溶解性无机碳(DIC)的通量和形式在水生态系统的生物地球化学循环中起关键作用,是碳收支的重要组成部分。通过分析万峰湖水库库区水体理化参数、DIC和稳定碳同位素(δ¹³C_DIC)特征,揭示了DIC的行为和来源。结果表明: 1)在表水层,整个库区pH变化较保守,均呈弱碱性。硝酸盐氮(NO₃^--N)有最大变异系数,具有高度的时空变异性。由于稀释效应的存在,电导率(EC)、二氧化碳分压(pCO₂)和DIC的最低值均出现在夏季高径流量阶段。在水柱面上,夏季氧化还原电位(Eh)和NO₃^--N随水深增加无显著变化,其余指标均变化明显,且在温跃层变异程度最大。两季节的水温(T)、pH和Eh均随水深增加而降低,pCO₂则与之相反。EC、总碱度(TA)和DIC在夏季随水深增加而降低,冬季变化梯度较小。两季节的DIC与pH、Eh呈负相关,与EC、pCO₂呈正相关。2)夏季DIC为2.66～4.9 mmol·L^-1,而冬季为3.38～4.52 mmol·L^-1。水体热分层期间,DIC和δ¹³C_DIC在温跃层的变化梯度最大,DIC与δ¹³C_DIC在夏季表水层呈正相关。两个季节水柱面上及冬季表水层的DIC和δ¹³C_DIC均呈负相关,但冬季DIC和δ¹³C_DIC值随水深变化趋势不明显。3)夏季δ¹³C_DIC较高,为-7.71‰～-1.38‰,表明碳酸盐矿物的溶解占优势。冬季δ¹³C_DIC为-16.93‰～-9.44‰,显著低于夏季且范围更宽,生物源CO₂的输入和有机质矿化是主要来源。δ¹³C_DIC在不同季节和水深均差异显著,一方面是碳的来源不同;另一方面归因于碳来源的相对贡献比例的变化。

氘(D)和¹⁸O是水中常见的环境示踪剂,研究大气降水氢氧稳定同位素组成是研究区域及全球水循环过程的必要前提。为了揭示降水同位素组成对环境因子的响应机制,本研究在中国科学院会同森林生态实验站收集了2017年5月—2019年8月149次不同量级大气降水样品及环境因子数据,分析该地区大气降水氢氧同位素的时间变化特征,探讨水汽来源和环境因素对降水氢氧稳定同位素组成的影响。结果表明: 湖南会同大气降水线方程为: δD=(7.45±0.17)δ¹⁸O+(10.10±1.25) (R²=0.93,P<0.01),斜率比中国及全球大气降水线斜率略低;大气降水中稳定同位素组成与局地环境因子密切相关,并对季风气候中的水汽来源响应敏感,表现为夏季风期间¹⁸O和D贫化,冬季风期间¹⁸O和D富集;夏季风期间,受到孟加拉湾、南海和西太平洋在夏季风和季风后3种不同气压下远距离海洋水汽的影响,过量氘均值接近全球平均值;冬季风期间,大气降水氢氧同位素值受到远距离西风气团、孟加拉湾退化热带海洋气团、季风前期内陆水汽和局地环境因子的共同作用,大气降水线斜率偏低,过量氘值偏大。

对植物光合和后光合分馏进行分析,有助于提升对植物生理和水分管理等的认识。本研究通过测定大气、侧柏叶片和枝条韧皮部可溶性化合物的δ¹³C,探讨了光合作用时大气和叶片间碳同位素的分馏(ΔC_a-leaf)和光合作用后叶片到枝条间的碳同位素分馏(ΔC_leaf-phlo)对土壤含水量(SWC)和大气CO₂浓度(C_a)的响应。结果表明: ΔC_a-leaf在SWC为田间持水量(FC)的95%～100%(95%～100%FC)且C_a为400 μmol·mol^-1时达到最大值(13.06‰),在SWC为35%～45%FC且C_a为800 μmol·mol^-1时达到最小值(8.63‰);气孔导度和叶肉细胞导度均与ΔC_a-leaf呈显著线性正相关,相关系数分别为0.43和0.44;而ΔC_leaf-phlo并未受到SWC和C_a的显著影响。本研究不仅可以提高对碳同位素的分馏机制的认识,而且可以为植物对未来气候变化的生存适应性提供理论依据。

水分是干旱地区植物生长的关键限制因子。小叶杨是河北省张北县典型的防护林树种,发挥了重要的生态屏障作用。为了揭示近年来该地区小叶杨出现大面积衰退的原因和机制,本研究利用稳定同位素技术,结合图解法和多元线性混合模型,分析了张北县4种不同退化程度(未退化、轻度退化、中度退化和重度退化)小叶杨在不同时期的水分来源和水分利用策略。结果表明: 生长前期(5—6月),不同退化程度小叶杨水分来源均比较单一,主要利用0～40 cm层的土壤水,未退化、轻度退化、中度退化和重度退化的利用率分别为34.2%、50.1%、41.6%和55.7%。生长中期(7—8月),未退化小叶杨吸收利用200～280 cm和280～400 cm层的土壤水,利用率分别为20.2%和30.9%;轻度退化小叶杨利用200～280和280～400 cm层的土壤水,利用率分别为33.2%和27.9%;中度退化小叶杨吸收利用0～40和40～120 cm层的土壤水,利用率分别为30%和26.9%;重度退化小叶杨对0～40 cm层土壤水的利用率达到55.4%。生长后期(9—10月),未退化小叶杨水分来源向中上层土壤水转移,主要利用0～40、40～80和80～120 cm层的土壤水,利用率分别为23.3%、17.2%和16.5%;轻度退化小叶杨利用0～40 cm层的土壤水,利用率为35.7%,对中层80～200 cm层土壤水的利用率也较高,为20.6%;中度和重度退化小叶杨主要利用0～40 cm层的土壤水,利用率分别为43.7%和51.8%。随着退化程度加重,小叶杨的主要水分来源从深层土壤水逐渐向表层土壤水转移。

