21世纪的生态学研究迈入了生态系统科学新阶段,宏观生态系统科学作为生态系统科学的引擎及前沿方向,正在围绕“环境变化-生态系统-人类福祉-社会发展”互馈机制问题,基于“多要素-多过程-多功能-多尺度-多维度”的系统认知框架,致力于发展“跨介质-跨界面-跨时空-跨层级-跨学科”的整合研究,聚焦“资源环境-系统结构-生态过程-功能服务”和“系统构建-状态演变-资环效应-调控监管”的级联关系及过程机理,认知宏观生态系统演变规律及人为调控科学原理。本文系统梳理了宏观生态系统科学的生态学基础理论架构,采用“科学公理-原理体系-基础理论-应用技术”的逻辑框架,以“生物集聚和协同演化、组件铆链和结构嵌套、过程耦合和机制互馈、功能涌现和服务外溢、动态演替谱系和空间谱系、自然变化和人为调控”等宏观生态系统科学的公理性认知为指导,尝试性地构建了宏观生态系统科学理论研究和实践应用的知识体系与逻辑框架,期望能够推动传统生态学研究范畴及范式向多维度生态系统科学的升级转型,进而向大尺度、长周期的宏观生态系统科学的应用拓展,促进生态系统科学知识创新及实践应用,为区域及全球自然资源管理、生态安全格局构建以及社会可持续发展提供科技支撑。

本研究以东北林业大学帽儿山实验林场55块长白落叶松人工林固定样地调查数据为基础,采用均值±标准差法将林分密度指数(SDI)划分为3个等级,即SDI Ⅰ∈(0,695]、SDI Ⅱ∈(695,1027]、SDI Ⅲ∈(1027, ∞] 株·hm^-2;以Logistic方程为基础,耦合哑变量和分位数回归构建不同SDI等级下的3个分位点处(0.90、0.95和0.99)的单木最大冠幅预测模型,进而采用树冠投影面积法编制不同SDI等级下的林分经营密度数表,探讨林分密度对蓄积量和碳储量的影响。结果表明:不同SDI的单木最大冠幅模型具有显著差异,且均以0.90分位点能够更好地模拟单木最大冠幅;独立样本检验表明,与Logistic基础模型相比,单木哑变量分位数最大冠幅模型的R_adj²可显著提高0.20,而均方根误差显著降低0.15 m。基于建立的单木哑变量分位数最大冠幅模型和树冠投影面积法,编制出了不同SDI等级下的林分经营密度数表;当培育目标直径为30 cm时,与SDIⅠ相比,不区分SDI等级时相应的林分蓄积量和碳储量分别被高估26.16 m³·hm^-2和10.10 t C·hm^-2;与SDIⅡ相比,其同样被高估15.99 m³·hm^-2和6.12 t C·hm^-2;但与SDI Ⅲ相比,其被显著低估85.13 m³·hm^-2和33.04 t C·hm^-2,表明忽略SDI等级差异会系统性高估低密度林分的碳汇能力,同时低估高密度林分的实际贡献。因此,按SDI等级开展林分密度调控,有利于实现该地区长白落叶松人工林质量的精准提升。

水松是我国特有的单种属孑遗树种,野外种群个体稀少,珠海斗门竹洲岛水松林自然保护区分布了世界最大面积的水松人工林,但目前水松人工林存在一定程度的衰退。为明确水松人工林种群的生存现状及动态特征,本研究构建年龄结构图谱,编制静态生命表,利用生存函数分析及时间序列预测等方法,分析了水松人工林的种群动态特征及其驱动机制,为水松种群的保护与管理提供科学依据。结果表明: 水松人工林种群结构为“钟型”,幼龄植株数量和老龄植株数量较少,个体数最多的龄级为第Ⅴ龄级(20 cm≤DBH＜25 cm),林下天然更新匮乏。静态生命表显示,死亡率与消失率呈先增加后降低的趋势,峰值分别出现在第Ⅵ龄级(25 cm≤DBH＜30 cm)和第Ⅹ龄级(DBH≥45 cm),生命期望随龄级增加而递减,存活曲线符合Deevey-Ⅱ型。谱分析表明,种群动态具有显著的周期性波动特征,受基波A1主导和第3谐波驱动,中龄级(第Ⅴ龄级,20 cm≤DBH＜25 cm)是关键波动阶段;时间序列预测显示,在第Ⅱ～Ⅳ龄级周期内,种群规模呈现增长趋势,在第Ⅴ龄级达到峰值,Ⅵ～Ⅷ龄级后种群数量持续下降。水松种群虽在短期内维持增长趋势,但幼龄补充不足、环境随机干扰及生理衰老导致其长期存续面临风险。建议通过人工繁育、生境修复及外来物种管控等措施提升水松种群恢复力。

本研究以年楚河流域海拔3800～5100 m段的种子植物为对象,探究流域植物群落结构特征,分析物种多样性和系统发育多样性沿海拔梯度的分布格局及环境驱动机制。结果表明: 研究区内主要群落类型为中亚早熟禾+短柄鹅观草+紫花针茅群落、高山嵩草+华扁穗草+蕨麻群落及砂生槐+白草群落,物种丰富度为5～28,均值为15.18±5.04,系统发育多样性指数(PD)为621.45～2315.96,平均值为1441.44±348.83。物种多样性与系统发育多样性均沿海拔呈单调递增格局。在65%的样方中,净谱系亲缘关系指数(NRI)和净最近种间亲缘关系指数(NTI)均大于0。影响物种多样性和系统发育多样性的主要土壤驱动因素为土壤总氮和水解性氮,其贡献率分别为23.4%和22.8%。在气候因素中,潜在蒸散量、年均温与物种多样性及系统发育多样性呈显著负相关,湿润指数与NRI和NTI呈显著负相关。海拔与纬度是影响物种丰富度及系统发育多样性指数的主要地理驱动因子。Mantel检验显示,物种β多样性与地理距离及海拔等环境因子呈显著正相关,而系统发育β多样性对地理距离的响应相对较弱。年楚河流域植物群落的构建受地理隔离和环境异质性的共同驱动,系统发育结构表现为明显的聚集,中高海拔带系统发育多样性指数较高,环境异质性对其具有更强的解释力,气候变化引发的干旱加剧可能会对该区域的植物多样性构成潜在的风险。

