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.

为明确草本植物根系对喀斯特边坡浅层稳定性的影响规律,在重庆酉阳选取典型喀斯特坡地分上、中、下坡位种植沿阶草(Ophiopogon bodinieri H.)和拉巴豆(Dolichos lablab L.),并以裸地为对照,取样测定土壤性质和根系性状,利用无限边坡稳定分析模型计算边坡安全系数,通过建立结构方程模型确定影响边坡稳定的关键根系性状.结果表明:(1)沿阶草和拉巴豆处理的边坡安全系数较对照分别提高了 149.97％-179.96％和52.27％-75.53％,二者提高效果最优的坡位分别是下坡和上坡;(2)两种草处理的土壤粘聚力是对照的1.97-5.11倍,沿阶草的根质量密度显著大于拉巴豆,是拉巴豆的2.78-5.99倍;(3)土壤粘聚力与边坡安全系数相关性最强,二者呈对数函数关系,结构方程模型表明根质量密度是影响边坡稳定的关键根系性状.研究认为喀斯特坡地上坡宜选择直根系草本植物,而下坡宜选择须根系草本植物,且根系质量密度大的植物有利于边坡稳定.本研究可为科学应用草本植物解决喀斯特坡地边坡失稳提供理论依据.

森林凋落物的养分归还对于维持土壤碳库和养分循环起至关重要的作用.本研究以亚热带人工幼林的21个树种为对象,分析各树种的叶片和根系功能性状与凋落物养分归还特征的关系.结果表明:不同树种的凋落物量、现存量与养分归还量差异显著,其中米老排的年凋落物量(689.2 g·m-2·a-1)和现存量(605.1 g·m-2)最高,柳杉的年凋落物量(36.0 g·m-2·a-1)和现存量(10.0 g.m-2)最低.21个树种的氮归还量为3.0～48.3 kg·hm-2,其中最高为闽粤栲;21个树种的磷归还量为0.1～2.0 kg·hm-2,最高为枫香.氮、磷归还量最低的树种均为柳杉.逐步回归分析显示,叶片氮含量和叶片干物质含量对凋落物量有显著的负影响,细根组织密度对凋落物量有显著的正影响;叶片氮含量、叶片干物质含量和比根长对现存量有显著的负影响.结构方程模型显示,具有较高叶片干物质含量的树种直接或间接地通过降低凋落物产量来减少氮归还量,而具有较高细根组织密度的树种通过显著增加凋落叶氮含量从而增加氮归还量;具有较高叶片氮含量和叶片干物质含量的树种直接或间接地通过降低凋落物产量从而减少磷归还量.在亚热带营造人工林时,要考虑叶干物质含量低、细根组织密度大的树种,以提高林地凋落物产量和氮、磷养分归还量,进而提高土壤肥力和林地生产力.

为了探究木本植物根际效应的季节动态及其驱动因素,以北京市东灵山地区两种主要植被类型——白桦(Betula platyphylla)林和蒙古栎(Quercus mongolica)林中的优势树种为研究对象,于2017年的春(5月)、夏(7月)、秋(9月)、冬(12月)4个季节分别测定根际土壤与非根际土壤的理化性质、微生物生物量、碳矿化速率及净氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征以及植物的根系、叶片功能性状,分析根际效应的季节变化动态.结果发现:(1)土壤pH及铵态氮含量、微生物生物量、碳氮矿化速率、胞外酶活性和矢量特征指标在根际土壤与非根际土壤之间存在显著差异,根际效应主要呈现为正效应,即根际土壤高于非根际土壤.(2)根际效应存在显著的季节动态,表现为秋季的根际效应最强.(3)根际效应与植物根系和叶片功能性状之间存在显著相关关系.细根生物量与可提取有机碳、土壤总碳、总氮含量的根际效应显著正相关;叶干物质含量、叶碳氮比与微生物生物量碳含量、微生物生物量氮含量、碳矿化速率、酸性磷酸酶活性的根际效应显著正相关.研究结果表明,植物功能性状对于植物的根际效应具有重要作用;在东灵山的温带落叶阔叶林,可能由于秋季植物地下碳输入量最高,导致根际微生物数量和活性增加,从而出现秋季微生物生物量及活性的根际效应高于其他季节的现象.

