附生维管植物对维持森林生态系统的生物多样性、碳储量、生态水文和养分通量有重要贡献.评估附生植物的多样性格局可以为其群落构建机制以及全球变化背景下附生植物的保护和资源利用提供依据.本文以哀牢山中山湿性常绿阔叶林1.44 ha塔吊样地中的附生维管植物为研究对象,综合分析了6种优势乔木宿主植株上附生维管植物的物种丰富度(S)、系统发育多样性(PD)、系统发育结构及其与宿主胸径、树高和物种的相关性.结果表明:哀牢山中山湿性常绿阔叶林311株优势乔木上共调查到26科44属62种附生维管植物.附生植物物种丰富度和系统发育多样性与宿主胸径和树高均呈极显著正相关(P＜0.001).标准化的系统发育多样性(SES.PD)与附生植物物种丰富度无显著相关关系,随宿主胸径的增加而显著增加(P＜0.05),随宿主树高的增加而显著减小(P＜0.05).折柄茶(Stewartia pteropetiolata)上附生植物的物种丰富度与PD极显著低于其他宿主物种(P＜0.001),但6种宿主物种上附生植物的SES.PD无显著差异(P＞0.05).变色锥(Castanopsis wattii)和多花含笑(Michelia floribunda)上的附生植物系统发育结构呈发散状态,木果柯(Lithocarpus xylocarpus)和折柄茶上的附生植物系统发育结构呈聚集状态,其余宿主上的附生植物系统发育结构不明显.综上所述,宿主特征包括宿主大小和物种的差异是维持附生维管植物多样性格局的关键,这一结果可为今后从多维度、多角度解析附生维管植物多样性的格局及其维持机制奠定坚实基础.

评估南亚热带季风气候影响下流域水源涵养量的时空格局及其对降雨的响应特征,可为揭示不同时间尺度流域降水变化下水源涵养演变规律提供科学依据.本研究以北部湾防城河流域为研究对象,基于水量平衡原理,应用SWAT模型探究水源涵养量的时空格局及其对降水的响应特征.结果表明:防城河流域水源涵养量为1637.4 mm·a-1,占年均降水量的50.7％.不同子流域的水源涵养变化量的差异明显,其中,森林植被覆盖度高、坡度较陡的子流域水源涵养量大,而其他土地利用类型(如田地、草地)、坡度较缓、人类活动强度大的子流域水源涵养量较低.在月尺度上,水源涵养量和水源涵养变化量均与流域降水呈现相似的变化特征.水源涵养变化量对次降水量的响应呈现两种类型:短期降雨(降雨持续时长≤2d)与水源涵养变化量呈线性变化,中长期降雨(2 d＜降雨持续时长≤10d)与水源涵养变化量呈非线性曲线变化,且主要受到蒸散发等过程的影响.高频次短持续时间的降水事件相对于长持续时间的降水事件更有利于增加生态系统水源涵养.

在全球气候变化背景下,区域降水格局正在发生改变,对森林生态系统生产力和水文过程将产生重要影响.为揭示降雨量减少对树木蒸腾耗水特征及其响应环境因子的影响,本研究以黄土高原半湿润区主要造林树种刺槐(Robinia pseudoacacia)为对象,在减雨样地林分行间布设人工减雨板减少约47％的降雨输入,采用Granier型热扩散探针测定树干液流动态,并同步监测太阳辐射、空气温度、相对湿度、降雨事件和土壤含水量等环境因子,分析了树干液流对减雨处理及季节性土壤水分变化的响应特征.结果表明:减雨处理显著降低了刺槐液流通量密度标准化值,处理第3年标准化液流通量密度显著低于对照样地;减雨样地刺槐标准化液流日变化峰值时间早于对照样地,表明减雨样地刺槐较早实施了气孔调节,改变了其与气象因子的时滞时间;标准化液流通量密度响应蒸腾驱动因子的拟合方程参数值在样地间呈极显著差异,显示减雨样地刺槐响应气象因子的敏感性有所降低.降雨量的改变不仅影响林地土壤水分状况,还会对刺槐蒸腾耗水及其对环境因子的响应产生影响.

