气候变暖通过改变植物凋落物产量、质量以及分解者组成和活动来影响分解过程,从而调控生态系统的物质循环.在干旱、半干旱区,气候变暖对混合凋落物分解的影响仍不清楚.本研究利用开顶式增温箱和分解袋法,分析毛乌素沙地黑沙蒿和赖草混合凋落物在450 d分解过程中质量损失和养分的动态变化.结果表明:凋落叶对增温的响应存在种间差异,增温促进了赖草凋落叶的质量损失和N、P释放,抑制了黑沙蒿凋落叶的质量损失、P释放,但促进了 N释放.黑沙蒿和赖草凋落叶混合会抑制分解,增温加强了混合分解的拮抗效应,使混合凋落叶总质量损失减少9％,N和P释放量分别减少4.9％和12.6％.增温处理下混合凋落物质量损失和P释放的拮抗效应随时间逐渐加强,分解150 d时N释放从协同变为拮抗效应.黑沙蒿和赖草凋落叶混合分解产生的非加性效应受温度和时间共同调控,未来的混合凋落物分解研究应该考虑温度和时间的交互作用.

为了调整低效马尾松(Pinus massoniana,P)人工纯林的林分结构,探明其与乡土阔叶树种凋落叶混合分解过程中的可溶性有机碳(DOC)释放规律,该研究以马尾松、香樟(Cinnamomum camphora,C)和香椿(Toona sinensis,T)的凋落叶为研究对象,将其按照不同树种和质量比例组合为 15 个处理(3 个单一树种处理+12 个混合处理)后进行野外凋落叶分解实验,并探讨DOC释放最佳的凋落叶树种组合以及混合比例.结果表明:(1)马尾松和大部分混合处理凋落叶(除了PT64)在分解初期(0～6 个月)的DOC含量均显著升高,出现富集现象,之后随着分解时间的延长而降低,在分解中后期(12～18 个月)或分解末期(18～24 个月)再次出现小幅度的碳富集现象.阔叶所占比例越高,其后期DOC含量越低.(2)分解前期(0～6 个月)凋落叶DOC释放的拮抗效应较强(58.33%),仅有 8.33%(1/12)的混合处理表现出协同效应.之后(6～18个月)其协同效应逐渐增强(91.67%),分解末期(18～24 个月)凋落叶的协同效应有所减弱(66.67%).在所有混合处理中,PT64 在整个分解期间均出现协同效应,其次为PT73、PCT622 和PCT613 在大部分分解时期(3/4)出现协同效应.(3)偏最小二乘法(PLS)回归分析表明,凋落叶初始质量因子中N含量、P 含量、木质素含量、缩合单宁含量、C/N、C/P、木质素/N以及木质素/P是影响该研究区域中凋落物DOC释放的重要因素.总体而言,马尾松与阔叶凋落叶混合后的DOC释放受到树种、混合比例及分解时间的共同影响.相对于其他混合处理,阔叶占比大于等于 30.00%且含有香椿(T)的凋落叶混合处理(PT64、PT73、PCT622和PCT613)更能促进DOC的释放.

陆地生态系统固碳是减缓大气CO2浓度升高的重要途径,了解气候变化下潜在自然植被生态系统碳储量(ECS)有利于区域土地管理政策的制定.该研究基于遗传算法对LPJ-GUESS模型的敏感参数进行校准,使用降尺度的气候数据驱动模型,结合Mann-Kendall趋势检验、Sen's斜率估计方法和偏相关分析法,分析2001-2100年中国ECS的时空格局、趋势变化特征及气候主导因子.结果表明:1)校准后的LPJ-GUESS模型模拟ECS的纳什效率系数和皮尔逊相关系数分别为0,751、0,901,表明LPJ-GUESS模型可以较好地模拟中国ECS.2)2001-2020年,中国潜在自然植被ECS由东南向西北递减,总量为156.06 Pg,其中植被、凋落物、土壤碳储量分别占34.2％、1.9％、63.8％.相比于2001-2020年,2081-2100年ECS具有相似的空间分布,ECS总量预计增加0.51-11.16 Pg;2001-2020年和2021-2100年,中国潜在自然植被ECS的增加速率分别为8.5 g·m-2·a-1、3.7-21.0 g·m-2·a-1.3)2021-2100年中国东南部、内蒙古高原、青藏高原等地区ECS显著增加(37-44g·m-2·a-1),云贵高原南部、两广丘陵等地区ECS显著减少(45-72g·n1-2·a-1).4)不同区域的气候主导因子不同:气温在中国西北地区主导ECS变化;受区域干旱程度影响,ECS与降水量的相关性由东南向西北递增;辐射在高纬度、高海拔地区主导ECS变化;在中国47.9％-56.1％的区域CO2浓度主导ECS变化.