将兴安落叶松幼树从塔河、松岭、黑河和带岭4个地点移栽至其自然分布区南缘的帽儿山同质园,生长20年后,测定兴安落叶松针叶的光合能力。以4个原产地为对照,同质园为气候变暖处理,分析兴安落叶松针叶光合能力对气候变暖的响应机理。结果表明: 气候变暖显著增大了兴安落叶松针叶的最大净光合速率、总氮含量、叶绿素含量、核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶/加氧酶(Rubisco)活性和磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶(PEPC)活性、光合系统中氮含量及其比例。其中,与对照相比,气候变暖处理下原产地为带岭、黑河、松岭和塔河的兴安落叶松针叶最大净光合速率分别显著提高23.5%、34.4%、37.5%和45.8%,Rubisco活性分别显著增加11.1%、30.1%、36.3%和56.7%,光合系统中氮含量分别显著增加19.0%、51.0%、67.8%和70.4%。兴安落叶松针叶最大净光合速率与Rubisco活性、PEPC活性、光合系统中氮含量均呈显著正相关。气候变暖对兴安落叶松针叶光合氮利用效率影响不显著。气候变暖处理下兴安落叶松针叶光合能力显著增大,是光合系统氮含量增加和光合酶活性增强共同调控的结果。

为探究红松不同叶龄针叶沿冠层垂直梯度对光斑的光合响应特性,本研究依托长白山森林生态系统定位站林冠塔吊平台,以优势树种红松为研究对象,选取冠层上、中、下部(平均高度为23.26、16.55、11.15 m)的当年生和一年生针叶,利用Li-6400便携式光合仪模拟光斑出现到消退的动态变化过程(光合有效辐射PAR从50 μmol·m^-2·s^-1荫蔽态阶跃至1200 μmol·m^-2·s^-1光斑态,再降至50 μmol·m^-2·s^-1光斑消退),测定针叶的光合诱导、光合恢复响应特征及气孔动力学过程。结果表明: 叶龄与冠层高度显著影响光合生理过程,二者存在交互作用。在光合诱导阶段,冠层下部当年生针叶最大反应速率(RS_max)最高(18.41 nmol·m^-2·s^-1),而冠层上部一年生针叶RS_max最高(17.39 nmol·m^-2·s^-1);在光合恢复阶段,冠层下部当年生针叶RS_max最高(2.93 nmol·m^-2·s^-1),而冠层上部一年生针叶RS_max最高(0.66 nmol·m^-2·s^-1),表明不同叶龄针叶对光斑的响应在冠层间呈现互补策略。气孔动力学响应存在垂直梯度差异。在气孔打开阶段,冠层上部当年生和一年生针叶的RS_max分别比下部加快145.5%和104.4%;在气孔关闭阶段,冠层上部当年生和一年生针叶的RS_max分别比下部减慢40.2%和34.5%,表明上层针叶能更有效地利用光斑,这种互补的光斑利用策略有利于最大化阔叶红松林冠层整体的光合碳同化能力。

本研究在亚热带天然毛竹林开展野外氮添加试验,以硝酸铵为氮源,设置3个氮添加水平: 0、20和80 kg N·hm^-2·a^-1,分别对应对照组、低氮处理和高氮处理。在试验的第9年采集表层(0～15 cm)土壤和毛竹样品,测定土壤基本化学性质、微生物群落组成、酸性磷酸酶活性、叶片氮和磷含量、叶片磷组分、细根生物量和磷含量,分析氮添加对毛竹磷利用策略和磷获取策略的影响及其与环境因子的关系。结果表明: 低氮和高氮添加均显著提高了叶片氮和磷含量,导致叶片氮磷比没有显著变化。与对照相比,仅高氮添加显著提高了叶片代谢磷、核酸磷和结构磷含量,但未改变各磷组分的占比。低氮和高氮添加下土壤有效磷含量和细根磷含量平均显著提高了31.4%和28.9%,但土壤有机磷含量显著降低了28.2%。细根磷含量与细根生物量、土壤丛枝菌根真菌丰度和有效磷含量均存在显著正相关关系。综上,长期氮添加通过增加地下碳分配来提高毛竹根系的磷吸收。

本研究选择巨尾桉纯林(对照)、巨尾桉与杉木(桉杉)混交林、巨尾桉与福建柏(桉柏)混交林以及巨尾桉与杉木、福建柏(桉杉柏)混交林4种林分,将巨尾桉新鲜凋落桉树树皮放置于4种林分中,在540 d的分解周期内,每隔60 d回收一次分解袋,研究分解袋中残留凋落树皮的干重以及碳、氮、磷、纤维素和木质素含量,分析凋落桉树树皮的分解特征、主场效应以及养分释放动态及关键驱动因子。结果表明: 混交林的凋落桉树树皮分解速率均显著高于桉树纯林,主场效应指数为负值,其中以桉杉混交林的分解最快,桉杉柏混交林次之,桉柏混交林略高于桉树纯林。3种混交林均促进了凋落桉树树皮分解过程中有机碳(C)、氮(N)、磷(P)的矿化及纤维素的降解,但对凋落桉树树皮木质素的分解影响较小,并伴随着C/N、C/P、N/P的下降和木质素/N的提升。在凋落桉树树皮分解过程中,有机碳和纤维素在主场与客场均表现为持续释放模式,N和P则呈现“释放-积累-释放”模式。养分残留量、化学计量比、难分解物含量共同解释了凋落桉树树皮分解变异的76.6%,其中,较高的C残留量会加速桉树树皮的分解,而较高的P残留率和C/N、N/P值会抑制分解。桉杉混交林对巨尾桉凋落桉树树皮的分解具有显著促进作用,建议未来桉树林林分结构改造时可优先考虑桉杉混交林。

