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2024年 第35卷 第4期    刊出日期：2024-04-18

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第35卷第4期目录

2024, 35(4):  0-0. 

摘要 ( 66 )   PDF (16968KB) ( 32 )  

稳定同位素生态学专栏

青藏高原东南缘植物碳氧同位素对气候及植物生理的表征

曾慧, 杨蕊, 王翔, 吴琪, 王鹏, 陈果, 唐晓鹿, 裴向军

2024, 35(4):  867-876.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.012

摘要 ( 201 )   PDF (2504KB) ( 50 )  

为探究青藏高原东南缘植物纤维素碳氧同位素组成与气候因子和植物生理指标间的关系,本研究以该区相似纬度、不同经度的8个样地植物为研究对象,通过分析植物叶片纤维素中δ¹³C、δ¹⁸O、分馏值(Δ¹³C、Δ¹⁸O)和水分利用效率(WUE)及环境因子特征,探讨青藏高原东南缘植物碳氧同位素随海拔和经度变化的规律,揭示其对不同环境及植被生理的指示程度,同时采用碳氧双同位素半量化模型,揭示研究区植物在不同环境下的生理适应机制。结果表明: 植物纤维素Δ¹³C、Δ¹⁸O均随着海拔和经度的增加而减小,Δ¹³C受经度的影响较大,而Δ¹⁸O更易受到海拔变异的影响;Δ¹³C、Δ¹⁸O与温度(TEM)、降雨量(PRE)、潜在蒸散发(PET)、相对湿度(RH)呈显著正相关,其中PRE为Δ¹³C的主导气象因子,RH为Δ¹⁸O变异的主导气象因子。WUE随海拔和经度的升高而增加,且与Δ¹³C不同,WUE与海拔的相关性比与经度的相关性更高。碳氧联用模型预测表明,随着降雨和相对湿度的增加,植物气孔导度(g_s)和最大净光合同化速率(A_max)减小,随着海拔和经度的增加,植物g_s和A_max增加。有机物碳氧同位素联用可为青藏高原东南缘的气候追溯及植被生理研究提供更多的环境与气体交换信息。

青藏高原东缘不同植被类型下草本植物叶片碳氮稳定同位素差异及其驱动因素

陈淼, 刘顺, 许格希, 陈健, 邢红爽, 李非凡, 张淼淼, 曹向文, 史作民

2024, 35(4):  877-885.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.013

摘要 ( 193 )   PDF (2090KB) ( 44 )  

植物叶片碳氮稳定同位素自然丰度(δ¹³C和δ¹⁵N)可以提供植物生理生态过程的综合信息,已广泛应用于生态学研究。然而,目前对叶片δ¹³C和δ¹⁵N的研究主要集中于木本植物,对不同植被类型下草本植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N的研究相对较少,其碳氮稳定同位素差异和驱动因素尚不明确。本研究以青藏高原东缘亚高山针叶林、高山灌丛和高山草甸中草本植物叶片为对象,研究了不同植被类型下草本植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N的差异及其驱动因素。结果表明: 不同植被类型下草本植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N值存在显著差异,高山草甸中草本植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N值最高,高山灌丛次之,亚高山针叶林最低。方差分解发现,不同植被类型下草本植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N的差异是由叶片功能性状和气候因子共同驱动的,其中叶片功能性状的相对贡献超过了气候因子。层次分割法分解广义混合效应模型发现,年均温度(MAT)、叶绿素指数、单位面积叶片氮含量(N_area)和比叶重是不同植被类型下草本植物叶片δ¹³C差异的主要驱动因素,而N_area和MAT对不同植被类型下草本植物叶片δ¹⁵N变异的相对重要性远高于其他变量。此外,使用最小二乘回归分析发现,不同植被类型下草本植物叶片δ¹³C与δ¹⁵N之间存在强烈耦合关系。本研究结果为理解不同植被类型下草本植物叶片δ¹³C和δ¹⁵N差异的关键驱动因素提供了新的见解。

庐山针阔混交林优势种水分利用来源季节变化及对降水的响应

雷自然, 王欣, 余新晓, 贾国栋

2024, 35(4):  886-896.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.015

摘要 ( 190 )   PDF (3163KB) ( 34 )  

阐明亚热带湿润山地林区针阔混交林优势种水分来源的季节规律,解析共生植物水文生态位分配与竞争机制,探究植物水分利用对降水的响应,可为指导植被经营管理提供理论参考。本研究以庐山山区马尾松与栓皮栎混交林为对象,基于氢氧稳定同位素技术,分析降水、马尾松和栓皮栎木质部水及0～100 cm土壤水的δ²H和δ¹⁸O特征,采用MixSIAR模型、Levins指数和PS指数分别计算各水源的相对贡献率、马尾松与栓皮栎的水文生态位宽度和生态位重叠度。结果表明: 丰水期(3—7月)马尾松主要利用0～20和20～40 cm土壤水,栓皮栎主要利用20～40和40～60 cm土壤水,但在枯水期(8—9月)马尾松和栓皮栎分别转而利用40～60和60～80 cm土壤水,根系吸水深度增加。生长季早期(3—4月)和末期(9月)马尾松与栓皮栎水文生态位重叠度高,水分竞争激烈,生长季中期(5—8月)合理分配水源,水文生态位分离以满足高蒸腾需求。栓皮栎在降水事件前主要利用60～80和80～100 cm土壤水,降水后利用0～20和20～40 cm土壤水,但马尾松在降水事件前后均主要利用0～20和20～40 cm土壤水。综上,马尾松与栓皮栎的水分利用来源呈现“雨季浅,旱季深”的季节规律,能在生长旺季合理分配水源,根系吸水积极响应土壤水分动态,对极端降水的适应性强,具有较强的水源涵养能力。

毛乌素典型固沙植物的水分利用特性与吸水机制

刘秀花, 周子怡, 贺屹, 马延东, 李丙祥, 郑策

2024, 35(4):  897-908.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.008

摘要 ( 209 )   PDF (4166KB) ( 44 )  

