根系分泌物是植物与土壤进行物质能量交换和信息传递的重要媒介,同时也是植物响应外界环境变化的主要形式,在土壤碳库动态中发挥着重要作用.伴随着全球气候变化而频繁发生的极端干旱事件对植物地上地下生长过程都产生了深刻的影响,然而,由于根-土界面交互作用的复杂性,以及根系分泌物收集手段与装置的不完善,人们对干旱条件下根系分泌物及其介导的根际激发效应的响应及机制的认知尚存在较大的局限性.基于此,该文结合国内外生态学领域的研究前沿动态,论述了干旱下植物根系分泌物数量及组分的动态变化,重点阐述了根系分泌物介导的根际激发效应及其机制,在此基础上展望了未来根系分泌物研究中的重点关注方向,以期为未来全球气候变化条件下土壤碳汇的评估提供科学依据.

提高林业碳汇效率是缓解气候变化、实现碳中和的重要路径.客观评价我国林业碳汇效率及其时空演化特征,有助于加快国土空间绿化进程.采用三阶段超效率SBM-DEA模型对中国30个省(市、区)2008-2021年林业碳汇效率进行测度,并运用GML指数、Moran's I指数和空间马尔科夫链等方法对林业碳汇效率的变化规律及时空演化特征进行分析.研究发现:(1)中国林业碳汇效率总体水平不高,不同地区间差异明显;四大林区林业碳汇效率呈现"西南林区＞东北林区＞南方林区＞北方林区"的空间分异格局;剔除外部环境和随机误差的影响后,低效率地区呈现出"追赶"高效率地区的趋势.(2)林业碳汇效率变化呈上升趋势,其中GML指数最高的地区为东北林区、最低的为北方林区;技术进步对林业碳汇效率提升的贡献较大,不同地区对综合效率的依赖程度不同.(3)林业碳汇效率具有空间非均衡性,高效率地区与低效率地区间呈现"包围状"分布,且该特征在时间上保持稳定;2015年后林业碳汇效率存在显著空间正相关性,空间分布存在聚集效应;考虑空间滞后项的空间马尔可夫链结果表明,邻域类型对林业碳汇效率状态转移影响显著,空间分布上具有较强的近邻效应,呈现"高高趋同,低低趋同,高带动低,低抑制高"的空间演化特征.研究对提升生态系统碳汇能力与建设人与自然和谐共生的现代化具有重要现实意义.

沙化问题是影响草原地区生产与牧民生活的重要环境问题.草原作为重要碳库和养分库,沙化过程可能会对其土壤碳、氮库产生重要影响.为探讨沙化过程对高寒草地土壤碳、氮储量的影响,采用空间序列代替时间演替的方法研究了藏北高原高寒草地沙化过程中驱动土壤碳、氮储量变化的因素.研究发现:(1)轻度、中度和重度沙化阶段土壤总碳、全氮储量无变化,而极重度沙化阶段碳氮流失严重(分别下降69％和55％,P＜0.05).(2)群落地上生物量随沙化程度加重逐渐降低,重度和极重度沙化草地根系生物量显著下降(分别下降47％和99％,P＜0.05).土壤容重、砾石含量随沙化程度加重呈逐渐增加趋势,而总碳、全氮含量和含水量逐渐下降,说明沙化过程导致土壤粗粒化和贫瘠化.(3)进一步分析发现,影响土壤总碳储量的因子中排前三位依次是土壤砾石含量、土壤含水量和植物地上生物量,影响土壤氮储量的因子依次是土壤砾石含量、含水量和土壤微生物丰度.综合这些研究结果,沙化过程植物群落生产力的改变对土壤碳、氮影响较小,主要受土壤砾石含量与含水量等因子驱动.沙化过程中土壤碳、氮储量存在转化阈值(重度到极重度沙化阶段),故潜在沙化高寒草地的早期防护有利于土壤碳汇的维持.

植被固碳能力是陆地生态系统碳汇的基础,可通过净生态系统生产力(NEP)这一重要指标来反映.估算植被固碳能力是生态学和地表生态系统研究领域的共同科学问题,揭示其变化特征及其因素影响对于区域生态系统具有重要意义.以京津风沙源治理区为研究区,估算了 2000-2020年京津风沙源治理区NEP,并利用趋势分析法和稳定性分析法等方法分析其时空变化特征,并利用地理探测器探究了影响NEP的自然因素与人类活动因素.结果显示:(1)2020年,京津风沙源治理区的NEP均值为110.09 gC m-2a-1,碳汇区面积约为3.591×105 km2,占总面积的78.80％;(2)2000-2020年,京津风沙源治理区多年平均NEP为77.54 gC m-2a-1,年际变化率为4.118 gCm-2a-1,总体上呈上升趋势,研究区以NEP明显增加区为主,占比55.16％,主要分布在研究区南部,NEP呈下降趋势地区仅占比0.15％,主要分布在北部干旱草原沙地治理区,呈斑块状分布;(3)不同生态系统NEP从高到低依次为林地、农田和草地,林地固碳作用较强,未来林地固碳潜力较大,草地面积占研究区的70％,其总固碳量远超其他类型且呈增加趋势;(4)影响京津风沙源治理区NEP的主导因素为年降水量,其次,生态工程的实施也是NEP变化的重要影响因素,不同因素对京津风沙源治理区NEP的影响表现为双因子增强或非线性增强.围绕京津风沙源植被固碳能力估算以及影响因素的空间分异性,研究也在一定程度上提出了空间恢复的建议,以期为京津风沙源加强植被固碳能力以及生态修复等决策提供科学依据.

