放牧是导致草地生态系统发生变化的重要驱动因素,然而在不同放牧强度下草地植物群落与功能群对土壤因子的响应是否一致目前仍不明确.该研究以天山北坡中段草地为研究对象,基于野外植物群落调查和室内土壤分析,分析放牧对植物群落与功能群的影响,以此为基础进一步揭示在放牧干扰下植物群落和功能群对土壤因子响应的差异.结果表明,轻度放牧和未放牧草地的主要优势功能群为多年生禾草和莎草,重度放牧样地中的主要优势功能群为毒害草,优势种为醉马草(Achnatherum inebrians).相较于重度放牧,轻度放牧显著提高多年生禾草、豆科植物、莎草和杂类草功能群的地上生物量,显著降低了毒害草地上生物量.轻度放牧的物种多样性指数显著高于重度放牧;而在功能群多样性中,轻度放牧的Shannon-Wiener指数、Margalef指数和Pielou指数显著高于重度放牧,Simpson指数在不同放牧强度间无显著差异.冗余分析、Mantel检验以及结构方程模型的结果显示,植物群落特征、功能群和群落多样性与土壤有机碳含量、速效氮含量、速效钾含量、全磷含量、全钾含量、土壤密度和土壤含水量均存在显著相关关系;放牧直接对草地植物高度、盖度、密度、地上生物量、植物群落和功能群多样性产生显著的负向影响,也可通过提高土壤密度和降低土壤养分含量从而对群落高度、盖度、密度、地上生物量、植物群落和功能群多样性产生间接的负向影响.综上,在放牧干扰下,土壤因子对维持天山北坡中段草地植物群落的稳定生长起到至关重要的作用,该结果为新疆草地植物资源的合理利用提供科学依据.

[目的]前山带是天山北坡山地-绿洲-荒漠生态系统的重要组成部分,探讨植物对干旱胁迫的动态生理适应性和抗旱性评价方法,筛选植被恢复的适宜树种,对该区域植被生态恢复具有重要意义.[方法]以新疆天山北坡前山带种植的12种植物为研究对象,观测灌水后土壤水分时空变化,分析干旱和复水对植物光合和抗逆生理指标的影响,采用主成分分析评价12种植物的抗旱能力.[结果](1)干旱胁迫后,土壤水分散失在0-20 cm层最快,20-40 cm层次之,40-60 cm层最慢,不同植物采用不同策略改变生长情况来适应干旱;(2)干旱胁迫后,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、电子传递速率(ETR)和叶绿素含量降低,而抗逆生理指标超氧化物歧化酶(SOD)活性、脯氨酸含量、丙二醛(MDA)含量及非光化学淬灭系数(qN)升高,复水后各指标都有一定程度的恢复,但均未达到初始水平;(3)主成分分析结果显示,P、叶绿素含量、ETR和MDA含量等指标贡献率较大,梭梭、柽柳、刺蔷薇和柠条锦鸡儿抗旱性较强,'中亚沙棘'、'新棘5号'、'新棘1号'和山杏次之,而'新棘4号'、'新棘3号'、文冠果和'新棘2号'较弱.[结论]Pn、叶绿素含量、ETR和MDA含量可作为评价植物适应干旱的重要指标;新疆天山北坡前山带植被生态恢复应优先选择梭梭、柽柳、刺蔷薇及柠条锦鸡儿进行建植.

生态系统多功能性(EMF)是指生态系统能够提供多种服务和功能的能力.放牧是草地资源实现开发和利用的主要途径之一,但草地EMF对放牧干扰的响应尚不明确,且其驱动因子仍不清楚.以天山北坡中段草地生态系统为研究对象,基于野外植物群落调查和室内土壤理化性质分析以及微生物高通量测序,探讨轻度放牧、重度放牧和未放牧处理下草地EMF的变化规律.结果表明,(1)相较于重度放牧,轻度放牧显著提高草地生产力、土壤碳养分、土壤氮养分、土壤磷养分、土壤钾养分等生态系统单一功能以及多功能性(P＜0.05).(2)线性拟合结果表明,草地生态系统单功能和多功能性与植物Shannon-Wiener指数、土壤细菌Shannon-Wiener指数、土壤真菌Shannon-Wiener指数、土壤含水量之间呈显著正相关关系(P＜0.05),与土壤容重呈显著负相关关系(P＜0.05).(3)通过结构方程模型总体来看,放牧能够直接对EMF产生负向效应,也可通过植物多样性和土壤细菌多样性及其二者之间的相互作用间接地对EMF产生负向效应,并且同时考虑多个生态系统功能对放牧的响应可以更好的反映整个生态系统的变化.研究强调了植物群落多样性和土壤微生物群落多样性对维持草地生态系统功能及多功能性的重要性,轻度放牧处理是更好地保护生物多样性及维持草地EMF的可行策略,该结果揭为合理制定天山北坡中段草地生态系统的可持续经营和管理提供了理论参考.