了解固沙植物的吸水机制有利于合理设置植被群落结构,可为科学治沙和水资源高效利用提供依据。本研究基于降水-土壤水-植物木质部水-地下水的氢氧同位素组成,结合土壤水热和植被全年耗水特征,利用多源线性混合模型(IsoSource),分析了冬季和生长季典型沙地植物沙柳和沙蒿的水分来源差异,并探究了地下水位埋深(2和10 m)、土壤冻融和干旱对其水分利用的影响。结果表明: 1)沙柳在土壤冻融期(1—3月)主要利用冻层下60～120 cm深度土壤水(69.1%);在返青季(4、5月)0～60 cm层土壤水可满足生长需求(30.9%～87.6%);在生长季的干旱期(6月)主要利用120～160 cm层土壤水(27.4%～40.8%);而在雨季(7、9月)0～60 cm层土壤水对其供水达到59.8%～67.9%。根系较浅的沙蒿在根区土壤完全冻结后无法利用土壤水,可通过秋季储存在根茎的水分越冬;而在生长季以利用0～40 cm层土壤水为主(23.4%～86.8%),在旱期主要利用40～80和80～160 cm层土壤水,利用率分别为14.6%～74.4%和21.8%～78.2%。2)随着地下水埋深的减小,植被吸取土壤水的深度上移,其中沙柳水分来源由120～160 cm层土壤水向60～160 cm层变化,而沙蒿的吸水深度从80～160 cm层变为0～40 cm层。沙柳对土壤水的利用受植物蒸腾的影响,会“按需取用”以达到供水与节能的平衡;沙蒿则偏向利用浅层土壤水,对单一土壤层位的水源依赖较高。

沙冬青叶片化学计量特征及其驱动因素

马琴, 梁咏亮, 余殿, 李静尧, 杨钧, 杨君珑, 李小伟

2024, 35(4):  909-916.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.018

摘要 ( 145 )   PDF (2060KB) ( 24 )  

叶片化学计量特征能反映植物对周围环境的适应性,研究两者之间的关系有助于探究植物对典型荒漠环境的适应策略。本研究以国家二级重点保护植物沙冬青为研究对象,设置26个典型样地,测定了叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量和水分利用效率(WUE),分析叶片化学计量特征与WUE之间的协同关系,同时量化土壤、气候因子和水分利用效率对叶片化学计量特征变化规律的解释量。结果表明: 沙冬青叶片C、N和P含量均值分别为(583.99±27.93)、(24.31±2.09)、(1.83±0.06) mg·g^-1;变异系数分别为4.8%、8.6%、3.2%,均属弱变异性,表明沙冬青叶片C、N和P含量趋向于某一稳定值,沙冬青叶片N:P平均值为13.3,说明沙冬青生长主要受N元素限制。WUE与沙冬青叶片C含量不相关,与叶片N、P含量和N:P呈显著正相关关系,与C:N和C:P呈显著负相关关系,这说明WUE与叶片养分含量存在明显的线性协同变化趋势。影响叶片C含量和C:P的主要是气候因子,影响叶片N含量和N:P的主要是土壤因子,影响叶片P含量和C:N的主要是水分利用效率,这表明不同化学计量特征的驱动因子各不相同。本研究结果有助于评估荒漠植物沙冬青栖息地的适宜性,可为沙冬青的科学保护和管理提供理论依据。

短期氮添加降低亚热带黄山松林和罗浮栲林土壤微生物固氮速率

陈琳娜, 曾泉鑫, 张晓晴, 张秋芳, 元晓春, 戴辉, 李文周, 陈岳民

2024, 35(4):  917-925.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.016

摘要 ( 177 )   PDF (1998KB) ( 33 )  

生物固氮是陆地生态系统氮素的重要来源,但不同森林生态系统土壤微生物固氮速率对氮沉降的响应仍不明确。本研究在亚热带黄山松林和罗浮栲林开展野外氮添加模拟大气氮沉降试验。以尿素为氮源,设置了3个氮添加水平:0(对照)、40(低氮)和80 kg N·hm^-2·a^-1 (高氮)。测定了表层(0～10 cm)土壤化学性质、微生物生物量碳、酶活性和nifH基因拷贝数,并利用¹⁵N标记法测定土壤微生物固氮速率。结果表明: 与对照相比,氮添加显著降低了黄山松林和罗浮栲林土壤微生物固氮速率,降幅分别为29%～33%和10%～18%。氮添加显著降低了两种林分土壤微生物氮获取酶(β-1,4-N-乙酰氨基转移酶)活性和nifH基因拷贝数。黄山松林土壤微生物固氮速率与可溶性有机碳含量存在显著正相关关系,而罗浮栲林土壤微生物固氮速率与铵态氮含量存在显著负相关关系。总之,黄山松林土壤微生物固氮功能对氮添加的响应比罗浮栲林更敏感,且影响土壤微生物固氮速率的因素在两种林分中存在差异。本研究可为氮沉降对森林生态系统生物固氮的影响提供见解,并为森林经营管理提供理论依据。

长期定位耕作模式对小麦¹³C同化物分配和籽粒产量形成的影响

王庆源, 陈甜, 于振文, 张振, 张永丽, 石玉

2024, 35(4):  926-932.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.010

摘要 ( 102 )   PDF (901KB) ( 25 )  