随着全球逐渐暖干化,林火不仅驱动着森林生态系统结构和功能的变化,同时也影响树木的生理和生长.林火导致的热损伤引发树木一系列复杂生理响应.揭示火后树木生理的响应机制,对于进一步理解树木碳水关系和火后恢复生长限制,以及提高火后树木死亡预测准确性具有重要指导意义.该文从林火对树木的作用途径和方式着手,基于不同形式林火(树冠火、地表火、地下火)对树木各部分(树冠、树干、根系)造成的损伤,综述了林火对树木生理的直接影响和间接影响,以及火后树木生理与非生物和生物因素的互作关系.热损伤诱导的形成层、韧皮部坏死和木质部水力失衡是火后树木生理的主要响应机制,二者导致的两个生理功能限制——"碳饥饿"和水力失效——严重影响树木的碳水关系,也决定了火后树木是恢复生长还是延迟死亡.火后树木生理机制还与干旱、昆虫攻击和微生物入侵等其他因素密切相关.该文强调了对林火强度的定量分析和对植物组织死亡阈值的准确判断的迫切性,同时提出了探究火后树木生理与功能性状和其他因素的互作关系的必要性.精确评估树木生理机制间关系对于深入理解林火如何影响树木功能完整性极为关键,有助于完善林火风险评估和树木死亡模型预测.在未来气候暖干化驱动的高频、高强度林火发生背景下,对树木生理响应的深刻认识对于更好地研究火后生态系统动态及其与气候因子的相互关系同样具有重要意义.

淮北平原典型中低产土壤砂姜黑土质地黏重、易旱易涝,严重限制了冬小麦的生产.因此如何改善砂姜黑土不良水分性状,是促进冬小麦生长的关键.通过盆栽试验,研究干旱胁迫下施加生物炭对砂姜黑土冬小麦叶片生理特性、根系形态以及土壤化学性质的影响.共设 4 种施肥处理:T0(常规施肥)、T1(常规施肥+1%生物炭)、T2(常规施肥+3%生物炭)和T3(常规施肥+6%生物炭),播种后第 30 天进行干旱胁迫处理.结果表明:(1)干旱胁迫处理显著促进冬小麦叶片H2O2 含量以及CAT、SOD和POD活性,施加生物炭处理则显著降低了干旱胁迫下冬小麦叶片H2O2 含量和CAT活性,对SOD和POD活性无显著影响.(2)干旱胁迫抑制了冬小麦根系生长,施加 3%生物炭处理冬小麦根系总表面积和平均根系直径与不施加生物炭相比,分别增加了 48.0%和 34.7%;6%生物炭处理显则著促进干旱胁迫下冬小麦总根长、总表面积、平均根系直径和总根体积增加.(3)施加不同生物炭处理均显著提高土壤pH值和有机质含量,且土壤有机质含量随着生物炭施加量的增加呈上升趋势;施加 6%生物炭土壤速效磷和速效钾含量与对照比,分别上升了 70.3%和 110.5%,土壤碱解氮含量无显著变化.研究结果表明,施加适量生物炭能够降低干旱胁迫下冬小麦体内活性氧积累,促进冬小麦根系发育,提高砂姜黑土养分含量,促进冬小麦在干旱胁迫下生长.

土壤呼吸是森林生物地球化学循环的关键过程,探究植物功能性状与土壤呼吸的关系有助于了解森林树种转换对土壤碳循环的影响.本文选取在二代杉木林采伐迹地营造的亚热带15个常见树种,测定土壤CO2排放通量、土壤理化性质,以及各树种的叶片和根系功能性状,探讨植物功能性状对土壤呼吸的影响.结果表明:各树种土壤CO2排放年通量在7.93～22.52 Mg CO2·hm-2,其中米槠的土壤CO2排放年通量最高(22.52 MgCO2·hm-2),南方红豆杉最低(7.93 Mg CO2·hm-2).逐步回归分析显示,土壤CO2排放年通量随着叶氮含量和细根直径的增加而降低,随叶片非结构性碳水化合物增大而提高.结构方程模型中,植物叶片非结构性碳水化合物对土壤CO2排放通量具有直接的、显著的正效应,而植物叶片氮含量和细根直径则通过显著降低土壤pH值和可溶性有机氮含量等对土壤CO2排放通量产生负效应.不同树种人工林利用与水分、养分获取相关的功能性状直接或间接通过土壤特性影响土壤碳排放.在营造人工林时,可以参考植物功能性状-生态系统功能的关系来选择树种,以期提高林地生产力和土壤固碳潜力.