细根是植物吸收养分和水分的主要器官,也是土壤养分归还的重要途径.研究细根的化学计量特征对了解森林生态系统植物-土壤养分循环具有重要意义.以吉林省八家子林业局蒙古栎天然林、天然阔叶混交林和落叶松人工林中龄林为对象,基于15块30 m×30 m样地的林分调查数据以及细根和土壤样品的测定数据,研究了不同林分类型细根和土壤的C、N、P化学计量特征以及两者的关系.结果表明:不同林分的细根和土壤C、N、P化学计量特征差异显著(P＜0.05).3种林分类型细根均受N限制,天然阔叶混交林土壤养分丰富,但蒙古栎天然林土壤P较贫乏.落叶松人工林和天然阔叶混交林的细根化学计量特征与土壤化学计量特征的相关程度明显高于蒙古栎天然林.3种林分的细根C∶N、C∶P和C含量受土壤化学计量特征影响较大.土壤C∶P是影响3种林分细根化学计量特征的最主要因素.研究结果可为长白山林区蒙古栎天然林、天然阔叶混交林和落叶松人工林的土壤养分管理和森林可持续经营提供一定的理论依据.

调查长白山北坡不同海拔(1700～2000 m)岳桦(Betula ermanii)更新苗分布状况,按照海拔梯度采集岳桦种子进行萌发试验,了解不同海拔岳桦更新苗特征及种子萌发情况,研究岳桦种子育苗过程.结果显示:岳桦更新苗在不同海拔均有一定数量分布,其中,1700 m和2000 m最多;高海拔岳桦种子萌芽率大于低海拔,但不同海拔岳桦种子在第9 天的萌芽率均高于30%;岳桦种子在第3 天开始萌芽,9 d后进入幼苗期,18 d后子叶脱离种皮,30 d后长出第1 片真叶,45 d后长出第3 片真叶;整个育苗过程容易出现茎干徒长、烂根、叶片大面积烤焦等现象,需要精细化管理.

天山北坡经济带长期面临城镇化进程与资源环境系统的系列问题,区域城镇化与资源环境系统的关系备受关注.运用文献计量分析工具对1995-2022年的相关中英文文献进行全面分析,并对天山北坡经济带城镇化与资源环境系统关系研究的几个重点问题进行评述.研究发现,中文研究整体关注城镇化背景下的生态环境问题与对策探讨,英文研究侧重气候变化背景下城镇化进程中的水土资源利用与驱动因素,而中英文均普遍关注城镇化过程中的水资源问题,且近期不断加强城镇化与资源环境系统的协调关系及影响因素研究.相关研究存在共识,认为天山北坡经济带的城镇化与资源环境系统存在互动互馈关系,资源环境系统对城镇化发展的约束效应具有倒U型趋势,城镇化发展对资源环境系统的影响效应呈现U型趋势,而当下二者的耦合协调水平总体偏低,应坚持走可持续发展、绿色发展与高质量发展的城镇化道路.未来研究可从区域多尺度空间嵌套关系、多源数据库构建、多元化方法创新、格局-过程-机理剖析等方面开展.

在高纬度高海拔区域气温增幅更大的背景下,高山亚高山森林土壤有机碳稳定性组分分配比关系以及由于此差异导致对增温的反馈效应均有待深入阐释.天山森林是以雪岭云杉(Picea Schrenkiana)为单优树种的温带针叶林,在天山北坡中山带(海拔约1760-2800 m)呈垂直落差超过1000 m的带状斑块分布,便于排除混交树种的影响,而量化土壤有机碳库稳定性组分分配比关系沿海拔的分异规律,及其对气候变化的响应情况.沿海拔梯度设置森林样地并分层采集土样,研究各土层土壤总有机碳库(Csoc)、活性碳库(Ca)、缓效性碳库(Cs)、惰性碳库(Cp)、微生物量碳(MBC)在海拔梯度上的变化特征,通过碳库活度(A)、碳库活度指数(AI)、碳库指数(CPI)、土壤碳密度(SOCD),探讨天山森林土壤有机碳稳定性组分沿海拔的分异特征.结果表明:(1)随着海拔的升高,天山中段北坡云杉森林土壤Ca占比逐步升高,Cs和Cp占比逐步降低,这意味着天山中段北坡云杉森林土壤碳的分解释放与区域气候变暖间将呈现出加速偏离平衡态的正反馈效应;(2)该区域森林土壤的MBC和微生物熵(qMB)虽均随海拔升高呈双峰曲线,但峰值有所差异,qMB在高海拔处(2600-2800 m)显著升高,这意味着在森林高海拔区域土壤微生物的活性更强;(3)Csoc、Ca、G、Cp表聚效应明显,且随海拔升高呈现出单峰曲线;(4)海拔2400-2600 m的AI、CPI最大,海拔2200-2400 m的A、CPI和SOCD处于较低水平.为深入了解天山森林土壤碳库对气候变暖的响应过程提供了科学参考,为天山森林土壤碳库管理提供了有益借鉴.

