大尺度的陆地生态系统科学研究是在生物多样性保护、应对全球气候变化、区域生态环境治理及全球社会经济可持续发展的科技需求背景下应运而生的生态学及生态系统科学前沿领域,并在我国的生态文明建设社会实践中快速发展。本文在系统论述大尺度陆地生态系统科学研究的科技使命基础上,重点梳理和探讨了区域及大陆尺度的生态系统科学研究理论基础和方法学问题,进而基于宏生态系统生态学理论,新提出了宏观生态系统科学的基础理论、科学概念及其研究方法体系的逻辑框架。本文重点探讨了: 1) 基于生态系统的系统学特性,发展多维视角的“生态系统科学概念网络体系”;2) 基于生态系统整体性和涌现性理论,发展“生态系统状态变化分析理论体系”;3) 基于生态系统属性及状态概念,发展生态系统结构-过程-功能-服务级联关系的“整合研究方法学理论体系”的学科内涵及应用问题,进而论述了发展区域及大陆尺度宏观生态系统科学研究的方法体系,提出构建新一代大陆尺度生态系统观测研究实验网络,完善“联网观测-联网实验-数值模拟-知识融合”四位一体的科学研究技术体系的必要性。

研究糙隐子草株高、丛幅等11个性状指标对不同强度放牧(不放牧;5、7月两次放牧;全生长季5次放牧)的响应。结果表明: 以不放牧为对照,经过连续5年的放牧处理,糙隐子草的生殖枝数、株高、茎质量、比叶面积和总叶面积显著降低,5、7月放牧处理各指标降幅分别为61.7%、21.5%、33.3%、21.6%、26.7%,全生长季放牧处理各指标降幅分别为75.7%、24.7%、46.7%、28.5%、43.7%,降幅随放牧强度的增加显著增强。在不同放牧强度下,糙隐子草的营养枝数、叶片数、总叶面积、茎质量、总叶质量、丛幅均与整丛地上生物量呈现协同变化关系,营养枝数与茎质量和总叶质量呈显著正相关。糙隐子草应对不同放牧强度干扰表现出矮小-密枝化的避牧响应策略,减轻放牧强度有利于维持其个体性状的稳定。

干旱是影响荒漠区植物种子萌发和幼苗生长的关键因素。以多年生强旱生半灌木华北驼绒藜为对象,研究了不同干旱程度(0、100、200、300和400 g·L^-1 PEG6000)下,种子大小及苞片有无对种子萌发及幼苗生长的影响。结果表明: 干旱胁迫显著抑制了种子萌发和幼苗地上部的生长。100和200 g·L^-1 PEG6000处理显著增加了幼苗根长,而300和400 g·L^-1 PEG6000处理显著降低了幼苗根长。与无苞片相比,有苞片使种子的发芽率显著降低12%,发芽指数显著降低50.5%,幼苗的地上部长度显著增加20.8%,幼苗根长显著增加6.3%。种子大小对种子发芽指数无显著影响,但与小种子相比,大种子发芽率显著提高3%,幼苗的地上部长度显著增加20.5%,幼苗根长显著增加33.0%。在干旱条件下,苞片能延缓种子的萌发速度,种子大小能影响后代的存活几率,二者共同影响华北驼绒藜对极端干旱环境的适应性。

草地利用移动性的丧失导致生态系统退化,是草地放牧生态学领域兴起的主导性学说。在我国,草地利用移动性的丧失不仅是政策变化导致的,更是众多自然和社会因素叠加演进的结果。草地利用移动性的重建对于中国草地恢复和可持续性管理具有重要意义,但是很难通过恢复传统或季节性轮牧的途径实现。我们可以依托智能围栏、牲畜智能可穿戴设备以及草地生产力无人机快测等新型放牧管理技术,在我国不同气候区域、不同类型草地,因地制宜地发展新型草地移动性管理模式,进而重建“草地利用的移动性”。新型轮牧模式还应与草畜平衡、牲畜补饲以及土壤养分补充等重要生态草牧业措施结合,确保我国草地资源的高效可持续利用。

研究1982—2015年气候变化和人类活动对内蒙古草地净初级生产力(NPP)的影响。结果表明: 1982—1998年和1999—2015年2个时期,内蒙古草地实际NPP(ANPP)增长速率分别为1.08和1.36 g C·m^-2·a^-1,草地以恢复为主,2个时期草地恢复面积分别占研究区总面积的81.6%和76.3%;草地退化面积有增加趋势,且气候变化和人类活动对不同类型草地的影响不同。2个时期气候变化对草地恢复贡献率分别为79.3%和94.1%,气候变化是草地恢复的主要因素,其中,ANPP与降水呈显著正相关,而与温度的相关性不显著,表明降水是影响草地恢复的主要气候因子。2个时期人类活动对草地退化的贡献率分别为83.3%和87.8%,说明人类活动是导致草地退化的主要原因。气候变化对内蒙古草地恢复起主导作用,而人类活动诸如放牧数量、耕地面积和造林面积的增加,加速了草地退化。

叶片大小与数量的权衡关系是植物生长策略的基础,研究叶片大小与数量权衡关系的内在机制对于深刻理解植物生长策略具有重要意义。本研究以单个叶片干重表示叶大小,以单位茎上的叶片数量表示出叶强度,采用标准主轴回归分析方法研究呼伦贝尔草原植物叶片大小与数量的权衡关系以及内在机制。结果表明: 陈旗嵯岗(典型草原)和陈旗八一(草甸草原)叶片大小与出叶强度存在显著的负的等速生长关系,谢尔塔拉(草甸草原)的叶片大小与出叶强度存在显著的负的异速生长权衡关系。叶片大小和数量权衡关系的内在机制取决于叶片与茎生物量的分配机制以及茎组织密度的变化。

