人工林在陆地生态系统中起着重要的碳汇作用。本研究基于我国25个研究区的5个主要造林树种(刺槐、栓皮栎、杉木、樟子松和油松)的树木年轮数据,利用各研究区不同树种的生物量方程计算标准木的年均净初级生产力(NPP)进而扩展到林分尺度,利用InTEC模型及Law模型模拟各研究区不同人工林NPP与林龄的关系。结果表明: 刺槐林、杉木林和油松林NPP随林龄表现出先增加后逐渐平稳的趋势,栓皮栎林和樟子松林NPP达到峰值后则出现下降的趋势。不同人工林NPP-林龄拟合曲线出现拐点的顺序为: 樟子松林11年、杉木林14年、油松林16年、刺槐林20年。其拐点NPP分别为6.65、7.58、4.70和2.59 t·hm^-2·a^-1。InTEC及Law NPP-林龄模型在大尺度范围内都有较高的拟合精度,樟子松林InTEC模型R²最低(R²=0.95),均方根误差(RMSE)为0.55 t·hm^-2·a^-1;杉木林InTEC模型R²最高(R²=0.99),RMSE为0.26 t·hm^-2·a^-1。我国主要人工林NPP-林龄关系的构建为长时间尺度人工林碳汇模拟估算提供了理论依据,并为造林树种的选择提供科学参考。

以浙江天目山国家级自然保护区针阔混交林为研究对象,将树种分成常绿树种与落叶树种、阔叶树种与针叶树种、优势树种与非优势树种3对树种组,分析每对树种组的单木碳储量差异、碳储量的直径分布和树高分布规律,应用V_Hegyi竞争指数、全混交度和聚集指数分析空间结构与单木碳储量的关系,旨在揭示针阔混交林结构与碳储量的关系,为森林固碳增汇经营提供科学依据。结果表明: 常绿树种和落叶树种、阔叶树种和针叶树种、优势树种和非优势树种的平均单木碳储量分别为57.7和87.4 kg、54.6和74.7 kg、67.4和48.1 kg,常绿树种单木碳储量显著低于落叶树种,阔叶树种单木碳储量显著低于针叶树种,优势树种单木碳储量显著高于非优势树种。各树种组的碳储量直径分布和树高分布均服从正态分布;单木碳储量与V_Hegyi竞争指数呈显著负相关,且符合幂函数分布;单木碳储量与全混交度和聚集指数均呈显著正相关,且均符合线性函数关系,不同空间结构对单木碳储量的影响方向均具有一致性。针阔混交林结构对单木碳储量具有显著影响,在森林固碳增汇经营中,应调控不合理的森林结构,促进其向顶极群落演替,以提高森林碳储量。

对关帝山华北落叶松人工林20个林隙的幼苗(高度＜1 m)、幼树(高度≥1 m,胸径＜5 cm)进行调查,分析4个面积林隙等级(＜60 m²、60～120 m²、120～180 m²、≥180 m²)下华北落叶松幼苗和幼树的更新密度、生长指标和空间分布。结果表明: 在不同面积的林隙等级中,幼苗、幼树的生长指标(基径、高度)和幼苗更新密度均在小林隙(14～60 m²)下最好,幼树更新密度在中林隙(60～120 m²)下最大,且同等级面积林隙下幼树密度均大于幼苗密度。华北落叶松幼苗、幼树在小林隙和中林隙下更新状况良好,大林隙(120～180 m²)和特大林隙(≥180 m²)则不利于华北落叶松更新。华北落叶松幼苗、幼树主要分布在林冠投影区域以及林冠空隙区域的边缘。通过补种或间伐等人工干扰手段将林隙面积控制在14～120 m²,可以促进华北落叶松的更新。

为明确目标树经营对林分天然更新的作用,本研究以川东低山区目标树经营密度为100、150、200株·hm^-2的马尾松人工林为对象,分析不同经营密度下冠层结构、植物多样性、土壤理化性质对马尾松人工林林下更新的影响。结果表明: 更新指数随着经营密度的增加而增加,经营后的马尾松人工林更新指数相较未经营地增加0.08～0.10。在150株·hm^-2目标树密度下,群落内更新树种增加9种,数量增加800株·hm^-2,草本层优势种的地位不突出但林分冠层结构得到改善,增强了林下植物更新动力。各生境因子对更新指数的影响排序为:土壤总孔隙度(0.591)>叶面积指数(-0.536)>Shannon指数(-0.085)>有效磷(0.053)>全氮(-0.007)>Pielou指数(-0.005)。目标树经营通过改善土壤孔隙条件,降低叶面积指数,减少草本植物多样性指数,促进马尾松人工林林下更新,在目标树经营作业中经营密度以150株·hm^-2更为合理。

