稀土污染已成为南方离子型稀土矿区的关键环境问题.为揭示不同刈割强度处理下芒萁的超补偿生长效应以及芒萁的耐刈性,以南方离子型稀土矿区长汀为研究区,将芒萁(Dicranopteris pedata)按面积比例分100％、75％、50％、25％、不刈割共5个强度进行刈割,测定芒萁的生物量、逆境生理指标和稀土元素含量.结果显示,芒萁均发生超补偿生长;样方内刈割后的新生芒萁和残留芒萁的酶促保护系统和渗透调节物质都发生改变,其中脯氨酸含量与芒萁生物量密切相关,超氧化物歧化酶在芒萁逆境生理指标中起主导作用,100％刈割下可溶性糖含量最低;稀土元素参与了芒萁的逆境生理活动.综上所述,刈割可以诱导芒萁超补偿生长,同时也对芒萁造成了胁迫,100％刈割达到胁迫阈值不利于芒萁的养分积累,样方内残留未刈割芒萁也对刈割产生响应,稀土元素可以诱导芒萁耐刈性提高.

深圳双扇蕨(Dipteris shenzhenensis)是仅在深圳分布的极度濒危(CR)植物.对该种占优势群落进行植物群落学研究分析,结果表明:深圳双扇蕨群落共有维管植物49科73属85种,优势种有深圳双扇蕨大头茶(Gordonia axillaris)、谷木叶冬青(Ilex memecylifolia)、竹叶青冈(Cyclobalanopsis neglecta)、吊钟花(Enkianthus quinqueflorus)、豺皮樟(Litsea rotundifolia var.oblongifolia)、芒萁(Dicranopteris pedata);植株个体随着树木高度增加而减少,呈现"倒J"型分布,是亚热带地区明显特点;各生活型物种多样性及均匀度指数呈现"中间高两头低"的态势;对相同地区不同群落物种多样性指数进行T检验,证明不同群落之间多样性水平无显著差异,同属生态演替的稳定阶段;生态位分析揭示了深圳双扇蕨在群落中的生存状态,说明该种并非广布种,对环境要求苛刻且对资源竞争力差,在群落演替中存在灭绝风险;种间联结分析揭示了该物种与其他优势草本的种间关系,找到了可能的互补与竞争植物.

海岛人工林建设有利于减弱和消除海岛生态脆弱性,但目前单一的人工林群落结构存在较多的缺点,选用的植被也存在不适应海岛环境的问题.通过样方法对宁德三都澳6个海岛的马尾松(Pinus massoniana)半自然林的植被类型、物种组成、植物功能性状、物种多样性进行分析,并利用冗余分析法分析物种多样性与环境因子的相关性,旨在了解其演替状况,群落结构特征和物种组成,及其物种多样性与环境因子的相关关系,丰富当地植被基础资料,同时为海岛人工林建设、植被修复选择及当地马尾松林的合理经营和管理提供理论基础.结果表明:(1)40个样方共记录维管束植物86科168属255种(含5变种),在生活型谱上,以乔木(37.25％)和灌木(30.20％)植物种类最多,高位芽植物(83.92％)占比显著,对光耐受性以中性植物(69.02％)为主.(2)通过组平均聚类法将研究区植被划分为5类群系33类群丛,分属于常绿针阔混交林和常绿针叶林2种植被型.(3)常绿针阔混交林的多样性指数显著(P＜0.05)高于常绿针叶林,但受林分郁闭度的影响,马尾松+杨桐(Adiniandra millettii)林灌木层多样性指数明显偏低.(4)灌木层是马尾松林中的绝对优势层片,多样性指数(除Pielou指数外)均显著(P＜0.05)高于乔木层和草本层.草本层受芒萁化感作用的影响,多样性指数明显偏低.(5)冗余分析法(RDA)分析结果表明,土壤pH和速效钾显著(P＜0.05)影响群落的物种多样性指数,两者对物种多样性的总解释量为27.6％.(6)灌木层鹅掌柴重要值与群落郁闭度之间存在显著(P＜0.05)的二次函数关系.

以飞播马尾松(Pinus massoniana)林为研究对象,采用冗余分析(RDA)和方差分解法分析林下植被物种组成及其多样性与环境因子的关系.结果表明:林下植物共54种,隶属29科36属,灌木、草本层物种重要值分别以算盘子(Glochidion puberum)和铁芒萁(Dicranopteris linearis)最高;前向选择及蒙特卡洛(Monte Carlo)检验表明,平均胸径、海拔、郁闭度对灌木层物种组成影响显著(P＜0.05),土层厚度对草本层物种组成影响极显著(P＜0.01);Monte Carlo检验预选出的9个因子共解释了物种多样性变异的70.9％,其中平均胸径、郁闭度、土层厚度、速效氮和坡位是影响林下植被物种多样性的主要环境因子;生物因子、非生物因子对物种多样性的单独解释率分别为34.8％和7.5％,两者交互作用解释率为20.5％,表明生物因子及其与非生物因子的共同作用是影响林下植被物种多样性的主要因素.

