形态变化对叶片表面温度的影响

干旱区植物叶片形态可塑性是植物适应高温干旱环境的重要生存策略, 但目前仍缺乏直观的数据予以证明。该研究应用热成像技术和图像分析技术, 同步测定真实叶片与模拟叶片的叶温、形态及风速、辐射和温度等环境参数。研究结果显示: 在干旱、高温环境下, 除了蒸腾, 叶片形态变化也是调控叶温的重要因子。干旱区植物叶片变小, 有利于加速叶片与环境的物质及热量交换, 从而达到降低叶温的目的。样地数据显示, 在高温、低风速环境下, 叶片宽度每减少1 cm, 叶片表面温度降低约2.1 ℃, 而模拟叶片叶宽度每减少1 cm, 叶片表面温度降低0.60-0.86 ℃。该研究对深入理解植物生存策略与环境适能力具有重要意义。     

Effects of leaf shape plasticity on leaf surface temperature

干旱区植物叶片形态可塑性是植物适应高温干旱环境的重要生存策略, 但目前仍缺乏直观的数据予以证明。该研究应用热成像技术和图像分析技术, 同步测定真实叶片与模拟叶片的叶温、形态及风速、辐射和温度等环境参数。研究结果显示: 在干旱、高温环境下, 除了蒸腾, 叶片形态变化也是调控叶温的重要因子。干旱区植物叶片变小, 有利于加速叶片与环境的物质及热量交换, 从而达到降低叶温的目的。样地数据显示, 在高温、低风速环境下, 叶片宽度每减少1 cm, 叶片表面温度降低约2.1 ℃, 而模拟叶片叶宽度每减少1 cm, 叶片表面温度降低0.60-0.86 ℃。该研究对深入理解植物生存策略与环境适能力具有重要意义。     

宏观植物生态模型的研究现状与展望

概述了3种主要植物生态模型的发展现状1)种群动态模型,主要模拟在一个生态系统中单个种的植物个体发芽、成长和死亡过程,及其种内竞争和种间相互作用,是研究开发最早的一类生态模型之一.该类模型主要应用于分析植物种群之间相互作用.2)演替模型,主要模拟植物种类(动物与此相伴)在整个生态系统发展过程的变化,包括植被类型的转变和相关的生物地球化学循环过程的改变.可用于研究生物群落对气候变化的响应.3)生态系统模型,是把生态系统当作一个功能整体来模拟的一类模型,主要有以下3类(1)SVAT模型,主要模拟地表生态系统过程,以BATS、SiB、SiB2和LEAF为代表,多用于气候研究;(2)BGC模型,主要模拟3个关键循环碳,水和营养物质循环.常用的BGC模型有FOREST-BGC、BIOME-BGC、CENTURY、TEM、DOLY以及由它们衍生而来的整合模型组;(3)BG模型,模拟群落、生物群区中植物分布,比较具有代表性的 BGMs包括BIOME2和MAPSS,它们主要用于研究因气候变化而引起的生物分布的变迁.最后,结合我们的实际工作展望了生态模型在未来几年内的几个发展方向1)与基础学科相结合,比如把物候学引入生态模型研究中来,以寻求新的支撑点;2)与现代非线性理论相结合,重新评价模型的假设基础;3)与现代科学技术相结合,利用3S技术和计算机技术为模型的发展提供更强大的技术支持;4)在研究方法上,从还原论转向整体论,尽可能地把生态系统当作一个功能整体来模拟研究.     

土壤有机污染植物修复的机理与影响因素

在综述大量国内外文献的基础上,分析了土壤有机污染植物修复的机理,重点介绍了国内外在植物吸收转运、植物根际降解和植物修复模型的研究进展。同时,从污染物的物理化学性质、植物种类、土壤性质、共存有机物和气象条件5个方面分析了影响土壤有机污染植物修复的主要因素,并展望了该领域的研究方向：深化植物修复机理,完善植物修复模型。加强植物-微生物协同修复的机理研究和技术应用,利用表面活性剂提高植物修复效率,加强复合有机污染植物修复研究。     