矿质元素是土壤养分的重要组分,关系着森林生态系统的群落组成和生物地球化学循环.喀斯特局域尺度内地形异质性较高,目前尚缺乏地形等非生物因子和生物因子如何影响喀斯特地区土壤矿质元素空间分布方面的研究.本文在弄岗北热带喀斯特季节性雨林15 ha森林动态监测样地中沿海拔梯度设立的100个凋落物收集器所在位点进行土壤取样,对样品中的K、Ca、Mg 3种矿质元素含量进行测定,并基于空间回归模型和变差分解等方法对喀斯特季节性雨林中土壤K、Ca、Mg与生态因子之间的关联进行定量分析,探讨非生物因子和生物因子与其空间分布特征的内在关联,以期为北热带喀斯特生物地球化学循环研究和脆弱喀斯特生态系统保护提供科学依据.结果表明,研究区内土壤K、Ca、Mg均存在空间自相关性,Ca与海拔和凹凸度显著正相关,主要聚集在山脊区域;K与地形湿润度指数显著正相关,主要在洼地聚集;Mg在中坡位表现出聚集特征.变差分解显示生态因子对土壤K、Ca、Mg空间分布的驱动作用强于空间结构,单个生态因子中海拔的解释度最高,并且非生物因子的解释度总体上高于生物因子,生物因子中物种丰富度解释度最高,同时Mg的聚集伴随着较高的物种丰富度水平.

非生物重金属元素的累积可能会对植物生长发育产生不利影响,但林木叶片在衰老过程中是否对这些重金属元素具有重吸收作用尚不清楚.因此,选择中亚热带以米槠为建群种的天然林和次生林以及米槠人工林和杉木人工林4种不同类型森林为研究对象,在一个生长季(4-10月)同步分析林木成熟叶片和新鲜凋落叶片铬(Cr)、镉(Cd)和铅(Pb)的含量变化,探讨不同森林叶片非生物重金属元素的重吸收和累积规律.结果表明:4种森林叶片表现出对3种非生物重金属元素明显的选择性重吸收作用,其重吸收率受森林类型、元素和时间的显著影响.天然林在4月和7-10月对Cr元素重吸收(4月重吸收率最高,达67.8％),在4月和6月对Cd元素重吸收,仅在4月对Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征.次生林在4月(最高达62.5％)、5月和10月对Cr元素重吸收,在4月和10月对Cd和Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征.米槠人工林在整个生长季节中Cr元素均在衰老叶中累积,在8月和9月对Cd元素重吸收,在4月、7-8月和10月对Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征.杉木人工林在4月和10月对Cr元素重吸收,整个生长季节Cd元素均在衰老叶中累积,在10月对Pb元素重吸收,其余月份表现出累积特征.总体来看,天然林和次生林对Cr和Cd元素的重吸收显著高于人工林,而对Pb元素的重吸收特征表现相反.另外,在4种类型森林中,Cr与Pb元素在新老叶片中的变化动态呈显著正相关,并随降水的增加而增加,随气温升高而降低,但Cd与Cr和Pb元素呈显著负相关.这些结果表明,相对于人工林,米槠天然林和次生林对含量较高的Pb元素具有较好的避害能力,为区域森林营建和可持续经营提供了理论依据.