维管植物从蕨类植物、裸子植物到被子植物的演化过程中,生理结构和功能都被认为更趋向于适应干旱的环境.但是关于3类植物是否提升了水分传导和水分利用效率的研究目前多基于叶脉和气孔的形态结构推断,而对水分传导速率的直接测量则集中于被子植物内部.因此,同时测定3类植物叶片和枝条尺度的水力性状,可以研究维管植物水力性状的演化趋势和协同演化关系.该研究测定了中国科学院华南植物园内的蕨类植物(芒萁(Dicranopteris pedata)、华南毛蕨(Cyclosorus parasiticus)、乌毛蕨(Blechnum orientale)),裸子植物(罗汉松(Podocarpus macrophyllus)、竹柏(Podoearpus nagi)、落羽杉(Taxodium distichum))和被子植物(海南木莲(Manglietia fordiana var.hainanensis)、东京油楠(Sindora tonkinensis)、羊蹄甲(Bauhinia purpurea))共9种植物的水力结构与功能的相关性状.发现9种植物从原始到更演化物种的枝条比导水率(KS)、叶片比导水率(KL)和叶片水力导度(Keaf)依次升高;叶片蒸腾速率(E)和潜在水分利用效率(WUEi)升高趋势不显著;气孔面积指数(SPI)和木材密度(WD)在3个类群间无明显变化趋势.水力功能性状在枝条(KS)和叶片(KL、Kleaf和E)尺度显著相关,但和两个结构性状并无显著相关性.对显著相关的性状进行系统发育独立差分析发现相关性依然存在,表明枝条导水和叶片导水、叶片失水的协同性独立于系统发育而存在.该文以9种维管植物为例,发现演化过程中水分传导相关的功能性状有显著提升,且导水和失水的性状存在着协同演化关系.上述维管植物水力性状演化趋势的结论需要对更多物种、更精细的水力结构性状的进行测定验证.

林下植被是生态系统的重要组分.通过对比分析红壤侵蚀区植被恢复过程中,林下有无芒萁覆盖地的土壤可溶性有机碳(DOG,Dissolved Organic Carbon)含量及其与地下根系生物量、地上植被淋溶液DOC含量的关系.结果表明:林下植被芒萁覆盖增加了地上叶片和地下根系生物量,土壤DOC含量及储量也显著增加(P＜0.05),芒萁覆盖对表层土壤(0-20cm) DOC的影响大于深层土壤(20-100cm)(P＜0.05);相关分析结果表明,林下芒萁覆盖地土壤DOC储量与细根生物量的垂直变化呈显著的正相关关系(P＜0.05),且随植被恢复年限的增加相关性显著增加,地下根系的垂直分布直接影响各土层DOC储量.不同植被恢复时期,林下芒萁覆盖地土壤DOC与鲜叶(马尾松+芒萁)和枯落物(马尾松+芒萁)淋溶液DOC均呈显著的正相关关系(P＜0.01),而林下裸露地土壤DOC仅与鲜叶(马尾松)淋溶液DOC呈显著的相关性(P＜0.01),林下芒萁覆盖地相对于裸露地枯落物淋溶液对土壤DOC储量的影响大于鲜叶.植被恢复过程中芒萁覆盖地土壤微生物生物量碳和微生物熵显著高于林下裸露地.因此,在植被恢复进程中,芒萁能够提供更多底物参与土壤物质与养分循环,对土壤DOC的贡献较大,为侵蚀区马尾松林恢复提供了重要的养分再吸收来源;同时芒萁覆盖增加了微生物活性,促进了微生物对土壤DOC的同化作用,提高了微生物碳源的利用率,对土壤有机碳的积累起着重要的作用.

以飞播马尾松林为研究对象,通过典型样地调查和样品测定,采用配对样本t检验和冗余分析(RDA)方法分析芒萁类和禾草类两种林下植被类型土壤碳、氮特征及其与凋落物质量之间的关系.结果表明:(1)土壤有机碳、微生物量碳、可溶性有机碳、全氮、速效氮、微生物量氮和可溶性有机氮含量在0-10、10-20 cm土层均表现为禾草类显著高于芒萁类(P＜0.05),而在20-40、40-80 cm土层两种植被类型碳氮指标的大小未表现出相同的变化规律,且差异不显著(P＞0.05).(2)两种植被类型凋落物半分解和未分解层的C含量及C/N值均表现为芒萁类显著高于禾草类(P＜0.05),而N含量则表现为禾草类显著高于芒萁类(P＜0.05);同一植被类型的未分解层C含量及C/N值均显著大于半分解层,N含量则半分解层显著大于未分解层(P＜0.05).(3)0-10 cm土层两种类型凋落物C/N值和C含量均与土壤碳氮各指标呈显著负相关(P＜0.05),N含量与土壤碳氮各指标的相关性不显著(P＞0.05);10-20 cm土层,芒萁类的半分解层C/N值与土壤碳氮各指标存在显著相关性(P＜0.05),禾草类的凋落物C含量与土壤碳氮各指标也存在显著相关性(P＜0.01).林下植被凋落物C/N值越小,其分解速率越快,有利于土壤养分的积累,禾草类凋落物C/N值低于芒萁类是导致其土壤碳氮指标高于芒萁类的重要原因.

