植物叶片生态化学计量特征及其差异可以反映植物对环境的响应,是了解植物与环境相互作用的关键.特殊的天坑环境创造了良好的植物生长条件.为探究天坑植物的养分利用特征与环境适应性差异,揭示天坑森林植物适应机制,为天坑森林养分循环与群落构建理论研究提供基础数据,该研究对广西大石围天坑群坑内外植物叶片中碳(C)、氮(N)、磷(P)、钾(K)、钙(Ca)、镁(Mg)养分化学计量特征进行比较.采用相关性分析和冗余分析等统计方法研究植物各化学计量间的内在联系和环境对其的影响.结果表明:(1)与其他喀斯特地区植物以及全国陆地植物相比,研究区域内的36科55属64种植物叶片具有较低的C含量,较高的N、P、K、Ca、Mg含量和较低的C:N、C:P,表明天坑植物具有低固C、高养分积累、高生长速率与低养分利用效率的总体特征.(2)大石围天坑群植物叶片N:P平均值为16.65,N:K平均值为1.50,K:P平均值为10.10,表明天坑植物整体K富足而N、P养分受限.(3)显著性分析表明:不同位置、不同功能群植物养分含量与化学计量比存在显著差异,不同环境、不同类型植物养分吸收的策略不同.(4)相关分析表明:植物叶片各养分含量与化学计量比间存在较为显著的相关关系,植物叶片对不同养分的吸收具有一定的比例与协调关系.(5)对叶片化学计量特征影响因子的分析结果表明:土壤是影响叶片养分含量的关键环境因素.研究结果揭示了大石围天坑群植物养分利用特征、生境养分差异以及植物对环境的适应情况,为天坑森林生态系统养分循环与群落构建机制的探索提供了基础数据.

根系分泌物是植物与土壤进行物质能量交换和信息传递的重要媒介,同时也是植物响应外界环境变化的主要形式,在土壤碳库动态中发挥着重要作用.伴随着全球气候变化而频繁发生的极端干旱事件对植物地上地下生长过程都产生了深刻的影响,然而,由于根-土界面交互作用的复杂性,以及根系分泌物收集手段与装置的不完善,人们对干旱条件下根系分泌物及其介导的根际激发效应的响应及机制的认知尚存在较大的局限性.基于此,该文结合国内外生态学领域的研究前沿动态,论述了干旱下植物根系分泌物数量及组分的动态变化,重点阐述了根系分泌物介导的根际激发效应及其机制,在此基础上展望了未来根系分泌物研究中的重点关注方向,以期为未来全球气候变化条件下土壤碳汇的评估提供科学依据.

放牧是草原生态系统最主要的人为干扰因素,也是草原群落构建的重要"外部"过滤因子.然而,关于放牧强度对草原群落构建的作用机制,尤其是在这一过程中种内性状分化和种间性状差异的相对作用目前的了解还比较有限.为此,该研究利用在内蒙古典型草原建立的长期放牧控制实验平台,采用土芯法(环刀)取样,系统分析了植物群落地上(株丛、叶片)和地下(根系)性状对放牧的响应.通过环刀-小区和小区-样地两个推绎尺度,研究了基于种内与种间性状变异的放牧强度过滤作用.研究结果表明:(1)随着放牧强度的增加,大多数地上性状的种内和种间变异呈增加趋势,而根系性状的种内和种间变异则显著降低.(2)随着放牧强度的增加,在环刀尺度上,基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度先增大后减小,在中度放牧时达到最大;然而基于地下性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度逐渐增加.在小区尺度上,基于地上性状的种内变异和种间差异的放牧过滤强度呈线性降低趋势;而基于地下性状种内变异的放牧过滤强度增加,基于种间差异的放牧过滤强度减弱.(3)随着空间尺度增大,放牧强度对草原群落构建的影响由基于种间性状差异的过滤作用逐渐转变为基于种内性状变异的过滤作用,此过程受土壤水分和养分的调控.这些研究结果为深入揭示放牧对草原群落构建的调控机制提供了科学依据,也为正确理解长期放牧导致的植被景观异质性和尺度效应评估提供了重要参考.该研究中叶片和根系性状主要考虑了结构性状,因此具有一定的局限性,未来研究可结合叶片和根系碳氮含量等化学性状指标,以全面理解放牧对植物地上、地下性状变异的调控机制.

