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.

降水和生物多样性是维持干旱区荒漠草原生态系统平衡和稳定的关键因素,研究降水变化背景下荒漠草原植物多样性、微生物多样性以及二者相互关系具有重要的理论和实践意义.本文以宁夏盐池荒漠草原为研究对象,采用遮雨棚和滴灌技术模拟了5个降水梯度,分别为正常降雨量的33％、66％、100％(CK)、133％和166％(记为R33,R66,RCK,R133,R166),全面分析了降水变化对荒漠草原植物多样性和微生物多样性的影响.结果表明:(1)降水减少(R66)会显著降低植物群落的多样性和均匀度,降水增加(R133)会使植物群落丰富度显著增加(P＜0.05);(2)细菌群落的Shannon-Wiener指数、Simpson指数、Ace指数以及真菌群落的Ace指数随降雨量的增加显著增加,降水变化对真菌群落的Shannon-Wiener指数和Simpson指数影响显著(P＜0.05);(3)增水处理对土壤微生物群落β多样性有显著影响;(4)细菌与土壤碳氮比、碳磷比之间存在显著正相关关系(P＜0.05),真菌与土壤碳氮比、碳磷比及氮磷比之间均存在极显著正相关关系(P＜0.01);(5)植物群落多样性与细菌Shannon-Wiener指数显著正相关,与细菌Simpson指数、Ace指数及真菌Ace指数显著负相关(P＜0.05).因此,降水变化对荒漠草原植物多样性和微生物多样性产生了显著影响,且二者之间存在紧密关联,这不仅为模拟和预测荒漠草原生态系统对气候变化的响应和反馈提供借鉴,也为该地区的生态保护和恢复提供了科学依据.

全球寒区冻土区包括季节性和多年冻土区,主要分布在高海拔和高纬度地区,其土壤中储存了大量的有机碳.该地区正面临着比全球平均温度更高的暖化速率,气候变暖对该地区土壤有机碳的影响及其对气候变暖的反馈作用倍受关注.本文针对气候变暖对季节性和多年冻土草地生态系统碳循环关键过程(如植物生产、凋落物和根系分解、微生物群落结构等方面)的影响,以及土壤有机碳形成和稳定性机制等进行了扼要综述.在此基础上,提出了目前存在的问题,分析了未来在实验设计和新技术应用上的有关发展态势,以期进一步推动气候变暖背景下,我国寒区草地生态系统碳循环关键过程和土壤有机碳库稳定性机制的研究.

陆地生态系统碳循环对气候变暖的响应受到土壤有机碳动态的调控.以往的研究开发了多样化的增温方法(如室内培养实验、野外增温实验和温度梯度采样等)来探究土壤有机碳动态对气候变暖的响应及其机制.然而,由于不同增温方法都存在一定的局限性,目前有关增温对土壤有机碳动态影响的研究无法形成一致结论.从过程上看,土壤有机碳动态主要包括碳输入与碳分解两个过程,并受到碳稳定性的调控,这三者的变化共同决定了土壤有机碳动态对增温的响应.先前的研究表明,碳输入和碳分解对增温存在积极响应,这与植物和土壤微生物活性的增强有关.但也有研究指出,由增温导致的土壤理化性质改变(如土壤水分含量降低)以及生物过程变化(如土壤微生物热适应),可能会影响碳输入和碳分解对增温的响应.需要注意的是,表层(0-30 cm)与深层(＞30 cm)土壤有机碳动态对增温的响应机制可能存在差异,这是因为深层土壤有机碳的输入和分解过程受环境因子的限制,且稳定性与表层土壤存在较大差异.未来的研究应致力于开发新的增温方法,增加对深层土壤有机碳动态和气候敏感的生态系统的研究,引入新技术研究土壤有机质的来源、结构、保护机制等,关注植物-土壤动物-土壤微生物体系对增温的响应及其对土壤有机碳动态的调控作用,以改善碳循环模型中的不确定性,更准确地预测全球碳循环对气候变暖的反馈.