该研究以福建省长汀县来油坑野外实验区为研究区,分析了微地形如何影响芒萁生长特征和土壤养分.结果表明:(1)芒萁斑块中的微地形面积比例顺序为脊部＜上坡＜中坡＜下坡＜沟谷,其中脊部面积比例为9.38%,上坡、中坡和下坡分别为18.55%、19.63%和22.71%,沟谷为28.43%.(2)所有芒萁生长特征包括高度、密度、地上生物量、地下生物量和总生物量与部分土壤肥力因子包括有机质、全氮(TN)、碱解氮(AN) 、速效钾(AK)和pH值在三种微地形(脊部、沟坡和沟谷)分别存在显著差异,并按自沟谷经沟坡到脊部的顺序分别趋于下降,而pH值反之.所有芒萁生长特征与部分土壤肥力因子(有机质、全氮、碱解氮、速效钾和pH值)分别呈显著正相关,基本上与部分土壤肥力因子(全磷、速效磷、全钾和＜ 2 μm 黏粒质量分数)分别无显著相关.(3)沟谷的地表温度和地下5 cm温度比脊部分别低3.51℃和1.65℃,而沟谷的地下5 cm湿度比脊部高约40%.(4)微地形对芒萁生长特征和土壤养分具有重要影响.在南方红壤丘陵区,应创建微地形尤其是沟谷以诱发芒萁群落演替,进而加速生态恢复进程.

氮素是限制陆地生态系统生产力的重要因子.采用时空代换法,以红壤侵蚀区未治理、恢复12年和30年的马尾松林为研究对象,对比分析了林下芒萁覆盖地与裸地表层土壤之间氮同位素、不同形态氮组分含量以及不同组分氮含量所占比例之间的差异.结果表明:在所有马尾松林中,芒萁覆盖增加了表层土壤的全氮含量,δ15N值则比林下裸地显著降低了33.8％-83.1％ (P＜0.05).随着恢复年限增加,林下芒萁覆盖地表层土壤δ15N值显著下降,而林下裸露地δ15N值没有显著变化(P＞0.05).不同恢复年限马尾松林的芒萁覆盖地表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量显著高于林下裸地(P＜0.05),而硝态氮含量则显著低于林下裸地(P＜0.05).随恢复年限增加,表层土壤微生物生物量氮、可溶性有机氮、铵态氮含量均呈增加趋势,而硝态氮含量则呈下降趋势,不同形态氮占全氮比例表现为:微生物生物量氮＞铵态氮＞可溶性有机氮＞硝态氮.相关分析表明土壤δ15N值与硝态氮极显著正相关,与其他氮组分极显著负相关(P＜0.01).由此可见,与林下裸地相比,芒萁覆盖在植被恢复过程中有助于提高表层土壤中全氮、微生物生物量氮、可溶性有机氮和铵态氮含量,降低硝态氮的淋溶损失风险,促进土壤氮保持和积累,从而有利于退化红壤生态系统的恢复.

土壤微生物是反映土壤质量状况的重要指标,研究侵蚀地植被恢复后土壤微生物群落结构的变化对深入认识土壤质量的演变具有重要意义.对比分析了未治理地(Y0)、治理13年(Y13)和31年(Y31)的马尾松林(Pinus massoniana)林下芒萁(Dicranopteris dichotoma)覆盖地(NRd)、去除芒萁覆盖地(Rd)与林下裸地(CK)土壤微生物生物量和群落结构差异,结果表明:林下裸地土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)和总微生物磷脂脂肪酸量(总PLFAs)的含量均显著低于芒萁覆盖地,且去除芒萁4个月后,MBC和总PLFAs均有降低趋势,表明芒萁覆盖对土壤微生物生物量具有重要影响;林下芒萁覆盖地土壤革兰氏阳性菌(GP)、革兰氏阴性菌(GN)、丛植菌根真菌(VAM)、真菌(Fungi)、放线菌(ACT)的PLFAs含量显著高于林下裸地(Y13例外),去除芒萁4个月后,各值均有有接近林下裸地的趋势;芒萁覆盖地真菌/细菌的比值(F/B)均显著高于林下裸地(P＜0.05),芒萁覆盖地革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌的比值(GP/GN)、饱和直链脂肪酸/单不饱和脂肪酸的比值(sat/mono)和(cy17∶0+cy19∶0ω8c)/(16∶1ω7c+18∶1ω7c) (cy/pre)显著小于林下裸地(P＜0.05),去除芒萁4个月后,芒萁覆盖地土壤cy/pre显著升高(P＜0.05)(Y13例外),意味着芒萁覆盖地土壤生态系统更稳定,土壤的养分可利用性更高,微生物生物量和群落结构更丰富,活性更强;皮尔逊相关分析和冗余分析发现,土壤理化性质与土壤微生物生物量和群落结构关系密切,土壤C/N、pH和氮素水平是调控芒萁覆盖下土壤微生物生物量和群落结构的主要生态因子.