荒漠短命植物具有异时萌发现象,除在春天萌发外,秋天偶尔也会萌发,但在夏季萌发的植株十分罕见.降水格局的改变使得短命植物夏萌植株出现的概率增加,然而,夏萌植株的生活史策略仍不清楚.选择古尔班通古特沙漠南缘沙垄4个不同坡位、坡向(西坡底部、西坡中部、东坡中部、东坡底部),以短命植物层片中的优势物种尖喙牻牛儿苗夏萌植株为研究对象,解析尖喙牻牛儿苗夏萌植株在不同生长时期关键性状和生物量分配的动态变化,并探讨沙垄不同坡位、坡向的协同效应.结果表明:(1)尖喙牻牛儿苗夏萌植株跨过冬季后在早春完成生活史,生活周期为281.95±3.55 d.(2)在不同生长时期尖喙牻牛儿苗夏萌植株根冠比存在差异,在越冬前根冠比呈现出显著增加趋势(P＜0.05),而越冬后呈现显著递减的趋势(P＜0.05).(3)沙垄不同坡位、坡向尖喙牻牛儿苗夏萌植株关键性状存在显著差异,表现为西坡的株高、叶片数量和单株生物量均显著大于东坡,但不同坡位、坡向间根冠比无显著差异.探究沙垄不同坡位、坡向尖喙牻牛儿苗夏萌植株生活史策略对评估气候变化背景下的荒漠生态系统植被动态具有重要意义.

探究不同降水情景下荒漠植物茎干解剖学结构的适应性调节,可以更好地理解未来降水格局变化下荒漠植物水和碳运输间的协调机制.该研究以毛乌素沙地黑沙蒿(Artemisia ordosica)种群为对象,通过野外人工控制降水的方法,模拟半干旱气候区降水变化趋势,设置3个降水量水平(减水30％、自然降水、增水30％)以及2个降水间隔水平(降水间隔5 d、降水间隔15 d)开展双因素完全随机实验,测定了黑沙蒿茎木质部与韧皮部解剖结构在不同降水情境下的轴向与径向变异.结果表明:1)在降水改变的情况下,黑沙蒿并未产生更抗栓塞的轴向木质部结构及传导效率更高的轴向韧皮部结构来适应环境;2)降水变化通过改变40-60 cm土层含水率对黑沙蒿的木质部、韧皮部径向解剖性状产生影响.在低水分生境下,黑沙蒿减小导管直径和增大导管壁厚度以保证水分运输的安全性,并且通过增大韧皮部筛管面积来维持韧皮部导度保证碳的有效运输,以此保证黑沙蒿进行正常的生理活动;3)黑沙蒿木质部导管和韧皮部筛管具有等标度的轴向缩放规律,二者协同关联共同维持水力功能,且这种相关关系不受降水变化的影响.该研究表明,黑沙蒿通过改变径向茎干结构而不是轴向结构来适应降水的改变.

树木径向生长是森林固碳的主要方式,明确树木生长动态及其与环境要素的响应关系对于预测气候变化背景下森林固碳能力具有重要意义.针叶树生长对气候变化非常敏感,其生长动态能够快速响应气候变化.本文收集了 1975-2023年的99篇文献,评述了外源因素(温度、水分和光周期)和内在因素(树龄、树种)对针叶树形成层活动和径向生长的影响及其机制.结果表明:气候变暖可能会导致温带和北方针叶树木质部分化的各阶段开始时间提前,生长停止时间推迟;水分条件参与调控形成层活动的开始并通过影响水势和细胞膨压进而调节树木生长;光周期除了可以参与调节生长开始、结束时间外,也对最大生长速率发生时间产生重要影响.未来气候变暖可能会使北方针叶树生长季延长、生长量增加,并使森林向更高海拔或高纬度地区迁移.同时,未来降水格局改变以及温度升高导致的蒸散发加剧可能会使干旱区树木生长季提前结束,生长速率下降.在未来研究中,还需进一步开发树木生长过程模型,量化径向生长与气候要素的关系,以便进一步明确树木生长对气候要素响应的生理机制.

青藏高原不同尺度的植物多样性具有不同的空间分布格局,而形成这种格局的影响因素尚不清楚.本研究对青藏高原不同地区的33个样点进行植被群落和土壤调查,从α多样性、β多样性和γ多样性3个尺度阐明了植物物种多样性沿降水梯度的分布格局,采用线性回归和结构方程模型(SEM)探讨影响植物多样性分布格局的直接或间接因素.结果表明:青藏高原植物α和γ多样性随着降水量增加而增加,植物β多样性随着降水量增加而减少;降水量增加通过改变土壤湿度直接增加了植物α多样性,通过增加土壤无机氮含量间接增加植物α多样性;并且,降水量增加会通过增加土壤氮磷比和降低土壤pH值间接增加植物γ多样性.综上所述,随着降水量的变化,土壤理化性质会发生相应的变化,进而影响不同空间尺度的植物多样性.