根际微生物在植物养分获取以及碳、氮循环中发挥着重要作用,而植物细根(包括吸收根和运输根)与根际微生物群落关系密切.阐明火后森林恢复过程中先锋树种细根性状的变化与根际微生物群落的关系,可为基于细根和根际微生物动态的火后植被恢复管理提供理论支持.该研究以大兴安岭30年时间序列火烧迹地先锋树种白桦(Betula platyphylla)为研究对象,利用16SrRNA高通量测序技术,分析了火后恢复过程中白桦根际细菌群落结构与土壤性质和细根性状的关系.结果表明,火后恢复时间显著影响土壤pH、吸收根性状和根际细菌α多样性.随火后时间的增加,土壤pH呈先升高后下降再升高的趋势,吸收根比根长和比表面积呈先升高后下降的趋势.火后9年是白桦根际细菌α多样性逐渐回升的转折点.不同火后恢复时间根际细菌群落主要优势门为变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)和酸杆菌门(Acidobacteriota),主要优势属为慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium).玫瑰弯菌属(Roseiarcus)、酸球菌属(Acidipila)以及分枝杆菌属(Mycobacterium)等优势属的相对丰度在不同火后恢复时间中差异显著.根际细菌α多样性主要受土壤pH和吸收根比根长的显著影响,细菌群落结构变化受细根的碳、氮含量和运输根磷含量的影响.综上,细根、土壤和微生物之间的互作共同影响了根际细菌的群落结构及多样性,从而塑造了根际环境,促进火后生态系统的恢复.

土壤生态化学计量是土壤肥力和植物养分状况的重要指标,探索森林的恢复方式对土壤生态化学计量特征的影响,可为准确评价生态系统物质循环过程对干扰和恢复的响应提供理论依据和数据支撑.该研究比较测定了东北东部山区人工恢复的3种针阔混交林和天然恢复的4种落叶阔叶林的土壤、凋落物和枯落物的碳(C)、氮(N)和磷(P)含量,以及土壤pH、土壤密度等理化性质.结果显示:人工针阔混交林和天然落叶阔叶林的土壤C、N和P含量均随着土壤深度的增加而降低.各林分类型的O(有机质)层土壤C、N和P含量的波动范围分别为53.78-90.59、5.02-7.83和0.75-0.91 g?kg-1.人工针阔混交林O层土壤的C和N含量显著低于天然落叶阔叶林,而人工针阔混交林A(腐殖质)和B(淀积)层土壤的C、N和P含量均高于天然落叶阔叶林.人工针阔混交林O层土壤的C密度显著低于天然阔叶林.土壤C:N、C:P和N:P的波动范围为10.08-12.53、43.97-135.52和4.56-11.64;O层土壤的C:N在两种恢复方式的森林间无显著差异,人工针阔混交林O和A层土壤的C:P和N:P显著低于天然落叶阔叶林.土壤各层次的C和N含量均存在显著的正相关关系(R2范围0.40-0.76).除C:N以外,恢复方式、土壤发生层及其二者交互作用对土壤C、N、P含量、密度和计量比均存在显著影响.土壤密度和凋落物C含量显著影响土壤C、N和P含量.这些结果表明,通过人工恢复方式增加针叶树种的比重,使表层土壤的C、N含量降低,导致表层土壤的碳固持量减弱;但是对C:N无显著影响,表现出相对稳定的土壤C、N计量特征.