植物在一定环境条件下可通过叶片吸水发生水分逆向运移来维持自身生长,尤其是在季节性干旱地区。但这一过程通常被忽视,使得在量化理解干旱胁迫下的森林植被水分利用过程与机制方面仍存在一定的空白。本研究以北京山区为研究区,以其典型造林树种侧柏为研究对象,利用稳定同位素和热比率技术,通过野外布设对比试验和室内控制盆栽试验,分析树木体内水分逆向运移的发生条件和规律,量化逆向运移量及补给率,研究不同部位水分逆向运移变化特征及过程。结果表明: 在野外对比试验中,控制样方在雨后的树木胸径和根系处监测到逆向液流,且根系逆向液流的发生比胸径处会有所延迟,而对比样方则无逆向液流;在室内控制试验中,不同处理组在雨后2 h树木各部位逆向运移补给率达到最高值,除重度和中度干旱处理外,雨后8 h基本恢复初始状态,水分逆向运移对植物的影响一般不超过24 h;叶片吸水量与其产生的对枝条和根际土壤的逆向补给率和土壤前期含水量呈负相关关系,对叶片、枝条和根际土壤的最大补给率分别为(9.5±0.1)%、(5.9±0.3)%和(5.7%±0.6)%;在水分逆向运移过程中,侧柏不同部位水分运移对时间的响应不同。在复杂多变的水分供给条件下,研究植物水分逆向运移的过程与机制,对准确理解其生存和竞争力具有重要意义。

利用稳定同位素技术对植物叶片水¹⁸O同位素组成(δ_L,b)进行研究,可以为植物叶片生理及森林水文的研究提供理论参考。本研究连续监测北京山区侧柏人工林生态系统冠层大气水汽浓度(W_a)和大气水汽¹⁸O同位素值组成(δ_v),结合测定的侧柏枝条水¹⁸O同位素组成(δ_x)和δ_L,b,分析了动力学分馏系数ε_k1(32%)和ε_k2(28%)对δ_L,b的预测效果。结果表明: 侧柏人工林生态系统W_a日变化无明显规律,大气相对湿度(RH)日变化呈“V”型,气孔导度(g_s)在日尺度上先增大后减小;同位素接近稳态时(正午前后),δ_L,b略有增加,W_a、RH、g_s与δ_L,b均呈显著负相关关系;同位素接近稳态条件下,将不同动力学分馏系数ε_k1、ε_k2应用于Craig-Gordon模型,预测δ_L,b,ε_k2的预测值更接近δ_L,b的实测值,表明ε_k2应用于模型更符合北京山区侧柏叶片水同位素富集情况。研究结果将加深对叶片水同位素富集模型、蒸散拆分模型的认识。

多枝柽柳和旱柳是北方地区河岸生态修复的良好树种,具有护河防洪、调节区域气候的作用和营造河岸地带植被景观的功能。本研究选取黄河兰州段沿岸2处样点,采集了多枝柽柳和旱柳木质部以及各潜在水源的样品,利用氧同位素直接对比法、贝叶斯混合模型MixSIAR和相似性比例指数(PS指数),分析了多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用率以及两者之间的水分利用关系。结果表明: 在整个生长季,浅层土壤水(0～30 cm)是多枝柽柳和旱柳的主要水分来源,利用率分别为28.3%和24.4%,多枝柽柳对河水的利用率最小(16.6%),旱柳对地下水的利用率最小(17.9%);在土壤含水量较低的月份,植物会增加对河水和地下水的利用比例,样点S₁和S₂的PS指数分别为91.0%和87.7%,两个样点均在5月的PS指数最大,不同月份的水分利用关系存在一定的差异;处于河漫滩这一特殊地理位置,多枝柽柳和旱柳对各潜在水源的利用比较平均,最大程度地获取各潜在水源的水分,是一种最优的吸水模式。本研究可为开展黄河兰州段河岸休闲旅游活动和黄河流域生态环境保护中植物水分管理提供一定的理论基础。

基于稳定碳同位素对北京西山侧柏林生态系统呼吸进行定量拆分,能够为该地区森林生态系统碳交换研究奠定基础。本研究采用光谱技术对森林不同高度处CO₂浓度和δ¹³C值进行连续观测,同时采用土壤气室和枝条气室测定地下呼吸和地上呼吸的δ¹³C值,求得生态系统呼吸各组分比例。结合土壤呼吸通量的测定,实现对生态系呼吸的定量区分。结果表明: 森林生态系统各呼吸组分夜间δ¹³C值呈波动变化,植物地上呼吸δ¹³C值变化范围为-31.74‰～-23.33‰,土壤地下呼吸δ¹³C值变化范围为-32.11‰～-27.74‰,生态系统呼吸δ¹³C值介于二者之间。夜间平均土壤呼吸通量为1.70 μmol·m^-2·s^-1,占生态系统总呼吸的47%～91%;夜间地上呼吸量的平均值为0.72 μmol·m^-2·s^-1,对生态系统总呼吸的贡献较小。由同位素混合模型推算求得的日间呼吸变异大于温度响应模型的结果,其平均值分别为2.31和2.28 μmol·m^-2·s^-1。

为了阐明稻田土壤中尿素在配施抑制剂和猪粪的情况下不同形态氮的响应特征,探究不同管理措施下稻田土壤氮素保持和供给能力。本研究采用¹⁵N标记尿素进行盆栽试验,设置不施肥(CK)、猪粪(M)、尿素(N)、猪粪+尿素(NM)、尿素+抑制剂(NI)和尿素+抑制剂+猪粪(NIM)6个处理。抑制剂选用脲酶抑制剂(PPD+NBPT)和硝化抑制剂(DMPP)组合,测定返青期、分蘖期和成熟期土壤氮库的分配、尿素氮在氮库中的保存及水稻吸氮状况。结果表明: 施用猪粪显著提高了土壤铵态氮、固定态铵含量和微生物生物量氮,提高了分蘖期尿素氮在各氮库中的贮存,显著增加了水稻产量。与N处理相比,添加抑制剂促进了NH₄⁺的矿物固定和微生物对尿素氮的固持;与NM处理相比,施用抑制剂增加了黏土矿物对¹⁵NH₄⁺的固定。通径分析表明,施用猪粪能促进水稻吸收肥料氮,增加水稻产量;添加抑制剂可通过铵的矿物固定将更多的肥料氮暂时储存;NIM能将更多的氮贮存在微生物生物量氮中,至作物生长后期,铵的释放和微生物周转矿化可为水稻提供更多的有效氮源。在我国北方稻田,NM和NIM处理是推荐的施肥方式。