植物-土壤反馈实验是研究植物与土壤生物群落互作的一种重要手段.植物-土壤反馈是指植物生长改变了土壤物理结构、化学性质和生物群落组成,这种改变反过来影响植物个体生长、种群消长和群落动态的过程.植物-土壤反馈研究可为生物多样性的维持、农业的可持续发展、退化生态系统的恢复等提供重要的理论依据.该文首先介绍了植物-土壤反馈的概念和研究方法.其次,综述了植物-土壤反馈的研究进展,即植物-土壤反馈在植物物种多样性的维持、植物群落演替、植物入侵与物种迁移、陆地生态系统对气候变化的响应、植物地上-地下多营养级生物互作、退化生态系统恢复、不同农业种植制度下的作物表现等方面具有的重要意义.最后,基于上述研究进展,提出了该领域的未来发展趋势,包括:(1)研究对象:从单一物种扩展到群落水平;(2)研究地点:从温室转移到自然生态系统;(3)实际应用:从理论研究到生态实践.

针对世界性的草原普遍退化,以及人类利用的影响问题,该文阐述了生态系统恢复、生态演替中气候顶极、环境变化与草原状态转移、放牧利用与干扰顶极,以及人工辅助干预恢复,提出了退化草原生态系统恢复的路径与状态模式.该文特别强调:应该以生态系统为视角开展退化草原恢复,而非仅考虑植被或土壤等单一过程;同时注重干扰下的退化草原恢复,其恢复状态可能存在多个选择.退化草原恢复包括3种基本方式:1)依渐进式恢复的生态演替理论,在环境条件较好,退化程度处于中轻度的草原,借助系统自组织性,以"自然演替"能够达到顶极或近顶极状态;2)人工辅助干预恢复:对重度或极度退化草原,突破由于非生物(土壤物理、养分等)与生物(植物定植、物种相互作用等)因素带来的限制,使用工程、物理、化学及生物生态等方法,可以恢复到某种平衡或稳定状态,或者顶极状态;3)放牧干扰恢复:通过适度家畜放牧,调控生态系统基本结构(物种组成、多样性)、主要过程(生产力形成、养分循环、反馈作用),进而促进与维持较高的草原生态系统多功能性与稳定性,对于处于中轻度的退化草原可以选择这种恢复方式.总之,退化草原恢复的目标是实现其长期稳定的生态系统多功能性.

由化石燃料燃烧和土地利用变化引起的全球气候变暖是地球上最严重的人为干扰之一,对陆地生态系统结构和功能产生重要的影响.土壤有机碳(SOC)是陆地生态系统最大的碳库,其微小变化都会影响全球碳平衡和气候变化.近 30 年来,国内外学者在不同森林生态系统相继开展了野外模拟增温对SOC分解的影响及其调控机制研究.基于在全球建立的 26 个野外模拟气候变暖实验平台,系统分析增温对森林生态系统SOC分解的影响格局和潜在机制,发现增温通常促进森林SOC的分解,对气候变暖产生正反馈作用.然而,因增温方式和持续时间、土壤微生物群落结构和功能的多样性、SOC结构和组成的复杂性、植物-土壤-微生物之间相互作用以及森林类型等不同而存在差异,导致人们对森林SOC分解响应气候变暖的程度及时空格局变化缺乏统一的认识,且各类生物和非生物因子的相对贡献尚不清楚.基于已有研究,从土壤微生物群落结构和功能、有机碳组分以及植物-土壤-微生物互作 3 个方面构建了气候变暖影响SOC分解的概念框架,并进一步阐述了今后的重点研究方向,以期深入理解森林生态系统碳-气候反馈效应,为制定森林生态系统管理措施和实现"碳中和"提供科学依据.1)加强模拟增温对不同森林生态系统(特别是热带亚热带森林生态系统)SOC分解的长期观测研究,查明SOC分解的时空动态特征;2)加强土壤微生物功能群与SOC分解之间关系的研究,揭示SOC分解对增温响应的微生物学机制;3)形成统一的SOC组分研究方法,揭示不同碳组分对增温的响应特征和机制;4)加强森林生态系统植物-土壤-微生物间相互作用对模拟增温的响应及其对SOC分解调控的研究;5)加强模拟增温与其他全球变化因子(例如降水格局变化、土地利用变化、大气氮沉降)对SOC分解的交互作用,为更好评估未来全球变化背景下森林土壤碳动态及碳汇功能的维持提供理论基础.

