森林-草原生态系统交错带是森林和草原两种地带性植物群落之间的交接地带,景观类型多样,环境异质性强,边缘效应明显,对全球气候变化敏感,是生物多样性保护的重要地带.林草交错带特殊的生境导致地上与地下生物多样性及其生态关联比森林、草原、农田等生态系统复杂.本文综合评述了地形、生态系统养分内循环、全球变化以及人类活动干扰等因素对林草交错带植物多样性的影响,分析了土地利用类型、氮沉降和大气CO2浓度升高、植物凋落物、土壤有机质及土层深度等对土壤微生物多样性的影响.今后,应当加强局域尺度控制实验与跨环境梯度调查相结合的研究手段,以揭示林草交错带生物多样性形成的地理格局与生态学机制.具体包括林草交错带复合系统物种多样性对土壤酸化、火灾、凋落物组成、围封和放牧及多因子交互作用的响应规律,以及地上-地下生物多样性的生态关联、退化生境修复与植被恢复等方面的研究,为林草交错带土地利用和生物多样性保护提供科学依据和数据参考.

关键种在群落结构、功能与稳定性方面具有重要作用,为探明不同放牧方式下高寒草甸植物群落关键种的变化特征及其影响因素,以青藏高原最主要的5种放牧方式(禁牧、非生长季放牧、传统放牧、生长季放牧和全年连续放牧)高寒草甸为对象,对群落特征、土壤理化特征和酶活性进行了系统研究,采用网络分析法和方差分解探究了不同放牧方式草地植物群落关键种变化特征及其影响因子,并利用优劣解距离法(TOPSIS)-多准则决策模型对不同放牧方式进行综合评价,以筛选最佳放牧方式,从而为高寒草甸科学管理及可持续利用供数据支撑.结果表明:(1)相较于全年连续放牧,禁牧、非生长季放牧、传统放牧及生长季放牧对禾本科、豆科、凋落物和杂类草生物量,群落地上和地下生物量,植物高度,禾本科盖度,多样性指数,土壤养分含量和土壤酶活性均有显著正效应.(2)禁牧样地的关键种为垂穗披碱草,非生长季放牧样地的关键种为冷地早熟禾、矮生嵩和赖草,传统放牧样地的关键种为赖草,生长季放牧样地的关键种为矮生嵩草,全年连续放牧样地的关键种为异针茅.其中,非生长季放牧样地植物群落物种间的关联性、互作强度、群落组织水平和稳定性均最高,而禁牧样地最低.(3)方差分解表明,土壤纤维素酶、脲酶和过氧化氢酶是影响高寒草甸植物群落关键种变化的最主要因素.(4)TOPSIS-多准则决策模型结果表明,非生长季放牧既能有效利用草地资源,又能维持较高的植物群落多样性和稳定性,是高寒草甸的理想放牧方式.研究结果对科学放牧管理制度的制定、草地生态系统稳定性与多功能性维持提供了科学数据支撑.

植物功能性状之间的关系是反映植物在资源获取和资源保守策略之间权衡的有力指标.喀斯特是全球最脆弱的陆地生态系统之一,其中的植被长期遭受干旱的胁迫,对极端天气和极端降水高度敏感.在降雨极端化的背景下,喀斯特地区植物生态策略的变化还不得而知.以西南喀斯特弃耕地演替初期群落中12种草本植物为对象,通过保持年降水量不变,人为控制单次降水量以及降水频率,以自然降雨为对照组(CK),设置中雨频率增强处理组(T10),大雨频率增强处理组(T25)和暴雨频率增强处理组(T50)3个处理组.模拟在全球变化导致的降雨极端化情境下,研究植物根茎叶功能性状的响应特征及经济型谱之间的关系.主要结果如下:(1)根茎叶的功能性状对降雨极端化的响应不同,其中根的理论导水率随着降雨极端化增强而增加,而茎和叶的理论导水率仅在T25增加,根茎叶三种器官中对降雨极端化最敏感的是茎;(2)根茎叶各器官均有自身稳定的"快-慢"经济型谱.降雨极端化仅T50的植物会选择介于资源获取和资源保守策略之间稳定的经济型谱;(3)不同植物器官之间的经济型谱的协调并不一致,其中茎根经济型谱之间的相关系数在三个处理组中均变大,而叶根经济型谱之间的相关系数仅在T25变大,叶茎经济型谱之间的相关系数仅在T10变大.总之,喀斯特弃耕地演替初期群落中草本植物的根茎叶有自身稳定的经济型谱,降雨极端化导致了以根茎叶经济型谱所反映的植物地上和地下资源保存和获取策略的解耦;本研究中的植物最容易发生功能性状变异的器官是茎.本研究提高了对植物不同器官各功能性状之间关系和植物地上与地下部分关联性的理解,揭示了植物不同器官的"快-慢"植物经济型谱以及由此反映的植物适应能力的差异和功能策略的多样性,促进了对植物资源获取与环境响应策略的深入认识,为预测未来气候变化背景下喀斯特弃耕地草本植物的适应趋势和响应策略提供了新见解.