以6年生‘烟富3’/M26/平邑甜茶为试材,采用¹³C同位素标记技术,在果实膨大期用不同浓度钾素水溶液(K₂O浓度分别为0、0.5%、1.0%、1.5%、2.0%,分别用CK、K₁、K₂、K₃、K₄表示)涂抹果实周围20 cm范围内叶片,研究其对叶片叶绿素荧光参数、光合性能、糖转运蛋白基因表达、¹³C同化能力及¹³C同化物向果实转运的影响。结果表明: 与其他处理相比,K₃处理显著提高了叶片Rubisco酶活性、净光合速率、PSII原初光能转化效率、PSII实际光化学效率、光化学淬灭系数、山梨醇和蔗糖含量、6-磷酸山梨醇脱氢酶(S6PDH)和蔗糖磷酸合酶(SPS)活性及¹³C同化能力;提高了果柄组织山梨醇转运蛋白基因MdSOT1、MdSOT2和蔗糖转运蛋白基因MdSUT4的表达,促进了糖在果实中的卸载。¹³C自留量(自身叶片+自身新梢)以CK最高,为82.6%,K₃处理最低,为60.5%。果实¹³C吸收量随钾素浓度增加呈先升后降趋势,以K₃处理最高(1.31 mg·g^-1),CK最低(0.57 mg·g^-1)。表明叶施钾素水溶液不同程度提高了叶片PSII光化学效率和碳同化关键酶活性,进一步提高了叶片同化物的合成能力和向外输送能力,促进了糖向果实的定向转运。同化物向果实转运数量以1.5% K₂O涂抹叶片处理(K₃)最多。

以‘嘎啦/八棱海棠’为试材,借助¹⁵N同位素示踪技术,研究了撒施(T₁)、滴灌施氮(T₂)和渗灌施氮(T₃)对嘎啦苹果氮素吸收利用、分配特性和产量品质的影响,以期进一步完善苹果园水肥一体化技术,挖掘提高氮素利用率的途径。结果表明: T₃处理苹果叶片的叶面积、叶绿素和氮含量显著高于T₁和T₂处理。各时期土壤矿化氮(N_min)含量在20~40 cm土层表现为T₃＞T₂＞T₁处理,在0~20 cm土层表现为T₂＞T₃＞T₁处理。同一器官的Ndff值(树体各器官从肥料中吸收到的¹⁵N占该器官全氮量的比例)在各时期均以T₃处理最高,T₂其次,T₁处理最低。果实成熟期的树体¹⁵N利用率表现为T₃＞T₂＞T₁处理,其中T₃处理的树体¹⁵N利用率为24.2%,分别是T₂和T₁处理的1.19和1.65倍。果实成熟期T₁处理的¹⁵N分配率在营养器官最高,T₂处理在贮藏器官最高,T₃处理在生殖器官最高。各处理的单果重、产量、可溶性固形物、硬度、可溶性糖及糖酸比均以T₃处理最高,T₂其次,T₁处理最低。渗灌施氮处理显著促进了嘎啦苹果树体叶片生长和氮素利用,并提高了果实产量和品质。

以3年生黄冠梨为材料,探讨了早春施用¹⁵N尿素后,树体在萌芽期-新梢缓慢生长期和新梢缓慢生长期-果实成熟期对氮素的吸收、分配与利用特性。结果表明: 梨树在萌芽期-新梢缓慢生长期主要以新梢和叶片等营养器官生长为核心;在新梢缓慢生长期-果实成熟期则以根系等贮藏器官生长为主,果实产量品质形成为辅,且树体尤其是贮藏器官的生物量成倍增加。由于各器官尤其是新梢和叶片生长旺盛、新梢缓慢生长期吸收的标记氮量相对较多,各器官吸收的肥料氮(Ndff)值相对较高;果实成熟期除粗根外各器官的Ndff值均低于新梢缓慢生长期。萌芽期到新梢缓慢生长期吸收的标记氮主要分配在新梢和叶片营养器官中,新梢缓慢生长期到果实成熟期吸收的标记氮则主要分配在贮藏器官中;整个生育期间,植株吸收的标记氮在贮藏器官中分配率最高,营养器官次之,生殖器官中分配率最低。3年生梨树从萌芽期-新梢缓慢生长期、新梢缓慢生长期-果实成熟期吸收的肥料氮分别占当年总吸氮量的31.1%和21.0%,而两个时期内吸收的土壤氮占比分别达68.9%和79.0%。

叶肉导度(g_m)表征CO₂从植物气孔下腔到叶绿体内光合作用羧化位点的传输导度,是光合作用的重要限制因子,也是改良作物光合作用和资源利用效率的关键参数。¹³C分馏在线联测法是研究植物光合生理的重要手段,也是目前测定C3植物g_m的主流方法之一。但该方法对实验设备要求较高、难度较大,因此尚未被广泛采用。本文综述了当前测定g_m的主流方法的适用性和特点;介绍了¹³C分馏在线联测法的理论基础——光合¹³C分馏模型,¹³C分馏在线联测法的实测方法、计算公式和测定系统的搭建,以及C3植物叶肉导度的调控因素。最后对¹³C分馏在线联测法的改进、操作要点和未来应用场景进行了展望。

气候变化深刻影响森林生态系统的结构和功能。在全球升温背景下,不同环境中不同树种的生长模式及其气候响应决定着生态系统的发展和稳定。本研究基于大兴安岭地区奥克里堆山的白桦年轮宽度数据,采用树木年代学方法,分析(兴安)落叶松森林中先锋树种白桦的生长-气候响应与升温和海拔变化的关联。结果表明: 气候变暖使具有明显海拔环境差异的白桦产生生长分异。较低海拔(1050 m)区域的白桦生长显著增加,而在相对偏高海拔(1250 m)区域的生长变化不大;在具有明显快速升温变化(1980年)之前,各海拔区域白桦生长的冬季(上年10月至当年2月)低温胁迫均达到显著水平;在快速升温阶段(1981—2010年),白桦生长的冬季低温胁迫降低,生长季(5—7月)温度成为偏高海拔处白桦生长的主要限定性因子;在水热条件较为调和的低海拔区域,白桦生长加快。研究区内白桦的分布总体上随着气候的持续变暖逐渐向高海拔区域扩散。

