我国喀斯特植被根系生态学研究进展

我国传统的植被根系生态学研究主要针对热带、亚热带、温带以及西部干旱半干旱的非喀斯特地区,而对喀斯特地区植被根系生态学的研究甚少,对其认识相对零散和片段化。该文对我国喀斯特地区植被生境特点、根系特征(根系生物量、根系构型、根系化学养分)、自然因子和人为因子对根系生态学特征的影响,以及植被根系与植被演替、碳循环、全球变化的关系等进行综述,并对今后喀斯特地区植被根系的研究方向及发展趋势进行展望,旨在为我国喀斯特植被根系生态学的深入研究提供参考。     

喀斯特峡谷区土壤水分特征及其影响因素研究

土壤水分是喀斯特峡谷区植被建设的限制性因子。分析喀斯特峡谷区土壤水分特征及其影响因素, 对该地区的植被建设有重要意义。以贵州花江喀斯特峡谷区为研究区, 运用原位监测和冗余分析法, 研究喀斯特峡谷区土壤水分特征并揭示其影响因素。结果表明: (1)监测期间, 喀斯特峡谷区土壤水分特征表现为南坡较北坡低, 表层较深层低, 乔木较灌木低。(2)喀斯特峡谷区土壤水分主要受海拔、坡向、坡度等地形因子影响, 其次为枯落物厚度、叶面积等植被因子。(3)0—5 cm、20—40 cm土层土壤水分的主控因素为气温, 5—10 cm土层土壤水分的主控因素为坡度, 10—20 cm土层土壤水分的主控因素为海拔。喀斯特峡谷区土壤水分主要受地形、气温、降雨影响。根据地形、土壤厚度、枯落物特征选择不同的灌溉方式, 以及依据不同土层土壤水分的主控因素种植根系深度不同的植物, 制定对应的农业水资源管理策略, 是后续提升喀斯特峡谷区植被建设效果的重要途径。     

喀斯特地区植被恢复过程中适生植物的生理生态学研究进展

从喀斯特地区适生植物的生境适应性、光合生理、水分生理、养分生理、菌根生理以及遗传生理等方面综述了当前喀斯特地区植被恢复过程中开展的一些生理生态学研究成果,提出今后喀斯特地区需要开展适生植物的钙适应机制、碳循环以及抗旱遗传机制等方面的研究,为喀斯特地区植被恢复提供理论参考。     

我国西南喀斯特植物生态适应性与石漠化治理

我国西南喀斯特地区生态脆弱, 石漠化问题严重, 植被恢复/重建的难度极大。为此, 近年来开展了许多基础性研究, 以求为石漠化治理提供科技支撑。该文概略介绍了该地区喀斯特生境的特点, 回顾和评述了喀斯特生境中植物适应性、植物种群、植物群落和生态系统生态学方面取得的主要研究进展, 并结合石漠化综合治理的现状, 提出了喀斯特植物生态学研究的几点期望。     

基于文献计量分析的喀斯特植被生态学研究态势

喀斯特植被是喀斯特生态系统结构与功能稳定的重要维持者。国内外学者较早关注喀斯特植被的结构、功能和管理等方面研究并发表了诸多成果,但对该领域的发展历程、研究趋势和热点等却鲜有评论。利用1990—2017年Web of Science(WoS)和CNKI数据库中喀斯特植被生态学研究的相关文献信息,运用文献计量统计和可视化方法对年度发文量、引用频次、作者、国家、机构、期刊、关键词等进行分析,解析了28年间国内外该领域的研究态势并对未来发展提出了建议。结果表明,1990—2017年间WoS和CNKI数据库中分别收录了该领域文献457篇和1256篇,28年间发文量呈现波动增长趋势,且在2006年后步入快速发展期。WoS中的文献涉及全球60个国家,我国的发文量占发文总量的50.33%,遥居全球榜首,其次是美国和斯洛文尼亚等国。此外,发文量前10的作者均来自我国,发文量较多的机构也多来自我国,这充分表明我国学者在喀斯特植被生态学方面的研究非常活跃,是全球该领域前沿动向和发展趋势的引领者。期刊分析结果表明,《Environmental Earth Sciences》和《生态学报》分别是该领域外文和中文文献的主要期刊载体。喀斯特、植被和石漠化等为文献高频度关键词,表明喀斯特石漠化区域的植被恢复是该领域的研究热点和核心内容。为促进喀斯特植被生态学研究的发展,建议国内外学者以及机构间加强合作,建立全球的喀斯特植被监测网络,长期观测并对比分析不同区域或类型喀斯特植被的动态过程和生态功能演变机理。此外,运用大数据、遥感、野外控制实验、数学模型和系统发育等方法构建适用于喀斯特生境的植被格局、过程与动态的生态理论、假说或模型,进一步揭示变化环境下喀斯特植物群落的构建过程、植物多样性的多尺度格局、退化植被的适应性修复等科学问题。     

