植被吸收光合有效辐射(Absorbed Photosynthetically Active Radiation,APAR)是植被进行光合作用中实际吸收的太阳辐射量,是植被净第一性生产力的重要指标,也是生态系统的功能模型、作物生长模型、净初级生产力模型、气候模型等的重要参数.因此高空间分辨率和精确性的植被吸收光合有效辐射对于高精度的区域生产力及光能利用率的研究具有重要意义.对CASA(Carnegie-Ames-Stanford Approach)模型进行了改进,利用 30 m×30 m的数字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)数据直接计算太阳辐射,从而将其作为CASA模型的输入参数.结合多源遥感数据、气象数据,研究 2015-2020 年江汉平原APAR的时空分布及其影响因素.顾及江汉平原的土地利用分布特点,着重分析了江汉平原农田APAR的时空特性,研究结果较好的反映了江汉平原APAR分布.实验结果表明:(1)2015-2020 年APAR年总值在 3.42×1013 MJ—3.73×1013 MJ之间,总体空间分布与植被类型的分布情况相符;(2)农田月均APAR值在 4 月、7 月高于其他月份,表现出"双峰"的特征;(3)在空间分布上,水田APAR表现出明显的纬度地带性,而旱地APAR正好相反,这可能源于种植结构重心转移;(4)通过借助地理探测器,着重考虑与植被生长相关的 12 个因子(包括≧10≧积温、年总日照时数、年均气温、年总降雨量、农田种植结构、年散射辐射、农田施肥、土壤类型、土壤质地(砂土、粉砂土、黏土))进行分析,结果表明这 12 个因素对APAR空间变异性都具有很明显的影响.对CASA的改进方法可以适用于大范围高空间精度的计算.

甜槠是中国亚热带常绿阔叶林主要特征种和优势种,具有重要的生态学价值,其果可食用,主木可供材用,因此掌握其群落生态学特征具有重要意义.针对罗霄山脉 5 个典型的甜槠群落—连云山、井冈山、桃源洞、八面山、五指峰进行了群落生态学研究与分析,结果表明:(1)5 个甜槠群落分别有维管植物 34 科 49 属 56 种、39 科 62 属 102种、59 科 96 属 154 种、54 科 86 属 143 种、38 科 62 属 98 种,甜槠为各群落的优势种,其重要值在各群落中均最高.(2)甜槠群落的地理成分组成同时受到纬度和海拔的影响,井冈山、桃源洞、八面山、五指峰甜槠群落具有较强的亚热带性质,连云山群落种子植物属的热带性成分因纬度与海拔的增加而减少,呈中亚热带向温带过渡性质.(3)群落相似性分析表明井冈山、桃源洞、八面山、五指峰群落间相似性系数在 0.5 左右,处于较高纬度、高海拔的连云山群落与其它群落相似性系数均小于 0.4.(4)群落多样性指数表明井冈山、桃源洞、八面山、五指峰群落具有较高的物种多样性,且分布均匀,随着纬度增加,连云山群落物种多样性、均匀度降低.(5)群落径级结构分析表明连云山、桃源洞、五指峰群落甜槠种群呈衰退趋势,井冈山和八面山群落为稳定型.