明确长期定位耕作模式对小麦籽粒产量的影响及其生理原因,可为小麦的高产高效生产提供理论依据与技术支撑。以济麦22为试验材料,研究了连续14年旋耕(R)、少免耕(S)和隔两年深松+少免耕(SS)3种耕作模式对小麦植株冠层光截获、同化物转运分配和籽粒产量形成的影响。结果表明:小麦叶面积指数在开花后14~28 d表现为SS处理显著高于其他处理;开花后21 d,SS处理小麦冠层的上层和中层光合有效辐射截获率和截获量均显著高于R和S处理;开花后同化物对籽粒的贡献率和¹³C同化物在籽粒中的分配比例表现为SS处理均显著高于其他处理,且最大灌浆速率和平均灌浆速率均显著高于其他处理;SS处理的千粒重较R和S处理分别提高了8.7%和9.6%,籽粒产量较R和S处理分别提高了14.2%和19.4%。SS处理显著改善了小麦冠层的光能利用,促进了干物质的积累和转运,提高了籽粒灌浆速率,增加了粒重,获得了最高的籽粒产量,是本试验条件下的最优耕作模式。

氮磷钾施用量对小麦旗叶¹³C同化物分配、籽粒淀粉积累和肥料利用的影响

单晓宇, 魏庆薪, 于振文, 张永丽, 石玉

2024, 35(4):  933-941.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.009

摘要 ( 126 )   PDF (2815KB) ( 25 )  

探明节水补灌下华北平原小麦生产中氮磷钾肥的适宜施用量及其生理机制,可为小麦高产高效生产中制定合理的施肥方案提供理论依据。本研究设置4个氮(N)磷(P₂O₅)钾(K₂O)施用量,分别为:0、0、0 kg·hm^-2(F₀),180、75、60 kg·hm^-2(F₁),225、120、105 kg·hm^-2(F₂),270、165、150 kg·hm^-2(F₃),各处理均于小麦拔节期和开花期将0～40 cm土层土壤相对含水量补灌至70%,研究小麦旗叶光合能力、¹³C同化物分配、籽粒淀粉积累和肥料利用的差异。结果表明: F₁处理的小麦旗叶叶绿素相对含量、光合和叶绿素荧光参数、¹³C同化物在各器官的分配量以及籽粒淀粉合成相关酶活性、淀粉积累量均显著高于F₀,是其籽粒产量比F₀提高20.9%的重要生理基础。F₂和F₃处理上述指标及产量与F₁处理相比无显著增加,但肥料(氮/磷/钾)偏生产力和农学效率分别降低了17.5%～58.4%和12.7%～50.7%。综上,本试验在节水补灌条件下,F₁能够促进小麦旗叶光合同化物生产和籽粒淀粉积累,获得了较高的籽粒产量和肥料利用率。

补灌条件下施磷量对小麦不同茎蘖¹³C同化物分配及其成穗的影响

惠凯善, 冉庆赏, 石玉, 张振, 于振文, 张永丽

2024, 35(4):  942-950.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.032

摘要 ( 107 )   PDF (1710KB) ( 24 )  

为明确补灌条件下促进小麦分蘖发生成穗和磷肥高效利用的适宜施磷量及其生理机制,以‘济麦22'小麦品种为供试材料,设置低磷(90 kg P₂O₅·hm^-2,P₁)、中磷(135 kg P₂O₅·hm^-2,P₂)和高磷(180 kg P₂O₅·hm^-2,P₃)处理,以不施磷为对照(P₀),各处理拔节期和开花期土壤相对含水量均补灌至70%,测定了小麦分蘖节面积和内源激素含量、各蘖位分蘖发生数、光合参数、¹³C同化物在各茎蘖的分配、籽粒产量及磷肥偏生产力。结果表明: 与P₀和P₁相比,P₂显著提高了小麦分蘖节面积、反式玉米素(tZ)含量、主茎最上部展开叶光合参数、单株总茎蘖数和¹³C同化物在各茎蘖的分配量,单株成穗数分别增加0.51和0.36个,籽粒产量分别增加40.3%和13.2%;P₃处理下,小麦分蘖数增加,但单株成穗数减少,籽粒产量和磷肥偏生产力降低。中磷处理(135 kg·hm^-2)为本试验补灌条件下小麦高产高效的适宜磷肥用量。

南京梅雨降水同位素组成从事件到年际尺度的变化特征

张昊, 肖薇, 谢成玉, 胡勇博, 楚淏然, 王晶苑, 李旭辉

2024, 35(4):  951-960.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.017

摘要 ( 131 )   PDF (2864KB) ( 28 )  

梅雨降水量占季风区全年降水量的40%～50%,为了厘清梅雨降水同位素从事件到年际尺度上的变化特征及其影响因素,本研究分析了2015—2022年南京梅雨期间降水同位素特征,使用具有比湿分析的混合单粒子拉格朗日综合轨迹模型(HYSPLIT)分析了南京梅雨降水同位素的水汽来源和影响因素。结果表明: 1)南京大气降水同位素组成夏季贫化、冬季富集,氘盈余(d_x)夏低冬高,梅雨降水同位素组成较全年平均水平更为贫化;2)梅雨降水δ²H和δ¹⁸O与局地气象条件无显著相关关系;但雨量较小的降水事件中d_x较低,反映出云下二次蒸发的影响;梅雨降水量较多的年份,梅雨期间平均d_x明显较高;3)低纬度南海源区和西太平洋源区为梅雨提供水汽,水汽源地的转换会导致连续降水过程中同位素信号的突变。本研究能为季风区降水同位素研究提供数据支持,并为深入理解梅雨降水机理和研究东亚季风区大气环流季节变化提供参考。

海州湾秋季矛尾虾虎鱼的摄食生态

陈晓琳, 陈皖, 徐宾铎, 张崇良, 纪毓鹏, 任一平, 薛莹

2024, 35(4):  961-969.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.014

摘要 ( 181 )   PDF (1421KB) ( 34 )  