潮滩是全球固碳能力最高的生态系统之一,是缓解全球变暖的有效蓝色碳汇.针对潮滩碳汇功能,现有研究多关注生物作用下的碳输入过程,关于地貌演变,特别是潮沟曲流摆动引起的沉积物碳输出过程研究较少,因此无法准确评估潮滩碳汇功能的动态变化.研究结合野外观测、遥感反演与室内实验,探究了潮沟曲流摆动对潮滩沉积物碳输出过程的影响,从曲流摆动速率与有机碳空间分布特征两方面开展分析.研究结果表明:潮沟曲流摆动速率的空间差异可达数个量级,由粉砂滩的10-3 m/s锐减至互花米草盐沼滩的10-6 m/s;粉砂淤泥滩潮沟摆动速率存在显著的季节性差异,冬季摆动速率约为夏季的两倍;潮滩土壤有机碳含量呈海向递减趋势:互花米草盐沼滩(4.62 g/kg)＞粉砂淤泥滩(2.61 g/kg)＞粉砂滩(1.51 g/kg);综合考虑曲流摆动速率与土壤有机碳含量,发现粉砂滩沉积物碳输出速率显著高于互花米草盐沼滩,可达49.4 g C m-2 a-1,与该区域的碳埋藏速率相当.研究证实了潮沟曲流摆动对潮滩沉积物碳输出过程的重要性,为提升潮滩碳汇功能预测水平提供了重要的理论依据与数据支撑.

森林生态系统强大的碳源/汇功能是实现"碳中和"和"碳达峰"战略目标最经济、有效的自然气候解决方案和固碳增汇手段.准确评估森林生态系统的碳汇能力,对于明确森林碳储量有重要意义.为明确亚热带-暖温带气候过渡带的常绿落叶阔叶混交林的碳通量特征及其驱动因素,2011-2020年利用涡度相关法开展了大别山常绿落叶阔叶混交林碳通量和环境要素的观测试验.结果表明:大别山常绿落叶阔叶混交林净生态系统CO2交换量、生态系统呼吸(Reco)、总初级生态生产力分别为-788.13 gC m-2 a-1、1074.14 gC m-2 a-1、1862.27 gC m-2 a-1,该森林生态系统整体表现为碳汇,其固碳能力与相近纬度的常绿落叶阔叶混交林基本持平,并高于针阔叶混交林、毛竹林等其他类型的森林生态系统.10年间,大别山常绿落叶阔叶混交林的固碳能力有所增强.影响大别山常绿落叶阔叶混交林碳通量的主要环境因子为温度与太阳辐射,气温(Ta)、净辐射(Rn)、光合有效辐射和总辐射与生态系统碳生产力和GPP呈显著正相关(P＜0.001),Reco与Ta和Rn呈显著正相关(P＜0.001).研究结果为气候变化响应敏感的南北气候过渡带森林生态系统的碳储量估算、碳循环过程模拟提供观测数据支持和科学依据.

城市扩张所导致的绿地减少、生态环境退化等问题,影响碳达峰、碳中和(简称"双碳")目标的实现."城市双修"通过对被破坏的城市自然生态系统的恢复与重建,有效发挥森林、草原、湿地和土壤的固碳作用,以及优化城市及社区更新方式,改变居民出行和生活方式,有助于城市碳汇能力提升和碳排放的降低.基于2005-2021年我国287个地级市的非平衡面板数据,运用交错双重差分模型评估"生态修复、城市修补"(简称"城市双修")政策的碳减排效应.研究发现:(1)"城市双修"政策使城市碳排放显著降低了 5.6％,但该效应有3年的滞后期;(2)机制分析揭示了城市绿地的增加是"城市双修"政策实现"双碳"目标的重要途径,绿地面积每增加1000hm2,城市碳排放降低1.5％;(3)异质性分析表明"城市双修"政策会扩大碳排放最高和最低城市之间的碳排放差距,城市的生态基础、财政基础以及政策执行力度会影响"城市双修"政策的碳减排效力,并对位于经济发达的东部地区的城市的碳减排助推作用更强.研究据此提出了充分总结推广试点经验、系统推进城市低碳转型、因地制宜开展"城市双修"工作等对策建议.