局域取样单元对beta多样性的贡献可用于测度每个局域群落物种组成的生态特异性(ecological uniqueness).温带荒漠生态系统广泛分布于全球干旱和极端干旱区域,极易受到气候变化和人类活动的影响.然而目前温带荒漠植物群落生态特异性大尺度地理分布格局及其形成机制的系统研究还很缺乏,制约着我们对荒漠植物群落多样性维持机制的认知.本文在温带灌木、矮半乔木及草原化灌木荒漠等6个中国温带荒漠区的主要地带性植被类型中设置了948个样方,通过开展系统的野外调查采样和室内分析,以及量化每个取样单元对beta多样性的贡献,并结合土壤和气候变量等环境数据,探讨了中国荒漠植物群落生态特异性大尺度地理分布格局及其影响因素.结果表明:(1)温带荒漠植物群落生态特异性存在显著的经度、纬度和海拔分布格局,随着经度增加显著降低,但随着纬度或海拔的升高呈现出先下降后增加的变化趋势;(2)土壤、气候、群落特征(植物物种丰富度和群落盖度)对植物群落生态特异性都有着显著的单独影响,植物群落生态特异性随着物种丰富度增加呈先下降后上升的变化趋势;经度、土壤、气候和植物群落特征共同解释了温带荒漠植物群落生态特异性33.5％的空间变异,其中气候因子有着更强的单独解释率.上述结果说明环境过滤和中性过程以及其他未知过程共同调控了温带荒漠植物群落的生态特异性大尺度分布格局的形成,且气候和土壤因素的过滤作用有着重要影响.

为了探明我国东北阔叶红松(Pinus koraienis)林地表葬甲多样性及其空间变异特征,在胜山、丰林、凉水和长白山的4个大型森林动态监测样地内,通过布置900个陷阱调查了 36 hm2范围内的地表葬甲群落基本特征.基于群落物种数量、个体数量和总体长,分析了地表葬甲多样性及其空间变异性.结果表明:(1)东北阔叶红松林区域物种库包含12个葬甲物种,密度为0.018只/m2,总平均体长达0.32 mm/m2.北方花葬甲(Nicrophorus tenuipes)是东北阔叶红松林内的广布物种,黑葬甲(Nicrophorus concolor)等五个物种具有明显的生境偏好,仅存在于单个局域物种库内.(2)物种数量、个体数量和总体长在胜山、丰林、凉水和长白山样地存在明显差异,其中纬度较低的局域物种库(凉水、长白山)可维持更高的物种多样性,纬度最高的局域物种库(胜山)维持较低的物种多样性.(3)地表葬甲群落在胜山和丰林样地存在显著的空间自相关性,在凉水和长白山样地则不显著.(4)葬甲群落具有较明显的空间异质性,长白山样地的空间变异性与其他样地差异较大,这些空间变异性主要受确定性和/或非确定性过程调控,但二者的作用强度在4个样地表现不同.本研究表明东北阔叶红松林内,地表葬甲的多样性和空间变异性在不同纬度存在差异,该研究为地带性顶极植被—阔叶红松林内土壤动物多样性维持和保护提供了理论依据和数据支撑.

高纬度地带,在冬季食物资源有限的环境中,野生大型有蹄类动物满足营养需求的同时,需要对植物中次生代谢产物进行平衡,回避有害物质并选择对机体有益的成分,从而形成特定的食物组成模式.以东北马鹿(Cervus elaphus xanthopygus)为研究对象,于2020年11月,在黑龙江穆棱东北红豆杉国家级自然保护区境内,采集东北马鹿粪便和植物样本.通过粪便显微分析法确定保护区内马鹿冬季食物组成,采用k-means聚类分析揭示马鹿冬季食物组成模式.应用广泛靶向代谢组技术对部分植物中次生代谢产物的含量进行全覆盖定性和相对定量检测,将食物组成与次生代谢产物数据整合,进行曼特尔检验(Mantel test)分析,以探究植物次生代谢产物对马鹿种群内食物组成模式的影响.结果表明,林区内马鹿种群冬季共采食30种植物,其中木本植物占92.48％;且种群内分别呈现出以东北红豆杉(Taxus cuspidata),簇毛械(Acer barbinerve),毛榛子(Corylus mandshurica)为主要食物的不同食物组成模式.广泛靶向代谢组技术共检测出638种次生代谢产物,有25种代谢物与马鹿采食频率显著相关,其中多数菇类物质抑制马鹿采食,而鞣质类物质对马鹿的采食选择有一定的正向作用;Mantel test结果显示,上述25种物质中黄酮、鞣质、菇类化合物相对含量与不同马鹿个体食物组成显著相关,说明这些代谢物相对含量和性质的差异会造成种群内不同个体食物组成的差异,是种群内形成不同食物组成模式的原因之一.从植物次生代谢产物角度揭示了该地区东北马鹿种群冬季食物组成模式呈现差异的可能因素,为进一步研究大型有蹄类营养策略和植物化学防御关系提供基础依据.