林木细根物候是观测全球变暖影响的重要指标.全球变化背景下,细根物候不仅反映林木的生长状况变化,也揭示着陆地生态系统碳循环和地下碳分配动态.林木细根物候对气候变化的响应是全球变化研究的热点和难点,国内外已开展了大量研究工作,目前部分研究认为土壤增温将延长林木细根的物候期,并且北半球一些地区春季物候期、生长高峰期均提前,而大气增温有可能抑制细根生长,推迟其物候期,此外还有研究发现表层土壤中的根系物候受增温的影响可能比深层根系更大.同时,一些学者将细根物候与根际土壤环境、微生物和地上物候几个方面相联系以研究其响应机制,但细根物候如何响应气候变暖以及这些响应可能的机制仍未有定论.为此,该文系统阐述了全球变暖背景下林木细根物候的研究进展,以期为地下物候学研究以及林木对全球变化的响应和适应机制研究提供参考,并认为今后还需加强以下几个方面的研究:1)改进和探索更精确的模拟增温方式并开展更长时间尺度的量化研究;2)探究变化环境下林木根系不同功能模块(如吸收根/运输根,纤维根/先锋根)与其物候的联系,即将"环境-性状-物候"相关联;3)综合考虑根系物候的控制因素在不同地下物候相(根系生长开始、生长峰值、生长停止)、物种、土层的差异性;4)关注地下、地上物候相互关联及其对植物生产力影响的研究;5)增温与其他环境因子(CO2浓度、氮沉降等)综合作用下的林木地下物候与生态系统功能变化(如碳汇、养分循环等)间联系应是未来研究的重点方向.

[目的]研究甘草根系呼吸代谢与生物量积累的关联关系,为探索生理生化反应与目标收获量的可能影响机制奠定研究基础.[方法]溶氧法测定甘草根系呼吸强度;通过抑制关键酶的活性,测定各个基础生化途径的呼吸强度;采用烘干称质量法测定甘草地上部分和地下部分的生物量;通过灰色关联分析方法考察甘草根系呼吸代谢与生物量的相关关系.[结果]甘草根系以EMP-TCA呼吸途径和PPP呼吸途径为主,两条途径共同作用,9月上旬甘草根系呼吸代谢变化较显著,以EMP呼吸途径占总呼吸的比例最小,PPP呼吸途径占的比例最大,TCA的变化总体较小.TCA途径的呼吸强度与甘草地上部分生物量积累的关联度较大,关联系数为0.8282,其次为PPP途径,而EMP途径的关联性较小(0.500).3个基础生化途径与地下部分生物量积累均具有一定的关联度,但关联系数较小,且他们之间的差别不大.[结论]三羧酸循环、磷酸戊糖途径与甘草地上部分生物量积累的关联度较大,但3个基础生化途径与地下部分生物量积累的关联度差异不大.

几乎所有树木的根系都能与丛枝菌根(AM)真菌或外生菌根(EM)真菌形成共生关系,从而调节森林生态系统土壤碳(C)、氮(N)循环等功能过程.深入理解不同菌根类型森林土壤C、N循环的差异及其影响机制是重要的生态研究命题.该文明晰了AM与EM森林土壤C、N循环的差异;基于森林土壤C、N输入、稳定和输出等3个过程剖析了AM和EM树种对土壤C、N循环的影响机制;比较了不同菌根类型森林土壤C、N循环过程对全球变化的响应;指出了该研究领域所面临的主要挑战:(1)全面比较研究不同菌根类型森林土壤C、N循环及其相关联的生态系统结构和功能特征,为提高森林生产力、发挥生态系统服务功能提供理论基础和数据;(2)深入认知不同菌根树种地上凋落物及地下菌根与自由微生物间相互作用对土壤C、N循环的影响,以阐明不同菌根类型森林土壤C、N循环的潜在机制;(3)改进研究方法,应用新技术手段,充分考虑时空尺度效应,以便能用小尺度的研究结果合理地解释和预测生态系统C、N循环;(4)加强不同菌根类型森林土壤C、N稳定性差异的研究,以准确评价森林结构和功能对全球变化的响应.

弄清半干旱区植物叶片和细根的碳(C)、氮(N)、磷(P)元素的化学计量特征及其关联性对于认识植物C、N、P元素之间的交互作用及平衡制约关系、植物的养分利用策略,以及对全球变化的响应具有重要的意义.该研究对科尔沁沙地60种主要植物叶片和细根的C含量、N含量、P含量、C∶N、C∶P、N∶P的差异性及其相关性进行了研究.结果表明:1)科尔沁沙地60种主要植物叶片平均C含量、N含量、P含量和C∶N∶P分别为424.20 mg.g1、25.60 mgg1、2.10 mg.g-1和202∶12∶1.细根平均C含量、N含量、P含量和C∶N∶P分别为434.03mg.g-1、13.54 mg.g-1、1.13mg.g-1和384∶12∶1.细根N、P含量近似等于叶片平均N、P含量的1/2;叶片与细根的N∶P并无显著差异,具有明显的保守性,反映了植物地上和地下养分吸收与分配比例的一致性;2)不同生活型植物间叶片和细根的C、N、P含量及其化学计量比存在显著差异,杂类草植物具有较高的叶片N、P含量,禾草类植物具有较高的叶片C∶N和C∶P,一年生杂类草和禾草类植物叶片的N∶P较低.与非豆科植物相比,豆科植物具有较高的C、N含量和较低的C∶N,表明不同生活型植物对养分的适应策略不同;3)相关分析表明,叶片和细根的N、P含量间显著正相关,细根C含量与N含量之间以及C含量与P含量之间显著负相关,表明植物体内这3种元素之间存在相互作用;4)科尔沁沙地植物叶片和细根间的C、N、P含量及化学计量比均有显著的正相关关系,说明植物光合产物和养分在地上和地下部分之间分配具有平行的比例关系,但不同生活型植物叶片和细根之间元素含量的相关性存在一定差异,这可能与不同生活型植物的养分利用效率有关.