在季节性积雪地区,冬季气候变暖导致积雪变薄、积雪不连续、融雪提前及雪盖面积缩小等现象.然而相较于氮沉降、增温、降水变化等全球变化因子,目前尚缺乏积雪因子对陆地生态系统过程和功能影响的系统报道.为加深人们对积雪特征变化生态后果的认知,综述了积雪深度和融雪时间变化对植被物候和群落组成、凋落物分解、土壤碳氮过程、温室气体排放和土壤微食物网(土壤动物和微生物)的影响.由于模拟积雪变化手段不同和复杂的气候、土壤背景,生态系统各要素对积雪特征变化的响应规律存在较大的分异和不确定性.例如,在未来气候变暖导致积雪变薄和融雪提前情景下,植被物候提前,生长季延长,导致生产力增加和凋落物数量增加,禾草比例减少导致凋落物质量增加,早春温度高刺激微生物活性,凋落物分解速率高,促进土壤碳氮周转过程.但积雪减少和融雪提前导致的早春低温和夏季干旱也可能引起植被生产力下降,凋落物数量减少质量降低,土壤微生物活性低,分解速率低,从而减缓碳氮周转过程.此外,积雪特征变化对植被特征和土壤碳氮过程影响相关研究目前还存在以下问题:1)积雪深度和融雪时间对生态系统的影响是否存在交互效应仍缺乏关注,且积雪变化对后续生长季是否存在持续效应也不明确;2)积雪因子对植被、土壤碳氮动态过程和土壤生物的影响,各生态要素研究相对较为独立;3)积雪变化引起对土壤地化循环过程影响的微生物驱动机制缺乏组学数据支撑;4)缺乏遥感手段反演各类影响生态系统功能和过程的积雪参数.应加强植被群落-土壤碳氮过程-土壤微食物网生态关联研究、基于基因组学的土壤微生物群落组成和生态功能研究和遥感相关技术研究,以期为发展积雪生态学提供参考.

阐明凋落物动态及其环境控制机制,可以为森林生态系统生产力及碳汇功能的维持提供重要的数据支持和理论依据.以长白山系余脉张广才岭西坡林龄相近但立地条件不同的4种天然次生林(即硬阔叶林、杨桦林、杂木林和蒙古栎林)和2种人工林(落叶松人工林和红松人工林)为研究对象,对其地上凋落物产量及其组分以及相关环境因子进行了 14年(2008-2021年)的连续测定,旨在揭示森林凋落物量及其组分的时空变化(林型间和年际变异)及其环境驱动机制.结果表明:6种森林类型的凋落总量(TL)无显著差异,波动范围为500.5-556.1 g m-2 a-1;但其叶凋落量(LL)、繁殖组织凋落量(RT)和其他组织凋落量(OT)均存在显著差异,波动范围依次分别为333.9-391.8 g m-2 a-1、8.43-69.93 g m-2 a-1和93.4-185.9 g m-2 a-1o6种森林类型的TL均存在显著的年际变化;其中LL和OT年际变化的显著性因森林类型而不同,而RT的年际变化不显著.除落叶松人工林外,其余5种森林类型的LL与生长季平均气温、日最低气温均值、土壤10 cm深度处的平均温度、最低温度(Tsmin)和土壤5 cm含水量(Ms)均呈显著正相关.杂木林、硬阔叶林和红松人工林的RT与Ms呈显著负相关;杂木林、杨桦林和硬阔叶林的OT与T1sm.呈显著负相关.样地水平的LL与土壤10 cm处含水量存在显著的正相关关系,而RT和OT则与其呈现显著负相关关系.这些结果表明林龄相似的温带森林地上凋落物总量有趋同趋势,但其通过改变组分分配格局来适应立地条件的变化;土壤湿度和温度变化会引起凋落物量的年际变化,但不同森林类型的凋落物量对环境波动的敏感性不同.