基于2001—2018年MODIS NDVI数据,采用累计归一化植被指数(NDVI)的Logistic曲线曲率极值法,识别内蒙古植被枯黄期及其时空变化特征,并在生态区尺度上分析枯黄期对气候因子和NDVI的响应特征。结果表明: 研究期间,内蒙古植被平均枯黄期主要集中在第260～280天。森林生态区枯黄期为第270～280天,从南向北推迟;草原生态区枯黄期最早,介于第257～273天,从东北向西南逐渐推迟;荒漠生态区枯黄期为第270～283天,东北向西南呈推迟态势。2001—2018年间,3个生态区植被枯黄期均呈不显著推迟趋势。植被生产力从东北向西南逐渐降低,在时间上呈增加趋势的面积大于呈减小趋势的面积。全内蒙古和各生态区植被枯黄期受季前2～3个月降水量的正面影响较大,与季前平均温度、最高温度和最低温度均呈正相关关系。全内蒙古和各生态区,8和9月植被生产力的增加(或减少)将推迟(或提前)植被枯黄期,而6和7月植被生产力的增加(或减少)将提前(或推迟)草原和荒漠生态区植被枯黄期。

运用数量化的方法对植物群落进行分类和排序,可以客观地揭示植物群落和环境之间的相互关系,为植被恢复和森林经营管理提供理论依据。以浙江杭州午潮山45个20 m×20 m的森林动态监测样地为研究对象,运用聚类和排序等数量化方法,分析亚热带常绿阔叶林的群落类型、生物多样性特征及群落与环境的关系。结果表明: 午潮山亚热带常绿阔叶林样地可划分为3个群落类型: 木荷群落、白栎-薄叶山矾群落和青冈群落。3个群落类型中,树木个体密度和胸高断面积均无显著差异,而物种丰富度差异显著。青冈群落的物种丰富度显著高于木荷群落,但与白栎-薄叶山矾群落无显著差异。冗余分析(RDA)排序表明,群落分布与环境因子有明显的相关性。土壤和地形等解释了群落分布46.4%的变异,土壤全磷、有效磷、速效钾含量,以及海拔、坡度、坡向和透光度对群落的分布有显著影响,而土壤全磷、速效钾含量和海拔可能是影响午潮山亚热带常绿阔叶林群落分布最重要的环境因素。53.6%未能解释的部分可能归因于人为干扰。

2019年8月在云冷杉针阔混交林样地(0.36 hm²),对48个林隙及幼苗(0.2<更新高度RH<1 m)、幼树(RH≥1 m,胸径DBH<5 cm)进行调查,分析林隙大小(<20 m²,小;20～50 m²,中;50～120 m²,大;>120 m²,特大)对林隙内红松、鱼鳞云杉及冷杉幼苗幼树密度和生长指标(高、基径)的短期影响,并采用核密度估计法分析其空间分布规律。结果表明: 云冷杉更新的密度通常随林隙增大而降低,仅对幼树影响显著,小林隙下云冷杉幼树密度分别为0.34和1.74株·m^-2,红松密度不受林隙大小的影响。林隙大小对冷杉幼苗幼树生长指标的影响最大,对红松影响最小,平均最大值多出现在大林隙。红松和云杉幼树的基径和树高最大值均分布在小、中、大林隙东北部,在特大林隙中转移至冠空隙西北部。小林隙有助于幼苗的建立和萌发,可通过择伐冷杉创造小林隙,随后扩大林隙面积(>50 m²)促进幼树生长,需要持续监测来确定林隙大小对森林更新的长期影响。

秦岭山脉是我国乃至全球生物多样性热点地区,植被资源丰富,物种多样性高。为了研究秦岭植被恢复过程中的多样性维持机制,参照CTFS样地建设方案,于2016年秋在秦岭主峰太白山北坡的锐齿栎次生林和原始林中各建立了1块100 m×150 m固定监测样地。本文以样地中所有胸径(DBH)≥1 cm的木本植物数据为基础,分析了2块样地中群落组成及结构特征。结果表明: 锐齿栎次生林和原始林样地所监测木本植物分别为2839和2840株,隶属于29科45属65种和21科37属47种,其中,偶见种和稀有种的比例分别为38.4%和24.6%、40.4%和19.2%,且均以北温带分布的植物种类居多,分别占总属数的46.6%和48.7%。2块样地中,建群种锐齿栎径级结构均呈单峰型;水榆花楸、青榨槭、四照花和三桠乌药主要伴生种的径级结构均呈倒“J”型,表明群落内主要树种都能很好地完成种群的生活史。双相关g(r)函数分析表明,在r=10 m的范围内,2块样地中的主要优势种在<2 m的尺度中聚集程度最强;随着尺度的增加,聚集程度逐渐减弱,当尺度增大到某一值时,物种呈随机或均匀分布格局。次生林和原始林的平均角尺度分别为0.56和0.58,群落整体处于聚集分布状态,并且次生林群落及主要优势种的平均角尺度均小于原始林,说明次生林样地中物种的聚集程度比原始林弱;次生林和原始林的平均大小比数均为0.47,整体林分处于中庸状态;平均混交度分别为0.70和0.57,属于强度和中度混交。干扰导致群落的物种丰富度、群落稳定性和林木空间分布格局发生变化。因此,受干扰的森林群落在植被恢复过程中,必须考虑种间相互作用、生境异质性对物种共存的影响和群落结构的动态变化。

本文选取塔里木河下游阿拉干断面胡杨林长期监测样地,分析胡杨林空心率、树洞特征及其在不同胸径和树高组间的分布特点。结果表明: 研究区胡杨种群具有较高的空心现象,空心胡杨占调查胡杨总数量的56%,约159株·hm^-2;胡杨空心率在不同胸径和树高组间呈显著差异,其与胸径呈显著正相关,与树高呈显著负相关。该监测样地胡杨树洞密度约560个·hm^-2,平均每株2个;所调查的胡杨树洞大部分出现在树干上(57.1%),均以树干中部洞口为主(31.3%);直径为5~15 cm的树洞(38.2%)所占比例最大。总树洞数量、单株树洞数量、树洞直径等特征与胸径呈显著正相关,与树高呈显著负相关,而各树洞类型在不同胸径和树高组间的分布不同,变化趋势不一致。胡杨树洞在各方位上的分布差异显著,树洞集中分布在正西方向上。胡杨荒漠河岸林的空心发生率较为严重,且胸径越大其空穴化程度越明显。加强保育幼龄胡杨和修复退化荒漠河岸林具有重要意义。