喀斯特峰丛洼地生态系统服务空间权衡度及其分异特征

我国西南喀斯特峰丛洼地区脆弱的生态环境与剧烈的人类活动导致石漠化现象以及生态功能退化,制约了区域生态-福祉耦合效益的提升。首先从数值变化与空间变异综合的角度,构建了融合均方根偏差法与地理探测器的生态系统服务空间权衡度指标,进而围绕喀斯特水源涵养-土壤侵蚀关系以及植被固碳-土壤侵蚀关系,在不同环境因子梯度下和地貌形态类型区内开展生态系统服务空间权衡度计算及其分异特征研究。环境因子梯度分析表明,由于植被显著的保持水土能力,水源涵养与土壤侵蚀之间的空间权衡度随植被覆盖度的增大而逐渐减小;地形因子对地表水土过程与植被功能影响深刻,植被固碳和土壤侵蚀之间的空间权衡度随海拔和坡度的升高而逐渐增大,1000 m以上中海拔以及陡坡地区的空间权衡度是低海拔与缓坡地区的4-6倍。地貌形态类型区的统计结果显示,地貌特征对生态系统服务之间的空间权衡关系具有宏观控制作用,植被固碳-土壤侵蚀之间的空间权衡度随地形起伏度的升高而逐渐增大,具体为：中海拔平原 < 中海拔台地 < 中海拔丘陵 < 小起伏中山 < 中起伏中山,水源涵养与土壤侵蚀之间则成相反趋势。因此,今后在以生态系统服务协同提升为目标的喀斯特石漠化治理工作中,应强调环境因子作用程度的空间差异以及地貌形态特征的宏观控制作用。     

喀斯特地区丛枝菌根真菌遗传多样性

为探明喀斯特地区丛枝菌根真菌( AMF)的遗传多样性特征,利用巢式PCR和DGGE相结合的分子生物学方法对茂兰喀斯特多个植被类型下的AMF遗传多样性进行了研究.结果表明,喀斯特地区AMF遗传多样性指数和物种丰富度分别平均为3.50和41,远高于非喀斯特对照样地的2.68和17,分析表明,喀斯特地区较高的AMF多样性与此地区丰富的植物多样性以及特殊的生态环境有关,是与喀斯特生态系统长期相互选择的结果.不同植被类型下的AMF多样性差异显著,相似性指数最高为0.34,喀斯特地区AMF的群落结构随着植被类型的改变发生显著变化;基因测序显示,喀斯特地区AMF的优势菌属是生态适应性很强的球囊霉属,在喀斯特石漠化生态恢复中具有较强的利用潜力.     