为探究长江源区主要下垫面土壤空间异质性与粒径分布(PSD)非均匀性,运用分形理论描述高寒草原和高寒草甸2种下垫面土壤粒径分布特征,分析了2种下垫面土壤的分形维数特征差异及其与土壤颗粒组成的关系。结果表明: 研究区土壤颗粒粒径主要分布于100～800 μm,高寒草原土壤单重分形维数(D_V)为2.429～2.508,高寒草甸土壤D_V为2.697～2.743,高寒草原土壤质地偏粗,高寒草甸土壤质地偏细。土壤在20～30 cm深度质地最细,在0～10 cm层质地最粗糙;多重分形维数(容量维数D₀、信息熵维数D₁、关联维数D₂)均以高寒草原(0.896～0.961、0.828～0.887、0.725～0.819)高于高寒草甸(0.890～0.914、0.693～0.744、0.540～0.603),与高寒草甸相比,高寒草原土壤粒径分布范围更宽,土壤整体构造更复杂,土壤整体非均匀性更高。D_V与土壤黏粒、粉粒含量呈显著正相关,与砂粒含量呈显著负相关;D₁、D₂与黏粒、粉粒含量呈显著负相关,与砂粒含量呈显著正相关。土壤砂粒含量是土壤PSD非均匀分布及分形维数大小变化的主要因素。

建立现代植被与表土花粉的精确关系,是基于孢粉记录定量重建古植被与古气候的基础与关键。截止目前,植物群落样方记录较少参与到现代植被与花粉的统计分析中,限制了其精确关系的定量表达。本文通过中国东北样带的森林、草甸草原、典型草原和荒漠草原33个表土样品分析及植被样方调查,基于Bray-Curtis相异系数,研究了东北样带现代表土花粉与植物群落组成和数量之间的定量关系。结果表明: 由于花粉传播距离和花粉产量大小的不同,单个样点的所有科属、优势和常见科属、少见和稀有科属,在组成和数量上的关系存在差异。不同植被类型间差异显著,草甸草原在组成上差异较大,而所有科属、优势和常见科属的数量关系在森林中差异较大,少见和稀有科属的数量关系则在草甸草原中差异较大。不同科属的植被-花粉关系在组成和数量上的趋势基本一致,根据Bray-Curtis相异系数可将该地区花粉类群划分为3类: 超代表性类型、低代表性类型和适中代表性类型。该系数可以获得样方水平和物种水平上植被-花粉的物种组成和数量关系,是定量描述植被-花粉关系的有效指标之一。

宁波沿海平原第四纪沉积物属于海陆交互沉积,记录了良好的古气候变化信息,是研究古气候冷暖变化、沉积物沉积特征的良好载体。对位于宁波沿海平原东南部的Z02孔进行¹⁴C和古地磁测年,根据钻孔岩性、孢粉组合、有孔类和介形类组合、粒度等环境替代指标特征,确定了Z02孔第四纪地层划分,揭示了研究区第四纪以来的古环境演变信息。结果表明:Z02孔全新统与上更新统界线位于30.5 m,上更新统与中更新统界线位于82.65 m,第四系与下白垩统界线为90 m,中更新统沉积较少,下更新统全部缺失。Z02孔晚更新世经历水动力条件变化过程为中能-中低能-中能,沉积相为冲湖积-河漫滩-河流-湖沼-冲湖积-湖沼-河漫滩,全新世经历的水动力条件变化为中低能-低能-中能,沉积相为滨海-浅海-海沼。Z02孔记录了宁波沿海平原早中更新世处于构造抬升风化剥蚀阶段、晚更新世由温暖湿润到干燥、全新世由温湿到干凉的变化过程。该研究为我国亚热带东部沿海地区的古环境演变研究提供了有益信息。

植硅体的现代过程研究是利用植硅体这一指标精准恢复区域古植被、古气候的前提和关键环节,探讨表土植硅体组合的空间分布特征及其对环境因子的响应尤为重要。本研究在东北地区沿着年降水量为600 mm等降水线采集54块表土样品,研究单一温度控制下表土植硅体的空间分布规律,以期寻找对温度比较敏感的植硅体类型。结果表明: 54块表土样品中植硅体类型相同,共鉴定出15类,分别是棒型、尖型、块状、扇型、扁平状、帽型、鞍型、哑铃型、齿型、三棱柱型、硅化气孔、导管型、硅质突起、弓型、椎骨状,且主要以棒型、尖型为主,短细胞、块状、扁平状次之,其他类型植硅体的平均百分含量不足1.0%。小兴安岭、松辽平原和辽西低山丘陵3个区域的表土植硅体组合特征存在差异,判别分析结果能够将3个区域样点有效区分开,总的判别正确率为94.4%,其中棒型、尖型、三棱柱型的平均含量在小兴安岭最大,在辽西低山丘陵最小;而鞍型、哑铃型、硅质突起与之相反;块状、扁平状、扇型则主要是在松辽平原最大,且棒型、尖型、三棱柱型、鞍型、哑铃型、硅质突起、块状、扁平状和扇型的百分含量在3个区域之间存在显著差异。棒型、尖型、三棱柱型的百分含量与年均温之间存在显著负相关,块状、扁平状、扇型、哑铃型、硅质突起的百分含量与年均温呈显著正相关,而鞍型、帽型、齿型的百分含量与年均温没有显著相关性。

使用AMS ¹⁴C和¹³⁷Cs方法建立年代序列,通过植物残体、有壳变形虫和腐殖化度3个指标的综合分析,重建了长白山园池泥炭地地表的湿度变化,并探讨其对气候的响应。结果表明: 园池泥炭地地表50 cm泥炭植物残体以藓类为主,利用去趋势对应分析(DCA)发现,第一轴得分代表沼泽表面湿度变化,将植物残体揭示的1962—2008 A.D.间泥炭地地表湿度与有壳变形虫-水位间转换函数得到的水位埋深以及腐殖化度进行对比,发现植物残体、有壳变形虫和腐殖化度揭示的沼泽表面湿度变化总体趋势一致,即40～50 cm层(1962—1975 A.D.)湿度较大;27～40 cm层(1975—1987 A.D.)湿度变小,处于干湿交替期;0～27 cm层(1987—2008 A.D.)湿度较小。将3种指标重建的地表湿度与二道气象站数据对比发现,气候代用指标揭示的沼泽地表湿度变化与温度的变化趋势基本吻合,沼泽地地表湿度降低发生在夏季温度和年均温偏高的年份。由此推测,近46年来沼泽地地表湿度变化主要是对温度升高引起的有效降水减弱的响应。