研究不同浓度盐分(NaCl和NaHCO₃,0、40、80、120、160和200 mmol·L^-1)对6种河西走廊荒漠绿洲边缘人工林典型一年生草本植物(禾本科:狗尾草、虎尾草和小画眉草;藜科:雾冰藜、刺沙蓬和蒙古虫实)种子在当年秋季和次年春季的萌发和复萌的影响。结果表明: NaCl和NaHCO₃对6种植物种子的萌发有显著影响,NaHCO₃对种子萌发的抑制作用大于NaCl。NaHCO₃浓度达到160 mmol·L^-1时,6种植物基本不萌发或萌发率较低;NaCl浓度达到200 mmol·L^-1时,6种植物仍能够保持相对较高的萌发率。种子当年秋季萌发率(2.8%～20.0%)远低于次年春季萌发率(21.7%～81.6%),秋季复萌率(3.3%～20.0%)低于春季复萌率(5.0%～41.1%),当年生种子秋季多保持休眠,次年春季休眠减弱。6种一年生草本植物种子的耐盐性为:虎尾草＞狗尾草＞刺沙蓬＞雾冰藜＞蒙古虫实＞小画眉草。

在长白山阔叶红松林中设置氮添加(N,50 kg N·hm^-2·a^-1)、磷添加(P,25 kg P·hm^-2·a^-1)和氮磷添加(NP,50 kg N·hm^-2·a^-1+25 kg P·hm^-2·a^-1)试验,分析氮磷添加对有机层和矿质层土壤微生物群落组成和氨基糖的影响。结果表明: 在有机层土壤中,N、P添加使总微生物生物量显著降低19.5%和24.6%,P添加还使细菌和真菌生物量分别显著降低23.8%和19.3%;在矿质层土壤中,N、P和NP添加使总微生物生物量显著增加94.8%、230.9%和115.0%,细菌和真菌生物量在施肥处理下显著增加。N添加下有机层土壤真菌与细菌生物量比值(F/B)显著增大,而NP添加使矿质层土壤F/B显著减小。革兰氏阳性菌与革兰氏阴性菌比对N、P和NP添加有显著正响应。土壤氨基糖对不同处理的响应不同。在有机层土壤中,N、P和NP添加使氨基葡萄糖含量分别减少41.3%、48.8%和36.4%,而N和NP添加分别使胞壁酸含量显著增加43.0%和71.1%;在矿质层土壤中,氨基葡萄糖和胞壁酸含量在N添加下无显著变化,而在P和NP添加下显著增加。在施肥处理下,有机层土壤中氨基葡萄糖与胞壁酸比值显著减小,表明N、P添加增加了细菌对土壤有机碳积累的相对贡献。N、P添加后土壤氨基糖含量的变化与微生物群落组成的变化密切相关,且二者均受到土壤化学性质变化的影响。

土壤脲酶作为能够催化尿素水解的最重要酶类,对草地生态系统氮素供应具有重要作用。目前探讨不同碳添加对草地土壤胞外脲酶影响的研究报道相对较多,但碳添加对土壤胞内脲酶的影响,以及胞内和胞外脲酶对碳添加的响应是否一致等尚需深入研究。本研究依托额尔古纳森林草原过渡带生态系统研究站开展的碳添加野外试验平台(以葡萄糖为碳源),选取无碳添加(C₀)、250(C₂₅₀)和500(C₅₀₀) kg C·hm^-2·a^-1处理为供试对象,探讨碳添加下黑钙土胞内、胞外脲酶活性响应及其与土壤性质的关系。结果表明: 碳添加显著提高了土壤胞内脲酶活性,增加了土壤胞内脲酶活性占总脲酶活性的比例,但对土壤胞外脲酶活性没有显著影响。土壤胞内脲酶活性与微生物生物量具有显著正相关关系,表明胞内脲酶活性增加主要是由微生物生物量增加引起的。结构方程模型(SEM)分析表明,碳添加通过影响土壤微生物生物量间接提高了土壤胞内脲酶活性。

本文探讨了培养条件下黑曲霉解磷能力的主要影响因素。通过单孢株筛选得到解磷能力较强的菌株Xj-2,其在液体培养基中的解磷能力达到539.90 mg·L^-1。解磷发酵动力学模型模拟发现,其解磷能力在培养的第4 天达到平稳,可作为终止发酵时间。不同磷源培养液中菌株Xj-2的解磷量依次为磷酸钙(539.90 mg·L^-1)>磷酸锌(238.45 mg·L^-1)>磷酸铁(182.64 mg·L^-1)>磷矿粉(71.80 mg·L^-1)>磷酸铝(24.40 mg·L^-1)。通过单因素试验并结合响应面优化,研究了其解磷最佳条件。结果表明: 碳源对Xj-2的解磷能力影响最大,其次是菌群密度和培养液pH。当培养温度35 ℃、转速160 r·min^-1、培养液pH 6.0、氮源(尿素)浓度0.79 g·L^-1、碳源(葡萄糖)浓度10.00 g·L^-1、菌群密度3.8%、培养时间为4 d时,Xj-2的解磷能力最高,为616.81 mg·L^-1。