以秦岭主峰太白山南北坡呈替代分布的3种栎类植物(栓皮栎、锐齿槲栎和辽东栎)形成的5种栎类群落为对象,研究海拔梯度上5种栎类群落的物种组成、群落特征、多样性和群落相似性。结果表明: 随海拔的升高,太白山南北坡均呈现由栓皮栎纯林向栓皮栎-锐齿槲栎混交林、锐齿槲栎纯林、锐齿槲栎-辽东栎混交林、辽东栎纯林的过渡模式。太白山北坡栎类群落的主要伴生种为华山松、茅栗、水榆花楸,南坡栎类群落的主要伴生种为油松、茅栗、千金榆、刺叶栎。太白山北坡的物种丰富度、木本植物密度、栎类树种优势度均高于南坡。太白山南北坡栎类群落的乔木层α多样性指数随海拔升高呈升高-降低-升高的趋势,混交林的乔木层α多样性比纯林高;南北坡栎类群落的灌木层α多样性高于乔木层和草本层。南北坡栎类群落的β多样性在海拔梯度上波动较大,随海拔升高物种组成变化较大。冗余分析表明,最暖月均温、海拔、树高对北坡群落多样性的解释率达79.0%,土壤含水率、树高、郁闭度、年均温对南坡群落多样性的解释率达79.6%。整体来看,太白山北坡栎类树种的优势度更高,栎类树种的替代分布格局较南坡更加清晰,与温度和降水有关的环境因子共同影响着栎类群落的α多样性。

研究毛竹干扰状态下赤水桫椤国家级自然保护区毛竹-桫椤群丛主要物种的生态位特征和种间协变关系,分析物种间竞争共存机制。结果表明: 群丛中木本及高大草本植物共有67种,隶属于40科53属。毛竹的重要值、Shannon生态位宽度指数(B_S)、Levins生态位宽度指数(B_L)均最大,毛竹为群丛中绝对优势种;桫椤的重要值和B_L值位列第二,B_S值位列第三。20个主要物种组成的190组种对中,毛竹与桫椤生态位重叠值最大,为0.64;136组种对生态位重叠值小于0.2(占总对数的71.6%),物种间生态位重叠程度低,生态位分化程度较大。主要物种间的总体联结呈显著正联结,群落相对稳定;主要物种间相关性不显著,联结性不强,种间独立性较强。毛竹与桫椤、罗伞、绿叶黄葛树、毛桐呈极显著正协变,毛竹与粗糠柴、云南樟、黄心树呈极显著负协变。毛竹与土著种的适合度差异和生态位差异共同影响群丛物种间的共存和竞争。控制毛竹扩张,限制与桫椤呈负协变关系物种的规模,可为桫椤营造良好的生存环境。

砾石(>2 mm)是估算土壤碳库的主要参数之一。为评估砾石对马尾松人工林土壤容重和有机碳密度的影响,本研究基于不同方法(剔除砾石前后)估算马尾松人工林分布区131个样地0～10、10～20和20～40 cm土层土壤容重和有机碳密度,并检验不同方法间的差异。结果表明: 剔除砾石后各土层容重分别为0.58～1.57、0.60～1.67和0.59～1.75 g·cm^-3,显著低于剔除砾石前容重,砾石总体上将容重提高了6.5%～6.8%;剔除砾石前各土层土壤有机碳密度分别为8.93～65.97、7.63～59.08和8.79～94.53 t·hm^-2,高于剔除砾石后估算的土壤有机碳密度,忽视砾石总体上使土壤有机碳密度被高估4.9%～11.8%;随砾石含量增加,不同方法间土壤容重和有机碳密度的相对偏差增加,当砾石含量高于20%时,0～40 cm土层估算的土壤有机碳密度在忽视砾石与剔除砾石间差异显著,前者比后者高29.7%～47.4%。综上,砾石显著影响土壤容重和有机碳密度,推荐用剔除砾石容重且考虑砾石作为修正因子的方法来估算土壤有机碳密度(尤其是砾石含量高于20%时),以避免土壤碳库被高估。

调查河北省蒙古栎次生林林下各类可燃物负荷量,分析林分因子、地形因子、地被物因子对可燃物数量与组成的影响,建立可燃物负荷量动态模型并提出管理措施。结果表明: 蒙古栎次生林林下总可燃物负荷量为11.68 t·hm^-2,超过发生森林大火可能性临界值(10 t·hm^-2),其中,林下死可燃物负荷量以腐殖质为主,林下活可燃物负荷量以灌木为主。蒙古栎次生林1 h时滞可燃物负荷量随郁闭度、林分密度、林龄和枯落物厚度的增大而显著增加;10 h时滞可燃物负荷量随林分密度、平均树高和枯落物厚度的增大而显著增加;腐殖质负荷量随海拔升高而显著减小,随腐殖质厚度增大而显著增加;草本植物负荷量随坡向向阳程度和草本植物盖度增大而显著增加;灌木负荷量随坡度、灌木层盖度和腐殖质厚度的增大而显著增加;林下总可燃物负荷量随海拔升高而显著减小,随林分密度、腐殖质厚度和枯落物厚度的增大而显著增加。逐步回归分析表明,林分密度、腐殖质厚度和海拔可以较好地预测(R_adj²=0.775)林下总可燃物的负荷量。建议着重注意河北省蒙古栎次生林林分密度调控以及地表枯落物、腐殖质可燃物的适度清理,可以科学有效地防止森林火灾的发生。