“分异问题”(divergence problem)最早出现于20世纪90年代.树木年轮学者在阿拉斯加的高山林线研究中,发现树木径向生长对温度敏感性降低,随后在诸多北半球中高纬度地带均有类似报道.这一发现动摇了树轮年代学建立的基本前提假设——“均一性原理”,并对基于年轮指数构建数据的科学性提出了挑战.目前,国内外关于“分异问题”形成的原因和机制还存在诸多争论.本文梳理了文献报道的“分异问题”发生的地点、涉及的树种及驱动因子,同时也分析了研究方法等可能引起的误判,以期阐明“分异问题”形成的气候机制.结果表明,“分异问题”主要涉及生长在中高纬度、高海拔地区、对水分和温度要求严格的树种,主要原因是由于气候暖干化加剧土壤水分亏缺(超出水分阈值)或温度升高致使树木生理机能发生改变(超过了正常生长或休眠的温度阈值),导致了树木的气候敏感性降低或者生长衰退.尽管目前关于“分异问题”形成机制的假说还包括:大气CO2浓度变化、人类活动的影响等,但“分异问题”形成的最可能解释是“阈值假说”.

研究濒危物种生境在气候变化下的响应对保护物种多样性和保持生态系统功能完整性具有重要意义.本文选取我国特有濒危植物翅果油树为研究对象,以该物种73个野外调查数据和35个环境因子为基础,应用最大熵模型对山西翅果油树当前的适生分布区进行预测;进而结合政府间气候变化专门委员会第五次评估报告发布的气候模式数据,探讨未来不同气候情景下山西翅果油树分布格局的变化趋势.结果表明:受试者工作特征曲线分析法的AUC值为0.987,表明模型的模拟精度很好且预测可靠性高;刀切法检验结果显示,降水量季节变化、温度年变化范围、年均温、等温线、表层土pH值和年降水量是影响翅果油树分布的主要环境因子,其累积贡献率达到了94.8％;当前,山西翅果油树的适生区主要集中在山西省吕梁山南部和中条山地带;未来不同气候情景下,到21世纪70年代翅果油树适生区面积均有不同幅度的缩减,低浓度情景(RCP 2.6)下呈先增后减趋势,中高浓度情景(RCP 4.5和RCP8.5)下响应较敏感且呈先减后增趋势.两个不同适生区的空间分布格局对气候变化也有不同的响应,吕梁山南部表现出纬度方向的轻微波动,而中条山地带则是海拔方向的迁移.

性状(Trait)或功能性状(Functional trait)是植物、动物和微生物等对外界环境长期适应和进化后所呈现出来的可量度的特征,也是人们认识自然、利用或改造自然的重要途径和技术手段.近几十年来,科学家对植物、动物和微生物功能性状的研究取得了令人瞩目的成就,尤其在物种水平的植物叶片和根性状的研究领域;然而,自然生态系统是复杂的,植物、动物和微生物自身的多种性状间及其不同生物间性状的相互作用是广泛存在的,因此需要跨学科、系统性、集成式地调查和研究.以中国东部南北样带(NSTEC)森林生态系统为对象开展了植物、微生物和土壤性状的综合测定;基于其核心的研究结论并适当整合NSTEC前期的相关研究成果,希望能给性状研究提供新的调查模式和分析思路.沿NSTEC从热带雨林到寒温带针叶林3700km样带选取了9个地带性森林生态系统,在群落结构调查基础上对群落内所有植物种类(总计1177物种)开展了系统性的性状测定(叶-枝-千-根多元素含量,叶片形态性状-气孔性状-解剖性状-叶绿素含量-多元素含量-非结构性碳水化合物、细根形态性状-解剖性状-多元素含量等),测定了土壤微生物群落结构、酶活性、土壤有机质结构与组成、土壤碳氮周转及其温度敏感性等参数.基于上述数据,不仅按传统途径系统性地探讨了植物、微生物和土壤多种性状的纬度变异规律与影响因素;还从不同角度探讨了“如何科学地将器官水平测定性状推导至天然森林群落水平”科学难题,并从多个性状角度建立了自然森林生态系统中性状与功能的定量关系.在此基础上提出“性状网络”和“生态系统性状”概念,以其更好地用于揭示自然界复杂的森林生态系统,为验证和发展生态学理论、探讨多种性状间协同(权衡)的生态系统生产力优化机制提供重要的数据支撑.希望通过解决性状尺度拓展的技术难题,未来将传统性状研究拓展至群落或生态系统水平,并与高速发展的宏观观测手段(遥感观测、通量观测、模型模拟)有机结合,使性状研究更好地服务于区域乃至全球性的生态环境问题.