在新疆艾比湖小叶桦湿地取得深度190 cm的地层剖面,结合具有较高时间分辨率的孢粉数据和AMS ¹⁴C测年揭示出该研究区3900年以来植被和环境演变的动态。在3420—3940 cal. aBP期间,该区为以藜科和蒿属植物为主的荒漠景观;2830—3420 cal. aBP时段,局域的优势种变为沼泽蕨,周围仍是以藜科和蒿属为主的荒漠植物;2640—2830 cal. aBP时期,香蒲属花粉增加并占主要地位,该局域演替成以香蒲属植物为主的典型荒漠隐域性湿地;1200—2640 cal. aBP期间,芦苇植物开始旺盛生长并成为优势种;660—1200 cal. aBP时段,桦木属种群迅速扩张,芦苇植物仍生长繁盛;340—660 cal. aBP期间,小叶桦种群成为优势种,芦苇数量减少但该地仍存在一定范围的芦苇湿地;340年以来,随着艾比湖湿地退化,地表水位逐渐降低,小叶桦仍能在水分条件相对较好的沼泽草甸土上生长。而近200年来,孢粉组合中藜科花粉百分含量骤增,小叶桦林萎缩,这与该地受人类活动的增强和全球气候变化等的影响有关。随着艾比湖湿地不断退缩,小叶桦等植物在新疆地区濒危,因此需增强对该湿地自然环境及濒危物种的保护保育工作。

基于贺兰山地区98棵油松树轮样本的宽度数据、植被归一化指数(NDVI)数据以及土地覆被数据,采用VS-oscilloscope模型模拟的油松径向生长过程,研究植被冠层与树干形成层物候之间的联系。结果表明: 林地冠层与油松形成层生长结束期(EOS)显著相关,且高于草地与形成层之间的相关。油松生长开始期(SOS)和EOS分别与5—6月、8—9月的平均最低温度有关。5—6月的平均最低气温每升高1 ℃,SOS提前4.3 d;8—9月的平均最低气温每升高1 ℃,EOS推迟2.6 d。植被冠层物候与油松形成层物候的相关性受植被类型的影响;仅通过树轮生理模型模拟树木生长动态,结果可能存在偏差;利用遥感监测数据将冠层发育和形成层生长过程结合有助于更准确地了解树木生长动态。

以伊犁南部山区雪岭云杉风倒木为对象,研究了1.3、5、10、15、20 m树高处树轮圆盘样品的最大密度、最小密度、早材平均密度、晚材平均密度4种树轮密度年表,结合当地气象观测资料进行相关分析,研究树干不同高度树轮密度对气候要素的响应特征。结果表明: 同一树高下4种密度参数在整体上表现出较高的相关性,其中10、15、20 m树高相对显著;不同树高处晚材平均密度的一致性相对较好;不同树高处树轮密度对气候要素的响应存在差异,15 m树高处最大密度、晚材平均密度对上年7—9月、当年5—9月平均气温具有较好的响应。因此,在1.3 m处采集雪岭云杉样本存在对气温响应估计偏低的可能。

以长白山林线树种岳桦为对象,利用生长控制试验进行干旱处理,研究干旱对岳桦幼苗光合特性及非结构性碳水化合物(NSC)积累的影响。结果表明:干旱显著降低了岳桦幼苗的净光合速率和气孔导度,提高了其水分利用效率;干旱显著增加了岳桦幼苗叶、皮、干和根中的可溶性糖和总NSC的含量,但显著降低了淀粉含量;随着干旱的持续,叶片的气孔导度、光合速率和瞬时水分利用效率迅速降低,而可溶性糖、淀粉和NSC则是先增后减;在试验末期,叶片90%发黄,岳桦幼苗干、皮和根中可溶性糖与淀粉含量的比值均显著高于对照。这表明岳桦在受到干旱胁迫时,迅速降低气孔导度以减少水分散失,提高水分利用效率,它属于避旱型植物;岳桦通过优先储存策略来提高组织器官中可溶性糖含量、增加淀粉与糖之间的转化率来应对水分亏缺的不利环境;在遭受持续干旱,幼苗面临死亡的时候,干旱胁迫可能超过了植物自我调节的阈值,但此时其组织器官中NSC含量并未降低,这说明岳桦最终的死亡可能不是碳饥饿导致的。

土壤胞外酶活性和酶化学计量比能很好地反映土壤养分有效性和微生物对养分的需求变化。然而,氮(N)沉降对亚热带森林土壤微生物养分相对限制情况的影响尚不清楚。通过在亚热带毛竹林进行N添加试验来模拟N沉降,并在试验满5年时进行取样,测定不同处理下土壤养分和与碳(C)、N、磷(P)循环相关的酶活性,利用酶化学计量比及矢量分析探究微生物的养分分配情况。结果表明: N添加显著降低土壤可溶性有机碳、有效磷含量,显著提高有效氮含量。此外,N添加显著降低β-N-乙酰氨基葡糖苷酶(NAG)活性和NAG/微生物生物量碳(MBC),显著提高酸性磷酸酶(ACP)和ACP/MBC。低N和中N处理显著提高酶C/N、矢量长度和矢量角度,但显著降低酶N/P。冗余分析表明,N添加下,土壤有效磷含量的变化是影响土壤酶活性及酶化学计量比变化的主要因子。综上可知,N添加改变了微生物的养分获取策略,即通过减少分配给合成N获取酶的养分来增加合成P获取酶的养分。此外,N添加还加剧了微生物的C、P限制,未来可以施加适量P肥来提高亚热带毛竹林的土壤肥力。