红松人工林因其枝叶内油脂含量较高而具有极高的火灾风险,地表火蔓延是其火灾扩展的主要方式,研究地表火蔓延速率预测模型可以为红松人工林的火灾扑救工作提供科学指导。本研究以黑龙江省帽儿山地区红松人工林地表可燃物为研究对象,设置不同的可燃物含水率(5%、15%、25%)、载量(0.5、0.7、0.9、1.1 kg·m^-2)和坡度(0°、10°、20°、30°、40°),模拟野外可燃物床层特征进行室内点烧试验,使用热电偶法测定蔓延速率,根据实测蔓延速率对比分析Rothermel模型、修正后Rothermel模型和随机森林模型的预测精度,评估预测红松人工林地表火蔓延速率的最优模型。结果表明:直接使用Rothermel模型预测红松人工林地表火蔓延速率整体效果较好,但对于高坡度、高含水率条件下的蔓延速率预测效果不理想。重新拟合坡度参数后的Rothermel模型与随机森林模型预测效果均较好,且预测精度相近,但随机森林模型因其本身特性,还需进一步进行评估和验证。修正后的Rothermel模型更适合预测0°～40°坡度下的红松人工林地表火蔓延速率。

叶绿素是表征植被健康状况的重要指标,它的准确估计对森林碳汇评价研究至关重要。本研究通过无人机高光谱数据联合激光雷达点云估计针叶林、阔叶林和针阔混交林林分与单木水平的叶绿素含量,提升叶绿素无损估测精度,全面分析不同尺度叶绿素含量空间分布规律。在无人机高光谱数据与激光雷达点云融合的基础上,结合地面样地实测数据,通过相关性分析筛选与叶绿素含量相关的36个光谱特征变量,采用统计模型多元逐步回归、BP神经网络、萤火虫算法优化的BP神经网络、随机森林和混合数据驱动的机理模型PROSPECT模型构建多个叶绿素估算模型,选取最优模型估算森林叶绿素含量,分析其在林分和单木尺度上水平方向与垂直方向的空间分布规律。结果表明: 在统计模型中,随机森林(R²=0.59～0.64,RMSE=3.79～5.83 μg·cm^-2)优于多元逐步回归、BP神经网络和萤火虫算法优化的BP神经网络构建的模型;机理模型验证精度最高(R²=0.97,RMSE=3.40 μg·cm^-2)。不同林分类型叶绿素的含量存在较大差异,阔叶林叶绿素含量为25.25～31.60 μg·cm^-2,高于针阔混交林(13.52～23.93 μg·cm^-2)和针叶林(6.40～13.71 μg·cm^-2),在垂直方向上,各林分间叶绿素含量存在显著差异。不同单木树种在水平方向上表现为冠层内部的叶绿素含量比冠层外部低,在垂直方向上,樟子松各冠层间叶绿素含量差异不显著,胡桃楸树冠上层与中、下层存在显著差异。采用融合的高光谱图像与激光雷达点云数据,基于混合数据驱动的机理模型可以有效提升不同尺度植被叶绿素含量估测的精度及稳定性。

为了解香樟冠层不同光环境叶片光合能力的适应机制,提升冠层碳汇功能,本文选取香樟单株冠层南向外侧(100%全光)、南向内侧(34%全光)和北向(21%全光)3个方位的叶片,研究光环境对叶片形态结构、营养和生理性状以及光合特性的影响,分析弱光环境下导致光合能力下调的主要限制因子。结果表明:随着冠层光强减弱,叶片的比叶重、表皮角质层厚度、下表皮厚度、栅栏组织厚度、栅栏组织细胞数和细胞宽度、栅栏组织与海绵组织的厚度比、细胞结构紧密度均显著降低,而海绵组织厚度、栅栏组织细胞长宽比、细胞结构疏松度均显著升高。与全光环境相比,2个弱光环境下叶片的碳含量、可溶性糖、淀粉和可溶性蛋白含量均显著降低,而氮含量在北向显著升高。弱光导致净光合速率(P_n)、暗呼吸速率、CO₂气孔导度(g_sc)、叶肉导度(g_m)、CO₂总导度(g_tot)、胞间CO₂浓度(C_i)、叶绿体CO₂浓度(C_c)等气体交换参数显著下降,且P_n与g_sc、g_m、g_tot、C_c呈显著正相关。尽管最大光化学量子效率、实际光化学量子效率、光化学猝灭系数、最大羧化效率(V_{c max})和最大电子传递速率(J_max)在不同光环境间均无显著差异,但V_{c max}和J_max与P_n呈显著正相关。g_m是弱光下光合速率降低的主要限制因子,且随着光照的进一步减弱,g_sc限制逐渐增强,而生化限制对净光合速率的影响相对较小。综上,全光照可以提升香樟冠层叶片的光合潜力,降低g_m和g_sc对光合性能的限制,增强碳同化能力。