木材孔性(无孔材、散孔材、环孔材)体现温带树种木质部解剖结构的进化梯度特征,但木材孔性与树干非结构性碳水化合物(NSC)储存策略的关联机制尚不明确。本研究以河南省宝天曼国家级自然保护区77个树种为对象,其中无孔材3种、散孔材45种、环孔材(含半环孔材)29种,测定胸高位置树皮、边材和心材的可溶性糖、淀粉、总NSC浓度以及糖/淀粉比值,探究暖温带地区树种木材孔性对树干不同组织(树皮、边材和心材)NSC的储存策略的影响。结果表明: 树干组织类型和木材孔性对NSC及其组分(可溶性糖和淀粉)浓度具有显著影响,NSC及其组分呈现由外向内径向递减趋势,树皮NSC浓度(6.4%)显著高于边材(3.2%)和心材(2.5%),树干各组织总NSC以可溶性糖为主。3种木材孔性树种树皮的可溶性糖、总NSC和糖/淀粉比值均呈现无孔材＞散孔材＞环孔材的逆进化梯度模式,而木质部(边材和心材)中NSC存储呈现进化梯度模式。散孔材和环孔材树种NSC及其组分浓度在边材与心材间均呈显著正相关;可溶性糖与淀粉在无孔材、散孔材树种的树皮和环孔材树种的3个树干组织中均呈现显著的正相关关系。沿木材孔性进化梯度,暖温带树木倾向于通过降低树皮至边材的NSC浓度以及增强边材和心材功能分化实现资源优化配置,体现了木质部解剖结构与存储功能的协同。

明晰麻栎纯林及混交林不同粒径土壤团聚体中磷组分特征,可为北亚热带区域土壤磷的有效性研究提供科学依据。本研究以南京市溧水区林场的麻栎纯林及麻栎马尾松混交林为对象,测定了0～20和20～40 cm两个土层团聚体的稳定性、各粒径团聚体的磷组分含量和酸性磷酸酶活性,以及凋落物和细根的生物量,解析不同林分类型下环境因素对土壤团聚体活性磷组分的影响。结果表明: 2种林分类型不同土层中的大团聚体(粒径>2 mm)含量均高于其他粒径,混交林中大团聚体占比为48.4%,纯林为43.7%。在0～20 cm土层中,混交林的团聚体稳定性均显著高于纯林。2种林分的团聚体全磷含量在0～20 cm土层为181.82～273.34 mg·kg^-1,林分间无显著差异;在20～40 cm土层为172.51～251.49 mg·kg^-1,混交林>2 mm粒径团聚体的全磷含量显著高于纯林。两种林分团聚体活性磷含量在0～20 cm土层为18.29～33.10 mg·kg^-1,林分间无显著差异;在20～40 cm土层为11.78～25.22 mg·kg^-1,混交林各粒径团聚体该含量均显著高于纯林。不同土层中,混交林各粒径团聚体的酸性磷酸酶活性均显著高于纯林,混交林在不同土层的细根生物量均显著高于纯林,凋落物生物量在林分之间无显著差异。广义线性混合模型分析表明,在0～20 cm土层,土壤pH、团聚体酸性磷酸酶和林分类型对团聚体活性磷含量的影响达显著水平,相对贡献度分别为32.0%、15.7%和9.0%;在20～40 cm土层,林分类型、团聚体酸性磷酸酶、细根生物量和凋落物生物量对团聚体活性磷含量的影响均达显著水平,相对贡献度分别为22.0%、16.5%、16.2%和10.6%。相比于纯林,混交林通过影响多种环境因素提升了土壤活性磷含量。

本研究在大兴安岭北部典型泥炭地开展长期原位氮磷添加试验,研究氮(6 g N·m^-2·a^-1)、磷(2 g P·m^-2·a^-1)添加4、6和8年后物种优势度、群落多样性和地上部生物量,分析养分有效性增加对植物群落结构的影响。结果表明: 磷添加对落叶灌木、常绿灌木、莎草、禾草、杂类草、苔藓和地衣优势度没有显著影响;而氮添加显著提高了落叶灌木和禾草重要值及优势度,降低了苔藓和地衣重要值及优势度,而且影响幅度随着试验年限增加而增加。氮和磷添加均降低了物种丰富度、多样性和均匀度,其中氮添加引起的物种多样性降低主要由常绿灌木、苔藓和地衣消失引起,而磷添加引起的物种多样性降低则主要由杂类草、苔藓消失引起。磷添加没有改变植物地上部生物量,但氮添加导致常绿灌木、苔藓和地衣的地上部生物量降低,并引起落叶灌木和禾草地上部生物量增加。氮和磷添加对植物地上部生物量产生显著的交互作用,氮添加和氮磷同时添加处理地上部生物量比对照分别显著高87%和128%。研究表明,养分富集能促进植物生长,但引起物种多样性降低,而且影响强度随时间延长而增大。

泥炭沼泽是陆地最重要的碳储存库之一,其土壤活性有机碳组分对环境条件变化的响应是反映泥炭沼泽土壤碳库稳定状况的重要指标。土壤酶是泥炭沼泽生物化学过程的主要参与者,影响泥炭沼泽物质循环和能量流动过程。本研究以长白山区退化、恢复3、5、8年和天然泥炭沼泽为对象,测定土壤活性有机碳组分和酶活性及土壤理化性质和地上生物量,探究退化泥炭沼泽在近自然恢复过程中土壤活性有机碳组分和酶活性的变化特征及其驱动因素。结果表明: 泥炭沼泽近自然恢复后,易氧化有机碳(EOC)、微生物生物量碳(MBC)和可溶性有机碳(DOC)含量均呈显著增加趋势。其中,MBC和DOC含量随着恢复年限的增加逐渐升高,与退化泥炭沼泽相比,恢复8年泥炭沼泽的MBC和DOC分别提高139.7%和160.2%;而EOC含量在恢复3年后即已达到天然泥炭沼泽水平,表现出更快速的恢复响应特征。近自然恢复后,泥炭沼泽0~10 cm土壤的β-1,4-N-乙酰葡糖氨糖苷酶(NAG)和酸性磷酸酶(ACP)活性显著增加。恢复8年后,两种酶活性较退化状态分别提高30.1%和84.1%;而β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)活性在泥炭沼泽恢复3年后提高60.8%,但在恢复5年后略有下降,恢复8年后与退化泥炭沼泽的酶活性无显著差异。相关分析和结构方程模型结果显示,泥炭沼泽恢复过程中土壤有机碳(SOC)含量直接影响其活性碳组分,而活性碳组分和地上生物量共同影响土壤酶活性。综上,近自然恢复措施能有效提高退化泥炭沼泽土壤活性有机碳组分和酶活性,促进生态系统功能的恢复。本研究结果可为退化泥炭沼泽的生态恢复与管理提供重要的基础数据和参考依据。

