目前尚不清楚地表臭氧(O3)污染下植物、土壤和微生物之间的直接或间接相互作用对森林地上和地下固碳功能的影响.采用开顶式气室装置和结构方程模型,研究4种O3浓度下欧美杨107(Populus euramericana cv.'74/76')的光合性状、叶和细根生化性状、土壤理化因子和土壤微生物群落特征对地上和地下生物量降低的直接和间接效应.结果表明,O3浓度升高(86 nmol/mol)分别导致杨树地上、地下和总生物量相比对照分别下降16％、11％和15％,对地上生物量降低的影响大于地下生物量.结构方程模型发现光合速率、叶淀粉和叶非结构性碳水化合物对地上生物量有直接的影响;表明O3主要通过影响植物的光合生理代谢过程对地上生物量积累产生直接作用.O3对地下生物量的影响是通过直接影响叶氮和土壤总碳,叶氮再影响叶淀粉从而间接影响地下生物量.土壤pH、总碳和土壤微生物(细菌和真菌群落)对地上产生直接效应,且O3对真菌群落的影响效应大于细菌群落,表明植物通过地下过程对O3的响应可直接反馈作用于生物量的积累和分配过程.本研究通过解析植物、土壤和微生物之间的直接或间接相互作用为评估O3污染对杨树人工林地上和地下固碳功能的影响提供科学依据.

为明确春季休牧对中度退化高寒草甸植被特征、土壤理化性质和土壤真菌群落特征的影响,本研究在祁连山区高寒草地设置春季休牧和自由放牧两个处理,休牧结束后于牧草生长旺季,调查草地植物群落特征并采集土壤样本.结果表明,春季休牧后高寒草地植物群落多样性指数、均匀度指数和丰富度指数显著升高(P＜0.05),与自由放牧相比,分别升高了80.00％、50.94％和21.89％;植被生物量显著增加(P＜0.05),增幅达52.41％;休牧后草地地上/下生物量比值由8.58％增加到25.59％,休牧改变了植被生物量的分配格局;休牧后土壤有机碳和全钾含量显著增加(P＜0.05),增幅分别为10.64％和1.10％;而土壤容重和pH显著降低(P＜0.05),降幅分别为17.83％和4.60％.春季休牧处理下土壤子囊菌门的相对丰度增加,而被孢霉菌门的丰度下降;土壤真菌群落多样性指数在两处理间差异不显著;PCoA分析结果显示,主坐标1(PCo1)、主坐标2(PCo2)和主坐标3(PCo3)对真菌群落结构差异的解释率分别为17.58％、12.07％和11.51％,累计解释率为41.16％;真菌共现网络模块化分析发现,春季休牧处理下土壤真菌网络复杂性更高,土壤真菌群落更稳定.植被和土壤因子的方差分析结果显示,土壤含水量和植被地下生物量是影响真菌群落重构的两个主要调控因子.

植物的叶片和细根是植物地上部分和地下部分最重要的营养器官,其碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征反映了植物的养分限制状况及叶片与细根间的协同作用,开展叶片与细根化学计量关系的研究,对认识植物养分利用策略及元素间平衡关系有重要意义.对西北干旱区21种荒漠植物叶片与细根C、N、P含量进行了测定,分析了 C、N、P含量及其计量比在不同生活型及不同器官间的关系.结果表明:1)西北干旱区荒漠植物叶片与细根C含量相对稳定,叶N、P含量高于细根,说明在干旱生境中,植物对养分的分配侧重于地上部分,以完成其正常的生命活动;叶片与细根的N∶P无显著差异,有明显的保守性,表明植物地上与地下部分养分吸收策略与分配规律具有一致性;2)不同生活型植物叶片和细根的C、N、P含量及C∶N、C∶P存在显著差异,灌木与禾草具有较高的C∶N和C∶P,杂类草具有较高的N、P含量,说明灌木与禾草倾向于保守型养分适应策略,杂类草倾向于快速生长的资源竞争策略;3)21种荒漠植物叶片与细根N、P含量间均存在显著的正相关关系,表明西北干旱区荒漠植物体内N、P元素间存在相互作用;4)植物叶片与细根间C、N、P含量及C∶N、C∶P存在等速生长关系,表明植物光合产物和养分在地上与地下部分间的分配具有平行的比例关系,但这种关系受生活型影响.上述结果表明西北干旱区不同生活型植物在恶劣生境中存在不同的养分适应策略,且地上与地下部分的养分利用策略及分配规律存在协同作用,这为进一步认识西北干旱区荒漠植物的养分利用策略提供了试验基础.