以前多个关于中国热带北界的建议由于依据的指标和学科不同,存在很大的差异.我们基于202个中国地理区的植物区系和气象资料,对中国种子植物属的地理成分分布格局及其与气候、经纬度分布的关系进行研究,同时依据覆盖中国北纬30°以南地区的135个地方植物区系资料,对种子植物属的地理成分分布格局进行了研究.结果显示,在中国植物区系中,依据种子植物区系科和属的地理成分(即分布区类型),发现热带分布属中80％以上的区域基本上在中国南部和东南部北纬22°30′以南.在这条界线以南地区,位于基带(低海拔或水平地带性区域)的原始植被为热带森林(热带雨林、季雨林),并且具有在中国分布的典型热带植物科,但在中国西南部,热带森林沿云南西部可达到北纬24°30′,在西藏南部的深切河谷可达到北纬29°.这条界线与中国的热带雨林、季雨林区划的北界相符合,亦与植物区系分区上的泛北极植物区系与古热带植物区系的地理分界线相吻合.结合中国植被和植物区系区划,我们建议将北纬22°30′作为中国南部和东南部的生物地理热带北界.这条热带北界比气候上的热带北界(21°30′N,年积温8000℃以上)更北,这暗示中国热带地区在历史上可能曾达到更北的范围,支持在古生态学研究上提出的全新世中期中国东部地区热带和亚热带常绿阔叶林曾北移的结论.

气候变化对生物多样性的影响及其适应性直接关系着生物多样性保护的成效,预测未来气候变化条件下受威胁物种适宜生境的空间变化趋势对生物多样性保护具有重要的理论和实践意义.本文选取我国特有濒危植物翅果油树为研究对象,在区域尺度上预测气候变化条件下的物种适宜分布区,进而通过空间分析模拟不同气候变化情景下其适宜分布区的空间变化和迁移趋势.最大熵(Maxent)物种分布模型预测结果显示:翅果油树的两个适宜分布区在未来气候变化情景下呈现不同的迁移趋势,吕梁山适生区呈现出纬度方向上的轻微波动,而中条山适生区则呈现出向高海拔地区迁移的趋势.适生区空间格局变化分析表明,翅果油树当前适生区的边界存在明显变化区域,包括新增适生区(零星分布在两个适生区的边缘地带,新增率为9.1％～20.9％)和丧失适生区(集中分布在吕梁山适生区北缘和中条山适生区东南部,丧失率为16.4％～31.2％),且两者对气候变化的响应较为敏感.利用分类统计工具Zonal计算得出,在未来气候变化条件下吕梁山适生区的中心点呈现向南迁移的趋势,最大迁移距离为7.451 km;中条山适生区的中心点则呈现出向西北迁移的趋势,最大迁移距离为8.284 km.表明山西翅果油树的分布对气候变化的响应较为剧烈.