以中亚热带常绿阔叶林外生菌根树种罗浮栲和丛枝菌根树种木荷为研究对象,采用根袋法进行野外原位氮添加试验,研究了细根形态性状(比根长、比表面积、组织密度、平均根直径)和构型性状(分枝数、分枝比、根长增长速率、根尖密度、分枝密度),分析不同菌根树种细根形态和构型性状对氮沉降的响应。结果表明: 随序级增加,外生和丛枝菌根树种细根比根长、比表面积和分枝数对氮添加的塑性响应逐渐降低,组织密度则相反;这反映了不同分枝等级细根的养分获取与资源维持在序级间存在权衡关系。不同菌根树种对土壤氮有效性的变化采取不同的适应对策: 氮添加后,罗浮栲细根采取机会主义策略,依靠细根本身来提高养分吸收效率、增强空间扩展和就地养分吸收能力,以快速的养分吸收策略为主;而木荷通过养分吸收效率和根系构建成本之间的权衡,并未改变细根形态性状,更多地依赖于菌根菌和细根构型之间的互补性进行养分获取。外生和丛枝菌根树种维持和构建细根碳(C)成本的差异,导致细根采取最适合自身的养分捕获方式,以达到生存的最优策略。

桫椤是极为珍贵的孑遗木本蕨类植物。本研究利用Maxent生态位模型研究其全球潜在适生区及其变化,并运用受试者工作特征曲线(ROC)验证了精度,以为其资源的保护、搜寻和引种栽培提供参考。结果表明: 桫椤的潜在适生区主要位于亚洲,少量分布于北美洲、中美洲和香草四岛、新西兰、新喀里多尼亚、斐济。当前气候条件下,桫椤的全球适生区总面积为357.1万km²,其中,亚洲占88.4%,中国占49.5%。桫椤在中国的高适生区主要分布在云贵高原、四川盆地、岭南和台湾岛。影响桫椤适生区分布的主导因子为最暖季降水量、7月平均降水量、温度季节性和昼夜温差月均值。在SSP1_2.6气候情景下,2041—2060年,桫椤全球潜在适生区面积预计减少7.8%,2081—2100年预计增加3.2%;在SSP2_4.5气候情景下,2041—2060和2081—2100年其面积预计分别增加2.9%和7.2%;在SSP5_8.5气候情景下,2041—2060和2081—2100年其面积预计分别增加3.3%和5.3%。

设施蔬菜化肥过量施用造成土壤劣化、土传病虫害发生严重,从而导致蔬菜产量和品质下降。蚯蚓粪在改善土壤环境和促进蔬菜生长、提高产量和品质方面具有良好的效果。本试验在日光温室采用等量撒施和沟施两种方式研究了增施蚯蚓粪对土壤养分、酶活性、微生物数量及番茄生长、产量和品质的影响。结果表明: 与不施蚯蚓粪的对照相比,撒施蚯蚓粪和沟施蚯蚓粪处理均改善了土壤环境,显著增加了土壤有机质和氮、磷、钾等养分含量;显著提高了蔗糖酶和过氧化氢酶活性,增加了土壤中细菌、放线菌数量,降低了真菌数量。沟施蚯蚓粪处理明显促进了植株地上部的生长,撒施效果不显著。蚯蚓粪处理明显增强了植株根系活力,提高了叶片的光合作用和叶绿素含量,促进了植株氮和钾含量的积累。撒施和沟施蚯蚓粪处理的番茄产量比对照分别提高了22.7%和32.6%。沟施处理果实中可溶性蛋白、可溶性糖、维生素C和可滴定酸含量分别提高了66.1%、11.0%、122.6%和29.9%,硝酸盐含量降低了65.7%,而撒施处理对番茄果实品质提升效果不明显。

为解决苹果人工疏果费时费工、效率低等问题,以矮化中间砧红富士苹果为试材,以清水为对照(CK),研究了幼果期喷施化学疏果剂苯嗪草酮200、300和400 mg·L^-1的疏果效应及对叶片光合生物学特征的影响。结果表明: 与CK相比,喷施苯嗪草酮可显著降低花序和花朵坐果率,降幅分别为16.5%～22.8%和50.9%～53.9%,其中300 mg·L^-1苯嗪草酮疏果作用最强,单果率为46.6%,双果率为18.3%。苯嗪草酮作为光系统抑制剂,在降低叶片叶绿素含量的同时对光合作用也产生了较大影响,其中对叶绿素含量的抑制作用在处理15 d后消失,对净光合速率的抑制作用在处理11 d后逐渐消失。叶绿素荧光测定结果显示,苯嗪草酮处理显著降低了叶片开放的PSⅡ反应中心的能量捕捉效率(F_v/F_m)、实际光化学效率(Φ_PSⅡ)、光化学猝灭系数(q_P)和非光化学猝灭系数(NPQ),其抑制作用持续至处理后15 d。OJIP分析显示,苯嗪草酮使苹果叶片放氧复合体受到了伤害,尤其限制了PSⅡ反应中心电子从Q_A到Q_B的传递;苯嗪草酮处理使W_k提高,ψ_o、RC/CS_m和PI_abs显著降低,以300 mg·L^-1影响最显著。说明苯嗪草酮处理破坏了苹果叶片PSⅡ反应中心的结构,阻碍了电子从PSⅡ供体侧向受体侧的传递,进而影响了光合速率,使幼果因缺少光合产物积累而脱落。