熟制鱿鱼块微波杀菌过程的数值模拟研究

为研究熟制鱿鱼块在微波杀菌过程中的温度变化和微生物灭活情况,文章采用有限元分析软件COMSOL Multiphysics构建传热-电磁双向耦合模型,对微生物热失活方程进行积分,并采用有限元方法进行数值模拟,最后与实验结果进行比较。结果显示微波杀菌过程中温度变化和微生物灭活情况与实验结果总体接近,表面温度低于中心温度,相差8℃～10℃。在温度保持阶段两者差异稳定,微生物的灭活情况与温度分布相对应,关键原因就是电场分布的不均匀和食品表面热对流现象。熟制鱿鱼块中心点温度模拟值和微生物灭活数据与实验数据的均方根误差分别为1.19和0.31。文章证实了使用COMSOL Multiphysics建立的数值模型能很好地模拟微波热杀菌的过程。     

生态系统模拟模型的研究进展

从四个方面概述了生态系统模拟模型的发展现状：1)个体及种群,种群动态模型主要模拟在一个生境中单个种的动、植物个体出生或发芽、成长及其死亡过程,还有种内竞争和种间相互作用,主要分析生境中生物之间的相互作用。主要概述了林窗模型和土壤一植物一大气系统模型。2)群落与生态系统,概述了生态系统生产力模型、生物地球化学循环模型及演替模型。主要模拟植物种类在整个生态系统发展过程中的变化,以及植被类型的转变和相关的生物地球化学循环过程的改变,从而反映生物群落对气候变化的响应。3)景观生态系统,景观动态研究包含了时空两个方面的动态变化,一般可分为随机景观模型和基于过程的景观模型。随机模型用于模拟群落格局在演替过程中的动态变化等,基于过程的景观模型深入研究组成景观的各生态系统的空间结构。4)生物圈与地球生态系统,基于过程的陆地生物地球化学模式被用来研究自然生态系统中碳和其它矿物营养物质的潜在通量和蓄积量,较为流行的模式有陆地生态系统模式TEM、CENTURY、法兰克福生物圈模式FBM、Biome-BGC、卡内基-埃姆斯-斯坦福方法CASA等。这些模式己被用于估算自然生态系统对大气CO2加倍及相关气候变化在区域和全球尺度的平衡响应。最后,结合实际工作展望了生态系统模拟模型在各方面的发展方向。     

外来入侵植物风传扩散过程模拟模型选择

种子扩散是外来入侵植物异地入侵的重要手段,对入侵种群扩散机制的清晰认识是有效进行入侵防治和生态管理的基础。本文在研究入侵植物风传扩散过程中的主要影响参数的基础上,分析了各参数对不同扩散过程造成的影响,总结出不同的扩散模拟过程中需要应用的影响参数,阐述了这些参数的参数化过程及相应的计算方法。对已有风传扩散模拟模型做了重点介绍,并结合入侵植物自身特征重点解析了其风传扩散过程模拟模型的选择依据。其中,对于风传扩散过程有直接、明显的影响参数是种子释放高度和水平风速。对于入侵草本、灌木植物而言,入侵区域植被高度是必须关注的影响参数。在长距离扩散研究中,以乔木和大灌木为研究对象时需要重点考虑植被叶片与水平风速垂直分布引起的冠层及冠层以上区域大气湍流所带来的影响;小灌木与草本植物则需注意由地表温度引起的温暖气团上升带来的影响。模拟模型中,2Dt模型和混合韦布尔模型可以有效描述扩散体扩散核近端与远端的扩散曲线。对更为详细的长距离扩散模拟模型选择时,需要考虑不同的大气湍流类型、扩散体大小、植被类型、扩散核维度以及模拟精度要求。     

植物物候与气候研究进展

植物物候及其变化是多个环境因子综合影响的结果,其中气候是最重要、最活跃的环境因子。主要从气候环境角度分析了植物物候与气候以及气候变化间的相互关系,概述了国内外有关植物物候及物候模拟等方面的研究进展。表明,温度是影响物候变化最重要的因子;同时,水分成为胁迫因子时对物候的影响也十分重要。近50a左右,世界范围内的植物物候呈现出了春季物候提前,秋季物候推迟或略有推迟的特征,从而导致了多数植物生长季节的延长,并成为全球物候变化的趋势。全球气候变暖改变了植物开始和结束生长的日期,其中冬季、春季气温的升高使植物的春季物候提前是植物生长季延长的主要原因。目前对物候学的研究方向主要集中在探讨物候与气候变化之间的关系,而模型模拟是定量研究气候变化与植物物候之间关系的重要方式,国内外已经开发出多种物候模型来分析气候驱动与物候响应之间的因果关系。另外遥感资料的应用也为物候模型研究提供了新的方向。物候机理研究、物候与气候关系以及物候模型研究将是研究的重点。     