基于生物量回归方程估算黔中喀斯特常绿落叶阔叶混交林木本植物的根系生物量

常规根系生物量研究方法在我国西南喀斯特森林地区实施困难,根系挖掘法所得研究结果不确定性高,导致目前根系生物量数据匮乏。选择贵州中部喀斯特常绿落叶阔叶混交林为对象,建立常规的根系生物量回归方程,结合群落调查数据,以期研究该森林木本植物的根系生物量特征及其空间分布格局。利用106株乔木、34株灌木和34株藤本标准木根系数据,构建了5种优势乔木(安顺润楠Machilus cavaleriei、化香树Platycarya strobilacea、云贵鹅耳枥Carpinus pubescens、云南鼠刺Itea yunnanensis和窄叶石栎Lithocarpus confinis)、3种优势灌木(刺异叶花椒Zanthoxylum dimorphophyllum、倒卵叶旌节花Stachyurus obovatus和异叶鼠李Rhamnus heterophylla)和2种优势藤本(藤黄檀Dalbergia hancai Benth和小果蔷薇Rosa cymosa)以及乔木通用、灌木通用和藤本通用共13个根系生物量回归方程。利用这些方程计算得到该喀斯特森林木本植物总根系生物量为22.72Mg/hm2。乔木根系生物量(22.57 Mg/hm2)远高于灌木和藤本,占森林总根系生物量的99.30%。5个优势乔木树种的根系生物量(19.67 Mg/hm2)占森林总根系生物量的86.54%。物种根系发达程度是影响根系生物量空间分布格局的重要因素。研究可为喀斯特地区植被地下生物量与碳储量的全面估算提供一个新途径。     

我国西南山地喀斯特植被的根系生物量初探

在贵州茂兰喀斯特森林国家自然保护区内,选取2种立地条件上(岩石和土壤分别占优势)的5个植被恢复阶段(草本群落、灌草群落、灌木群落、次顶极常绿落叶阔叶林和顶极常绿落叶阔叶林)共10个样地,利用平均标准木机械布点法对根系进行采集,分析了其生物量总量、不同根系径级的分配格局和地下空间的分布规律。结果表明:1)喀斯特植物群落的正向植被恢复进程极显著地增加了地下生物量(p0.001),从草本群落的2.63Mg·hm–2增加到顶极森林群落的58.15Mg·hm-2;同一恢复阶段的石生和土壤立地上根系生物量的差异不显著(p0.05),在顶极和次顶极常绿落叶阔叶林阶段,石生立地的根系生物量高于土壤立地,而灌木、灌草和草本群落阶段则相反。2)同一恢复阶段的石生立地的粗根生物量均高于土壤立地,但差异不显著(p0.05),而细根和小根生物量则从石生到土壤立地显著增加(p0.05);随着喀斯特植被的恢复,石生和土壤立地上粗根占总根系生物量的比例均逐渐增加。3)石生立地根系的分布以水平扩散和穿梭为主,无垂直层次分布;而土壤立地各恢复阶段的根系生物量主要集中在地面到地下10cm的垂直空间内;在不同的土层深度,粗根占所有根径级生物量的80%,且随土层加深,其比例降低。该研究不仅填补了喀斯特植被根系生物量观测的空白,为估算我国西南喀斯特地区植被的总生物量和生产力提供了本底数据,也为进一步研究喀斯特森林稳定性维持机制和喀斯特石漠化防治与植被适应性修复奠定了基础。     

生物土壤结皮在喀斯特生态治理中的应用潜力

喀斯特地区生境条件复杂,生态系统脆弱,其中石漠化成为制约喀斯特地区发展的重要因素。该文综述了生态系统中生物土壤结皮的可抗逆性特征及其对加速母岩成土速率、提高地表抗侵蚀力、改善土壤环境状态,调控降水下渗、改变土壤中水分再分配格局、促进土壤微生物和植被演替以及提高生物多样性的关键作用。探讨了生物土壤结皮与喀斯特生态系统的反馈机制及人工培育结皮植被对石漠化防治的应用潜力。此外,生物土壤结皮与生态系统间的互作机制是研究喀斯特生态治理的关键,两者间的耦合关系是一个动态过程,需要长期的不间断多维度监测。建议加强对生物土壤结皮与喀斯特生境间耦合机制及其在喀斯特岩溶过程的互作机制,喀斯特地区生物土壤结皮耐胁迫特性以及在喀斯特生境下人工培植技术与机理等方面的研究。     