植物水分利用在生态系统水文循环及其生产力中起着重要作用.气候变化下寒温带森林水分胁迫逐渐加剧,对其典型树种水分利用特征的研究有助于理解寒温带森林生态系统的稳定性及可持续性.以大兴安岭北部典型树种兴安落叶松(Larix gmelinii)(L)和白桦(Betula platyphylla)(B)为研究对象,利用稳定同位素技术测定降雨、木质部水和土壤水中氢氧稳定同位素值(δD和818O),揭示不同水源δD和δ18O值的分布特征,并利用多源线性混合模型及树干边材液流通量,分析不同水源对2树种的利用率和利用量,揭示生长季兴安落叶松和白桦生长季水分利用特征变化.结果表明:(1)研究区的大气降雨和土壤水同位素均受蒸发的影响发生了一定程度的分馏,且土壤水同位素分馏程度存在树种间的差异,兴安落叶松分馏程度大于白桦.(2)降雨和蒸发对2个林分土壤含水率和土壤水稳定同位素值在上层土壤(0-10cm)影响强烈,而对中下层影响较小,且各层土壤水稳定同位素值表现出显著差异(P＜0.05).(3)在5月和9月兴安落叶松和白桦主要利用上层土壤水分,对上层土壤水分的利用率分别为 64.7％、61.3％(L);61.5％、66.0％(B),日均利用量分别为 2.00kg/d、1.10kg/d(L);6.74kg/d、2.75kg/d(B).在6-8月兴安落叶松和白桦主要利用下层(20-40cm)土壤水分,对下层土壤水分的利用率分别为44.5％、48.1％、70.3％(L);49.3％、63.6％、74.7％(B),日均利用量分别为 2.58kg/d、2.76kg/d、3.89kg/d(L);12.69kg/d、14.77kg/d、14.19kg/d(B)生长季两树种表现出相似的水分来源,但对各土层土壤水的利用率存在差异,这种差异主要表现在6-8月白桦对下层土壤水的利用率显著大于兴安落叶松.这些发现说明在未来水分胁迫加剧的情况下,兴安落叶松比白桦具有更高的环境适应性.

铁元素是植物生长所必需的营养元素之一,对维持湿地生态系统稳定和湿地生态功能发挥具有重要的作用.本研究以黄河三角洲地区8种不同土地利用类型、7种植被群落类型为对象,分析了土壤中总Fe含量的空间分布特征及其影响因素.结果表明:黄河三角洲土壤总Fe含量均值为24.28 g·kg-1,其中,不同土地利用类型中,工矿区总Fe含量最高,为27.29 g·kg-1,森林湿地和光滩中总Fe含量最低,分别为22.55、22.56 g·kg-1;不同植物群落中芦苇覆盖下的土壤总Fe含量最高,为27.30 g·kg-1.不同土地利用类型中的总Fe在0～10和10-20 cm深度的差异性显著(P＜0.05);同一种土地利用类型在不同深度之间的差异性并不显著(P＞0.05).相关性分析表明,总Fe含量与有机质、总氮、铵态氮、碳酸氢根离子含量在每层均呈极显著正相关(P＜0.01).总Fe含量和分布还与成土母质、土壤类型、水文条件、氧化还原条件、人类活动等因素密切相关.

为了解暴雨时期亚热带森林生态系统水分在植物体内运移转换过程中同位素组成的变化特征以及对环境的响应机制,基于2020年7月梅汛期新安江源区亚热带常绿针叶林典型植物氢氧稳定同位素测试,结合黄山水文站涡动通量塔环境要素监测数据,分析了代表性树种杉木(Cunninghamia lanceolata)不同部位(根、皮、枝、叶)和样地多种优势植物叶片水同位素组成(δ18O和δ2H)的 日间变化特征及δ18O-δ2H相关关系,并讨论了不同植物叶片水δ18O和δ2H的环境控制因子.结果表明:杉木根、皮及枝水分同位素组成较为接近且日间变化平缓,叶片水同位素最为富集且日间变幅较大.受随机性强降雨影响,7月2-4日各来源δ18O和δ2H昼间变化无显著一致性规律,三 日分别大致呈单峰型、单谷型和波动型变化.5种典型植物叶片水δ18O-δ2H线性回归得出的蒸腾线斜率从高到低依次为:狗脊(Woodwardia japonica)、茶(Camellia sinen-sis)、大豆(Glycine max)、杉木、毛竹(Phyllostachys heterocycla),说明毛竹叶水同位素动力分馏效应最强,狗脊最弱.各植物叶片水δ18O和δ2H的环境控制因子有所差异,杉木和狗脊叶片水δ18O和δ2H对土壤含水率和土壤温度的变化最敏感,气温和净辐射则是影响茶和大豆叶片水δ18O和δ2H的主导因子,毛竹叶水δ18O和δ2H与气温、相对湿度、土壤温度、土壤含水率和风速的相关性较强.研究结果有助于明晰湿润区生态水文过程,并为进一步构建同位素水文模型提供数据支持.

随着生态学研究的深入,生态学逐渐进入大数据时代.作为人工智能的核心技术之一,机器学习能够高效处理生态大数据,得到广泛应用.本文对近年来国内外的相关研究和应用进行系统的总结和分析,从水文、土壤、气象与气候、植被等多个研究要素进行应用综述及举例分析,涉及水文循环、碳循环、气象预测、气候变化、物种分布、健康评估、景观生态、资源管理等多个研究领域.最后,基于对机器学习技术在生态学研究中存在的问题进行分析,并对未来的趋势进行了展望.总体而言,随机森林与神经网络由于其自身特性,是生态学研究中较为常用的机器学习方法.而集成多种机器学习算法,或集成机器学习与传统统计方法、生态学模型等是未来基于机器学习的生态学研究最佳方案.