对光环境的灵敏响应使得森林中常见的光照异质性成为影响植物自我更新的关键因素,然而植物地下根系结构对光照的响应较为难测而缺乏深入研究.为探究不同光强下木麻黄根系响应策略,以一年生木麻黄(Casuarina equisetifolia)幼苗为试验材料,模拟森林幼苗生长的林外(CK)、林缘(L1)、林窗(L2)和林下光环境(L3)设置4种光照强度,测定及分析木麻黄幼苗的生长、根系形态、细根解剖结构及碳氮含量等指标.结果表明:(1)L1下,幼苗采取维持高度,降低横向生长的方式,保证正常累积生物量,随光照强度的下降,株高、地径、叶片生物量及地上部分生物量逐渐下降.(2)在根系表型上,幼苗随光限制的加重呈现抑制纵伸但促进根系的横向生长,其中总根长、根平均直径及根体积达到显著差异.在径级结构上,细根发育程度随光照减弱而下降;而适当的遮光(L1)促进粗根生长但L3时除根尖数较CK上升外,根长度、根表面积、根体积均显著下降.(3)1-3级细根解剖变化较大,相较CK,1级细根皮层细胞面积显著增加,但根半径、维管柱结构、表皮厚度等指标则显著下降,2级细根根半径、皮层细胞面积、表皮厚度明显减少,但维管柱结构仅在L2、L3时显著下降;3级细根根半径、皮层细胞面积和维管柱面积均较CK显著增大,L1时维管柱结构下降,但随光照减弱加重,维管柱面积和中柱占比均明显增加.(4)在碳氮含量上,CK与L1无显著差异,TC在L2时显著下降,TN则在L2时显著上升,TC、TN均在L3达到最大,而C∶N随光强降低逐渐下降.综上所述,光限制时,木麻黄生物量及碳分配稳定根茎部分生长,采取"弱化吸收,强化储存"收缩型生长策略;当限制加重时,光合和呼吸作用失衡导致植物对细根投入养分的浪费,并最终造成林木死亡.研究结果为林下植被的更新提供理论参考.

以内蒙古红花尔基樟子松林国家级自然保护区樟子松人工林为研究对象,采用实测法对樟子松不同龄级人工林碳密度、碳储量及其分配特征进行了研究.结果表明:(1)樟子松人工林碳储量随林龄增加而增加.(2)樟子松人工林各碳层储量变化规律为:地下>地上,土壤层>植被层>枯落物层.(3)樟子松人工林各碳层储量中土壤层碳储量占比最大,且 0-30 cm土层碳储量占比在 76.97%—80.18%之间,呈表层聚集现象.(4)乔木层碳储量主要集中在树干,表现为碳净积累特征.未来通过采用合理的人工抚育及科学管理措施,维持和增加土壤碳收入,充分利用其生长特性,对于维持生态系统碳平衡起着极其重要的作用.