本研究以黑河下游极端干旱区绿洲、过渡带、荒漠 3 种典型生境的黑果枸杞、红砂、泡泡刺等 15 种优势灌木为研究对象,采用石蜡切片技术结合显微观测,测定叶片表皮厚度、叶片总厚度、栅栏组织厚度、海绵组织厚度、主脉维管束厚度等 14 项解剖学指标,并结合环境因子分析其干旱适应机制。结果表明: 叶片厚度、栅栏组织厚度和叶片结构紧实度(总栅栏组织厚度/叶片厚度)在不同生境间存在显著差异,且随干旱程度加剧呈显著递增趋势;其余解剖结构在 3 种生境中无显著差异。环境因子解析显示,土壤养分异质性对解剖结构变异的贡献率达 44.4%～85.2%,显著高于土壤水分可利用性(5.8%～32.8%)和盐碱性(8.0%～33.9%)。灌木叶片解剖结构的协同适应策略表现为增厚叶片及表皮细胞以减少水分蒸腾流失,增加栅栏组织厚度提升光合效率,减小主脉维管束厚度来牺牲部分输水效率,从而增强盐分分泌能力,最终形成多维环境适应机制。干旱区灌木通过叶片解剖结构的系统重构形成稳定适应机制,其性状分异主要受土壤养分如全氮和全磷的驱动。

以辽西北地区章古台天然草地中4个优势种胡枝子、寸草苔、委陵菜和隐子草为研究对象,设置0(对照)、10%、30%、50%、70% 5个加沙水平,研究4个优势种的形态和化学功能性状,分析叶片功能性状对沙化的响应与适应策略。结果表明: 沙化显著影响辽西北天然草地植物的叶片功能性状,并存在显著的物种特异性。随沙化强度增加,寸草苔和委陵菜的比叶面积呈先上升后下降的变化趋势,分别在30%和10%加沙水平下达到最大值;4种植物的叶干物质含量随沙化程度的加剧均呈下降趋势,但变化不显著。沙化显著提高寸草苔和隐子草叶片氮、磷含量,与对照相比,70%加沙处理其氮含量分别升高45.8%和28.2%,磷含量分别升高87.1%和50.3%。4种植物均通过对比叶面积、叶干物质含量、叶片氮含量和磷含量等形态及化学性状的权衡来适应沙化环境;委陵菜表现出“低投入、高收益”的资源保守型策略,胡枝子能维持较稳定的叶片元素含量,两者均表现出较强的沙化适应性。

为了揭示双季稻生产体系产量及碳足迹对新型肥料与灌溉模式的响应规律,本研究采用FAO-CROPWAT 8.0模型与田间试验(2020—2021年)相结合的方法,研究了树脂包衣尿素(CRU)、碧晶尿素(CP)、EM菌剂(EM)3种新型肥料(以常规施肥为对照)和常规灌溉(W₁)、浅水灌溉(W₂)2种灌溉模式及其互作对早稻和晚稻产量、温室气体排放及碳足迹的影响。结果表明:与常规施肥(CK)相比,2020年CRU、CP和EM 3种新型肥料早稻和晚稻平均增产14.2%和17.1%,2021年平均增产36.7%和23.1%;W₁与W₂间水稻产量差异不显著。新型肥料施用减少了双季稻体系温室气体排放,不同肥料在早、晚稻上的减排效果存在一定差异。与CK相比,CRU处理的早稻CH₄排放、全球增温潜势(GWP)和温室气体排放强度(GHGI)分别降低22.2%、22.9%和39.3%;CP处理的晚稻CH₄排放、GWP、GHGI分别降低20.7%、19.3%和33.5%;EM处理的早稻N₂O排放和GHGI分别降低了14.7%和6.2%。浅水灌溉显著减少温室气体排放,与W₁处理相比,W₂处理早稻的CH₄排放、N₂O排放、GWP和GHGI分别降低21.9%、42.0%、24.7%和25.9%,晚稻分别降低23.4%、33.6%、24.0%和23.7%。新型肥料和灌溉模式对碳足迹的影响存在显著的交互作用,与W₁模式下CK相比,新型肥料和W₂互作下早稻、晚稻季碳足迹平均值分别显著降低35.9%、22.0%。综上,施用新型肥料可以显著提高双季稻产量,优化灌溉模式可以减少温室气体排放。浅水灌溉模式下选择合适的新型肥料可以起到增产、减排、降低碳足迹的效果,实现清洁生产,促进双季稻种植的可持续发展。