对鱼类摄食生态开展研究是了解其生长发育、个体行为的重要途径,也是分析食物网结构和水生生态系统功能的关键。矛尾虾虎鱼是海州湾渔业生态系统中的主要鱼类之一,在营养结构研究中具有较大的生态价值。本研究基于2018年秋季海州湾底拖网调查采集的样本,结合胃含物分析方法和碳、氮稳定同位素技术,对海州湾矛尾虾虎鱼的摄食生态特性进行了分析。结果表明: 海州湾矛尾虾虎鱼主要摄食的饵料类群是蛇尾类和虾类,优势饵料生物是马氏刺蛇尾、紫蛇尾、萨氏真蛇尾、对虾科种类和日本鼓虾。矛尾虾虎鱼的δ¹³C值范围为-19.39‰～-15.74‰,平均值为(-18.07±0.87)‰,与体长无显著相关性;δ¹⁵N值范围为8.16‰～12.86‰,平均值为(10.14±1.51)‰,与体长呈显著正相关。各体长组矛尾虾虎鱼营养级范围为3.32～4.20,平均值为3.74±0.34,营养级与体长呈显著正相关,各类群饵料生物贡献率差异较大。通过结构方程模型分析发现,矛尾虾虎鱼的摄食强度主要受到体长、底层盐度、底层温度和水深的影响,尤其体长与摄食强度之间存在显著的正相关关系。结合稳定同位素和胃含物分析方法可以全面解析海州湾矛尾虾虎鱼的摄食生态,为海州湾营养结构研究及资源养护提供基础资料和科学依据。

硝酸盐同位素耦合多示踪剂溯源地下水硝酸盐污染研究进展

王刚, 高宏斌, 龙焙, 吴俊峰

2024, 35(4):  970-984.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.011

摘要 ( 224 )   PDF (1762KB) ( 43 )  

地下水硝酸盐污染是全球范围内关注的热点,如何快速且准确地识别污染源是地下水硝酸盐污染防治中的重要问题之一。通过分析国内外相关研究,本文梳理了我国17个省(市、自治区)、29个研究区地下水硝酸盐污染潜在来源的同位素背景值,以期为后续研究提供基础数据。同时,总结了硝酸盐同位素耦合多示踪剂溯源地下水硝酸盐污染的研究进展,分析了不同示踪剂的适用条件及优缺点,发现卤化物、微生物结合硝酸盐同位素可以准确示踪生活污水、粪便、农业活动等人为污染来源;Δ¹⁷O结合硝酸盐同位素可有效区分地下水中硝酸盐的大气沉降来源;地下水年龄和氮氧同位素的结合使用可以进一步判断硝酸盐污染的时间尺度。此外,本文总结了质量平衡混合模型、IsoSource模型、贝叶斯同位素混合模型、EMMTE模型在地下水硝酸盐污染定量识别中的应用案例,并对各模型特点进行了分析比较。由于地下水污染来源的复杂性和隐蔽性,硝酸盐同位素耦合其他化学和生物等示踪方法,以及应用硝酸盐同位素定量分析模型,是可靠识别地下水硝酸盐来源和转化过程的有效工具。

西南喀斯特关键带结构及其水文过程研究进展

张君, 陈洪松, 聂云鹏, 付智勇, 连晋姣, 王发, 罗紫东, 王克林

2024, 35(4):  985-996.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.020

摘要 ( 221 )   PDF (2086KB) ( 40 )  

中国西南地区是世界上喀斯特出露面积最大的区域,也是长江和珠江上游重要的生态安全屏障区。区别于非喀斯特关键带,由溶蚀性孔隙网络结构交织而成的表层岩溶带是喀斯特关键带的核心区,水则是参与和联系关键带内部物质循环、能量流动过程最活跃的因子。本文从关键带结构刻画、土壤-表层岩溶带系统水文过程以及模型模拟3方面回顾和总结了西南喀斯特地区开展的相关研究以及存在的问题,并对潜在的研究热点进行了展望。多尺度、多方法综合观测以及多学科交叉是开展系列研究的主要途径,精准刻画植被-土壤-表层岩溶带耦合系统的生态水文过程是未来研究的主要趋势和重点。本文旨在为深化喀斯特关键带水文过程研究和区域水文水资源管理提供科学参考。

研究论文

毛乌素沙地黑沙蒿水分利用效率环境调控:从叶片到生态系统

翟树琛, 王天娇, 李鑫豪, 郝少荣, 贾昕, 查天山, 刘鹏

2024, 35(4):  997-1006.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.003

摘要 ( 177 )   PDF (3136KB) ( 22 )  

水分利用效率(WUE)是预测气候变化对生态系统碳、水循环过程的关键指标。以往研究多从单一观测尺度对WUE响应环境的变化进行探究,鲜有研究对不同观测尺度WUE如何响应环境进行论述,这限制了对跨尺度碳水循环的深入理解。本研究选取毛乌素沙地优势种黑沙蒿群落,于2022年6—10月,利用固定样地测定与原位连续监测方法对黑沙蒿的光合与蒸腾特征进行观测,分析黑沙蒿叶片、冠层和生态系统水分利用效率季节特征及其环境影响因素。结果表明: 叶片水分利用效率(WUE_L)与冠层水分利用效率(WUE_T)和生态系统水分利用效率(WUE_E)的季节变化差异明显。WUE_L在6月较大,在8、9月较小,波动范围为0.73～2.98 μmol·mmol^-1;WUE_T和WUE_E在6月最小,在7、8月最大,波动范围分别为0.10～7.00和0.06～6.25 μmol·mmol^-1。WUE_L与气孔导度呈显著负相关;WUE_T与冠层导度和土壤含水量呈显著正相关,与饱和水汽压差呈显著负相关;WUE_E与10 cm土层土壤含水量(SWC₁₀)呈显著正相关。结构方程模型表明,SWC₁₀和空气温度通过调节气孔导度影响净光合速率和蒸腾速率,进而影响WUE_L;饱和蒸气压差和SWC₁₀通过调节蒸腾速率对WUE_T产生影响;土壤含水量、空气温度和饱和蒸气压差通过调节生态系统总初级生产力对WUE_E产生影响。未来碳水循环的模型拟合应充分考虑环境因子对不同观测尺度WUE的影响路径与强度。

桂北地区不同林龄杉木人工林土壤基质入渗变化及影响因素

杨梦格, 邓莹莹, 雷震, 廖煜亮, 容清标, 谭青芳, 吴沅桓, 黄钰涵

2024, 35(4):  1007-1015.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.005