树木的液流规律是复杂的,难以用多元线性或经验模型表达,在理解林木树干液流规律的基础上,寻找一种简易可行的方法模拟林木树干液流对环境因子的响应过程,对定量分析森林生态水文过程及区域生态需水量尤为重要。本研究以宁夏河东沙区防护林树种丝绵木为对象,采用热扩散茎流计连续测定树干液流速率,分析环境因子对丝绵木树干液流的影响,并构建基于粒子群算法(PSO)和麻雀搜索算法(SSA)优化的神经网络模型对丝绵木液流速率进行预测。结果表明: 影响丝棉木树干液流的主要因素为太阳辐射、饱和水汽压差、气温和相对湿度,重要度依次为32.5%、25.3%、22.0%和16.1%,其响应过程均呈现时滞回环关系。采用优化后的BP、Elman和ELM神经网络模型模拟瞬态液流,综合评价指标(GPI)分别提高1.5%、30.0%和5.3%。但与PSO-Elman和SSA-ELM优化模型相比,SSA-BP优化模型预测结果最佳,GPI分别提高1.0%和23.2%。基于麻雀搜索算法优化的BP神经网络模型可以作为预测丝绵木树干瞬态液流速率的首选模型。

为明确东北红豆杉野生种群维持的关键制约因素,制定现有种群的保护策略与技术环节,本研究调查了我国主要分布区内东北红豆杉野生种群的更新状况与分布格局,分析了林分因子与人为干扰对种群更新与维持的影响。结果表明: 目前我国东北红豆杉野生种群整体更新情况较差,更新个体的径级与高度级结构呈现出不健康的状态,但有19%区域更新较好,种群整体表现为成树少更新差、成树多更新差、成树少但更新较好3种类型。东北红豆杉所在群落可以划分为臭冷杉+紫椴林、杂木林、兴安鱼鳞云杉+臭冷杉林,其中臭冷杉+紫椴林的更新数量显著多于杂木林;林分密度增加与适度的人为干扰对东北红豆杉更新有一定的促进作用,林分由低密度增到中等密度时东北红豆杉更新幼苗数量显著增加,所在生境受到适度干扰的种群更新数量显著多于轻度干扰下的种群。人为干扰和栖息地生境是目前东北红豆杉野生种群维持与更新的关键制约因素。东北红豆杉的保护应基于各生境斑块种群的更新现状制定相应的就地保护和回归保护等措施,并在保护过程中重点考虑干扰和生境条件等关键因素的影响。

为揭示三江平原垦殖湿地退耕还湿后湿地生态系统温室气体通量的变化规律,本研究选取自然恢复的退耕4、7、11、16、20年沼泽湿地为对象,以未退耕地(开垦13年的大豆田)和未开垦的天然大叶章-臌囊苔草沼泽湿地为对照,利用静态暗箱-气相色谱法观测二氧化碳(CO₂)和甲烷(CH₄)通量的变化规律,并探讨影响其排放的主要因素。结果表明: 不同恢复年限垦殖湿地CO₂和CH₄生长季通量具有明显的季节变化规律,且随着恢复年限的增加,温室气体的季节变化趋势逐渐与天然沼泽湿地相似。生长季CO₂通量均值在恢复前期增加,在恢复后期减少,由893.4 mg·m^-2·h^-1(恢复4年样地)降至494.0 mg·m^-2·h^-1(恢复20年样地);CH₄通量均值随着恢复年限的增加而增加,由CH₄的弱汇(大豆田,-0.6 mg·m^-2·h^-1)增至87.8 mg·m^-2·h^-1(恢复20年样地),但通量始终低于天然沼泽湿地(96.4 mg·m^-2·h^-1)。相关性分析显示,退耕还湿后样地水位升高和土壤电导率的增加是导致恢复湿地CO₂通量均值减少的主要原因;而退耕还湿后样地水位升高、土壤可溶性有机碳增加是导致恢复湿地CH₄通量均值增加的主要原因。全球增温潜势随着垦殖湿地恢复年限的增加而增加,由27.8 t·CO₂-eq·hm^-2(大豆田)增至130.8 t·CO₂-eq·hm^-2(恢复20年样地),并逐渐接近于天然沼泽湿地(156.3 t·CO₂-eq·hm^-2)。三江平原大豆田退耕还湿后温室气体排放逐渐接近天然沼泽湿地,但恢复后湿地的温室气体排放量多久才能恢复至与天然沼泽湿地相同的水平,还要在更长的时间尺度内进行观测。