为探讨盾叶薯蓣在低磷胁迫下的生理变化、甾体皂苷类成分代谢及基因表达的响应特征,本研究选取河南南阳产盾叶薯蓣进行模拟低磷胁迫实验,在不同时期对根际基质中的磷含量(全磷、速效磷、磷酸铝盐、磷酸铁盐、磷酸钙盐)和土壤酸性磷酸酶(soil acid phosphatase,S-ACP)活性、植株根系发育特征(总根长、总投影面积、总表面积),各部位过氧化物酶(peroxidase,POD)、超氧化物歧化酶(superoxide dismutase,SOD)活性及甾体皂苷类成分含量等指标进行分析,确定盾叶薯蓣响应低磷胁迫的关键时期,并利用RNA-Seq测序对关键时期盾叶薯蓣根茎、叶片、地上茎3个部位中的基因表达特征进行分析.研究发现低磷胁迫处理后盾叶薯蓣根际基质中易吸收态磷含量显著降低,其抗氧化酶(POD、SOD)与酸性磷酸酶活性均显著升高,根系发育受阻;低磷胁迫可明显影响盾叶薯蓣中甾体皂苷的合成与积累,且不同部位响应特征不同;胁迫初期为盾叶薯蓣响应低磷胁迫的关键时期;响应低磷胁迫关键时期的盾叶薯蓣基因表达存在明显的组织特异性,对三个处理组不同部位基因表达量与代谢通路进行分析,分别从盾叶薯蓣根茎、叶片、地上茎3个部位中挖掘到239、211、237个差异基因,涉及萜类骨架、有机酸、肌醇的生物合成等多个代谢通路.上述研究结果说明盾叶薯蓣通过改变基因表达水平对表型性状和生理代谢过程进行调节来响应低磷胁迫,本研究为研究盾叶薯蓣响应低磷胁迫的分子机制提供理论依据.

以京农科 728 等 24 个我国玉米生产大面积推广种植品种为研究材料,设置 6.0(D1)和 9.0(D2)万株/hm2 共两个种植密度处理,研究并明确不同种植密度条件下参试品种的茎秆力学和根系性状差异,为耐密高产品种选择和育种提供参考和指导.结果表明,(1)参试玉米品种的抗倒性存在较大差异,其中,以京 2416 为父本组配的京农科 728 等 18 个品种全生育期均未发生倒伏倒折,抗倒能力强;郑单 958 在生理成熟前未发生倒伏,而在生理成熟期D2 密度下倒伏倒折率高达 89.40%;先玉335 在大喇叭口期发生根倒,倒伏率高达 68.56%,生育后期未发生倒伏.(2)随种植密度增加,参试品种的株高、穗位高和穗位系数均呈升高趋势.以京 2416 为父本组配的京农科 728 等 18 个品种的株高、穗位高和穗位系数平均为 272.13 cm、106.44 cm和39.11%,显著低于郑单 958 和先玉 335.(3)随种植密度增加,参试品种的茎皮穿刺强度、茎秆抗折力、根系长度和根系干物重均呈降低趋势,平均为 40.61 N/mm2、205.06 N、217.35 m/plant和 14.29 g/plant;产量呈升高趋势,平均为 11 724.48 kg/hm2.与郑单 958 和先玉 335 相比,以京 2416 为父本组配的京农科 728 等 18 个品种的茎皮穿刺强度、茎秆抗折力、根系长度、根系干物重和产量具有明显优势,且耐密抗倒性强,产量潜力高,是耐密高产型品种.

作物表型的多样性受到多方面因素的影响,其中表观遗传变异可以通过表观修饰调控基因表达来控制作物性状及胁迫响应,进而影响农作物产量.影响玉米产量的主要农艺性状包括株高、叶夹角、根系等株型因素.此外,生物胁迫和非生物胁迫、种质资源也是影响玉米产量的关键因素.作物中主要的表观调控方式包括组蛋白修饰、DNA修饰、RNA修饰、非编码RNA及染色质重构.本综述重点总结了表观遗传修饰对玉米主要产量性状的调控机制及表观遗传变化在作物品种改良中的重要性,并结合表观遗传编辑技术提出了提高玉米产量的表观育种新途径.