以GIS为平台,使用5 kmx5 km栅格单元为基本单位,选择土地覆被、地形起伏度、气候适宜度、水文条件以及土地沙化适宜度等自然因子结合社会经济数据,对天山北坡不同地区的人居环境适宜性进行探讨,揭示了天山北坡人居环境自然适宜性的空间分布格局,并进一步探讨其形成的原因.结果表明:天山北坡城市群的人居环境指数(HEI)介于10.72-80.19之间,地形起伏度、水文条件以及土地沙化适宜度为天山北坡城市群人居环境自然适宜性空间分布差异的主要限制因素,人居环境自然适宜性整体呈现"屋脊式"空间结构特征,具体表现为以乌鲁木齐市-奎屯市为中轴线逐渐向两侧递减的态势,并出现以石河子市、奎屯市为"双核心式"的空间差异特征.其中一般适宜区域分布面积最广,占天山北坡城市群总面积的39.79％;比较适宜区次之,占25.2％,分布着研究区43.87％的人口;然后是临界适宜区,占18％;不适宜区域占研究区总面积10.8％;高度适宜区最小,仅为研究区总面积的6.19％.

根系分叉数和连接长度影响着植物根系的空间分布和资源获取,二者的权衡关系有助于深层次的理解植物根系构型的生态适应性.在祁连山北坡高寒退化草地,设置未退化(T1)、轻度退化(T2)、中度退化(T3)和重度退化(T4)4个退化梯度样地,采用全根挖掘和Win-RHIZO根系分析仪相结合的方法,研究了星毛委陵菜(Potentilla acaulis)根系分叉数和连接长度之间的关系.结果表明:随着天然草地退化程度的加剧,草地群落的密度、高度、盖度、地上生物量和土壤含水量逐渐减小,土壤紧实度不断增大,星毛委陵菜种群的密度、高度、盖度、地上和地下生物量、根冠比和根系连接长度逐渐增大,分叉数呈相反的变化趋势;不同退化草地星毛委陵菜根系分叉数与连接长度之间的相关性存在差异(P＜ 0.05),在未退化(T1)和重度退化(T4)草地星毛委陵菜根系分叉数和连接长度之间存在极显著的负相关关系(P＜0.01),在轻度退化(T2)和中度退化(T3)草地二者之间存在显著的负相关关系(P＜0.05).随着天然草地的退化,星毛委陵菜选择减小根系分叉数和增大根系连接长度的构型构建模式,反映了植物不同功能性状间生物量分配的权衡机制.

在长白山北坡开展水稻孕穗关键期低温处理试验,建立低温对空壳率的影响模型,揭示水稻幼穗形成不同时段低温对结实的影响.结果表明:水稻幼穗形成期低温对空壳率的影响多符合对数函数模型,温度越低,影响系数越大;低温持续时间越长,空壳率越高.水稻结实率对幼穗形成中期(花粉母细胞形成至减数分裂期)低温反应最敏感,前期和后期次之.在幼穗形成期,低温持续2、3、5d处理,期间平均气温每降低1℃,水稻空壳率分别上升0.5、1.7和4.3个百分点;平均最低气温每降低1℃,空壳率分别上升0.4、1.8和4.5个百分点;持续2d低温的影响明显小于3d以上的.冷积温对空壳率的影响符合二次函数模型,在有害低温范围内,冷积温每增加10℃·d,空壳率平均上升8.5个百分点.持续3d平均气温降至21.6、18.0和15.0℃以下,或持续5d平均气温降至22.0、20.4和18.5℃以下,或冷积温在8、19和26℃-d以上,会依次发生轻度、中度和严重的孕穗期障碍型冷害.东北地区水稻孕穗关键时期持续2d以内的低温天气不会导致中度和严重冷害.