成因各不相同:充足的饵料藻及适宜的水温是引发和维持夜光藻赤潮的重要因素;适宜的温盐条件和富营养化环境是形成硅藻-裸藻赤潮的主要原因;丰富的营养物质和海水扰动促进了锥状斯克里普藻孢囊的萌发并引发赤潮;而磷限制是锥状斯克里普藻赤潮向叉状角藻赤潮转变并使之得以维持的主要原因。

随着水稻育种方法的不断改善和栽培技术的持续创新,再生稻的种植面积及比重在中国水稻生产系统中逐渐增大,已发展成为生产成效显著的水稻种植模式之一。本文结合作者多年来的研究与实践,从作物生理生态学的视角,紧紧围绕再生稻适宜品种筛选及类型划分、机收再生稻的适宜留桩高度与水肥调控、再生稻干物质生产与分配特性及其与产量形成的关系、再生稻根系和再生活力及其与根际微生态特性的关系4个方面,综述了再生稻高产形成及其生理生态机制的研究现状与展望。在推广低留桩再生稻栽培技术时,应重视根际系统的合理调控,促进根际营养供给和腋芽适时萌发及分蘖再生协调发展,实现高再生系数、高再生穗数、高收获指数、高产优质、低碳安全可持续的“四高一低”目标,促进再生稻产业可持续发展。

文物是人类历史的结晶,是不可再生、不可替代的资源。微生物广泛定殖于古代壁画、石质文物及其他类型文化遗产上并造成危害,其中优势病害真菌白色侧齿霉菌的分布尤为广泛,其可在多种文物和极端环境中生存,严重威胁着珍贵文化遗产的长久保存。白色侧齿霉菌的分类命名经历了几次变化,导致其对文物的影响尚未被特别关注。本文以白色侧齿霉菌为主线,梳理了其分类发展简史、分布范围、文化遗产类型偏好,分析了其生理、生化、生态特征及潜在的生物退化机制,提出了其可作为文化遗产微生物危害的指示物种,讨论了此类典型壁画微生物的防治对策,并展望了该领域未来的重点研究方向。

作物健康直接影响作物产量及粮食安全。目前农业生产主要依赖化肥和农药等农用化学品提升作物健康水平,但长期过度使用会破坏农田生态环境,增加农产品安全风险,亟需创制高效且环境友好的绿色投入品。作为植物的第二基因组,根际微生物组与作物健康密切相关,明确核心功能微生物、微生物-微生物以及植物-微生物的相互关系是深入挖掘有益微生物潜力、保证和维持作物健康的核心内容。然而,由于自然环境的异质性和复杂性,激发土著微生物发挥功能仍存在一定限制。合成菌群是人为地将两种或多种具有不同分类和遗传特征及功能特性的微生物进行组合,因菌群兼具多样性及稳定性的优势,已被广泛地应用于人体健康、环境治理和工业生产等领域,在促进作物健康方面也具备巨大潜力。本文阐释了合成菌群的概念及研究现状,解析了菌群构建原则及方法,并从植物-微生物互作机制、促进植物生长发育和提高抗胁迫能力等方面总结了合成菌群促进作物健康的研究进展,并对未来研究进行展望,以期为利用合成菌群提升作物健康水平提供指导。

昆虫视觉电生理技术是研究昆虫感光细胞和视觉神经元电学特性的重要技术,包括视网膜电位技术(ERG)和微电极细胞内记录技术(MIR)。ERG技术记录的是昆虫的视网膜对不同光刺激产生的电压或电流变化,这种反应发生在细胞外。MIR则是记录昆虫的单个感光细胞或视觉神经元对不同光刺激产生的电压或电流变化,这种反应发生在细胞内。昆虫电生理技术有助于探究昆虫视觉对光的电生理响应机制和明确昆虫敏感光谱和光感受器类型。本文介绍了ERG和MIR的基本结构及原理,总结了近20年来两种技术在昆虫感光电生理方面的应用,可为阐明昆虫对光的感受机制以及利用昆虫的趋光性防治害虫提供参考。