湖泊湿地是地球上缓解全球变暖的巨大碳汇系统.在气候变化背景下,随着温度、降水等格局的改变,其碳汇功能存在高度的响应过程.基于135篇文献已发表的557项观测数据,运用meta分析的方法,分析全球尺度上气候及地理因素的相互作用对湖泊有机碳组分的影响,包括湖泊沉积物有机碳(Sediment Organic Carbon)、湖水中总有机碳(Total Organic Carbon)、湖水溶解有机碳(Dissolved Organic Carbon)和颗粒有机碳(Particulate Organic Carbon).结果显示:1)在纬度 3°49'N-76°24'N 和海拔 0-4500m 范围内,SOC、TOC、POC 和 DOC 的变化范围分别为 0.25-15.6 g C/Kg、1.9-25.11 mg C/L、0.026-24 mg C/L、1-115.4 mg C/L;2)地理因素中,海拔与TOC呈显著的负相关(P＜0.05),每升高1m,TOC增加0.0077 mg/L;纬度与POC呈显著负相关,与DOC呈显著正相关(P＜0.05),每增加1°,POC减少0.136 mg/L,DOC增加1.18 mg/L;3)气候因素中,年均温与SOC和POC呈显著的正相关,与DOC呈显著负相关(P＜0.05),每升高1℃,SOC和POC增加0.079 g/kg、0.36 mg/L,DOC下降1.52 mg/L;年均降水量与POC呈显著正相关,与DOC呈显著负相关(P＜0.05),每增加100mm,POC增加0.87 mg/L,DOC减少3 mg/L;4)气候和地理因素对SOC、TOC、POC、DOC综合影响的贡献度分别达到16.1％、14％、90％、61.6％;5)最热季度的降水对SOC的影响成正相关,其他季节性气候参数对湖水中TOC和SOC均无显著性影响;最冷季的降水因素是影响POC的主要因素,最潮湿月份、最潮湿季节的降水量和最冷季度的平均温度与POC呈显著正相关关系;最干燥月份、最干旱地区、最热季度和最冷季度的降水量对DOC的影响最显著.

在全球气候变化的影响下,干旱和半干旱地区的降水格局呈现出降雨强度增加、降雨频率减少但降雨总量不变的趋势.大气氮沉降作为另一个全球气候变化的重要因子,沉降速率逐年加剧,显著影响生态功能及过程.线虫是陆地生态系统中最主要的土壤生物,参与多种地下生态过程.线虫群落的多样性尤其是功能、系统发育多样性如何对降水格局的改变做出响应,以及氮沉降如何调节这些响应,目前仍不清楚.本研究利用中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验研究站长期模拟降水格局改变及氮沉降添加试验平台,开展了5个降雨强度(2 mm、5 mm、10 mm、20 mm、40mm)处理和氮添加(10gN·m-2·yr-1)对土壤线虫分类、功能和系统发育多样性的影响研究.结果表明,降水强度较强但频率较低可以提高线虫的分类α多样性、功能α多样性、系统发育α多样性;同时降低了分类β多样性和系统发育β多样性.然而,氮添加降低了中高强度降水处理下线虫的分类α多样性、功能α多样性、系统发育α多样性,同时提高了分类β多样性、功能β多样性和系统发育β多样性.土壤含水量和土壤微生物量碳含量是影响线虫功能及系统发育多样性的主要因素.本研究结果表明,由于全球气候变化,未来几十年降雨强度的增加可能有利于干旱和半干旱生态系统中的土壤线虫功能多样性和系统发育多样性.然而,在氮沉降严重的地区,这种正效应可能会被氮沉降导致的土壤环境的恶化所抵消.