为探讨外源有机物料在提升土壤有机碳和改良土壤肥力中的作用机理,依托中国农业科学院衡阳红壤实验站的长期定位试验,研究了冬种绿肥和秸秆还田模式(CK,冬闲;MV,冬种紫云英;S,早稻秸秆全量还田;DS,早、晚稻秸秆全量还田;SMV,冬种紫云英+早稻秸秆全量还田;DSMV,冬种紫云英+早、晚稻秸秆全量还田)对土壤团聚体和有机质官能团的影响。结果表明: 双季稻土壤超大团聚体(>2 mm)和大团聚体(0.25～2 mm)含量最多,为72.1%～81.8%,且两者中有机碳含量高达12.1～20.7 g·kg^-1,占总有机碳的22.7%～59.0%。水稻土中有机物官能团以多糖为主,其次为脂肪碳和芳香碳,各官能团的丰度受紫云英种植和秸秆还田的影响。与其他处理相比,DSMV显著增加了水稻土中超大团聚体(>2 mm)和大团聚体(0.25～2 mm)的含量,并促进了两种团聚体内芳香碳等惰性碳的积累。因此,DSMV更有利于土壤团聚体和有机质稳定性的提升,在实际农业生产中具有较大的应用潜力。

泥炭沼泽湿地仅占地球陆地面积的3%,而碳储量却占全球的30%,是陆地生态系统重要的碳库。溶解性有机质(DOM)是泥炭地碳循环重要组成部分,也是泥炭地生物地球化学过程的重要参与者。本研究利用新型电化学方法、稳定同位素技术对2个泥炭样地(矿养型泥炭沼泽,LB;雨养型泥炭沼泽,OS)地表水、地下水、土壤孔隙水中DOM及无机离子的氧化还原能力变化特征进行分析。结果表明: LB样地的无机元素丰富且浓度较高,无机主导的厌氧呼吸过程起主要作用;不同来源(地表水、地下水和孔隙水)水样中的氧化还原能力差异主要受实际氧化还原电位影响,孔隙水剖面铁和硫酸盐大多以还原价态赋存,无机电子受体会影响DOM的氧化还原活性基团发生氧化还原反应的水平和深度。OS样地的有机质极其丰富,有机电子受体参与氧化还原过程贡献显著,不同来源(地表水、地下水和孔隙水)水样中氧化还原能力差异同样受实际氧化还原电位影响,孔隙水剖面的氧化还原能力还受不同深度泥炭基质化学组成差异的影响。利用电子接受能力(EAC)和氧化指数(OI)值可表示沿梯度变化的氧化还原条件,进而可有效指示水生系统中有机质氧化还原状态。

研究降雨格局(如降雨量和降雨时间)对滨海盐沼湿地土壤碳矿化的影响,对于深入理解土壤碳的稳定性和积累机制具有重要意义。本研究选取远离海岸且不受潮汐影响的黄河三角洲原生盐地碱蓬盐沼湿地为对象,通过野外原状土柱的控制试验,分析土壤碳矿化(CO₂和CH₄通量)在不同时期(干旱期和湿润期)对降雨事件的响应。结果表明: 降雨时间和降雨量对土壤CO₂通量的影响存在交互作用。在干旱期,大降雨事件显著降低了土壤CO₂通量;而湿润期的降雨事件对土壤CO₂通量没有显著影响,这可能与盐沼湿地的水盐运移有关。降雨量、降雨时间及其交互作用均对土壤CH₄通量没有显著影响。降雨时间和降雨量对CH₄/CO₂比率均没有显著影响,但是相关分析表明随着土壤含水量和盐分的升高,CH₄/CO₂比率呈升高趋势。随着降雨量的增加,土壤含水量和土壤盐分都显著增加,且两因素呈现显著的正相关关系。因此,未来该地区降雨体系改变将可能通过调控土壤水盐运移等条件对该滨海湿地土壤碳矿化和碳汇功能产生深远影响。

精准的土壤属性空间分布信息有助于提升土壤有机碳储量估算的精度。本研究以河南省济源市南山林场为研究区,以地形因子为预测因子,利用模糊C均值(FCM)聚类方法对土壤有机碳含量、土壤容重、土壤厚度和土壤砾石含量进行数字土壤预测制图,基于数字制图结果实现土壤有机碳密度预测制图和土壤有机碳储量估算。结果表明: 基于数字土壤制图方法得到的研究区土壤有机碳密度平均值为4.24 kg·m^-2,其预测图的平均误差(ME)为0.08 kg·m^-2,平均绝对误差(MAE)为2.80 kg·m^-2,均方根误差(RMSE)为5.03 kg·m^-2,与传统类型方法相比,预测结果的精度和稳定性更高,具有较高的可信度,最终估算得到研究区土壤有机碳储量为3.08×10⁸ kg。基于数字土壤制图技术仅采用少量土壤样点即可实现较高精度的土壤有机碳密度制图和储量估算,且能表征土壤有机碳密度空间分布特征。本研究为土壤有机碳储量估算提供了新途径,有助于提升土壤有机碳储量估算的精度和效率。

为探讨开矿对白音华矿区土壤重金属空间分布的影响, 本研究以内蒙古西乌珠穆沁旗白音华煤矿区周边土壤为对象,分析了距离矿区8 km内的重金属Cu、Cr、Pb和Mn含量的空间异质性。结果表明: 土壤重金属Cu、Cr、Pb和Mn的平均含量分别为12.7、32.6、29.9和201.3 mg·kg^-1,其变异系数分别为26.8%、33.9%、27.1%和45.7%。采用半方差函数进行模型拟合, Cu、Cr、Pb和Mn空间分布分别符合高斯模型、高斯模型、高斯模型和线性模型。对其空间分布格局分析发现,Mn、Cr 和 Cu的空间自相关水平较高,主要受结构性因素影响,受随机性因素影响很小,Pb的空间相关性水平适中,同时受结构性因素和随机性因素影响。分形维数分析表明,4种土壤重金属含量空间分布简单,结合2D及3D图看,4种土壤重金属均呈现梯度分布,随着距离增加其含量逐步降低,Cu和Mn主要集中分布在距离矿区1.5 km内,Cr与Pb则分别集中分布在距离矿区2.0与3.0 km内。