摘要 ( 170 )   PDF (3006KB) ( 30 )  

土壤基质入渗是人工林获取水分的重要途径,影响着人工林的生态效益和水源涵养能力,目前杉木人工林不同生长阶段土壤基质入渗变化及其影响因素尚不明确。本研究以广西国营贝江河林场杉木人工林(5、8、11和15年)为研究对象,采用表置式环式入渗仪测定土壤基质入渗过程,分析土壤理化性质以明确土壤基质入渗的主导因素。结果表明: 初始入渗率、稳定入渗率和累积入渗量随林龄的增加而增加,不同林龄变化范围分别为141～180 mm·h^-1、109～150 mm·h^-1和188～251 mm。初始入渗率、稳定入渗率和累积入渗量与土壤毛管孔隙度、有机质、水稳性团聚体、砂粒和黏粒含量呈显著正相关,与土壤容重和粉粒含量呈显著负相关。早期间伐对土壤基质入渗有促进作用,但超过11年后的间伐措施不会进一步促进土壤基质入渗。Philip模型是描述该区域土壤基质入渗过程的最佳模型。综上,在幼龄林到中龄林的生长过程中,杉木人工林的土壤基质入渗能力逐渐提升,在第11年后基质入渗能力趋于稳定;土壤粉粒含量和水稳性团聚体是影响基质入渗的主导因素。

灌木扩张压力下三江平原沼泽植物群落多样性变化及其土壤控制因子

孙欣, 尹紫良, 赵琬婧, 张治军, 王清波, 蔡体久, 孙晓新

2024, 35(4):  1016-1024.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.001

摘要 ( 128 )   PDF (1611KB) ( 24 )  

本研究基于三江平原沼泽的灌木盖度(a,0≤a≤100%)大小,选取灌木无扩张(a=0)、轻度扩张(0<a≤30%)、中度扩张(30%<a≤70%)和重度扩张(70%<a≤100%)沼泽作为研究对象,探究灌木扩张压力下沼泽植物群落多样性变化及其与土壤控制因子的关系。结果表明: 灌木扩张是沼泽植物群落组成异质性的主要原因。随着灌木的扩张,沼泽中优势种小叶章会逐渐被绣线菊取代,臌囊薹草逐渐消失,而小白花地榆和繸瓣繁缕的重要值则分别显著增加0.8和9.0倍。灌木扩张显著改变了沼泽植物群落多样性,灌木轻度扩张沼泽植物群落α和β多样性水平最高,灌木重度扩张沼泽植物群落Shannon指数和Simpson指数与灌木无扩张沼泽差异不显著,但二者植物群落组成相似度最低。除土壤全磷外,沼泽土壤因子均受灌木扩张的显著影响,土壤水分、有机碳和全氮在灌木重度扩张后分别较无扩张沼泽显著降低32.6%、69.3%和66.1%,而土壤全钾和全镁则显著增加33.8%和40.6%。冗余分析表明,土壤有机碳、水分含量、全氮和N:P是控制灌木扩张压力下沼泽植物群落多样性变化的主要因素。

枯落物厚度对华北落叶松人工林天然更新的影响

姚佳峰, 郭钰, 董媛, 隋想, 吉星宇, 杨南, 魏曦, 梁文俊

2024, 35(4):  1025-1032.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.004

摘要 ( 158 )   PDF (819KB) ( 35 )  

以关帝山林区华北落叶松人工纯林为对象,将枯落物分为未分解层和半分解层,基于厚度将其划分为8组,探究枯落物未分解层和半分解层厚度对林地天然更新的影响,以推动华北落叶松天然更新及生态恢复。结果表明: 枯落物未分解层厚度在0.32~0.83 cm,半分解层厚度在0.18~0.89 cm时,更新指数较大(≥0.15),林下更新较好;未分解层厚度＞1.1 cm,半分解层厚度＞0.5 cm时,更新指数较小(≤0.07),林下更新较差。冗余分析显示,枯落物未分解层厚度对天然更新解释能力高且稳定,贡献率为38.7%;半分解层厚度对天然更新影响不显著。结构方程模型表明,枯落物未分解层厚度增加种子萌发机械阻力,对天然更新有负向直接影响(-0.617),同时通过影响碱解氮和速效磷含量对天然更新产生正向间接影响(+0.178),综合双重作用(-0.439)表现为对人工林天然更新过程的抑制作用。综上,华北落叶松林下枯落物未分解层厚度与天然更新关系最为密切,半分解层厚度对天然更新影响较小。

神农架小叶青冈种群的空间分布格局及种内种间空间关联

刘明伟, 赵常明, 陈聪琳, 徐凯, 徐文婷, 熊高明, 谢宗强

2024, 35(4):  1033-1043.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.006

摘要 ( 167 )   PDF (3521KB) ( 40 )  

小叶青冈是神农架南坡常绿阔叶林的优势种之一,对其种群空间分布格局及空间关联的研究,有助于深入理解小叶青冈种群的发展规律及潜在生态学过程,加深对亚热带北缘常绿阔叶林的结构和生物多样性维持机制的认识。本研究基于神农架南坡1 hm²的森林动态监测样地,采用成对相关函数g(r)、标记相关函数分析小叶青冈种群不同径级阶段的空间分布格局及其种内种间空间关联性。结果表明: 小叶青冈种群的径级结构呈现倒“J”型分布,种群的更新状态良好,属于增长型种群;不同径级的空间分布表现出随径级的增大聚集程度降低的趋势;小叶青冈个体之间的正关联性与它们的径级相近程度呈正相关,径级相差越大,正关联性越弱;种间空间关联在小叶青冈与群落中下层的优势种间随着尺度的增大关联性逐渐增高,与群落上层的优势种则没有显著的关联性。研究表明,神农架南坡小叶青冈种群的空间格局主要受生境过滤、种子扩散限制和种内种间竞争的影响,并且在面对不同物种时适应性策略有差异。