白浆土的白浆层肥力低、养分有效性差,有机物料还田是提高土壤肥力的有效管理措施。本研究以白浆土为对象,设置深翻35 cm无有机物料(T₃₅)、秸秆深混35 cm(T₃₅+S)、有机肥深混35 cm(T₃₅+M)、秸秆配施有机肥深混35 cm(T₃₅+M+S)处理,以传统耕作15 cm无有机物料为对照(CK),分析不同有机物料还田对耕层(0～15 cm)和亚耕层(15～35 cm)土壤氮、磷、钾养分含量及pH值的影响。结果表明:与CK相比,深翻处理(T₃₅)耕层土壤全氮含量下降,而亚耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量显著增加。有机物料深混还田各处理均能改变耕层和亚耕层土壤全量和速效养分含量。与CK相比,T₃₅+S处理显著增加了耕层和亚耕层土壤全氮、全钾、全磷、碱解氮、有效磷和速效钾含量,且与T₃₅处理相比,其耕层和亚耕层土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量均增加;T₃₅+M和T₃₅+M+S处理耕层和亚耕层土壤全量和速效养分含量均显著高于其他处理,且以T₃₅+M+S处理最高,与CK相比,两处理耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷、速效钾含量分别显著增加 34.8%和36.4%、20.5%和29.0%、112.3%和118.0%、39.5%和49.5%,亚耕层土壤分别显著增加68.6%和72.3%、39.4%和46.3%、124.9%和131.2%、50.4%和64.9%。T₃₅、T₃₅+S、T₃₅+M和T₃₅+M+S处理亚耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷和速效钾丰富度指数(亚耕层土壤养分含量/耕层土壤养分含量)较CK分别增加5.3%～12.4%、4.8%～5.5%、11.4%～14.4%和18.0%～20.7%,表明有机物料深混还田缓解了深翻造成的耕层土壤全氮、碱解氮、有效磷和速效钾含量的下降,提高了亚耕层(白浆层)养分含量。4个处理0～35 cm土层pH值分别增加0.01、0.09、0.17、0.14。综上,有机物料深混还田均能提升白浆土耕层和亚耕层土壤肥力,以有机肥或有机肥配合秸秆深混还田效果最好。

耕地土壤盐碱化的加剧对农业可持续发展和生态环境构成了重大威胁,土壤含盐量(SSC)和pH值是评估盐碱化程度的关键指标。遥感技术为大范围、高效的土壤盐碱状况监测提供了有力支撑。本研究以河套平原盐碱农田土壤为研究对象,结合实测SSC、pH值和Sentinel-2影像(包括6个波段及24个盐分指数),并引入环境变量、土壤理化属性及合成孔径雷达数据作为建模变量,采用梯度提升机(GBM)进行特征筛选后,基于极端梯度提升(XGBoost)、轻量级梯度提升机(LightGBM)、自适应提升(AdaBoost)、类别提升(CatBoost)、随机森林(RF)和极端随机树(ERT)6种机器学习算法建立SSC和pH值的反演模型,通过夏普利加性解释(SHAP)可视化变量贡献度,并对盐碱化信息空间分布反演制图。结果表明: 研究区土壤盐碱化整体呈轻度至中度,且盐化与碱化存在显著空间异质性。GBM算法通过筛选累积贡献达90%的特征变量,有效降低了模型复杂度,且不同类型变量对盐碱化信息的贡献差异较大。XGBoost和ERT模型分别在SSC和pH值反演中表现最佳,模型验证R²分别为0.925和0.818。SHAP分析显示,盐分指数对SSC和pH值的累计贡献度分别为34.9%和34.2%,位于所有变量之首,其次为土壤理化属性和地形因子,占比为15.7%～23.0%,气候因子和雷达数据的贡献有限,单波段贡献最小。本研究可为类似区域土壤盐碱化信息监测、变量优选及农业改良决策提供参考。

残差趋势法是植被变化归因的重要方法,其性能取决于植被-气候关系模型对人类活动作用变化信号干扰(简称人类干扰)的规避能力。抑制人类干扰的根本途径是寻求建模基准,且空间基准的自由度远大于时间基准。以往植被-气候关系模型受限于传统的逐像元建模方式仅可使用时间基准。本研究在突破逐像元的植被-气候关系模型、实现空间集成的植被-气候关系模型构建的基础上,提出一种迭代选取空间基准的方案,从而改进残差趋势法,并开展2003—2022年的中国植被变化归因。结果表明: 2003—2022年间,中国植被增强型植被指数整体呈增强态势,增长速率为0.002·a^-1。植被分布具有显著的空间差异:以黑河-腾冲线为界,东部区域表现为显著和极显著改善,面积占植被覆盖面积的61.5%;西部地区植被表现为不显著改善和退化,占比为36.5%;剩余2%的区域植被呈显著和极显著退化。研究期间,人为因素主导了我国的植被变化,平均贡献率高达87.9%,其对植被改善和退化区域的贡献率均超过了85%。生态保护政策的实施、农业管理水平提升和社会经济发展模式转变是促进我国多数区域植被改善的主要原因;而过度放牧和快速城市化则导致了北部、东部和中部部分地区的植被退化。基于空间基准的残差趋势法所构建的植被-气候关系模型在预测精度上优于传统的残差趋势法,其在量化气候和人为因素的相对作用时更为精确,有效避免了对气候因素影响的高估,一定程度上减少了人类干扰。

为定量化区分气候变化与人类活动对植被净初级生产力(NPP)的贡献,基于2000—2022年宁夏27个地面气象站观测资料和中分辨率成像光谱仪数据,结合Thornthwaite Memorial模型和改进型Carnegie-Ames-Stanford Approach模型,采用Theil-Sen斜率估计、Mann-Kendall趋势检验、Hurst指数和偏相关分析等方法,分析了潜在净初级生产力(PNPP)、实际净初级生产力(ANPP)及人类活动影响下净初级生产力变化(HNPP)的时空特征,并通过残差法定量评估了气候变化与人类活动对NPP的相对作用。结果表明:2000—2022年,宁夏PNPP和ANPP均呈增长趋势,年增长速率分别为4.27和6.60 g C·m^-2·a^-1,HNPP波动减小,减小速率为2.33 g C·m^-2·a^-1。PNPP增长区域占研究区的94.4%,ANPP增长区域占92.8%。PNPP减小区域主要位于石嘴山东南部和银川市南部;ANPP减小区域主要分布在黄河沿线部分地区;66.5%的区域HNPP呈下降趋势,未来大部地区人类活动对植被生长不利。降水是影响ANPP变化的主导气象因子,74.4%的区域ANPP与年降水量呈显著正相关,降水的影响大于平均气温、日照时数和平均风速。气候变化和人类活动对NPP的相对贡献率平均值分别为46.3%和53.4%。植被改善主要受气候变化与人类活动共同驱动,占全区面积的62.1%,26.1%的区域植被改善由气候变化主导;植被退化区占全区面积的7.2%,主要由人类活动及其与气候变化的共同作用驱动。研究成果对揭示气候变化、人类活动对植被净初级生产力的作用机理、促进区域生态建设和政策制定具有重要意义。