为深入了解典型毒草型退化草地形成的过程,本文对青藏高原原生草地上黄帚橐吾逐渐扩张形成典型毒草型退化草地过程中植被和土壤特征进行研究。结果表明: 黄帚橐吾型退化草地形成过程中,黄帚橐吾种群密度、株高、盖度和生物量均增加;相比原生草地,退化草地的总地上生物量增加113.9%,土壤全氮、铵态氮、有机碳和速效磷含量分别增加61.0%、77.9%、45.3%和78.8%,土壤微生物生物量碳、氮分别增加42.1%和47.4%,而土壤硝态氮含量和物种丰富度分别减少40.1%和28.5%,除黄帚橐吾以外其他植物的生物量减少45.7%。黄帚橐吾极强的种间抑制能力、形态可塑性、高效的养分蓄积能力和利用效率是其成功扩张的关键,促进了黄帚橐吾型退化草地的形成。

选取封育草地、放牧草地、不同年限(引入柠条3、12、22年)/密度(间距2、6、40 m)的灌丛地为对象,研究荒漠草原-退化-灌丛引入过程中生长季(4—10月)土壤氮矿化的季节动态及其影响因子。结果表明: 0～10 cm表层土壤水分具有明显的季节特征,0～200 cm剖面土壤水分随灌丛年限和密度增加而加剧消耗;与放牧草地和封育草地相比,灌丛对土壤碳氮磷养分的促进作用随灌丛年限和密度的增加呈现先强后弱趋势;生长季动态和草地变化对土壤氮矿化过程产生显著影响,土壤NO₃^-、微生物生物量碳和氮在生长季中期(6—8月)显著升高,其中NO₃^-占总无机氮的比值由封育草地30.5%增至灌丛地69.5%。NH₄⁺受生长季动态影响大于草地变化,其含量在生长季后期(10月)升高。在草原-退化-灌丛引入过程中,灌丛年限和密度的增加显著增大荒漠草原土壤硝化和铵化作用的生长季动态差异,而对微生物生物量碳和氮的影响不显著;土壤NH₄⁺和NO₃^-含量与全氮、有机碳和N/P呈显著正向相关,土壤碳氮磷主要以计量比(C/N和N/P)的形式直接调控氮矿化过程。

基于在我国开展的66个野外氮沉降模拟试验的290组数据,采用整合分析方法,探究实验样地特征(气候因子、土壤性质)和施氮因素对施氮后土壤N₂O通量变化的影响。结果表明: 样地的年均降水量、年均温、自然氮沉降量和土壤C/N与施氮后N₂O通量增幅呈显著正相关,土壤pH与施氮后N₂O通量增幅呈显著负相关。湿地生态系统土壤对施氮最敏感,森林生态系统次之,草原生态系统最小。所有的样地因子中,土壤pH和C/N对施氮后N₂O通量变化幅度的影响最大。施加硝态氮后土壤N₂O通量增幅最大,施加尿素与铵态氮后N₂O通量增幅相当,而施加硝酸铵后N₂O通量增幅最小。综上,在准确评估和预测土壤N₂O通量对氮沉降的响应时,应综合考虑样地特征及氮源种类的影响。

腐殖酸作为土壤中广泛存在的一种特异性有机质,其性质显著影响污染物在环境中的归趋。本研究探究了在水稻轮作系统中有机肥和有机-无机肥模式对土壤胡敏酸(HA)和富里酸(FA)含量、光谱性质、光化学活性以及光敏化二氯喹啉酸(QNC)效能的影响。结果表明: 稻菜轮作模式下,与单施化肥相比,施用有机肥土壤HA的腐殖化程度和分子量降低,但提高了其含氧官能团数量及其光致生成羟基自由基(HO·)、单线态氧自由基(¹O₂)和光敏化QNC的能力;而施用有机肥土壤FA的分子量增加,氧化还原官能团数量及其光致生成HO·、¹O₂和光敏化QNC的能力降低。在稻虾轮作模式下,与单施化肥相比,施用有机-无机肥提高了土壤HA的腐殖化程度、分子量、氧化还原官能团和含氧官能团数量及其光致生成¹O₂的能力,降低了其光致生成HO·和光敏化QNC的能力;而对于土壤FA,有机-无机肥模式则提高了其腐殖化程度和分子量,降低了其光致生成HO·、¹O₂和光敏化QNC的能力。综上,有机肥能显著提高腐殖酸的光化学活性和光敏化效能,并进一步促进环境中QNC的光降解。