水位变化对沮漳河河漫滩湿地土壤种子库的影响

王梦丽, 余海波, 高禾苗, 袁龙义, 任爱天

2024, 35(4):  1044-1054.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.002

摘要 ( 144 )   PDF (2559KB) ( 26 )  

为了解土壤种子库对不同水位变化的响应,以沮漳河河漫滩湿地为研究对象,沿水位梯度(常淹区,未淹区)调查地上植被和土壤种子库,采用结构方程模型,探讨水位变化对种子库的直接和间接影响,采用非度量多维尺度(NMDS)分析研究种子库在植被重建中的潜力。结果表明: 未淹区的短暂种子库和持久种子库密度分别比常淹区提高36.9%和7.8%。种子库和地上植被的Shannon指数和Pielou指数受水位和采样地点双因素的显著影响。水位显著影响种子库与地上植被的相似性,持久种子库与地上植被的相似性显著高于短暂种子库。结构方程模型表明,水位变化对种子库密度有直接影响,并通过土壤pH和NH₄⁺-N间接影响种子库密度和丰富度。NMDS结果显示,水位变化对持久种子库和秋季地上植被群落组成没有显著影响,但显著改变了短暂种子库群落组成。短暂种子库主要受地上植被和土壤理化性质的影响,而持久种子库由地上植被和水位共同决定。在河漫滩湿地中,种子库再生潜力较低,但在水位变化过程中,种子库对湿地扰动后繁殖体多样性的恢复作用不容忽视,持久种子库可能是地上物种多样性的重要来源。

基于随机森林的兴安落叶松天然林单木年龄预估模型

王晓楠, 苏文浩, 董灵波

2024, 35(4):  1055-1063.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.023

摘要 ( 159 )   PDF (2324KB) ( 31 )  

为准确预估天然兴安落叶松单木的年龄,实现大兴安岭地区兴安落叶松的全周期可持续经营,本研究基于大兴安岭地区盘古林场44块固定样地数据和280个标准木树芯,采用逐步回归和随机森林算法构建单木年龄预测模型,分析林分结构、立地条件和竞争指标等因素对年龄预测精度的影响,采用决定系数(R²)、均方根误差(RMSE)和平均绝对误差(MAE)对模型进行评价和检验。结果表明: 当决策树的数量为1500、节点竞争变量数目为8时,随机森林模型的预测精度最高,据此建立的单木年龄随机森林模型相比逐步回归模型具有更好的准确性和预测能力,其R²、RMSE和MAE分别为0.5882、9.9259 a、8.1155 a;胸径是影响年龄预测最重要的指标(83.8%),其次为树高(34.4%)、海拔(17.9%)和每公顷断面积(17.5%)。随机森林算法在兴安落叶松天然林的单木年龄预测模型构建中具有较好的适应性和建模效果。本研究结果有助于提高兴安落叶松生长与收获的预估精度,并可为其他与林龄相关的科学研究提供参考。

树干液流对蒸腾驱动因子响应的土壤水分限制与非限制特征

常乐, 刘美君, 吕金林, 杜盛

2024, 35(4):  1064-1072.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.024

摘要 ( 135 )   PDF (3148KB) ( 22 )  

蒸腾耗水是森林生态系统水循环的重要组成部分,这一过程由气象因子驱动并可能受到土壤水分条件的限制。本研究采用Granier热扩散探针法,对半干旱黄土丘陵区辽东栎、侧柏和刺槐的树干液流动态进行监测,结合同期连续监测的主要气象要素和土壤体积含水量(SWC),分析并确定以土壤水分阈值区分树干液流对蒸腾驱动因子响应的限制与非限制模式。结果表明: 辽东栎和刺槐的平均液流通量密度(J_s)在土壤含水量较高时期显著高于土壤含水量较低时期,侧柏J_s在两个时期的差异不显著。使用指数饱和函数对各树种的J_s与反映太阳辐射和空气水汽压亏缺的整合蒸腾变量(VT)进行拟合,拟合曲线参数的差异表明,在不同土壤水分条件下J_s与VT之间存在不同的响应模式。土壤水分对各样树树干液流的限制作用存在阈值效应,辽东栎、侧柏和刺槐的SWC阈值分别为0.129、0.116和0.108 m³·m^-3;在SWC低于其阈值时,各树种J_s受土壤水分限制,在高于阈值后辽东栎和侧柏的归一化敏感指数(NSI)值达到饱和,而刺槐的NSI值仍未达到饱和,但受土壤水分的限制明显降低。3个树种中,侧柏最容易摆脱土壤水分限制。

山西省植被覆盖度的时空变化及驱动因子

贾一越, 齐璇璇, 黄蕊, 周义

2024, 35(4):  1073-1082.  doi:10.13287/j.1001-9332.202403.023

摘要 ( 198 )   PDF (3373KB) ( 41 )  

探究区域植被覆盖度的时空变化特征及其驱动因子,对于科学制定区域生态环境保护方案、维护区域生态平衡具有重要指导意义。本研究基于Google Earth Engine(GEE)平台,使用Landsat Collection 2数据,结合自然和社会经济数据,借助像元二分模型、趋势分析、分区统计和地理探测器等方法,探究山西省1990—2020年间植被覆盖度时空变化特征及其驱动因子。结果表明: 1990—2020年,山西省植被覆盖度呈波动上升趋势,44.4%区域的植被覆盖得到显著改善,显著退化区域占7.4%。山西省植被覆盖度与高程、坡度和山地地势起伏呈正相关。台地和丘陵地区植被覆盖度增长面积比例最高。因子探测结果表明,土地利用类型、地貌类型、年平均降水量、土壤类型是山西省植被覆盖空间分异的主要影响因素。交互探测发现,驱动因子间的交互作用均表现为增强。研究期间,自然因子间的交互结果呈下降趋势,而社会因子间的交互结果呈增强趋势,反映出人类活动对山西省植被覆盖的影响逐步增大。