在脆弱的自然环境和强烈的煤矿开采活动共同影响下,黄土高原以榆神府矿区为核心的生态脆弱带土壤侵蚀极其严重。虽然退耕还林(草)工程的持续实施有效缓解甚至遏制了土壤侵蚀,煤矿开采却引发了新的问题,改变了小流域侵蚀产沙特征。本研究在该区域选择代表性坝控小流域——老爷满小流域,运用复合指纹识别法判别淤地坝沉积泥沙来源,旨在揭示退耕还林(草)和煤矿开采对榆神府矿区典型小流域侵蚀产沙特征的影响;从已建立的坝地运行期间的沉积旋回时间序列中选取退耕还林(草)之前10年(1990—1999年)和之后10年(2000—2010年),对比分析源地对坝地沉积泥沙的贡献差异及其变化特征。结果表明: 2000—2010年沉积旋回的年均厚度由1990—1999年的(42.7±29.9) cm减小到(16.6±13.7) cm,坝地采样点单位面积年均沉积量由579.9 kg·m^-2减少到245.8 kg·m^-2。研究期间小流域首要泥沙源地均为沟壁(平均贡献为79.2%±10.1%),但与1990—1999年相比,2000—2010年间受退耕还林(草)工程影响较大的坡面对坝地沉积泥沙的贡献率呈现增加趋势,年均贡献增加7.4%。结合区域的降雨和煤矿开采情况,上述现象表明在退耕还林(草)和降雨侵蚀力减小的共同影响下,流域的侵蚀产沙强度总体明显减弱;煤矿开采对坡面侵蚀产沙有重要的影响,导致退耕还林(草)对坡面水土流失的防治效果受到明显的影响。由此可见,煤矿开采增加了坡面的侵蚀产沙风险,受煤矿开采影响的区域是坡面水土流失治理的重点区域。

以中亚热带典型的马尾松林、湿地松林和马尾松-木荷混交林(针阔混交林)为研究对象,分析不同林分类型下0～10和10～20 cm土层的β-D-葡萄糖苷酶(BG)、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、酸性磷酸酶(AP)、多酚氧化酶(POX)、过氧化物酶(POD)6种土壤酶活性,以及酶化学计量比及土壤理化性质特征,分析驱动中亚热带典型林分类型土壤酶活性及其计量比变异的主要因素。结果表明: 林分类型显著影响了土壤BG和LAP活性,表现为湿地松林10～20 cm土层土壤BG显著高于马尾松林,而LAP在马尾松林最高;湿地松林10～20 cm土层土壤BG/(NAG+LAP)、BG/AP显著高于马尾松林,而马尾松林(NAG+LAP)/AP显著高于湿地松林和针阔混交林;林分类型间酶化学计量的向量长度在10～20 cm土层差异显著,表现为湿地松林>针阔混交林>马尾松林。3种人工林酶化学计量的向量角度均大于45°,其中在湿地松林10～20 cm土层向量角度显著大于马尾松林。冗余分析表明,土壤碳质量指数和有机碳与全磷的比值(C/P)以及土壤含水量和C/P分别是0～10和10～20 cm土层土壤酶活性及其化学计量的关键影响因素,土壤碳和磷的数量和质量,以及土壤含水量在调节中亚热带人工林生态系统养分循环中发挥关键作用。

陆面碳循环在气候变化和生态系统碳收支平衡中起到关键作用。水热变化与CO₂交换分析对于深刻揭示荒漠生态系统的区域碳循环规律及机制具有重要意义。本研究选取科尔沁沙地典型流动沙丘为对象,利用涡度相关技术和波文比气象观测系统所测的数据分析近地层水热变化及CO₂交换特征,探讨了日和季节尺度,以及0～10 m垂直空间尺度下流动沙丘近地层温湿度与CO₂交换过程的相互关系。结果表明: 研究区近地表气温垂直变幅在0.4～2 ℃,4—9月,气温随着高度的升高呈减的趋势,其余月份则相反,空气相对湿度季节变幅超过40%;在2018年生长季,沙丘净生态系统碳交换量(NEE)的日均值为-0.02 mg·m^-2·s^-1,全年水平的NEE日均值为0.003 mg·m^-2·s^-1,全年整体上表现为碳源;垂直空间尺度上,垂直温、湿度差与NEE拟合均较好,水热影响拐点分别为10%和0.5 ℃,而全年尺度上温度拟合结果相对较好,水热影响拐点分别为17 ℃和65%。在生长季,研究区近地层垂直温差为负,会抑制流动沙丘对大气CO₂的吸收,而大气高湿环境则会促进流动沙丘对大气CO₂的吸收。不同时间和不同垂直高度上,水热变化与CO₂交换关系较密切,对沙丘碳汇和碳源的产生具有一定的影响,且碳收支对温度的敏感性强于相对湿度。

随着生态环境问题的日益突出和全球化,人们越来越注重环境保护,而且遥感技术在生态环境监测和评价中发挥着重要作用。本研究基于1992、2000、2008和2017年的Landsat影像数据,构建遥感生态指数(RSEI),对内蒙古杭锦旗的生态环境质量进行监测和评价,以期为该区生态环境保护提供理论依据。结果表明: 1992—2017年,杭锦旗的生态环境质量总体较差,其RSEI等级以差和较差为主;RSEI均值从0.31(1992年)上升到0.37(2008年),再下降至0.30(2017年),期间生态等级变化均以变化1个等级为主。在空间分布上,杭锦旗生态环境质量较差的区域主要分布在中西部的荒漠平原区,生态质量较好的区域主要分布在黄河沿岸和东南部,生态质量等级变化波动较大的区域主要分布在沙漠边缘、黄河沿岸和东部的丘陵沟壑区。研究期间,杭锦旗各生态等级的重心转移幅度较大,时空波动较明显。总之,杭锦旗生态环境脆弱、不稳定,生态建设对生态环境的改善有一定促进作用,同时也要合理地配置资源和利用土地。

在气候变化背景下,将人类活动对植被的影响进行量化研究,对于区域生态管理具有重要的现实意义。本研究基于GIMMS NDVI3g数据、气象数据(气温、降水)和标准化降水蒸散指数(SPEI),运用相关分析和趋势分析,研究京津风沙源区1982—2014年不同时期的植被时空变化及其驱动因子,再利用回归分析和残差分析定量研究了不同时期不同亚区人类活动对植被变化的影响。结果表明: 1982—2014年,京津风沙源区77.1%的植被退化状况得到明显改善,64.1%的地区植被生长呈上升趋势,年均NDVI呈现东南向西北递减的趋势。不同时期植被动态研究显示,74.5%的地区在京津风沙源治理工程实施后植被增加,最明显的是晋北山地丘陵亚区。在气候因子中,降水与植被变化的相关性最强;生态工程等人类活动在京津风沙源区的大部分地区起到了积极的作用,尤其是晋北山地丘陵亚区达到了94.9%。