城市污泥等废料可以用于调理稀土矿废弃地土壤,而能源植物麻疯树有望成为稀土矿废弃地的先锋植物。本研究通过向稀土矿废弃地土壤中添加污泥(T₁)、污泥+蔗渣(T₂)、污泥+蔗渣+钝化剂(T₃),并以矿区土壤为对照(CK),研究盆栽条件下各处理对麻疯树生长和元素吸收的影响。结果表明: 与CK相比,T₁仅显著提高麻疯树株高,T₂、T₃显著提高麻疯树株高、地径和生物量,其中总生物量提高184.7%以上;3个处理均显著促进麻疯树对N、P、K、Cu的吸收;T₁、T₂显著提高基质中可交换态Zn、Cd、Ni比例,T₃则相反,并显著降低Zn、Cd、Ni在基质中的迁移系数和活性系数,抑制麻疯树对Zn、Pb、Cd、Ni的吸收,抑制率达36.1%以上。隶属函数综合评价结果表明,各处理对麻疯树生长的促进顺序为T₂>T₃>T₁>CK,对麻疯树吸收Cu、Zn、Pb、Cd、Ni的抑制顺序为T₃>CK>T₂>T₁。混施污泥和蔗渣显著促进麻疯树生长和元素吸收,进一步加入钝化剂则显著抑制麻疯树对重金属的吸收,但不影响麻疯树生长。

西南地区是我国重要的生态资源区和生态脆弱区,在国家“绿水青山”战略发展中具有重要地位。本研究基于1 km空间分辨率的土地利用数据集,结合土地利用转移矩阵,定量分析2000—2015年间西南地区土地利用变化特征及其驱动力。并基于MODIS遥感植被指数,利用像元二分模型计算西南地区植被覆盖度,分析归一化植被指数(NDVI)和植被覆盖度的变化规律。结果表明: 研究期间,西南地区的主要地类是林地、农田和草地。建设用地面积增加5874 km²,增长率为55.8%;农田面积减少最多,下降6211 km²,其次是草地,减少2099 km²。2000—2015年间,西南地区建设用地的转入面积最多,主要由农田(贡献率68.2%)、林地(贡献率19.2%)和草地(贡献率13.1%)转化而来,转化的区域多靠近城区。农田的转出面积和转出率分别为7079 km²和2.2%,占所有转出类型面积的46.0%。林地多由草地(贡献率61.8%)转化而来,转化区域多分布在贵州中南部和云南西部等地。全区NDVI和植被覆盖度均呈显著增加趋势,说明研究区整体呈变绿趋势。其中,自然植被和农田的NDVI均显著增长,建设用地扩张地区的NDVI下降,说明自然植被和农田主导了该地区植被变化。通过残差分析发现,气候变化和人类活动对研究区变绿趋势的贡献显著。

滇南山区土壤侵蚀时空演变研究对于水土保持规划及世界文化遗产区的生态保护具有重要意义。本研究基于RUSLE模型和GIS/RS空间信息技术,分析元阳县2005—2015年间土壤侵蚀状况的时空变化趋势,以及其侵蚀成因和影响机理。结果表明: 研究期间,元阳县土壤侵蚀空间分异显著,流失区主要集中于县域东南部、西南部,藤条江沿岸区域侵蚀广泛,极强度和剧烈侵蚀呈点状分布。元阳县2005—2015年平均土壤侵蚀模数为11.06 t·hm^-2·a^-1,微度和轻度侵蚀所占面积比例近80%,而轻度和中度侵蚀则构成了近50%的全年土壤侵蚀总量,是县域水土流失治理的重点侵蚀级别。研究期间,随着森林覆盖率的提高,县域水土流失有减缓趋势。元阳县地形复杂多变,土壤侵蚀分布与海拔、坡度有很大的相关性,这种分布格局的形成受自然和人为因素的共同影响,海拔500 m以下、1500 m以上且坡度25°～45°的山地区是水土防护治理的重点区域。

区域生态质量很大程度上受人类活动强度影响,制约着区域经济可持续发展。以中老铁路经济廊带为对象,重点研究区内人类活动强度对区域生态环境的影响。选取1999、2009、2019年遥感影像计算遥感生态指数(RSEI),采用空间自相关及局域G统计量探测研究区生态质量的时空演变规律,并结合同期人口密度构建地理加权回归模型,定量分析区内人类活动强度引起的生态效应。研究表明: 1999—2019年,区内生态质量经历了先升后降的变化,RSEI均值由1999年的0.645升为2009年的0.738,随后又降为2019年的0.721,中部地区生态质量波动较大;基于地理加权回归模型(GWR)拟合人口密度与生态质量的效果明显好于最小二乘法,基于GWR的不同时期R²均高于0.7且拟合效果稳定,2019年拟合度最好(R²为0.785),1999、2009年R²分别为0.726、0.754;中老铁路沿线南部万象一带的生态质量对人类活动较敏感,以中度敏感区为主。对高、中、低度敏感区而言,人口密度每增长10、100、1000倍将相应导致RSEI均值降低0.2、0.4、0.6。经济廊带发展会导致人口密度增加,在规划布局过程中应控制人类活动,防止潜在敏感区及现有敏感区生态质量进一步恶化。

干旱作为极端气候事件之一,其频率和强度的变化影响到区域水资源,而干旱半干旱区植物生长的主要限制因素是水分,因此,研究黄土高原干旱时空特征及未来变化趋势对当地的生态环境具有重要意义。本研究基于1986—2019年降水和温度逐月格点数据,计算标准化降水蒸散发指数(SPEI)和干旱发生频率,并运用Mann-Kendall检验和Sen斜率估计方法,探讨了黄土高原的年、季尺度干旱时空分布及变化特征,最后利用NAR神经网络结合Hurst指数对黄土高原未来干旱趋势进行预测。结果表明: 研究期间,黄土高原总体呈现干旱化趋势,且年际和季节尺度的干旱发生频率在空间上差异较大。其中,年际、春季和冬季以黄土高原东南部和西部干旱发生频率最高,夏季和秋季以西北部干旱发生频率最高。夏季以中度干旱发生频率最高,年际及其他季节以轻度干旱发生频率最高。黄土高原春、夏季呈现干旱化趋势,秋、冬季研究区大部分区域干旱趋势减轻。黄土高原年际、春季、夏季的SPEI值在未来一段时间内仍处于下降趋势,即干旱化趋势加重,且夏季的Hurst指数最大,持续性变化最强,未来持续干旱的可能性高于其他季节。