森林径级结构是树木生长、竞争、死亡等过程的综合反映,也是估算森林生物量、判断森林演替阶段与健康状态以及预测森林碳汇潜力的基础依据.林学领域早期对径级结构的研究以统计描述为主,多采用常见的概率分布函数来拟合样地尺度上径级结构的动态变化,缺乏对其形成机制的阐释.随着宏观生态学的发展,最大熵原理、中心极限定理等被用于解释大尺度上发现的相对一致的森林径级结构,但这类模型侧重概率统计,对具体生态学过程的分析仍然欠缺.2000年以来,在原始成熟森林中发现的径级结构的幂律特征催生了一系列理论研究,包括代谢尺度理论、林窗演替理论等.这些理论尝试从树木个体大小和资源利用之间的关系,以及树木对资源的竞争过程来演绎径级结构达到稳态时幂律特征的形成机制.种群统计平衡理论为稳态径级结构的分析提供了一般性框架,揭示了不同的树木生长速率和死亡率如何导致径级结构特征的变化;在此基础上,种群统计最优性假设为径级结构的分析提供了新的视角.数学层面上,转移矩阵、积分投影、偏微分方程等都是径级结构动力学分析的有力工具,但由于这类数学模型的时间动态解析求解较为困难,研究中通常预先假定森林处于理想的结构平衡状态.而在实际情况下,结构非平衡往往是森林的常态,也是森林碳库变化与碳汇潜力估算的基础.为了更好预测全球变化背景下的森林动态趋势,应明确环境因子对径级相关的树木生长速率、死亡率的影响,并发展径级结构动态特征的解析方法.

城市树木的固碳能力是决定城市绿地碳汇大小的重要因素.为探究上海常见树种单株固碳能力的差异及影响因子,使用174个城市森林固定样地的长期观测数据,估算了香樟、水杉、银杏和雪松四个树种的单株固碳能力(即年固碳量),采用多元线性回归模型分析了各树种单株固碳能力与个体大小、植株密度和城市环境因子(温度、降水量和夜间灯光强度)的关系.结果表明:(1)香樟、水杉、银杏和雪松的单株固碳能力分别介于4.01-51.58 kg/a、1.04-13.47 kg/a、0.62-18.56 kg/a和1.48-8.47 kg/a之间,在各径组中香樟的固碳能力均显著高于其他树种.(2)个体大小是决定单株固碳能力的最主要因子,个体越大(胸径0-50 cm范围内)单株固碳能力越大;植株密度越大,香樟和水杉的单株固碳能力越小,银杏的单株固碳能力越大.(3)城市环境因子中,温度对树木单株固碳能力有显著负向影响,而降水量和夜间灯光强度对树木单株固碳能力的影响因树种而异.其中香樟和水杉分别与降水量呈显著负相关和正相关关系,但均与夜间灯光强度呈显著正相关关系.在上海未来城市森林建设和管理中,应根据不同树种单株固碳能力的差异及其对不同环境因子的敏感性,适地适树绿化造林,提升城市森林的固碳效益.

草甸生态系统具有强大的碳汇功能,在全球碳循环过程中发挥着重要作用.区域尺度草甸生态系统碳通量的精准模拟,可以为揭示草地碳循环对全球变化的反馈机制提供理论依据.生态过程模型则是分析和预测区域碳平衡的重要途径.以甘南州高寒草甸生态系统为研究对象,利用参数优化后的Biome-BGC模型,模拟1979-2018年高寒草甸总初级生产力(Gross Primary Productivity,GPP)和净生态系统生产力(Net Ecosystem Productivity,NEP),以表征该区域碳收支的时空分布特征.以上述40年实测气象数据为基准,并结合第六次国际耦合模式比较计划(Coupled Model Intercomparison Project phase 6,CMIP6)中的3种共享社会经济路径(Shared Socio-economic Pathways,SSPs)情景,对甘南州2019-2100年高寒草甸碳收支进行情景模拟.结果表明:(1)参数优化后的Biome-BGC模型能较好的模拟甘南州高寒草甸GPP和NEP,且GPP模拟对比NEP的模拟效果更好;(2)甘南州高寒草甸在整个研究阶段表现为碳汇,过去40年GPP、NEP波动范围为600-1100 g C m-2 a-1、150-300 g C m-2 a-1,GPP显著上升,NEP呈波动性上升趋势.未来暖湿化情景下,高寒草甸碳收支年际波动较大,NEP呈先上升再下降趋势,2060年前后出现极小值,年均增幅约为2.02 g C m-2 a-1,气温、降水和大气CO2浓度升高共同影响该地碳收支格局;(3)季节尺度上表现为冬春季节为碳源、夏秋季节为碳汇,植被生长季固碳作用增强.年内GPP、NEP呈倒"U"型变化趋势,峰值均出现在7、8月,低温以及持续增温对碳汇具有抑制作用,生长季降水量与植被生产力呈正相关;(4)碳汇/碳源的空间分布随时间而变化,具有明显的地域差异性,总体上碳汇增长率由西南向东北递减.