大气二氧化碳(CO₂)和臭氧(O₃)浓度升高是全球气候变化的主要特征之一。土壤胞外酶作为维持土壤生态系统服务功能的重要参与者,其活性对于大气CO₂和O₃浓度升高的响应特征及驱动机制研究,以及应对并缓解未来全球气候变化具有重要意义。本研究采用开顶式气室(OTCs)分别模拟大气CO₂浓度升高(环境大气+200 μmol·mol^-1,eCO₂)、大气O₃浓度升高(环境大气+0.04 μmol·mol^-1,eO₃)及其交互处理(环境大气+200 μmol·mol^-1 CO₂+0.04 μmol·mol^-1 O₃,eCO₂+eO₃),探究水稻根际土壤胞外酶活性对大气CO₂和O₃浓度升高的响应。结果表明:与对照(环境大气)相比,eCO₂处理的土壤β-葡萄糖苷酶(βG)活性显著提高73.0%,而多酚氧化酶(PHO)、过氧化物酶(PEO)、酸性磷酸酶(AP)活性分别显著降低48.9%、46.6%和72.9%,纤维素水解酶(CBH)和β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶(NAG)活性则无明显变化;eO₃处理的土壤CBH、AP活性分别显著降低34.2%和30.4%;eCO₂+eO₃处理的土壤PHO、AP活性分别显著降低87.3%和32.3%。主坐标分析、置换多元方差分析和冗余分析显示,大气CO₂和O₃浓度升高均可显著影响土壤胞外酶活性,且大气CO₂浓度升高对土壤胞外酶活性的影响程度高于O₃浓度升高;根系氮含量、根系碳氮比、土壤硝态氮和土壤微生物生物量碳是土壤胞外酶活性的主要驱动因子;大气O₃浓度升高能够部分中和大气CO₂浓度升高对土壤胞外酶活性的影响。综上,大气CO₂和O₃浓度升高抑制了大部分土壤胞外酶活性,表明未来气候变化潜在威胁着农田土壤生态系统服务功能。

为揭示黄河三角洲盐碱地地区的降水来源、形成及影响机制,利用降水稳定同位素,特别是δ¹⁷O、¹⁷O-excess,以及气团轨迹模型HYSPLIT,研究黄河三角洲东营地区5—10月不同时间尺度及降水强度[(<5、5～10、10～25、25～50、>50 mm·d^-1)]的降水同位素变化特征及水汽来源。结果表明: 5—10月降水同位素的变化范围较大,旱季降水的同位素变化范围小于雨季,且比雨季富集。降水强度<5 mm·d^-1的降水,δ′¹⁸O[δ′¹⁸O=ln(δ¹⁸O+1)]与δ′¹⁷O[δ′¹⁷O=ln(δ¹⁷O+1)]的降水线斜率最小,为0.5211,降水易受水汽源地蒸发作用的影响;10 mm·d^-1≤降水强度<25 mm·d^-1时,斜率最大,为0.5268。对于0～50 mm·d^-1 4种不同强度的降水,随降水量增多δ²H、δ¹⁸O和δ¹⁷O值均降低。旱季降水¹⁷O-excess与温度呈正相关,可能受到大陆循环水汽的影响;雨季降水¹⁷O-excess与相对湿度呈负相关,受蒸发作用较小。HYSPLIT气团轨迹模型表明,旱季降水主要受大陆性季风影响,而雨季降水受海洋性和大陆性季风的共同影响。综上,降水受不同水汽来源地蒸发、局地气象因素和大气水汽来源的共同影响,使得不同尺度同位素存在差异。本研究可为黄河三角洲地区紧缺的水资源分配提供科学依据。

在过去几十年里,河流在人类活动的影响下向沿海生态系统输送不平衡的营养盐负荷导致了严重的区域或全球富营养化问题。闽江受人类活动影响比较明显,为了研究闽江水体营养盐输送比例的变化特征,于2019年7月至2020年7月对闽江下游表层水体碳、氮、磷、硅营养盐进行了季节观测。结果表明: 闽江下游表层水体溶解态硅(DSi)、成岩硅(LSi)和生物硅(BSi)的年平均含量分别为5.30、4.58和2.37 mg·L^-1,但季节性差异大,夏季表现为溶解态硅>成岩硅>生物硅,秋季为溶解态硅>生物硅>成岩硅,而冬季为成岩硅>溶解态硅>生物硅。其中溶解态硅在总硅中的比例沿向海方向呈逐渐降低趋势,而生物硅与之相反。从化学计量比来看,闽江水体明显地受碳、磷限制,基本不受硅、氮限制。据估算,闽江每年向河口输送1.03×10¹⁰ mol溶解态硅和0.46×10¹⁰ mol生物硅,并且呈现逐年下降趋势,而碳、氮、磷负荷则呈上升趋势,这种营养盐比例关系会导致河口及近海生态系统结构和功能发生变化。研究闽江水体碳、氮、磷、硅营养盐的化学计量比可为闽江河口及邻近海域水体营养盐结构平衡和富营养化等问题的解决提供理论依据。

我国北方生态脆弱区自然地理环境复杂,人类活动干扰严重、气候变化影响显著,生态系统可持续发展面临严峻挑战,构建基于生态功能保护与生态脆弱性分析的安全格局能够对生态脆弱地区环境修复提供科学依据。本研究选择科尔沁沙丘-草甸相间地区为对象,基于1985—2021年土地利用变化数据,依据生态系统服务重要性和生态敏感性对生态源进行识别,并利用最小累积阻力模型构建生态安全格局,分析研究区1985、1995、2005、2015和2021年的生态安全格局及其发展变化趋势,探究生态空间布局调整策略。研究表明: 1985—2021年,研究区生态安全格局的源地面积占比始终较小且分布较为分散,生态廊道网络化程度偏低,缺少生态斑块之间的连通性;研究区生态安全格局经历先恶化后逐渐向好的发展趋势,退耕还林还草和植树造林等生态政策对研究区环境安全有明显的改善作用;结合耕地适宜性评价方法对研究区进行优化,生态安全格局呈现“双核-散点-半包围”的空间格局体系。研究结果可为生态脆弱区县域尺度生态安全格局构建以及科尔沁沙地的生态治理研究提供参考。