在区域气候变暖的背景下,干旱事件引起的水位频繁波动以及流域开发导致的污染物输入均可以直接威胁水库的生态安全。本研究以云南省太平水库为对象,通过对沉积物的物理(粒度、烧失量)、化学(碳、氮元素)、生物(硅藻群落)等代用指标的分析,并结合监测数据和调查资料,重建了该水库1937—2018年的生态环境变化过程,并识别了硅藻群落的演替特征及其环境影响因子。粒度结果指示,太平水库在筑坝期间(1956—1984年)水动力逐渐增强,而后水动力条件持续减弱,与文献记录的水文调控历史基本一致。总氮、总碳和有机质含量较为一致地记录了水库建设期间水体营养水平的下降、水库建成后初级生产力和内源有机质的上升过程。硅藻群落呈现出“浮游种-底栖种-浮游种”交替占优的演化模式。驱动太平水库硅藻群落演替的主要环境因子为气候变化、水动力条件和营养水平。在气候长期变暖的背景下,严格控制外源营养输入并合理开展水文调控是维持水库水体生态健康和环境安全的重要前提。

云南鳅属鱼类是云贵高原及邻近区域特有鱼类,其独特两性异形现象可能是对喀斯特高原特定生境的一种重要适应。本文对云南星云湖特有鱼类长臀云南鳅两性异形、个体繁殖力及与之关联的雌雄摄食分化问题进行了研究,以揭示其两性异形特征并探讨其与生境的关系。结果表明: 长臀云南鳅两性异形指数为0.23,表明它是偏向于雌性体型较大的两性异形类型。同时,雌雄外部形态存在明显的色斑差异,雌鱼体侧密布横向色斑,而雄鱼体侧则有一明显的纵向条纹,横向色斑稀少或缺乏。单因素方差分析、主成分分析、判别分析及单因素相似性分析(ANOSIM)等进一步证实长臀云南鳅雌雄形态性状明显分离,全长、叉长、体长、头宽/头长、腹鳍起点-胸鳍起点(JK)/体长等对两性形态差异起主导作用。雌鱼繁殖力为(1364.5±489.3)粒,变化幅度为470~2430粒,其繁殖力随体长的增长而增大。食物分析显示,长臀云南鳅以摇蚊幼虫、蜉蝣稚虫为主要食物,食性较为狭窄。雌雄长臀云南鳅食物组成较为相似,但两者具有统计学意义上的显著差异。繁殖力选择压力、食物分化等可能对星云湖长臀云南鳅两性异形的形成起重要驱动作用,而两性异形的出现是长臀云南鳅对喀斯特贫营养龙潭生境的一种重要适应。

基于2008—2009年和2018年对北部湾日本带鱼的采样,通过测定碳氮稳定同位素,计算其营养级、营养生态位等指标,对比分析10年前后日本带鱼营养生态位的差异,探究其生态适应能力的变动。结果表明: 2个时期北部湾日本带鱼碳稳定同位素(δ¹³C)值差异明显,2018年δ¹³C值范围变窄,平均值变小,推测日本带鱼食物来源由偏中上层向偏中下层水域转变;氮稳定同位素(δ¹⁵N)值的范围和平均值基本保持不变,营养级范围和平均值(3.38和3.43)变化不明显,说明近10年来北部湾日本带鱼在生态系统中的营养层次比较稳定。日本带鱼δ¹³C值与肛长相关性不显著,δ¹⁵N则为极显著正相关性。在营养生态位方面,2018年的生态位指标均出现不同程度的下降,下降幅度的范围为1.1%~32.1%;生态位总面积和核心生态位面积分别由20.20和4.68缩小至14.20和3.18,说明北部湾日本带鱼的营养生态位发生了显著变化,对资源利用能力和环境适应能力下降。推测,10年来北部湾日本带鱼的营养级变化不明显,但由于食物来源发生变化,营养来源多样性下降,营养生态位变小。

基于四川盆地北部山区(简称四川盆北山区)2个地面气象观测站的气象资料和1个中华蜜蜂核心保护区的产量资料以及中华蜜蜂的生态特征和活动规律,分析了区内中华蜜蜂的气候生态适宜性;并以气温、水分、光照、风力和天气状况为影响指标,参考生活气象指数,构建四川盆北山区中华蜜蜂活动气象指数和年景评价分级计算方法。结果表明: 影响研究区中华蜜蜂活动的主要气象因子有气温、空气相对湿度、日照时数、风力和白天降水累计时长,其中,气温和白天降水累计时长是影响中华蜜蜂活动的主要限制性气象因子。通过这5个指标因子的不同取值组合,构建中华蜜蜂活动气象指数并进行分级评价:当指数＞12时,天气条件好,适宜中华蜜蜂活动;当指数为7～12时,天气条件一般,较适宜中华蜜蜂活动;当指数为1～7时,天气条件较差,中华蜜蜂活动明显减少;当指数≤1时,天气条件差,不适宜中华蜜蜂活动或处于越冬期。运用该指数对中山蜂场进行气候评价,多年(4—10月)平均综合气象指数为129.3(评分60.4),总体气象条件良好,“土蜂蜜”单产与年度综合气象指数显著相关,气象年景评价准确率90%。