干旱胁迫下珠江流域植被响应的滞后效应及损失概率评估

龚郑洁, 雷勇, 钟露露, 武传号

2024, 35(4):  1083-1091.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.026

摘要 ( 165 )   PDF (3198KB) ( 46 )  

基于标准化降水蒸散指数(SPEI)和归一化植被指数(NDVI),在网格尺度上定量识别珠江流域植被对干旱响应的滞后时间;基于贝叶斯理论和二维联合分布构建了干旱胁迫下植被损失的条件概率模型,定量评估了不同干旱情景下4种植被类型(常绿阔叶林、混交林、草地、耕地)的损失风险的空间分异性。结果表明: 1982—2020年间,西江流域东部、北江和东江流域上游以及珠三角南部地区的干旱风险明显高于研究区的其他区域;上游高海拔地区植被对干旱的响应时间(大多<3个月)通常小于低海拔地区(>8个月);干旱加剧了植被的脆弱性,其中,混交林在不同干旱强度下的损失概率大于其他3种植被类型,表现出更高的脆弱性;流域西北部植被损失概率低于流域中部地区。

安徽省气候变化和人类活动对草地物候的影响

龚志远, 王春林, 董丹丹, 张蕊, 张曦

2024, 35(4):  1092-1100.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.021

摘要 ( 125 )   PDF (3782KB) ( 32 )  

为了探究安徽省气候变化和人类活动对草地物候的影响,并且量化气候变化和人类活动对物候的贡献率,本研究基于2003—2020年安徽省归一化植被指数数据集提取草地物候——返青期(SOS)、枯黄期(EOS),采用slope趋势分析、Mann-Kendall非参数检验与Hurst指数分析物候的时空变化特征及未来演变趋势,并结合年均气温、年降水量数据集,采用相关性分析和残差分析探讨气候变化和人类活动对物候的响应,并量化二者的贡献率。结果表明: 2003—2020年,研究区SOS和EOS都表现为提前趋势,提前速率分别为0.8和0.7 d·a^-1。研究区南部SOS明显早于中部和北部地区;EOS从南向北逐渐提前。未来SOS和EOS都表现出提前趋势。SOS与年均气温主要表现为负相关性,与年降水量主要表现为正相关性;EOS与年均气温和年降水量都表现为负相关性。SOS由气候变化和人类活动共同驱动提前的区域面积占比为56.9%,EOS由气候变化和人类活动共同驱动提前的区域面积占比为48.3%,其中,人类活动是物候的主要驱动因素,气候变化为次要驱动因素。人类活动和气候变化对SOS的相对贡献率分别为66.4%和33.6%,对EOS的相对贡献率分别为61.2%和38.8%。人类活动对SOS和EOS的影响更强,主要导致SOS和EOS提前。

LA-UNet网络模型在城市绿地遥感分类中的应用

徐亮亮, 马开森, 王霞, 李东胜, 孙华

2024, 35(4):  1101-1111.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.025

摘要 ( 157 )   PDF (7227KB) ( 24 )  

城市绿地的精准识别和监测在城市规划和生态管理方面具有重要意义。城市绿地背景复杂,使用传统遥感分类技术容易出现错分粘连的问题。本研究以长沙市雨花区为研究区,高分二号(GF-2)遥感影像为数据源,提出一种基于LA-UNet模型的城市绿地遥感分类方法,该方法以UNet模型为基础,引入DWTCA通道注意力机制模块提升网络对绿地信息的关注度,并使用CARAFE模块对提取特征进行上采样,实现对城市复杂背景下乔木、灌草等多种地类的精准分类。结果表明: 利用标准假彩色遥感影像时,LA-UNet模型的城市绿地分类效果最优,总体准确率和平均交并比分别为96.3%和90.9%,比UNet模型分别提高2.8%和6.1%。在波茨坦公开数据集中,LA-UNet模型的总体准确率和平均交并比也同样优于UNet模型,分别提高0.9%和1.8%,表明LA-UNet模型具有较好的鲁棒性和通用性。本研究提出的LA-UNet模型能有效缓解城市绿地错分粘连问题,在城市绿地遥感分类中具有显著优势。改进后的LA-UNet模型比UNet模型具有更小的参数体积,能有效提升城市绿地分类精度。本研究将为城市绿地的精准分类及其空间分布规律研究提供方法参考。

非点源污染对景观格局响应的空间尺度效应——以东北太子河流域为例

吕乐婷, 郑晓宇, 刘琦, 孙才志, 毕丝淇

2024, 35(4):  1112-1122.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.022

摘要 ( 143 )   PDF (3629KB) ( 32 )  

河流水质是自然与人类活动综合影响的结果,多尺度景观格局通过改变不同空间尺度污染物的产生和运移过程对河流水质产生不同程度的影响。本研究以中国北方太子河流域为例,基于水质监测数据和土地利用数据,运用相关性分析、冗余分析方法,分析景观格局与河流非点源污染的关系,确定非点源污染对景观格局响应的最佳空间尺度,识别影响河流非点源污染的关键景观指标。结果表明: 太子河流域水质在时间上具有季节差异,汛期水质优于非汛期;在空间上,污染物全氮(TN)和全磷(TP)的高值出现在支流汇入点和下游地区;景观格局对非点源污染的影响在非汛期强于汛期,且TN强于TP。在汛期500 m以内河岸带缓冲区、非汛期集水区尺度下,景观格局对太子河TN和TP的解释率最高;类型水平上,建设用地、耕地和裸地与TN和TP呈正相关,林地与TN和TP呈负相关,是影响非点源污染的关键类型;景观水平上,斑块密度、相似邻近比例和蔓延度指数是影响流域水质的关键指标。斑块密度越低,“汇”型景观连通性越好,对TN的净化效果越好,但对TP的截留效应更明显。反之,景观多样性增加并构成多种类型的密集格局,越易导致水质恶化。合理配置流域内及河岸带缓冲区景观类型、适当丰富景观多样性、优化景观聚集性和连通性,是流域水质改善及可持续生态管理的有效措施。