氮添加会引起土壤理化性质和养分有效性的改变.受此影响,森林植物的地上碳同化能力和地下碳分配格局也会相应地发生变化,总体表现为促进植物生长固碳,增加凋落物和植物根系沉积碳输入土壤,并改变上述植物源有机质的数量和化学成分.与此同时,土壤微生物的群落结构和生态功能也会受到氮添加的影响,由于土壤中的有机碳分解、转化和稳定等过程均受到微生物的驱动,因此,氮添加所引起的底物供应差异和微生物响应会影响森林土壤有机碳的矿化,并最终影响森林土壤有机碳库固存、稳定和CO2排放.但目前关于氮添加对森林土壤有机碳库固存能力和CO2排放特征的影响机制仍不清楚,为此,以森林土壤的碳循环过程为线索,综述了氮添加对底物供应、土壤有机碳激发效应、微生物碳代谢等过程的影响,并尝试梳理在氮添加影响下森林土壤有机碳分解、转化和稳定的微生物驱动机制.这有助于预测氮添加对森林土壤"氮促碳汇"的实际效果,以便研究人员在未来氮沉降日益严重背景下更好地预测森林土壤的碳循环特征,寻找提高森林土壤有机碳库固存能力和降低CO2排放相关途径提供参考.同时,还分析了目前相关研究中存在的问题,并对该领域未来的研究热点进行了展望.

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.

明确间作和接种丛枝菌根真菌(AMF)对刺槐(Robinia pseudoacacia)与魔芋(Amorphophallus konjac)碳转运和磷吸收的影响,可为揭示间作刺槐对魔芋的防病促生机制和推广刺槐林下魔芋绿色高产栽培技术提供科学依据.该研究使用孔径25μm尼龙网设置两室根箱隔网系统,分为A室(刺槐不接种/接种AMF)和B室(单作刺槐/刺槐间作魔芋);采用13C稳定性同位素技术对A室刺槐叶片进行标记,研究其同化的碳与B室魔芋之间的传递,以及AMF定植对两种作物的农艺性状、13C丰度和磷含量的影响.结果表明:(1)在接种条件下,菌丝桥对B室刺槐和魔芋的侵染率分别达到47.1％和60.4％;其中,刺槐侵染率与单作直接接种处理相比降低14.1％.在间作体系中,接种AMF提高了魔芋的生物量,其地上干质量和地下根系干质量分别较未接种处理显著增加9.7％和36.2％.(2)与单作未接种处理相比,间作未接种、单作接种和间作接种的刺槐同化的碳被更多地分配到根系和根际土壤(A室),并以根系分泌物的形式穿越尼龙网到达邻近作物根际(B室).(3)与各自未接种处理相比,单作或间作接种显著提高B室刺槐和魔芋叶片、茎/叶柄、根系和全株磷含量.综上,AMF定植促进了刺槐向魔芋根际土和植株体内的碳转运,且间作栽培可促进AMF的定植和宿主作物对磷的吸收.

同为杨柳科的柳属和杨属植物对氮素缺乏的形态和生理响应不同.本文通过川滇柳和青杨远缘嫁接,研究不同嫁接组合幼苗在氮缺乏条件下的成活率、生长状况、生物量累积与分配、气体交换参数及非结构性碳水化合物的差异响应,分析杨柳科植物远缘嫁接的可行性及嫁接对植物抗缺氮能力的影响.结果表明:川滇柳和青杨远缘嫁接的亲和性较好,川滇柳/青杨(S/P)和青杨/川滇柳(P/S)嫁接组合的成活率分别为74％和96％;缺氮显著降低了所有嫁接组合幼苗的成活率,其中S/P幼苗的成活率降低最明显,仅为53.3％,而P/S幼苗的成活率为86.7％.无论对照还是缺氮条件下,青杨做接穗的嫁接组合(P/P和P/S)的株高、基茎、生物量积累、净光合速率均大于川滇柳做接穗的嫁接组合(S/S和S/P);缺氮显著减少了所有嫁接组合的生长、生物量及净光合速率.川滇柳做砧木的嫁接组合(S/S和P/S)的根冠比显著高于青杨做砧木的嫁接组合(S/P和P/P),表明川滇柳可将更多的光合产物分配到地下部分,而青杨则将更多的光合产物投入到地上部分.各嫁接组合根中非结构性碳水化合物受缺氮胁迫最明显,除S/P嫁接组合外,P/P、S/S和P/S根中的淀粉、果糖、蔗糖和可溶性总糖浓度均显著升高,且表现为P/P和P/S显著高于S/S和S/P.

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.