佛山市主要城市园林植物滞尘效益分析

研究了佛山主要园林植物净化大气环境的生态效应,测定了佛山市15种主要城市绿化植物滞尘能力,采用相关的指标和评价分析方法,建立相关模型,同时对影响植物叶片滞尘能力的有关因子进行了分析和探讨。研究表明,不同地点及不同种类的植物的滞尘量差异显著,乔木树种滞尘量最大,说明乔木植物是滞尘的主体。不同植物滞尘能力的差异与叶片的表面特性(皱纹、粗糙、绒毛、油脂等)及其湿润性有密切关系,滞尘量的多少与树冠总叶面积、枝干分枝角度、树冠形状等有关。     

植物种群生存力分析研究进展

对十多年来国外植物PVA的研究进行了综合评述;具体分析了影响植物种群生存力的各种随机性因子及确定性因子;总结了植物PVA研究的方法步骤及采用的模拟模型;探讨了植物PVA的难点,PVA对管理措施的评价效果;并提出对今后植物PVA的研究展望,认为PVA是研究濒危植物种群灭绝及评价管理或保护措施的有力工具;发展描述复杂种间关系的多种种的PVA模型以及包含多个影响因素的PVA应用模型是未来植物PVA的研究方向。     

土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量估算模型研究进展

土壤-植物-大气连续体(SPAC)水热、CO2通量的准确估算对理解陆地和大气的物质和能量交换过程有着重要意义.重点阐述了基于过程的土壤-植物-大气连续体水热、CO2通量模型,综述了统计模型、综合模型及基于遥感的模型的发展过程.其中水热通量统计模型包括基于温度和湿度以及基于温度和辐射的方法;CO2通量统计模型包括基于气候因子或蒸散因子以及基于光能利用率的方法.水热通量过程模型包括大叶、双源、多源和多层的水热传输物理模型;CO2通量过程模型包括叶片尺度及由大叶、双叶和多层方法扩展到冠层尺度的生理生态模型以及光合-蒸腾耦合模型.综合模型包括生物物理模型、生物化学模型和生物地理模型.统计模型形式简单,资料易得,对大范围的水热通量模拟具有指导意义;过程模型准确的揭示了水热和CO2通量传输的物理和生理过程,是大尺度综合模型的基础.未来生态系统水热、CO2通量估算模型将集成各种技术手段进行多尺度网络观测和大尺度机理模拟.     

Exploring the compass of potential changes induced by climate warming in plant communities

New models are required to predict the impacts of future climate change on biodiversity. A move must be made away from individual models of single species toward approaches with synergistically interacting species. The focus should be on indirect effects due to biotic interactions. Here we propose a new parsimonious approach to simulate direct and indirect effects of global warming on plant communities. The methodology consists of five steps: a) field survey of species abundances, b) quantitative assessment of species co-occurrences, c) assignment of a theorised effect of increased temperature on each species, d) creation of a community model to project community dynamics, and e) exploration of the potential range of temperature change effects on plant communities.We explored the possible climate-driven dynamics in an alpine vegetation community and gained insights into the role of biotic interactions as determinants of plant species response to climate change at local scale. The study area was the uppermost portion of Alpe delle Tre Potenze (Northern Apennines, Italy) from 1500 m up to the summit at 1940 m.Our work shows that: 1) unexpected climate-driven dynamics can emerge, 2) interactive communities with indirect effects among species can overcome direct effects induced by global warming; 3) if just one or few species react to global warming the new community configuration could be unexpected and counter-intuitive; 4) timing of species reactions to global warming is an important driver of community dynamics; 5) using simulation models with a limited amount of data in input, it is possible to explore the full range of potential changes in plant communities induced by climate warming.     