新疆野苹果(Malus sieversii)根际固氮菌(NFB)、解磷菌(PSB)及解钾菌(KSB)的定植数量,不仅影响植物补充养分,促进生长,也可以诱导系统抗性(ISR),提高抗性抑制疾病.因此,探讨新疆野苹果根际NFB、PSB及KSB定植数量对生理指标的影响,确定野苹果生长较好时根际微生物数量,对研究其氮、磷、钾的吸收至关重要.该研究以新疆8个自然种群新疆野苹果根际土壤及植株叶片为实验材料,分离NFB、有机解磷菌(oPSB)、无机解磷菌(iPSB)及KSB,估算功能菌株数量并测定新疆野苹果叶片生理指标,叶片及土壤中氮、磷、钾含量.结果表明:(1)8个种群新疆野苹果根际4种功能菌株定植总数量存在极显著差异,其中新源县野果林种群oPSB、iPSB、NFB及4种功能菌株定植总数最多,巩留县那孜工队种群KSB定植数量最多;(2)4种功能菌株总数、PSB数量与新疆野苹果叶片过氧化氢酶活性呈正相关关系,KSB数量与其叶片氧化还原酶活性呈正相关关系.证明新疆野苹果根际氮、磷、钾活化菌定植数量与其抗性存在关联.(3)在营养生长方面,oPSB数量反映叶片磷和氮含量;iPSB数量反映土壤磷含量,oPSB和NFB数量反映土壤氮含量;KSB数量反映叶片和土壤钾的含量;(4)定植数量分别在7.08 × 104 CFU·g-1(NFB)、2.7 × 107CFU·g-1(PSB)及4.98 × 105CFU·g-1(KSB)时,叶片及土壤中氮、磷、钾含量较高,新疆野苹果营养生长最佳.研究确定了野苹果生长较好时根际微生物数量,以期为施用功能菌株的接种量提供理论依据,也为新疆野苹果林生态保护提供参考.

长期放牧改变了草地生态系统的土壤资源可利用性和微生物生物量化学计量.研究放牧荒漠草原土壤化学计量不平衡与微生物碳利用效率(CUE)的关系,有助于从微生物视角理解土壤碳动态.本研究依托2004年建立的内蒙古短花针茅荒漠草原长期放牧实验平台,以围封禁牧为对照,设置重度、中度和轻度放牧处理,测定了 土壤有效养分、微生物生物量及其获取的相关酶活性,并利用生态化学计量法对土壤微生物CUE进行计算.结果表明:与对照相比,放牧抑制了土壤微生物CUE,降幅为1.0％～10.3％;土壤C∶N不平衡在中度放牧处理下显著增加20.6％,C∶P不平衡和N∶P不平衡在重度放牧处理分别显著增加20.7％和25.2％,这表明土壤微生物群落更容易受N、P限制.土壤微生物群落通过调节元素阈值计量比和胞外酶的产生来维持自身化学计量平衡.结构方程模型结果表明,化学计量不平衡通过改变元素阈值计量比、微生物生物量化学计量和酶化学计量间接影响微生物CUE.