利用生态系统服务簇对生态系统服务进行集成管理,是当前最具前景的生态系统服务优化路径之一。厘清生态系统服务簇的时空动态有助于制定精准、灵活的区域生态系统管理策略。已有研究多聚焦于服务簇的静态识别,对其长期稳定性演变特征及驱动机制仍缺乏系统认知。本研究以湖南省为例,基于1995—2020年6类关键生态系统服务的时空演变,引入“主导服务簇变化频次”指标,量化区域服务簇的时空稳定性,并构建稳定性驱动机制的解释框架。结果表明: 1995—2020年间,湖南省粮食生产、固碳和土壤保持服务显著上升,生境质量较为稳定,而洪水调控与产水服务有所下降,多个服务类型的空间格局亦发生显著变化。生态系统服务簇的空间分布和稳定性呈现高度异质性与动态性,其中,58.2%的区域处于高频波动状态,41.8%的区域保持相对稳定,高稳定性区域多集中于农业集约化水平较高的平原和山地森林区。地理探测器分析发现,农田和森林比例等土地利用因子,以及降水和温度等气候变量,是驱动服务簇稳定性的关键因素,且土地利用与气候之间的交互作用强于单一变量。基于稳定性等级划分结果,本研究进一步提出了具备适应性和差异化的区域管理策略,为提升服务持续供给能力和政策实施时效性提供了新路径。本研究拓展了生态系统服务簇研究的动态调控视角,为多功能生态系统在变化环境下的精细化管理提供了理论支撑和实践依据。

干旱区生态系统服务供需平衡对区域可持续发展至关重要。本研究以新疆为研究区域,从生态系统服务的供给和需求视角出发,采用双变量空间自相关方法,分析2000—2020年粮食生产、生境质量、碳储存、土壤保持、产水量和绿地休闲的供给和需求与人类活动强度的时空关联特征。结果表明: 2000—2020年,研究区6种生态系统服务处于供给远大于需求的状态(供需比>1),研究区单位面积产水量、碳储存和土壤保持的供给分别增加28.61 m³·km^-2、18.24 t·km^-2和3147 t·km^-2,单位面积需求分别增加14.2 m³·km^-2、59.85 t·km^-2和7151.52 t·km^-2,粮食生产、绿地休闲和生境质量供给和需求变化不显著;粮食生产和产水量供需比分别增长118.2%和34.9%,而碳储存、土壤保持的供需比分别下降83.7%、108.9%和20.9%,生境质量和绿地休闲的供需比变化不显著。研究期间,98%的区域的人类活动强度指数(HAI)在0.25以下;空间上呈现出以天山为界北高南低、零星分布的格局。粮食生产、产水量和生境质量的供需比与HAI整体呈显著负相关关系,而碳储存、土壤保持和绿地休闲的供需比与HAI则呈显著正相关。粮食生产、碳储存、生境质量和绿地休闲的供需比与HAI在天山北坡城市带和塔里木河流域绿洲区以低-高集聚为主,而土壤保持和产水量的供需比与HAI在天山山脉和环塔里木河流域以高-高集聚为主。

内蒙古翁牛特旗首创的穿沙公路网分区治沙模式受到社会的广泛赞誉,但是,其原理、技术和效益尚未被系统总结,这影响了治沙领域对该模式的认知和推广。本研究整合野外调查、访谈和文献等多源数据资料,阐释了穿沙公路网分区治沙模式的公路设计原理、“固沙造林带、封沙育草带、飞播治沙带”防护体系配置特征、植被和土壤恢复过程,以及对人们生产和生活的影响。结果表明: 穿沙公路网及“三带”结构防护体系将大面积流沙切割分隔,阻断了沙源,有效控制了风沙危害,促进了交通运输,提高了生活便利性。该模式植被恢复7年后,植物种类增加至16种以上,逐渐由沙生植物向旱生植物演替,地上植被和土壤种子库种类显著增加。从公路沿固沙造林带、封沙育草带、飞播治沙带至网格中心的未治理流动沙丘分别呈现出土壤水分亏缺、平衡和盈余状态,整体维持了公路网格内的水分平衡。穿沙公路网分区治沙模式符合风沙动力学和恢复生态学原理,形成了“公路切割沙丘、网格锁边固沙、三带蚕食恢复、中心留白蓄水”的格局,体现了控制风沙危害与恢复植被功能、建设人工植被与维持水分平衡及生态、生产和生活的协调发展。该模式贯彻了以县为规划单元、多部门联动、多技术集成的顶层设计思想,生态和社会效益显著,形成具有区域沙漠化治理特色的“翁牛特旗模式”,对我国北方沙化治理具有广泛推广价值。

湖泊是地表系统重要的陆地碳汇之一,其有机碳(OC)与无机碳(IC)的埋藏量及其迁移转化特征受流域地表过程影响明显。在人类活动直接影响较弱的高山地区,长期增温会促进藻类生长,并加速有机质的矿化作用,改变OC和IC的累积及其埋藏特征。本文选取滇西北地区6个高山湖泊(深水湖泊:丁公娘错、盖公错纳、沃迪错;浅水湖泊:丁公错、碧沽天池、属都湖)开展沉积物调查,基于总氮、叶绿素、OC和IC含量等指标,结合气候重建等资料,甄别区域增温下高山湖泊OC和IC埋藏变化的空间模式、协同特征及其影响因子。结果表明: 近150年来区域升温幅度达1.14 ℃,高山湖泊的碳埋藏格局出现了明显变化。浅水湖泊的初级生产力对气温上升的响应强度(碧沽天池,39%;属都湖,58%;丁公错,30%)显著高于深水湖泊(丁公娘错,14%;盖公错纳,7%;沃迪错,20%)。不同水深的高山湖泊在碳循环过程中表现出明显差异:深水湖泊中藻类对OC的贡献较小,但显著促进了OC和IC的同步增加,表明热力分层抑制藻源碳埋藏而促进OC保存;浅水湖泊叶绿素与OC呈显著正相关,而OC和IC协同减弱,体现了在浅水环境中藻类对OC库的重要贡献和更显著的有机质矿化过程。此外,大气沉降过程通过氮素富集改变了湖泊IC埋藏模式,在碱性水体(丁公娘错、盖公错纳、沃迪错、属都湖、碧沽天池)中藻类生长提高了水体pH值并显著促进了碳酸盐沉淀和IC累积;而酸性物质的直接输入则抑制了酸性湖泊(丁公错)的IC埋藏,并改变了OC和IC埋藏变化的协同特征。高山湖泊碳埋藏过程对区域增温的响应模式主要与湖泊水深、酸碱度等有关。