国土空间规划是实现生态文明建设的重要工具和手段,在国土空间规划过程中提升城市蓝绿空间生态服务能力并与规划策略结合至关重要。本研究以河南省汝州市为研究区,采用形态空间格局分析、连通性分析和最小累积阻力模型等方法构建现状蓝绿生态网络,并探索廊道构建在国土空间规划中的应用。结果表明: 汝州市域范围内1级核心斑块共有7个,主要分布在市域西南部与东北部的山林空间和中部汝河构成的带状生态空间,2级核心斑块共有9个;筛选出256条生态廊道,135个生态节点,廊道大部分穿越汝河。应重点保护汝河及其周边环境,为生物南北迁移提供临时栖息地,提高整体生态网络的稳定性,并重点关注市域西侧与南侧廊道断裂点的修复;在国土空间规划的应用中,一方面可引导城镇开发边界的划分,另一方面可为规划视角下廊道的功能定位与分类管控提供科学依据。

生态管理分区是进行国土空间优化的重要依据,对维护区域生态安全、促进生态文明建设具有重要意义。本研究以新疆为研究区,选取防风固沙、水源涵养、林草供给等10种生态系统服务类型构建供给指标体系,综合运用模型法和价值法量化生态系统服务供给,并结合土地利用强度、人口和经济状况定量评估2020年新疆生态系统服务需求;利用生态系统服务供需比模型和象限匹配法,探究1 km网格尺度下生态系统服务供需匹配关系和空间分异;引入断裂点公式和场强公式评估生态系统服务流动范围与强度,进而划分生态管理分区并提出相应管控措施。结果表明: 2020年,新疆生态系统服务供需均存在明显的空间分异,供给高值区主要分布在河谷地带和水系沿岸,需求则向绿洲中心城市集中;生态系统服务整体供给量小于需求量,空间分布以低供给-低需求区和高供给-高需求区为主;新疆生态系统服务输出区有7个,分别为富蕴县、福海县、伊州区、鄯善县、阿拉山口市、柯坪县和策勒县,其余地区为输入区;综合分析将新疆分为山地生态屏障区、绿洲生态修复区、荒漠生态改良区、荒漠-绿洲生态防护区和斑块生态输送区5个生态管理区。

现阶段,东海传统的渔业种类普遍缺乏年龄结构数据,数据有限方法的应用对于研究生活史特征和种群状态都十分重要。日本鲭是浙江南部近海海域的优势物种之一,本研究依据2016—2020年该海域的渔业资源调查数据,利用基于叉长数据的数据有限方法估算日本鲭生活史参数,同时利用单位补充量渔获量模型(YPR)评估了日本鲭的资源状态。结果表明: 1606尾日本鲭样品的叉长(L)和体重(W)的关系为W=4.18× 10^-3L^3.28(R²=0.96);日本鲭von Bertalanffy 生长方程中的渐近叉长为28.34 cm,生长速率为0.36 a^-1,理论初始年龄为-0.40 a。现阶段,日本鲭的总死亡系数为1.67 a^-1,自然死亡系数(M)为0.85 a^-1,捕捞死亡系数(F)为0.82 a^-1,开发率为0.49。当前开捕年龄为1.78 a,开捕叉长为15.44 cm。YPR模型结果显示,随着F增大,YPR值呈现先上升后下降的趋势,生物学参考点F_0.1和F_max的值分别为0.97 a^-1和4.55 a^-1,均大于现在的捕捞死亡系数。M的敏感性分析表明,M的不确定性对YPR和相关生物学参考点的估计结果影响较大。M的减小会使YPR值明显增加,但F_0.1和F_max明显降低。当前日本鲭资源状况良好,但渔获小型化现象加剧,建议开捕叉长取拐点年龄对应的叉长20 cm,提高渔获质量,从而更好地开发与利用日本鲭资源。