植物同化物分配及其模型研究综述

目前生态系统模型模拟中所用的大多数同化物分配模型是经验性的。同化物分配对植物的生长、竞争及结构的形成有重要的影响,是植物生长的关键,也是植物生长模型中的薄弱环节。总结了影响同化物分配的因素：生理过程和环境因子。指出植物作为一个有机的整体,所有的生理过程都对其有影响,维管束作为各器官间的连接系统,以及同化物的运输管道,其性质对同化物分配有重要的影响。综述了环境因子特别是环境水分条件对同化物分配的影响。总结了以往研究中发现的、主要的同化物分配规律,指出同化物分配的模式极其复杂,分配过程完全是根据环境以及生长阶段变化而变化的、随机应变的过程。 对于同化物分配模型按照经验模型,目的性模型,源汇关系模型进行了总结归纳,分析指出：经验性模型应用最多但机理性差;功能平衡模型在模拟营养生长阶段同化物在条与根之间的分配很成功,但应用于其它器官之间很困难;最优化模型适于模拟平衡态下同化物的分配;源汇关系模型机理性最强,可模拟任何器官间的同化物分配,应用范围最广泛。 同化物研究取得了很大的进展,但研究中仍存在很多不足：对于各相关过程的研究存在不平衡性;整体水平上同化物分配的机理仍缺乏深入研究;同化物分配对于环境的响应方面的研究相对较弱;缺乏多环境因素的研究;缺乏长期的实验观测研究。作者认为环境与同化物分配相互关系的研究将成为日后研究中的热点问题。     

Macroecological patterns of spider species richness across Europe

We analysed the pattern of covariation of European spider species richness with various environmental variables at different scales. Four layers of perception ranging from single investigation sites to the whole European continent were selected. Species richness was determined using published data from all four scales. Correlation analyses and stepwise multiple linear regression were used to relate richness to topographic, climatic and biotic variables. Up to nine environmental variables were included in the analyses (area, latitude, elevation range, mean annual temperature, local variation in mean annual temperature, mean annual precipitation, mean July temperature, local variation in mean July temperature, plant species richness). At the local and at the continental scale, no significant correlations with surface area were found, whereas at the landscape and regional scale, surface area had a significant positive effect on species richness. Factors that were positively correlated with species richness at both broader scales were plant species richness, elevation range, and specific temperature variables (regional scale: local variation in mean annual, and mean July temperature; continental scale: mean July temperature). Latitude was significantly negatively correlated with the species richness at the continental scale. Multiple models for spider species richness data accounted for up to 77% of the total variance in spider species richness data. Furthermore, multiple models explained variation in plant species richness up to 79% through the variables mean July temperature and elevation range. We conclude that these first continental wide analyses grasp the overall pattern in spider species richness of Europe quite well, although some of the observed patterns are not directly causal. Climatic variables are expected to be among the most important direct factors, although other variables (e.g. elevation range, plant species richness) are important (surrogate) correlates of spider species richness.     

植物间正相互作用对种群动态和群落结构的影响:基于个体模型的研究进展

植物间的相互作用对种群动态和群落结构有着重要的影响。大量的野外实验已经揭示了正相互作用(互利)在群落中的普遍存在及其重要性。为了弥补野外实验方法的不足, 模型方法被越来越多地应用于正相互作用及其生态学效应的研究中。该文基于个体模型研究, 探讨了植物间正相互作用对种群动态和群落结构的影响。介绍了植物间正相互作用的定义和发生机制、植物间相互作用与环境梯度的关系。正相互作用是指发生在相邻的植物个体之间, 至少对其中一个个体有益的相互作用。植物通过直接(生境改善或资源富集)或间接(协同防御等)作用使局部环境有利于邻体而发生正相互作用。胁迫梯度假说认为互利的强度或重要性随着环境胁迫度的增加而增加, 但是越来越多的经验研究认为胁迫梯度假说需要改进。以网格模型和影响域模型为例, 介绍了基于个体的植物间相互作用模型方法。基于个体模型, 对近年来国内外正相互作用对种群时间动态(如生物量-密度关系)、空间分布格局和群落结构(如群落生物量-物种丰富度关系)影响的研究进行了总结。指出未来的研究应集中在对正相互作用概念和机制的理解, 新的模型, 新的种群、群落, 甚至生态系统问题, 以及在全球变化背景下进行相关的研究。     

New insights on plant phenological response to temperature revealed from long‐term widespread observations in China