分析山区和小流域的水源涵养功能,及其与自然气候、人类活动之间的时空格局和相关关系,是区域生态修复和水资源管理的基础。本研究基于InVEST模型中的产水模块,结合Pearson相关系数,分析西汉水流域水源涵养量的时空变化,并利用假定情景模拟、地理探测器模型等,探索水源涵养对气候、人类活动的响应及空间分异驱动因子。结果表明: 1990—2020年,西汉水流域的水源涵养量呈整体上升趋势,平均值为38.35 mm,呈西北高、东南高、东北低以及山区高、黄土丘陵区低的空间分布格局;降水量和水源涵养量均呈现先减小后增加的变化趋势。降水量、潜在蒸散发量、气温与水源涵养量分别存在极显著正相关、显著负相关、不显著正相关关系。区域水源涵养量主要由林地、草地和耕地贡献,占比超过60%,其单位面积水源涵养量分别为61.66、41.28、33.31 ^-2。各驱动因子两两交互对水源涵养的解释力均高于对应单一因子解释力,土地利用程度综合指数与潜在蒸散发、土地利用程度综合指数与归一化植被指数的交互作用解释力度均较高。随着未来气候变化不确定性的增加,降水减小会成为限制西汉水流域水源涵养的关键因素;此外,推动未利用土地转化为生态地类,将促进区域生态环境质量稳步提升。

为了明确昼(L)夜(D)变温环境对农业重大迁飞害虫草地螟生长发育和繁殖的影响,本研究依据年龄-龄期两性生命表理论计算了L16∶D8光周期下3个恒温(22、25、28 ℃)和3个昼夜变温(L25.5 ℃∶D15 ℃,日均温22 ℃,Ⅰ;L30 ℃∶D15 ℃,日均温25 ℃,Ⅱ;L34.5 ℃∶D15 ℃,日均温28 ℃,Ⅲ)处理草地螟的种群生命表参数,并基于这些参数预测了未来100 d内的种群动态。结果表明: 与恒温22和25 ℃相比,昼夜变温Ⅰ和Ⅱ处理下草地螟蛹历期分别显著缩短3.0%、5.5%,产卵量分别显著提高了31.3%、31.1%。与恒温22 ℃处理相比,昼夜变温Ⅰ处理下草地螟幼虫历期显著缩短8.6%,且种群的内禀增长率、周限增长率以及净增殖率达最大值,分别为0.076 d^-1、1.078 d^-1和34.82。昼夜变温下幼虫的存活率、蛹重、初羽化成虫体重都低于对应恒温处理。草地螟在昼夜变温Ⅲ处理下可以完成整个生活史,但存活率只有2.6%。恒温处理下草地螟成虫产卵前期随温度的升高而缩短,平均缩短0.30 d·℃^-1,而昼夜变温处理下成虫产卵前期随温度升高先延长再变短,其中处理Ⅱ最长,达到5.36 d。因此,适宜的昼夜变温可以加快草地螟的生长发育速率并提高繁殖力,更有利于草地螟种群适合度的提高,而日间极端高温不利于草地螟种群发生。

为确定运动训练的适当强度和时长以提升人工增殖放流苗种的野外存活率,本文选取长江上游重点放流物种岩原鲤为研究对象,研究在不同运动训练时长下训练组(以60%临界游泳速度每天训练6 h)和对照组(静水环境下饲养)岩原鲤幼鱼的游泳能力和趋流性变化,以探索人工繁育苗种增殖放流前最佳的运动训练方案。结果表明: 岩原鲤幼鱼在60%临界游泳速度下运动训练5周后,其临界游泳能力提升最显著,游泳速度由初始的 0.59 m·s^-1提升至 0.62 m·s^-1;第4周后训练组岩原鲤幼鱼逆冲次数开始减少,6周后下降最明显;第5周后,对照组的摆尾幅度显著高于训练组。运动训练提升了岩原鲤幼鱼对抗水流、向上游动的能力,综合考虑不同运动训练时长对岩原鲤幼鱼游泳速度及趋流性的正面影响,每天以60%的临界游泳速度对岩原鲤幼鱼进行运动训练6 h,训练持续时间5周或者更长时间,是岩原鲤放流前较为适宜的运动训练方案。

构建城市生境网络可以有效提高区域生态系统的稳定性、增加景观斑块的能量流动和基因交流,对城市生物多样性保护起着至关重要的作用。本研究以沈阳市中心城区为研究区,从形态-质量-邻域3个维度识别鸟类生境源地;从环境要素、建筑指数、人为干扰等方面叠加12个阻力因子构建阻力面;通过邻域景观兼容性分析改进电路理论模型,识别鸟类生境夹点和障碍点,综合构建源地-廊道-节点的城市鸟类生境网络。结果表明: 本研究共遴选出高质量生境源地41个,占核心区斑块数量的2.2%;通过邻域分析,将生境源地细化为3级。识别出潜在生境廊道39条,廊道总长度为323.74 km,平均长度为8.30 km,主要集中分布在浑河北侧(35条);中部和东部的生境廊道质量最高,西部较弱。基于鸟类生境廊道的空间关系,识别出生境夹点43处,生境障碍点30处,构建研究区域鸟类生境优化网络。本研究聚焦邻域景观分析改进电路理论的城市生境网络构建方法,考虑了景观斑块兼容性对累积阻力的影响,能够更为精准地描述生态流的源、汇过程,可为国土空间规划背景下面向生物多样性保护的城市生态安全格局构建提供理论参考。