高原鼢鼠推土造丘行为对高寒草地生态系统的生产和生态功能有重要影响,研究高原鼢鼠土丘空间分布格局及其与环境因子的关系,可以揭示高原鼢鼠栖息地利用和选择规律,为合理控制鼠害及保护草地生物多样性提供科学依据.于2014年8月在祁连山东段选取面积为140m×100m的高原鼢鼠栖息地,消除景观尺度取样带来的气候、地形和土壤的异质性,利用地统计学方法,分析高原鼢鼠土丘的空间分布格局、并揭示其与环境因子中土壤容重、土壤水分、植物地上、地下生物量、根系营养物质含量(可溶性糖、粗蛋白、粗脂肪)以及各功能群丰富度(禾本科、莎草科、杂类草)的空间关系.半方差函数及普通克里格插值表明,高原鼢鼠土丘存在中等程度的空间变异且呈现聚集分布,各环境因子均存在不同程度的空间异质性.交方差函数分析表明,高原鼢鼠分布虽与各环境因子在多种尺度下表现出复杂的空间关联性(正的或负的),但mantel检验发现土壤容重、莎草科丰富度与高原鼢鼠土丘分布呈现显著的负空间关联性,杂类草丰富度和根系粗脂肪含量与高原鼢鼠土丘分布存在显著正空间关联性.综上所述,高原鼢鼠主要栖息利用在土壤疏松、莎草科丰富度较低、杂类草较多和根系粗脂肪含量较高的地方.

植物群落组成的改变能够直接或间接地影响土壤生态过程并调节参与这些过程的土壤生物, 树种特性和多样性是影响土壤微生物多样性和群落结构的关键因素.本项目利用江西新岗山建立的中国亚热带森林生物多样性与生态系统功能 (Biodiversity-Ecosystem Functioning Experiment China) BEF-China研究平台, 观测了样方水平下不同多样性组成 (单物种、2物种、4物种和8物种) 对土壤微生物群落结构的影响.结果表明:在森林生态系统演替初期, 植物多样性的改变对土壤微生物群落结构具有显著影响, 在不同多样性水平处理下, 微生物磷脂脂肪酸含量随着植物多样性的增加, 表现出先升高后降低的趋势, 但各类群微生物磷脂脂肪酸含量并未表现出对植物多样性的明显响应.其中, 土壤和凋落物的理化指标能够分别解释微生物群落结构变异的28.4％和12.3％.森林生态系统较高的异质性和地下生态过程响应的滞后性, 导致了土壤微生物对植物多样性组成的响应需要较长时间才能显现出来, 因此, 为了更好地评价地上生物多样性与生态系统功能的关联, 应长期监测森林生态系统多样性组成对地下生态过程的影响.

本文对内蒙古多伦退化草地2005年建立的长期野外控制试验中施肥和增水对土壤性质和植物群落特征的影响进行了总结和综合评述.结果表明:加氮导致了表土酸化并降低酸缓冲容量,提高了表土中碳氮磷硫有效性及DTPA-浸提态铁锰铜含量,导致盐基离子钙镁钾钠总量的消耗,降低了土壤微生物群落多样性,促进了优势植物物种叶片对氮磷硫钾及锰铜锌的吸收,抑制植物叶片对铁的吸收,而对钙镁吸收无显著影响,增加了植物地上净初级生产力(ANPP),降低了植物物种多样性和群落稳定性.单独加磷增加了表土全磷和Olsen-P含量及真菌丰度,促进了植物叶片对氮、磷、硫的吸收,但对其他土壤基本化学性质及ANPP、物种多样性无显著影响.增水提高了植物群落对干旱的抵抗力,但对ANPP增长的贡献受到土壤氮有效性的限制.增水对于加氮导致的土壤酸化、植物和微生物多样性降低等具有一定的缓冲作用;加氮增水和加磷增水下,土壤微生物多样性及功能受地上植物群落结构及功能变化的影响.长期野外控制试验对于深入理解草地生态系统结构和功能对环境变化的响应具有重要意义,但单点的研究结果仍需与不同区域多点控制试验的联网研究相结合,深入开展地上与地下生态过程的关联研究,才能深入理解草地生态系统生态学的相关机制.