Constraints of temperature on spring plant phenology are closely related to plant growth, vegetation dynamics, and ecosystem carbon cycle. However, the effects of temperature on leaf onset, especially for winter chilling, are still not well understood. Using long‐term, widespread in situ phenology observations collected over China for multiple plant species, this study analyzes the quantitative response of leaf onset to temperature, and compares empirical findings with existing theories and modeling approaches, as implemented in 18 phenology algorithms. Results show that the growing degree days (GDD) required for leaf onset vary distinctly among plant species and geographical locations as well as at organizational levels (species and community), pointing to diverse adaptation strategies. Chilling durations (CHD) needed for releasing bud dormancy decline monotonously from cold to warm areas with very limited interspecies variations. Results also reveal that winter chilling is a crucial component of phenology models, and its effect is better captured with an index that accounts for the inhomogeneous effectiveness of low temperature to chilling rate than with the conventional CHD index. The impact of spring warming on leaf onset is nonlinear, better represented by a logistical function of temperature than by the linear function currently implemented in biosphere models. The optimized base temperatures for thermal accumulation and the optimal chilling temperatures are species‐dependent and average at 6.9 and 0.2°C, respectively. Overall, plants’ chilling requirement is not a constant, and more chilling generally results in less requirement of thermal accumulation for leaf onset. Our results clearly demonstrate multiple deficiencies of the parameters (e.g., base temperature) and algorithms (e.g., method for calculating GDD) in conventional phenology models to represent leaf onset. Therefore, this study not only advances our mechanistic and quantitative understanding of temperature controls on leaf onset but also provides critical information for improving existing phenology models.     

Functional–structural models optimize the placement of foliage units for multiple whole-canopy functions

I present examples of plant functional–structural models (FSMs) that are used to evaluate how foliage units affect whole-canopy functions, and I show that multi-criteria optimization is an effective tool for these models. FSMs produce plant structures through the repeated application of a set of rules for the placement of foliage units. The models are blind (rules are the same regardless of dynamic simulation conditions), sighted (rules change with interference from other foliage units) or self-regulatory (rules change depending on the conditions of the simulation, i.e., internal conditions). In the examples presented, the models are used to optimize plant morphology for one or more measures of plant performance; these measures include movement of materials and associated hydraulic functions, foliage display, light interception and net carbon, mechanical support and stability, and reproductive success. It is consistently found that no morphology is optimal for any single measure of plant performance, and the rules for plant development are not stationary in space and time. In multi-criteria optimization, alternative morphologies are compared against multiple measures of plant performance; these are optimized simultaneously using Pareto optimality, which yields the set of mutually co-dominant solutions not dominated by any other solution. Two solutions are considered to be mutually co-dominant if improvement with respect to one criterion is at the expense of another criterion. I conclude that multi-criteria optimization is an essential tool for the use of FSMs to relate processes at the foliage level to whole-canopy function and to explain the structural diversity of old-growth forests.     

温度、光辐射及水分对温室甜瓜幼苗干物质积累与分配的影响及其模拟模型

利用分期播种法和灌溉上限法,研究了温度、光辐射和水分等环境因子对温室甜瓜幼苗植株干物质积累与分配的影响,并基于积温学原理,综合环境其他因子,模拟建立了甜瓜幼苗受有效积温、日温差积累、光辐射积累等多因子驱动的干物质积累与分配模型．结果表明：周年不同播期,随着有效积温、光辐射积累及不同灌溉水分上限的变化,甜瓜幼苗期植株干物质积累和分配分别呈指数函数和二次抛物线函数变化,但不同播期及水分处理函数常数不同．综合分析认为,干物质积累和分配模型分别为有效积温驱动下的指数函数和二次抛物线函数,常数项均由日温差积累和光辐射积累驱动,它们之间为一次函数关系．验证结果表明,该模型能较为真实、客观地模拟植株干物质积累与分配变化过程,对甜瓜苗期生长分析与生产管理具有应用价值．     

羊草种群无性系生长格局的研究

 本文根据野外实测数据和采用数学分析方法,在研究羊草种群无性系营养扩散和生长过程的基础上,建立了符合描述羊草种群无性系生长格局的相关随机走动模型和简单扩散模型。对模型进行检验,结果表明,所建模型可以定量地描述羊草种群无性系的生长格局。