构建精细化的城市生态单元制图,有助于全面揭示物种生境质量、空间分布特征及景观结构信息,为优化城市生态格局提供科学支撑。鸟类作为城市生态系统中的关键指示物种,其栖息地变化能够敏感地反映生态环境质量,因此,优化鸟类栖息地对城市生态规划与修复具有重要意义。本研究基于Fragstats 4.2软件,结合植被水平结构、垂直结构及林木类型等因子,对西安市景观格局进行生态单元划分与分析,并基于鸟类分布数据开展聚类分析,识别其栖息地偏好特征。随后,结合最大墒模型和形态学空间格局分析模型,识别适宜鸟类栖息的生态源地,并构建以鸟类栖息地为核心的城市生态网络。结果表明: 在研究区划分的生态单元中,灰色生态单元的面积占比(87.8%)最高,其次为绿色生态单元(占比5.5%)、农田生态单元(占比4.7%)和蓝色生态单元(占比2.0%)。景观破碎度分析结果显示,绿色生态单元破碎化程度最高,然后依次为蓝色生态单元、农田生态单元和灰色生态单元。鸟类在各生态单元中的分布频率依次为:灰色生态单元(63.2%)＞绿色生态单元(24.5%)＞蓝色生态单元(8.6%)＞农田生态单元(3.4%)。聚类分析结果表明,鸟类更倾向于栖息于农田、草地及半闭合/半开敞的混交多层林等生态单元。基于鸟类栖息地构建的生态网络共识别出38个生态源地、69条生态廊道、40个生态夹点和54个生态障碍点。以鸟类栖息地为核心构建城市生态网络,可为城市生境质量提升、生物多样性保护及区域生态规划提供重要参考。

基于“大生态、大格局”的建设理念,面对生态基础设施多尺度、多要素、跨区域的典型特征,推进国家生态基础设施建设的区域协同发展具有重要战略意义。本文以大兴安岭林区为研究对象,阐明构建“三位一体”的生态-经济-社会协调发展新模式及其科学路径。首先分析了生态基础设施的屏障功能、生态系统服务价值和社会效益,进而提出以国家公园为主体、智慧技术为支撑的新型基础设施建设框架。具体实施路径包括: 生态系统质量提升工程、防火道路与城乡基础设施改造工程、智慧通信与生态保护科技体系建设工程。同时,创新性地设计了政府主导、多元参与的资金保障机制,以及以生态产品价值实现为核心的生态经济体系。该模式为新时代背景下实现区域可持续发展提供了理论参考和实践范式。

城市绿色空间作为缓解“城市病”的重要自然解决方案,因其在提供生态系统服务方面的显著作用而备受关注。然而,现有研究对城市绿色空间生态系统服务的评估多局限于二维空间特征,对三维结构特征及其生态系统服务效应的评估存在不足,难以全面、准确地揭示绿色空间对居民福祉提升的实际贡献。本文系统梳理了城市绿色空间生态系统服务的现有评估方法,深入分析二维空间评估方法的局限性,并重点探讨了新兴技术(如激光雷达、街景图像和人工智能算法等)在三维空间评估中的应用进展。基于此,本文提出了融合新兴技术与城市绿色空间生态系统服务三维评估的创新研究框架,并针对当前技术在数据处理效率以及多尺度应用方面的挑战,探讨了未来研究的发展方向,以期为城市绿色空间的精细化管理和可持续发展提供理论支持和实践参考。

海涂垦区是沿海滩涂通过人工改造的农业种植区域。因土地利用类型的显著变化,区域碳循环模式随之改变。甲烷(CH₄)是具有强增温效应的短寿命温室气体,其排放是加速全球气候变暖的主要诱因之一。农业汇水河沟是海涂垦区的重要组成部分,具有调控区域水盐平衡和物质循环的关键生态功能,受独特水文过程和营养输入的影响,其CH₄排放过程活跃且不容忽视。本文从沉积物及水体CH₄产生、氧化和排放的角度综述了海涂垦区农业汇水河沟中CH₄生物地球化学过程的研究进展及各过程影响因素,并提出未来研究应聚焦于脱盐-返盐过程、藻类生消过程影响下的CH₄产生与氧化过程解析与区域尺度通量准确估算,以期为海涂垦区碳减排调控策略的科学制定提供理论依据。

抗逆增效草种包衣丸化技术的核心机制是通过种衣剂(通常为液体或粉末形态)为种子提供多功能保护层,增强种子对环境胁迫的适应能力,是一种重要的生态修复手段,在恶劣环境中具有较高的应用潜力。本文综述了该技术的理论基础与发展历程,探讨了种子包衣的概念、材料选择与优化(包括活性物质、非活性物质及复合型包衣材料的应用),以及丸化工艺的创新;分析了该技术在退化草地、盐碱地和矿区修复中的应用效果,并重点讨论了其在不同生态环境中的适用性。尽管该技术在生态修复中取得了良好的效果,但面临包衣材料的环保性与经济性问题,以及长期生态效应评估的挑战。未来研究可在优化包衣材料性能的基础上,推动包衣丸化标准化技术体系的构建和技术创新,提高环保性与经济性,为生态修复提供更有力的技术支持。

固体废弃物是病原菌的重要来源,其在收集、运输及处理处置过程中可能通过直接接触、气溶胶传播、渗滤液排放及固体废弃物处理衍生物传播等途径威害人体健康与生态环境。固体废弃物的处理处置方式不同,其中病原菌的种类和丰度也会存在差异。本文综述了生活垃圾、禽畜养殖废弃物和污泥等常见固体废弃物中病原菌的种类及赋存行为,分析了不同处理处置方式(如填埋、堆肥和厌氧消化等)下病原菌的动态变化与传播风险,最后梳理了紫外、微波、化学消化剂和热处理等主流灭活技术在固体废弃物病原菌灭活中的适用性及其作用机制,并指出当前研究中需要注意的关键问题及未来研究方向。本文可为病原菌风险防控和提高固体废弃物处理处置安全性提供参考。