总酚和缩合单宁作为重要组分参与并调控森林凋落物的分解过程,其可能受到林窗直接或间接的影响.该研究以川西亚高山6种常见植物(包括方枝柏(Juniperus saltuaria)、岷江冷杉(Abies fargesii var.faxoniana)、四川红杉(Larix mastersiana)、红桦(Betula albosinensis)、康定柳(Salix paraplesia)和高山杜鹃(Rhododendron lapponicum))凋落叶为研究对象,在林窗内外不同位置(林窗中心、林冠林窗、扩展林窗、郁闭林下)进行为期3年的原位分解实验,探究凋落叶总酚和缩合单宁在3年分解过程中冬季和生长季节的动态特征.研究发现凋落叶总酚和缩合单宁均在分解第一年具有较高的损失速率,分别为10.76和8.5 mg·d-1;林窗对酚类物质降解的影响随分解进程逐渐减弱并具有明显的季节性差异;6种凋落叶总酚含量均在生长季降低较快,且初始缩合单宁含量较高的凋落叶在第一年冬季有较高的缩合单宁损失速率.研究表明森林林窗内的凋落叶在长期分解过程中,其酚类物质的降解受凋落叶质量和季节差异的影响更为显著.研究结果有利于深入认识森林生态系统中凋落物的分解特征和物质循环过程,可为亚高山森林的有效经营管理提供一定的科学数据.

为最大程度模拟森林凋落物分解实际状况,探究亚热带天然阔叶林凋落物的分解动态特征,该研究采用凋落物分解"三明治"法,在野外原位分解的凋落物上,平均间隔3个月在积累的凋落物上铺设一层尼龙网(60目,1.2 m × 1.95 m).3年后共获取11层不同分解程度的凋落物,分析其活性和惰性碳、氮含量变化.结果表明:1)在整个分解过程中,活性、惰性碳参与分解的时间不同,水溶性有机碳最早开始释放,持续释放时间长(295 d);惰性碳分解滞后(4层,422 d);而酸水解有机碳可能在分解中受二者的影响,变化波动大.2)与碳相比,氮在整个分解阶段的动态更为复杂,表现出明显的周期性,即固持(1-3层,90-295 d)—释放(4-6层,422-670 d)—固持(7-11层,802-1 200 d).3)凋落物原状分解有利于氮的截留和保存.一方面,分解前期上层凋落物中的活性物质受淋溶作用在下层积累,从而降低淋失的风险;另一方面,分解后期惰性碳氮偏向于底层积累,利于碳氮的固存.可见,森林凋落物的自然分解状态有利于凋落物惰性碳氮更好地归还土壤.因此,在森林管理中要注重凋落物层的保护,让其在自然状态下分解,助力土壤碳氮的稳定与保留.

以泥炭藓属(Sphagnum)植物为优势种的贫营养泥炭地是陆地生态系统重要的碳汇,其优势植物的生长与分解动态关系着贫营养泥炭地碳汇潜力,但有关氮沉降对贫营养泥炭地优势藓类植物生长与分解的影响还存在很大争议,并且氮沉降对亚热带贫营养泥炭地优势藓类植物生长与分解的研究鲜有报道.该研究以鄂西南贫营养泥炭地为研究对象,通过原位喷洒不同浓度的NH4Cl溶液,采用生物量收割法和分解袋法,探讨模拟氮沉降对泥炭藓(S.palustre)与金发藓(Polytrichum commune)生长及分解的影响.研究结果表明:(1)氮沉降对两种藓类植物生长高度与生物量均有明显的影响,且两种藓类植物生长存在一定的氮沉降阈值,约为3 g·m-2·a-1;(2)氮沉降对两种藓类植物生长影响程度不同,金发藓对氮沉降的响应灵敏度要大于泥炭藓;(3)高浓度氮沉降(6和12 g·m-2·a-1)抑制了泥炭藓分解,低浓度氮沉降(3g·m-2·a-1)对泥炭藓分解的影响取决于分解时间,而所有浓度氮沉降均抑制了金发藓凋落物的分解;(4)分解1年以后,泥炭藓的最终质量残留率平均值为105.99％,金发藓的最终质量残留率平均值为70.79％,金发藓的分解速率远大于泥炭藓;(5)氮沉降对两种藓类凋落物化学元素含量与化学计量比有显著影响,且与分解时间密切相关.