基于物种构成特征的中国陆栖哺乳动物地理分区

迟瑶, 叶鹏程, 张迎莹, 凌镒超

2024, 35(4):  1123-1130.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.019

摘要 ( 194 )   PDF (1815KB) ( 39 )  

中国自然条件复杂,生物多样性丰富。本研究基于中国陆栖哺乳动物的地理分布与物种构成特征,探讨中国不同地区哺乳动物种群的特点和地理分区;采用聚类算法,结合哺乳动物的空间分布数据和分类学特征,对中国陆栖哺乳动物进行地理分区。结果表明: 中国陆栖哺乳动物可分为东北区域、华北区域、东部草原区域、西部区域、西北区域、羌塘高原区域、青藏东部区域、喜马拉雅区域、华南区域、台湾-海南区域共10个动物地理区。研究结果揭示了中国陆栖哺乳动物的新地理分区模式,展现了不同区域间物种组成的差异性和特点,揭示了物种分布与环境因素之间的关联。本研究提出将分类信息纳入聚类分析的方法,为动物地理区域研究提供了新思路,为理解物种多样性提供了新视角,并为动物保护和栖息地规划提供了科学依据。

庙岛群岛海域大型底栖动物生态特征及季节变化

纪莹璐, 衣帆, 曲琳, 刘航, 陈静, 陈琳琳, 李宝泉

2024, 35(4):  1131-1140.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.029

摘要 ( 164 )   PDF (792KB) ( 25 )  

为了解山东烟台庙岛群岛海域大型底栖动物群落组成与时空分布特征及其对生境变化的响应情况,于2022年5月(春季)、8月(夏季)、10月(秋季)在庙岛群岛海域进行了大型底栖动物和环境要素调查。结果表明: 共鉴定大型底栖动物127种,其中软体动物和环节动物多毛类为主要优势类群,各47和45种。主要优势种为中华不倒翁虫、寡节甘吻沙蚕、江户明樱蛤和日本倍棘蛇尾等。研究海域大型底栖动物年平均密度和生物量分别为190 ind·m^-2和28.69 g·m^-2,季节间差异不显著。Shannon多样性指数(H)、均匀度指数(J)和丰富度指数(D)的平均值分别为3.10、0.90和2.40。聚类分析结果显示,3个季度的群落相似性系数较低,分布格局存在季节性变化。底层海水水温、叶绿素a、营养盐、沉积物粒度、有机质含量是影响庙岛群岛海域大型底栖动物群落的主要环境因子组合。对比历史数据发现,随着长岛国家级湿地自然保护区运营和围海养殖管理,庙岛群岛海域大型底栖动物优势种变化明显,密度和H呈下降趋势,生物量和J呈上升趋势,底栖动物类群呈现由小个体向大个体转变的趋势。

植被恢复对矿区土壤微生物群落结构影响的整合分析

王译庆, 袁朝祥, 岳楷, 吴福忠, 袁吉, 赵泽敏, 彭艳

2024, 35(4):  1141-1149.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.030

摘要 ( 245 )   PDF (1833KB) ( 55 )  

采矿对土壤生态系统造成严重破坏,针对废弃矿区进行植被恢复成为可持续发展的必然要求。土壤微生物作为土壤有机质最活跃的组成部分,是参与碳、氮、磷等元素转化的重要动力,常被用作表明生态脆弱区植被恢复程度的指标。但全球尺度上植被恢复对矿区土壤微生物群落结构的影响仍缺乏了解。本文基于44篇论文的310个成对观测值,采用整合分析的方法,分析植被恢复对矿区土壤微生物数量与生物量的影响。结果表明: 矿区植被恢复对土壤微生物生物量具有显著的促进作用,与裸地相比,植被恢复使矿区土壤微生物生物量碳显著提高95.1%,土壤微生物生物量氮显著提高87.8%,土壤细菌、真菌、放线菌数量分别显著提高1005.4%、472.4%和177.7%。各种植被恢复模式中,单独种植乔木的恢复模式对土壤微生物生物量和数量的促进效果最为明显,使土壤真菌与放线菌数量分别提升540.3%和104.5%,微生物生物量碳和氮分别提升110.3%和106.4%。模型选择的结果显示,饱和土壤含水量和植被恢复年限均对土壤细菌和真菌数量贡献最大,土壤有效氮对土壤放线菌数量和土壤微生物生物量碳影响最显著,土壤有效磷则是土壤微生物生物量氮的重要影响因子。研究结果有助于了解矿区植被恢复与土壤微生物群落结构的关系,为确定合适的矿区植被恢复模式提供科学支撑。

综合评述

基于功能性状的土壤动物群落生态学研究进展

孙新, 谢致敬, 乔志宏, 高梅香, 殷睿, 常亮, 吴东辉, 刘满强, 朱永官

2024, 35(4):  1150-1158.  doi:10.13287/j.1001-9332.202404.028

摘要 ( 339 )   PDF (819KB) ( 113 )  

功能性状是生物对周围环境响应与适应的直观表现,同时影响一系列的生态系统功能。土壤动物的功能性状可较好地表征和预测环境变化及其所在生态系统的功能变化。综合物种、系统发育及功能性状的多维分析,有助于全面和深入理解土壤动物分布格局、群落构建机制及生态系统功能。本文在阐述土壤动物功能性状常用表征指标和生态学意义的基础上,系统分析了基于功能性状的土壤动物群落响应环境变化及其群落构建过程的相关研究进展,并提出未来在理论上应重点关注生物互作的生态进化过程对土壤动物功能性状的影响,在方法上应注重具有生态学意义的功能性状数据库的建立,还应重视利用功能性状与生态功能的关系指导生态恢复实践,促进土壤生物多样性保护及资源可持续利用。