生态系统中广泛存在非线性变化,表现为系统状态随着压力的逐渐增加而发生骤然转变。为解释这种变化,国外生态学家提出了生态阈值和稳态转换的概念,不断完善理论和方法体系,开展机理和案例研究,深化对复杂系统演化机制的理解,并开始应用于环境管理。在我国,近几十年来在各类生态系统中开展了大量关于压力-响应的定量化研究,取得了丰富成果。这些研究在本质上与生态阈值和稳态转换理论范式紧密关联。本文以“中国生态阈值和稳态转换案例数据库”为基础,按照河流、湖泊、湿地、森林、草地、河口与海洋、农田、荒漠、城市、冻原10种生态系统类型,筛选归纳了相关生态阈值,并阐释了稳态转换机理。将研究案例与生态阈值、稳态转换理论范式进行衔接,目的是整合多领域研究成果,作为生态系统复杂性研究的基础,推动其在生态环境监测、生态安全预警以及生态标准创新发展领域中的应用。

本文基于能值理论全面评估了2006—2016年中国的可持续发展水平,并根据一次能源投入比例的不同将各省份分为4组进行比较分析,讨论一次能源投入水平对省域间可持续发展水平的影响。结果表明: 2006—2016年,随着经济快速增长,一次能源投入比例不断上涨,使得我国整体生态经济系统的环境负荷由2.78升至3.13。同时,受进口增加的影响,能值产出率相对下降,可持续性指标下降至5.40。能值密度变化趋势与一次能源投入比例的变化基本一致,目前大多数省份依旧通过能源消费带动区域经济发展。其中,北京、上海等虽现代化经济高度发达,但环境压力同样高于其他省份,可持续发展水平不容乐观。以江苏为代表的南方省份能源投入较低而能值产出较高,表现出较高的可持续发展活力。因此,提升内陆地区能源利用效率、调整经济发展模式,并适当减缓发展强度,以缓解经济发展与环境保护之间的矛盾,可以令我国稳步实现生态经济的可持续发展。

资源型地区生态环境与工业经济发展之间的矛盾异常突出。本研究以2006—2015年山西、内蒙古、黑龙江、贵州、云南、陕西、青海、宁夏和新疆9个典型资源型省份为样本,深入研究专业化、相关多样化和无关多样化等不同类型工业集聚对资源型地区生态效率的影响及作用机制。结果表明: 专业化集聚对生态效率具有显著的负向影响,除宁夏以外,多数资源型省份的工业专业化程度呈下降趋势,有利于生态效率的提高。相关多样化集聚对生态效率的影响呈“U”型曲线,山西、青海和宁夏的工业相关多样化程度小于临界值1.49,抑制了生态效率的提高;其他省份已跨越拐点,对生态效率的提升作用已经显现。无关多样化对生态效率具有负向影响,山西、贵州、陕西和黑龙江等省的工业无关多样化程度略有下降,有利于生态效率的提高;其他省份则明显上升,不利于生态效率的改善。研究结论可为资源型地区工业绿色转型路径选择和相关政策制定提供理论依据。

为探索黑臭水体治理的根本途径,在研究自然水体净化功能,分析水体黑臭根本原因和直接原因的基础上,深入阐述了“生态活水”的科学内涵和生态功能,全面揭示了“生态活水”治水的科学原理和技术优势。“生态活水”治水为原位原生态治水,通过水体快速复氧,创建活水微生态系统,并借助微速循环流水的载体作用,实现持续高效净化。扬州黑臭水体治理的实践表明:采用“生态活水”方法治水后3～5 d可以完全消除黑臭,并将黑臭水体转化为“绿水”;15～20 d后水质达国家地表水Ⅲ类水标准。说明“生态活水”治水技术是一种占用资源少、设备投资省、治污速度快、运行成本低、治水效果好、标本兼治的可持续治水技术体系。

为分析农业主产区湖泊水环境质量对不同空间尺度上景观格局的响应关系,以洪湖为研究对象,以5种湖泊功能区为基础,利用RS和GIS软件生成7种空间尺度的湖滨带缓冲区,采用Fragstats 软件分析景观格局指数,结合冗余分析等数理统计方法与模型,研究景观格局对洪湖水质变化的空间尺度效应。结果表明: 1)景观格局在不同宽度缓冲区内对湖泊水质的影响具有空间尺度性,在200 m宽度其解释能力最大,达到86.1%,是影响水质的最有效空间尺度。2)景观配置变量(如最大斑块指数、斑块密度等)对水质的影响程度大于景观组成变量(如面积比例和均匀度指数等)。3)景观类型对水质的影响机制具有较大的差异性,农业用地受流域的地形地貌和耕作方式等因素的影响,在100～500 m小尺度的湖滨带缓冲区内对水质退化起主导作用;在远离水体的相对较大尺度(1000～5000 m),林地分布越密集、面积越大,对污染物进入水体的净化作用越明显;草地对水质的影响与林地一致;密集分布的城市用地对水质的影响与林地相反。研究结果可以从宏观尺度上为农业主产区湖泊流域水质管理和景观合理配置提供科学参考。

氮 (N)、磷(P)是最常见的限制植物生长的矿质元素。水生植物所需营养主要来源于水体和沉积物,植物体内的元素组成能够反映淡水生态系统的营养供应状况。开都河是新疆一条流经高山草甸和荒漠绿洲的重要内陆河。本研究采集了开都河大型水生植物和水、沉积物样品,分析了不同生活型和发育史的植物物种叶的氮磷化学计量特征,探讨了上下游、不同土地利用类型下植物、水体和沉积物化学计量特征的差异和关联。结果表明: 植物叶的N、P平均含量分别为24.9 mg·g^-1和2.49 mg·g^-1,氮磷质量比值(N/P)平均为12.6。不同生活型植物叶的N、P含量及N/P存在显著差异:沉水植物N、P含量均显著高于浮叶和挺水植物;浮叶植物N/P为19.2,显著高于其他两类植物,表明其生长可能受P的限制。上游水生植物叶的N、P含量均高于下游。同时,河流上游的沉积物和水体中的N含量均高于下游。与农耕区河段相比,草地区河段水生植物的叶N和P含量较高,可能与草地土壤有机质丰富和放牧产生的排泄物有关,说明放牧对开都河水生态系统化学计量特征的影响大于农耕。过度放牧可能使开都河上游水质变差,改变水生态系统的氮磷养分平衡,并最终影响特定区域的生物地球化学循环过程。