在淡水池塘集约化养殖中,蓝藻水华爆发产生的微囊藻毒素(MC-LR)是制约南美白对虾养殖业健康可持续发展的瓶颈之一。本研究在分析MC-LR胁迫条件下凡纳滨对虾肝胰腺和肌肉中MC-LR含量的基础上,利用DIA高通量蛋白质组学技术探究对虾肝胰腺蛋白表达情况。结果表明: 注射MC-LR 1 h后,肝胰腺和肌肉中毒素含量达到最高,分别为(6.12±0.45)和(5.00±0.19) μg·kg^-1,随后逐渐降低,但肝胰腺中毒素含量始终显著高于肌肉;共鉴定820个差异蛋白,其中上调蛋白586个,下调蛋白234个。通过生物信息学分析发现,MC-LR胁迫显著影响溶酶体、RIG-Ⅰ样受体信号和白细胞介素-2等免疫通路;在能量代谢方面主要影响柠檬酸循环、淀粉与蔗糖代谢和戊糖与葡萄糖醛酸转换等,导致碳水化合物代谢紊乱;引起19个与细胞骨架相关的血影蛋白显著上调,破坏对虾肝胰腺细胞骨架。表明MC-LR主要对凡纳滨对虾肝胰腺的免疫、能量代谢和细胞骨架产生影响。

太平洋丽龟作为被国际自然保护联盟(IUCN)认定的脆弱物种,近年来备受关注。为了解当前及未来气候情景条件下太平洋丽龟的分布及其变化,本研究利用其发现记录和8个环境预测变量(包括深度、离岸距离、平均初级生产力、最小初级生产力、海表平均温度、海表最小温度、海表平均盐度、海表最小盐度),构建了组合物种分布模型(Ensemble SDM)对其潜在栖息地分布进行预测,并利用曲线下面积(AUC)和真实技巧统计(TSS)值评估模型的准确性。结果表明: AUC和TSS值分别为0.96和0.81,表明组合模型具有较好的预测性能;海洋表面温度和盐度是决定太平洋丽龟分布最重要的两个预测变量,适宜温度为23～29 ℃,适宜盐度<34;当前环境条件下太平洋丽龟分布范围在30° N—25° S;在未来气候情景条件下,该物种的分布范围将减少,特别是在2100s RCP85气候情境下,其适宜生存范围将减少28%。模型验证结果显示,模型准确性较高,能对太平洋丽龟在当前和未来气候情景下的分布做出较为准确的预测。本研究可为制定更加合理的保护措施和管理策略提供数据参考。

磺胺类药物(SAs)作为最早应用的一类广谱合成抗菌剂,被广泛应用于人类医疗健康和兽医领域。进入体内的SAs大多以母体或代谢产物的形式排入水环境。SAs及其代谢产物在水环境中的残留以及产生的耐药性可能严重威胁生态系统和人类健康。本文在总结相关研究的基础上,归纳和分析了近年来有关SAs的研究成果,介绍了SAs的主要代谢产物类型、代谢产物在不同水环境中的分布特征等,讨论了SAs代谢产物的生态毒理,特别是磺胺类抗性基因(sul-ARGs)的分布及危害。最后对未来的研究工作进行了展望。本文可为SAs的进一步研究提供基础资料。

屋顶绿化作为一类城市人工生态系统,在其生命周期内展现出碳源/汇特征。然而,屋顶绿化碳作用机制复杂,目前缺少针对性的综合碳绩效量化方法和考核指标,阻碍了屋顶绿化城市脱碳的推广应用。着眼于屋顶绿化低碳景观潜力量化,本文分析了屋顶绿化系统内部碳循环机制,探究了生物碳汇、隐含碳、运行碳以及生物能源供给4条减碳增汇路径(P₁～P₄);基于碳排放归一化值和碳回收期双重绩效指标,总结了各减碳增汇路径归一化值测度方法;通过提取文献数据,量化了各减碳增汇路径的绩效潜力和特点。结果表明: 路径P₁～P₄潜力量化值分别为9.54、-2.26、2.96、0.35 kg CO₂·m^-2·a^-1,各路径潜力受植物类型、气候等因素影响很大;此外,基础数据库不完善、评估情景异质对测度准确性产生了影响。对粗放型绿色屋顶综合低碳景观潜力进行分情景讨论,其生命周期(40年)综合减碳量在92.24～433.42 kg CO₂·m^-2,碳回收期为5～14年。最后,对测度评估中存在的问题进行了总结,以促进未来评估更新完善。

虚拟生态技术是构建数字化生态系统底座、模拟生态演化过程并建立其在统一时空基准下全局知识分析体系的新技术,是生态学和地理信息科学、计算机科学等多学科交叉融合向现代化、信息化和智能化发展的新方向。研究、发展和应用虚拟生态技术,对生态学学科发展、生态系统管理及区域可持续发展具有重要意义。目前,虚拟生态技术的研究总体处于起步阶段,仍缺乏完备和边界清晰的定义、体系,难以支撑系统性迭代发展和科学性分析。本文从现代生态学主要理论和目的出发,总结了虚拟生态建设的主要内容及技术需求,重点提出了结合虚拟地理环境和数字孪生体技术的虚拟生态关键技术体系,并从应用场景角度分析了虚拟生态技术在大气污染、能源分析中的应用能力,最后,从局部计算点突破和全局技术点融合两方面总结新一代信息技术背景下虚拟生态技术在生态环境全局数字化建设、智能化计算、真实化表达等不同层次递进的发展潜力,丰富和发展支撑我国生态空间资源转型的技术能力。