森林植物物种与土壤微生物之间的相互作用决定森林生物多样性.尤其是土壤中的病原菌、菌根菌等微生物在森林物种多样性保护中起到重要作用.Janzen-Connell假说和植物-土壤反馈模型是利用植物与土壤微生物之间的相互作用关系解释森林物种多样性机制的重要模型.本文针对土壤真菌解释森林物种多样性机制进行了综合评述,介绍了病原菌和菌根菌各自在森林实生苗更新的作用机制,探讨病原菌及其菌根菌两者对森林物种多样性的相对重要性,森林实生苗与土壤微生物之间相互作用的变化规律,总结了近年来国际森林物种多样性机制的研究.提出了病原菌和菌根菌两者共同在生态系统中的作用,并探讨未来的研究方向.

丛枝菌根(AM)是植物与微生物联系中最为古老的共生体,全球范围内约80％的陆生植物与AM真菌共生形成丛枝菌根.这一共生关系在气候稳定和土壤磷贫瘠的热带、亚热带森林中更为普遍.以往的研究表明AM真菌通过提高植物对磷的吸收促进植物生长和定植,即产生植物-土壤正反馈.植物-土壤正反馈可降低由土壤病原菌引起的植物-土壤负反馈,进而降低植物-土壤负反馈维持植物多样性的能力,这与热带、亚热带森林中极高的植物多样性以及占比惊人的稀有种相悖.随着对热带、亚热带森林中AM真菌多样性研究的不断深入,越来越多的研究发现AM真菌多样性在不同的生境条件下以及不同的宿主植物间存在较大差异,这些差异可引起植物适合度的不同,进而影响植物群落构建.该文整合了AM真菌在宿主植物群落构建、宿主植物共存及稀有种维持等方面的研究进展,以期为验证"稀有种优势"假说提出新的研究思路,进而更有效地保护稀有植物.

全球变暖背景下长白山苔原带多种草本植物入侵,植被显著发生变化.本研究通过测试苔原植被不同变化阶段的土壤微生物、土壤酶活性和土壤肥力,分析苔原带植被变化带来的土壤中微生物群落结构、酶活性的变化,研究土壤中微生物群落结构、酶活性对土壤肥力的影响,以及土壤肥力的变化对苔原带植被变化的可能作用.研究表明:(1)苔原带植被从类型Ⅰ(稳定型,草本植物相对盖度＜5％)到类型Ⅴ(强烈变化型,草本植物相对盖度＞70％)的植被变化过程中,土壤微生物、土壤酶活性随之相应变化.其中,从类型Ⅰ到类型Ⅳ(变化型,草本植物相对盖度为30％～70％)的植被变化过程中,土壤微生物PLFAs及酶活性持续增加;但从类型Ⅳ到类型Ⅴ的植被变化过程中,土壤微生物PLFAs减少,酶活性降低;(2)苔原土微生物PLFAs(及酶活性)变化引起土壤肥力明显变化,土壤微生物PL-FAs(及酶活性)增加,土壤有机质分解加快,速效养分增加;(3)鉴于土壤肥力提高有利于草本植被入侵,推断土壤微生物及酶活性和植被变化之间存在一个由正反馈向负反馈的转化过程,土壤微生物和土壤酶活性变化是长白山苔原植被变化的重要影响因子.