小黄鱼是中韩渔业共同利用鱼种,其跨界洄游习性限制了对越冬场范围的调查和评估,导致对越冬群体适宜栖息地分布缺乏了解。本研究基于越冬期我国自然海域的物种分布点位数据和5个环境数据,运用8个物种分布模型(SDM)分析了小黄鱼越冬场分布范围,采用5折交叉验证,利用受试者工作特征曲线下面积(AUC)评价模型预测性能,并通过加权集成方法构建综合生境模型预测越冬场核心分布位置。结果表明: 出现/未出现数据模型预测准确度普遍高于仅出现模型;在出现/未出现数据模型中,机器学习方法预测准确度高于经典回归模型,支持向量模型(SVM)准确度最高(AUC=0.85),广义线性模型(GLM)准确度最低(AUC=0.73)。集成模型AUC较单一独立模型的准确度有所提升,表明集成模型能有效降低单一独立模型所带来的不确定性,提高模型预测准确度。变量重要性分析结果显示,盐度和温度是决定小黄鱼越冬场地理分布的重要因素,适宜分布区集中在黄海南部外海、东海北部外海和浙江省沿岸海域,而黄海南部沿岸海域和东海中南部外海为不适宜越冬区。研究结果为预测小黄鱼潜在越冬场提供了理论基础,可支撑越冬场渔业资源的空间规划和可持续利用。

生态形态学理论指出,形态相似的物种生态位相似,是导致种间竞争排斥的关键性因素。在鱼类入侵生态学研究中引入生态形态学理论,对于加深理解入侵种与土著种的种间相互关系有着重要意义。本文利用形态分析方法,对广东怀集燕都国家湿地公园入侵种食蚊鱼对土著种鳍斑青鳉和弓背青鳉的影响机制进行研究。结果表明: 弓背青鳉和鳍斑青鳉在研究区域常同域分布,但两者的空间分布格局差异显著。两者形态高度相似,符合生态形态学“形态相似者竞争排斥”理论。与群落其他鱼类相比,食蚊鱼与2种青鳉鱼类形态更为相似。聚类分析发现,食蚊鱼和青鳉鱼类聚合在同一分枝,且其空间生态位的重叠度极低。种群相对密度调查显示,食蚊鱼与青鳉鱼类种群数量呈显著的负相关关系。食蚊鱼的入侵是导致2种青鳉鱼类种群数量明显下降的关键原因。形态特征的相似性能够初步解释食蚊鱼与青鳉鱼类的竞争排斥关系,尚需从不同角度就食蚊鱼入侵对青鳉鱼类的作用机制进行深入探索。

精确估算水碳通量对陆地水碳循环研究意义重大,同时也极具挑战性。目前的估算精度有待进一步提高。传统的模型模拟和站点观测两种估算方法各有优势和不足,二者需结合进行研究。数据同化将观测融合到基于物理规律的模型中,尽可能得到模型状态变量和参数的最优估计,为模型和观测的结合提供了一条有效的途径。本文追踪陆地植被水碳通量过程模型与多源观测信息数据同化的研究进展;从植被水碳通量过程模型、数据同化算法、水碳通量模型数据同化3方面梳理了国内外相关研究进展,总结了研究中可能存在的问题:多源观测数据协同不足、同化策略相对简单、同化模型缺乏融合、同化尺度有待扩展;并从同化策略、模型选择、数据扩展、尺度效应、科学计算5个方面对今后的发展方向和趋势进行了分析和展望,以期为该领域研究者提供较全面的背景资料和信息,同时引发更多学者的关注。

高寒草甸约占青藏高原草地的46.7%,是我国草地生态系统重要的组成部分。近年来,在气候变化和人为活动的影响下,高寒草甸生态系统退化严重,植被和土壤均呈现出不同的退化趋势。在大空间尺度上表现为草地覆盖度下降,杂草类植被增加,土壤退化甚至沙化;在微观尺度上,退化高寒草甸的土壤粒径、土壤微生物和土壤酶也发生改变。本研究从高寒草甸物种多样性、植物群落结构、植被生物量、土壤物理性质、土壤微生物、土壤酶和土壤养分等方面,分析了高寒草甸生态系统退化过程中植被和土壤的变化特征,提出当前研究中存在的一些不确定性和有待深入研究的问题,为全面了解高寒草甸的退化机制和规律、有效干预高寒草甸生态系统和恢复生态功能提供科学依据。

滨海湿地受海、陆生态系统的交互影响,是典型的生态脆弱带和敏感区。互花米草是全球海岸带最为成功的外来入侵物种,对滨海湿地生态系统已经产生了重要的影响。本文对已有相关研究进行了系统梳理,揭示了互花米草入侵对滨海湿地生态系统生物地球化学循环(碳循环、氮循环、磷循环及土壤重金属迁移)和入侵地生物群落(微生物、植物和动物)的影响。并在此基础上对今后研究的重点提出了展望: 加强互花米草入侵对滨海湿地生态系统健康影响机制研究;重点关注全球变化背景下互花米草群落与湿地环境互馈耦合;开展长时序定位监测,厘清滨海湿地生态系统对互米草不同入侵阶段的响应差异,以期对互花米草的生态利用和治理提供指导。

石墨烯是当前研究最热的碳纳米材料,具有独特的理化特性,在各领域广泛应用。随着石墨烯生产和使用量的不断增大,其不可避免地进入到环境中,给生态环境和人类健康带来风险。阐明石墨烯的潜在毒性效应及其作用机制对于客观评价石墨烯的生态环境健康风险具有重要意义。迄今为止,已有诸多研究报道了石墨烯的植物生理毒理效应。研究表明,石墨烯对植物的生理学响应及其生理变化过程存在影响,涉及萌芽、幼苗生长、氧化应激、光合特性、植物激素和代谢过程等,且多呈浓度效应。今后亟需构建一套被广泛认可的植物石墨烯毒性评价体系,为石墨烯的安全生产和使用提供指导。