森林凋落物层和土壤层是森林生态水文效应中的主要贡献层,对森林生态系统水土保持功能和水源涵养能力有重要影响.对比宁夏罗山自然保护区 3 种典型林分类型凋落物和土壤层水文效应的变化规律和水源涵养能力大小,为该地区的森林生态水文、水土保持和森林管理提供科学依据.以该自然保护区青海云杉纯林、油松纯林和青海云杉油松混交林为研究对象,运用称量、室内浸泡、环刀法和回归分析法对凋落物和土壤层的水文效应进行测定和拟合,并使用熵权法对二者的水源涵养能力进行评估.结果表明:(1)青海云杉油松混交林凋落物的总厚度和总储量显著高于青海云杉纯林和油松纯林(P<0.05),3 种林分类型的半分解层的厚度和储量高于未分解层.(2)凋落物层最大持水量范围为 63.29-95.08t/hm2,最大持水率范围为335.97%—353.85%,有效拦蓄量范围为 34.09-63.92t/hm2,三者均为青海云杉油松混交林>云杉纯林>油松纯林.(3)3 种林分类型的凋落物持水量(Q)与浸泡时间(t)呈对数函数关系,吸水速率(V)与浸泡时间(t)呈幂函数关系.(4)从 3 种林分类型的土壤物理性质和持水特性得出,3 种林分类型的土壤层水文效应的等级排序为云杉油松混交林>油松纯林>青海云杉纯林.(5)凋落物层和土壤层的水源涵养能力大小为青海云杉油松混交林(0.43)>油松林(0.3)>青海云杉林(0.27).综合来看,青海云杉油松混交林的凋落物层和土壤层的水源涵养能力最优,其次是纯林,说明混交林在水土保持和水源涵养方面比纯林更具优势.

土壤层水源涵养功能是森林水源涵养功能的主体.目前关于森林土壤水源涵养功能的研究主要集中在林地或坡面尺度上.由于流域尺度,尤其是环境空间异质性强的西南亚高山区流域,如何将林地尺度实测结果上推至流域或更大空间尺度仍是生态水文领域面临的巨大挑战之一.以川西岷江上游杂谷脑流域为研究对象,融合多种森林类型样地实测与流域尺度多源遥感数据,构建了基于植被和环境因子的林地-流域森林土壤水源涵养功能尺度转换模型,实现了流域尺度土壤水源涵养功能快速评价及其空间分布预测.样地尺度研究结果表明各类型森林的土壤水文特性各异,总体表现为天然林优于人工林,混交林优于单纯林.林地土壤持水能力受到区域气候、植被、土壤及地形等因子的共同影响,其中风速、NDVI及林龄与土壤最大持水量、毛管持水量及非毛管持水量均呈极显著正相关(P＜0.01).基于关键植被和环境因子构建的林地-流域土壤水源涵养功能尺度上推模型精度较高,土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量模型拟合优度R2分别为0.700、0.720和0.908;土壤最大持水量、土壤毛管持水量和土壤非毛管持水量的模型预测值与野外实测值的相关系数介于0.69-0.79之间,平均误差均低于20％,表明模型预测结果可靠.利用构建的土壤水源涵养功能尺度上推模型,估算得出流域尺度森林土壤持水量的空间分布,其结果表明杂谷脑流域森林土壤持水量空间分异明显,海拔较高区域森林土壤持水量最高,其次为距道路和河流有一定距离的缓坡地带,下游干旱河谷地区土壤持水量最低.本研究为亚高山森林生态功能的恢复和提升提供了科学依据和评价工具.

封面图片由黑龙江省科学院自然与生态研究所黄庆阳研究员于2020-2021年拍摄于黑龙江省五大连池国家级自然保护区(126°00′-126°25′ N,48°30′-48°51′ E).该区位于黑龙江省西北部,地处小兴安岭山地向松嫩平原的过渡地带,海拔248～602 m,冬季严寒漫长,夏季凉爽短促,属温带大陆性季风气候.五大连池至今历经了7次火山喷发,时间跨200万年～300年,形成了14座火山.火山喷发后的植被更新演替和生物地球化学循环都发生了改变,形成了特殊地质、地貌、土壤和水文的火山森林生态系统,拥有地衣苔藓群落、草本群落、灌木群落、森林群落,完整地保存了正在进行的代表性的火山生态系统演替过程,是研究火山生态系统生物多样性、植被演替、养分循环等诸多科学问题难得的科研基地.