气候变暖已经引起全球降水格局改变.土壤呼吸作为陆地生态系统向大气释放CO2最大的碳库,对降水变化的响应将进一步影响碳循环,从而对全球气候变化产生反馈.尽管以往已有大量关于土壤呼吸与降水变化关系的相关研究,但存在较大争议.因此,亟待进一步深入探究土壤呼吸对降水改变的响应.基于此,研究Meta分析方法,整合了来自Web of Science 英文数据库和中国知网文献数据库(CNKI)的 284 篇已发表的论文和 367 组数据,进而分析全球中低纬度地区土壤呼吸对降水改变的响应.研究结果表明,土壤呼吸对降水改变的响应呈现出非对称特征,降水量增加能够提高 16.7%的土壤呼吸,而降水量减少则会抑制 17.88%的土壤呼吸.研究还发现,不同生态系统和气候区域的土壤呼吸对降水改变的响应存在较大差别.其中,降水量增加能够提高草地生态系统 22%的土壤呼吸,比森林生态系统土壤呼吸高出 12%;而降水量减少则会削弱草地生态系统28%的土壤呼吸,这要比森林生态系统土壤呼吸还高 16%.与湿润地区相比,降水量的增加对干旱地区土壤呼吸的促进作用更加明显.而降水量的减少对干旱地区和湿润地区土壤呼吸的影响均无显著差异.此外,本研究也证实了土壤呼吸对不同降水强度和年限的响应也存在差异.在不同降水强度上,无论增加降水还是减少降水,重度增减雨的土壤呼吸均改变最大,即:重度增减雨(＞75%)＞中度增减雨(25%—75%)＞轻度增减雨(＜25%);在不同降水年限上,长期增雨对土壤呼吸的促进作用尤为突出,但长期减雨对土壤呼吸影响无显著差异.研究结果可为未来气候情景下陆地生态系统土壤呼吸变化的准确预测以及模型模拟和改进提供重要的科学依据和理论基础.

陆地生态系统是维持人类生命活动的重要场所,为人类的生存和发展提供多种生态服务.随着全球变暖和降水格局的改变,干旱事件发生的频度和强度显著增加,严重影响了陆地生态系统的结构和功能.植物和土壤微生物作为陆地生态系统的重要组成部分,在物质循环和能量流动等方面发挥不可或缺的作用.目前,有关干旱如何影响植物和土壤微生物的研究已受到学者们的广泛关注,但大多聚焦于干旱过程,对干旱后复水过程的理解仍十分有限.此外,干旱后复水不仅可以对植物的生长起到补偿作用,而且能够调节陆地生态系统的恢复.因此,开展干旱后复水对植物和土壤微生物影响的相关研究是当前全球气候变化领域的重要生态热点.本文以植物生长、生理性状及土壤微生物为切入点,概述了气候变化下干旱及复水过程对陆地生态系统植物和土壤微生物的影响,并基于当前研究存在的问题,提出了未来需要深入研究的方向,以期为气候变化下植物和土壤微生物如何响应干旱及复水过程的相关研究提供理论参考,进而为维持陆地生态系统的结构和功能并保护生物多样性提供科学依据.

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.

土壤酶是土壤生态系统中具有催化功能的一类蛋白质,由植物根系分泌物、微生物和动植物残体释放到土壤中,参与了土壤中所有的生物化学过程,其活性的大小可以灵敏地反应土壤中生化反应的方向和强度.青藏高原因海拔高和气候寒冷,被认为是气候变化的敏感区和脆弱区.全球气候变化使土壤酶活性受到强烈的影响,这些影响可能使土壤的质量发生改变,进而对青藏高原高寒草地植被生产力产生一定影响.土壤酶在生态系统物质循环和能量流动中起着关键作用,其格局、功能和转换过程已被广泛的研究,但高寒草地生态系统土壤酶活性的海拔地带性特征还需深入探讨.因此,以青藏高原高寒草地为研究对象,将土壤酶活性海拔梯度研究从站点尺度拓展到样带尺度,分析了与土壤碳循环密切相关的土壤β-1,4-葡萄糖苷酶(βG)、与土壤氮循环密切相关的土壤N-乙酰-β氨基葡萄糖苷酶(NAG)、土壤亮氨酸肌肽酶(LAP)以及与土壤磷循环密切相关的土壤碱性磷酸酶(ALP)的海拔地带性,进一步明晰其主要驱动因子.结果表明:(1)ALP和βG活性在海拔梯度上,展现出显著分异,在约为3546 m和3364 m出现拐点,且低海拔显著高于高海拔(P＜0.01).而NAG和LAP的活性与海拔无显著关系.(2)高低海拔模式下,ALP活性均与年平均降水量显著相关(P＜0.01),而不受年平均温度的影响.高海拔模式下,βG活性受降水的影响;低海拔模式下,气候影响不明显.综合而言,海拔变化引起的温度和降水变化会直接或间接地影响土壤酶活性,其中降水是影响青藏高原高寒草地土壤酶活性的关键因子之一,这种适应性的改变使土壤酶能够在不同的环境条件下适应并发挥其功能,从而影响着土壤生态系统的物质循环和能量转化过程.研究结果可以评估不同海拔地带土壤的养分转化、有机质分解和循环等生态系统功能,为生态系统管理和保护提供科学依据,对理解高寒草地生物地球化学循环过程和机制具有重要意义.