探明石漠化土壤碳组分积累和分配对丛枝菌根真菌(AM)与蚯蚓接种的响应,可为提升石漠化土壤固碳潜力及生物修复效率提供数据参考.本研究选择白枪杆为寄主植物,设置接种摩西斗管囊霉(FM)、蚯蚓(E)、蚯蚓+摩西斗管囊霉(E+FM)和不接种(CK)4个处理,研究不同处理土壤碳组分(总有机碳、微生物生物量碳、易氧化有机碳、惰性有机碳)及其分配(微生物生物量碳/总有机碳、易氧化有机碳/总有机碳、惰性有机碳/总有机碳)的时空变化.结果表明:1)蚯蚓、丛枝菌根真菌单独与共同接种处理均显著促进了土壤碳库各组分积累.与CK相比,接种处理土壤碳组分含量均值的增幅表现为:E+FM＞E＞FM,接种处理显著促进了 土壤微生物生物量碳/总有机碳(30.5％～68.5％)和易氧化有机碳/总有机碳(31.2％～39.2％),但降低惰性有机碳/总有机碳(2.9％～16.2％).2)不同处理土壤碳组分积累和分配的时空变化存在差异.各碳组分含量最大值均出现在6月,其中E+FM处理各碳组分含量较CK的增幅(33.0％～122.1％)显著高于E(31.2％～95.4％)和FM处理(9.2％～41.3％);微生物生物量碳/总有机碳、易氧化有机碳/总有机碳最大值出现在6月,惰性有机碳/总有机碳最大值则出现在12月,此时3个接种处理各碳组分占有机碳的比例较CK的变幅表现为:E+FM＞E＞FM;各碳组分含量及其分配均沿土层加深递减(9.7％～146.2％),其中E处理碳组分含量降幅最小,而E+FM处理微生物生物量碳/总有机碳和易氧化有机碳/总有机碳降幅最小、惰性有机碳/总有机碳降幅最大.3)3个接种处理土壤理化性质变化显著影响各有机碳组分积累及分配,其中碳库组分含量及分配与土壤pH呈极显著负相关,与其他土壤指标呈显著正相关.4)主成分分析显示,土壤含水量、全氮、全磷是影响碳组分积累的主要驱动因子,而土壤含水量、全磷、pH是影响土壤碳组分分配的主控因子.因此,蚯蚓、AM真菌及其交互作用均显著影响石漠化土壤碳组分积累与分配,其影响程度主要取决于土壤含水量、pH及氮磷养分状况.

土壤化学计量比是衡量土壤有机质组成及质量的有效指标.多数研究关注土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)及化学计量比,而较少关注森林恢复过程中土壤钾(K)、钙(Ca)和镁(Mg)及化学计量比的变化.本研究以亚热带自然恢复的5、8、21、27、40年林分为研究对象,以自然恢复的天然林为对照,分析土壤K、Ca、Mg及化学计量比随林分恢复年限的变化.结果表明:随着土层的加深,土壤C和N含量显著降低,土壤元素化学计量比除K∶P、Mg∶P和P∶Ca外均显著降低.随森林恢复年限的增加,0～10 cm 土层C和N含量显著增加,10～20 cm 土层Ca含量显著增加,20～40 cm 土层全磷含量显著降低,各土层K和Mg含量均无显著变化.随森林恢复年限的增加,0～10 cm 土层C∶Ca、N∶Ca、P∶Ca显著增加,20～40 cm 土层C∶P、N∶P和K∶P显著增加,而P∶Ca显著降低.所有土层K∶P和Mg∶P与总磷含量呈显著负相关,C∶Ca和N∶Ca与矿质氮、有效磷、速效钾含量呈显著正相关.随着次生林恢复年限的增加,研究区土壤普遍受到P限制,恢复后期Ca的限制逐渐增强,进而导致了多种养分元素的限制.

菌根多样性和形态可塑性决定了寄主植物适应生境变化的能力.为了解针阔叶树种混交对外生菌根形态特征的影响及其潜在机制,本研究调查了山西太岳山油松和辽东栎纯林及混交林(油松与辽东栎3∶1混交、1∶1混交、1∶3混交)外生菌根形态特征,分析了环境因子对外生菌根形态变异的影响.结果表明:所有林型中油松和辽东栎外生菌根均以无外延菌丝或极少外延菌丝的密接型为主;油松在混交林中根部密接型和中程型外生菌根的根尖数量分别比纯林显著升高3％～10％和10％～16％,辽东栎在混交林中根部密接型外生菌根养分获取类型的根尖数量比纯林显著升高5％～10％;油松和辽东栎在混交林中外生菌根Simpson形态多样性指数显著高于纯林.冗余分析表明,油松中土壤氮磷比对其外生菌根形态变异的影响最大(解释率为7.5％),其次为土壤含水率(5.2％),而土壤碳含量对辽东栎外生菌根形态变异的影响最大(3.5％).油松和辽东栎在混交时均可以通过外生菌根的形态变异以适应对土壤养分的竞争和共享.