林隙干扰通过改变森林微生境异质性和群落演替进程,对森林物种组成、林分结构和系统功能产生重要影响。本研究评述了有关林隙干扰对森林生态系统影响的最新研究进展,从物种生物学特性和环境因素两个方面分析了林隙干扰对森林物种组成变化的影响规律,基于群落组件和群落架构阐述了林隙干扰对森林结构的作用关系,梳理了林隙干扰对森林生态系统功能的影响机制。基于已有研究的分析和目前森林生态系统经营亟需解决的问题,提出未来研究所需关注的重点领域和问题: 林隙面积阈值确定方法;林隙闭合机制;林隙干扰对森林生态系统过程的影响;林隙干扰与森林生产力的关系。林隙干扰在促进物种更新和提升森林结构复杂性等方面具有优势,因此本研究可为我国低产低效人工林改造提供科学依据。

生态系统在环境条件变化时表现出的剧变或阈值现象是当前生态学研究的热点,但是生态阈值定量检测的困难阻碍了这一主题的研究与应用。本文从典型案例入手,通过分析潜在生态阈值的S型曲线式、补给-压力式和跃迁式驱动-响应机理,归纳了局部加权回归散点平滑法、分段回归、高斯模型、拐点分析软件、稳态转换检测软件、指示种阈值分析和系统动力学仿真模型7种生态阈值确定方法,并评述了其优缺点和适用性,以期为生态阈值的定量分析研究提供方法借鉴。

如何有效判定土壤健康状态是实现农业绿色发展的基本问题。在现有的土壤健康评价体系中,很少考虑土壤生物在维持土壤健康方面的作用。基于此,本文论述了土壤健康的内涵,从土壤生物健康的角度,总结了土壤健康的生物学表征指标,阐述了土壤微生物、土壤酶活性、土壤微食物网及蚯蚓对土壤健康的指示作用。基于上述生物指标,从作物和土壤管理等方面探讨了不同农田管理措施对土壤健康状况的调控途径,并对土壤生物健康的未来发展趋势进行了展望。本文旨在增强科学家和决策者对维护土壤生物健康的认识,充分发挥土壤生物在生态系统服务中的重要作用。

我国地膜使用量已占农业塑料薄膜使用量的半数以上,其大规模使用在带来巨大经济价值的同时也造成了“白色污染”,残膜难回收、难降解,直接影响土壤的再生能力。本文综述了我国地膜使用现状及其降解方面的研究进展,分别对地膜降解的生物与非生物途径和机理进行了概括,重点分析了非生物降解途径中光催化、金属离子掺杂等对聚烯烃降解的协同效应,以及生物降解途径中不同来源的菌和酶对聚烯烃降解效率的影响,并展望未来发展出更为高效的地膜降解方式,为后续地膜降解及环境中微塑料的降解研究提供参考。

农业生态产品价值实现对我国粮食安全、生态保护、重要战略布局意义重大。本研究梳理了农业生产系统和农业生态产品(农产品、其他生态系统服务与负服务)的概念与边界,基于能值分析构建了农业生产系统所提供的服务核算方法体系,核算了我国单位面积典型农产品生态系统服务与负服务,并进一步提出分类化的农业生态产品价值实现路径: 1)已经通过市场化价值实现的农业生态产品需要通过提升绿色度、特殊度和建立农业产业链等实现溢价增值;2)尚未通过市场化价值实现的农业生态产品需要进行价值补偿途径,或通过生态产品赋能及区域共用品牌质量承诺实现价值变现;3)通过多途径减少温室气体排放、通过土地养分管理策略减少氮磷、农药、杀虫剂对生态系统和人群健康的损害,以及通过合理的景观结构减少农业生态系统负服务的产生,以此实现农业生态产品的价值保值;4)还可通过取消二次农业补贴、建立生态交易平台和生态产品认证等推动相关的金融方案。本研究有助于提出农业生态产品价值实现路径,促进绿色金融发展,推动自然资源管理能力现代化。

尽管南极被认为是远离人类污染的净土,但近年来不断发现有机氯农药、多氯联苯、多溴联苯醚和全/多氟化合物等传统和“新型”持久性有机污染物(POPs)存在于南极的非生物及生物环境中,由此引发了全球各国对南极生态系统的不断关注。POPs性质稳定,能够久存于环境中,并具有毒性,易富集于生物体内并产生一定的健康风险。为了解南极和南大洋持久性有机污染物的生物地球化学过程及其对生物种群和生态系统产生的影响,本文以南大洋典型食物链为主线并结合南极海洋生物生活习性,综述了近年来国内外学者对南极海洋食物链不同营养级生物体内POPs的研究现状,并对南极海洋生态系统POPs研究前沿和热点提出了展望。研究显示,南极地区是世界上污染程度最低的地区,但过去几十年有关南极海洋生物中POPs的类型不断增加,表明该地区受到地区内/外活动的影响日益增加。零散的研究数据以及各异的技术方法使得目前仍无法阐析POPs沿食物链传递的机制。有关南极海洋生态系统POPs动态的长期监测与评估计划亟待建立。

为探究EwE(Ecopath with Ecosim)模型的历史演变和应用现状,本文通过Web of Science主题检索和引文链接法获得1984—2020年间的研究文献构成核心数据集和扩展数据集,并以此为数据源,从论文分布、研究力量、研究主题、热点演化等方面进行科学文献计量分析,利用CiteSpace软件绘制相关图谱。结果表明: EwE模型的系列研究成果产出总体呈上升态势,且广泛分布于多学科交叉领域, Christensen、Walters、Pauly等学者在模型应用和国际合作中起到重要推动作用。过去,EwE模型通过建立功能组间的营养关系,主要用于解决生态系统结构和功能的时空变化、捕捞对生态系统影响等问题。当前,研究主题聚焦于海洋资源管理、生态系统模拟、海洋保护区、生态系统指标等重点群组。研究热点从模型开发和食物网结构向生态系统预测和资源管理研究演变,从而为基于生态系统的水域资源管理和海洋保护区建设等提供科学依据。