中国喀斯特天坑演化及植被生态系统研究进展

喀斯特天坑(Tiankeng)是近年来在喀斯特地区发现的一类深陷地表的负地形地质奇观,由于受到四周岩壁的圈闭作用及地形的约束,喀斯特天坑内部形成了一种绝无仅有的原始小气候,孕育了丰富独特的动物、植物和微生物资源。该文在系统梳理前期天坑研究文献的基础上,以天坑植被生态系统研究为重点,兼顾天坑分布和演化规律,综述了天坑在这些方面的主要研究进展和新的认识,进而分析了目前天坑研究中存在的问题。围绕上述天坑研究领域,提出了天坑研究未来发展的5个研究方向:(1)系统性、大尺度和多学科联合探究天坑成因及其植被生态系统的演化规律;(2)天坑内生物资源对坑外荒漠化地区生态修复作用及其机制;(3)天坑土壤微生物分布规律及其与植物互作机制;(4)环境变化对喀斯特天坑生态系统的影响效应;(5)旅游开发对天坑植被生态系统的影响评估。     

西南岩溶区植被碳循环研究进展

由于岩溶关键带是地球关键带系统中重要的部分,岩溶区的植被是陆地生态系统重要的碳汇项,岩溶区植被的地上部分通过植物生长固碳的同时其地下部分的碳储量也非常可观,地下生物量生长和凋落物分解也会提高土壤有机碳和无机碳的含量,因此岩溶区植被碳循环已成为当前岩溶碳汇研究的热点之一。该文梳理了近四十年来岩溶植被固碳过程的研究文献,阐述了西南岩溶区植被特有的生理学特征,重点论述了以下4个方面的内容:(1)西南岩溶区植被生物量、生产力、碳储量评估;(2)西南岩溶区植被时空变化格局与碳源汇效应;(3)岩溶区植被碳利用特殊机制;(4)岩溶区植被碳循环模型预测与碳汇潜力。同时,提出了目前研究中存在的问题,并对今后的研究方向进行了展望,认为今后应在岩溶区植被碳循环的相关参数系统测定和机理过程研究,精细识别西南岩溶地区植被景观类型、量化固碳过程,以及对岩溶植被碳循环模型进行校正和修改等方面开展研究。该文可为深入理解岩溶区碳的时空演化规律、探索区域碳循环机理提供参考。     

中国西南喀斯特石漠化时空演变特征、发生机制与调控对策

中国西南喀斯特石漠化及发展态势的遏制与综合治理是长江、珠江流域的生态安全需要。通过总结前人的研究成果、采集中国科学院环江喀斯特生态试验站部分收集整理和试验数据,尝试性地提出了新的石漠化概念和分类标准,探讨了西南喀斯特石漠化的空间分布及动态变化规律,阐明了不同石漠化程度生态系统的植被和土壤物理、化学、微生物等属性的表现特征,从自然和人为两个方面揭示了西南喀斯特石漠化的发生机制,提出了不同石漠化程度的治理对策,以促进喀斯特区域生态、经济、社会的全面协调与可持续发展。     

岩溶山区水分时空异质性及植物适应机理研究进展

西南岩溶地区虽然降水充沛,但因具有二元水文结构,地表水大量渗漏、地下水深埋,加上土层浅薄且分布不连续、土壤储水能力低,岩溶干旱严重,水分亏缺仍然是植被恢复重建的关键限制因子。如何有效地进行植被的恢复重建和实现水土资源的协调利用,是该地区石漠化综合治理面临的主要难题。由于地质背景的特殊性、地形地貌的复杂性和生境的高度异质性,岩溶山区水分运移过程与其他类型区显著不同,亟需综合考虑岩性、地形地貌、土壤与岩石分布、植被等因素的影响。在简要介绍岩溶山区土壤-岩石环境特征的基础上,综述了降雨入渗产流规律、水分时空异质性、植物水分来源及适应机理等几个方面的研究进展,探讨了当前研究中存在的问题,并对未来研究进行了展望。今后应以大气-植被-土壤-岩石系统为研究对象,将水分运移过程与植物的水分利用方式有机结合,综合运用土壤物理学、生态水文学、植物生理学、岩溶地质学等多学科研究手段,探讨表层岩溶带的水文调节功能及其主要影响因素,揭示坡面、小流域尺度植被与水文过程的相互作用机理,为西南岩溶山区水源涵养型植物群落的优化配置提供科学依据。     

西南喀斯特地区耕地撂荒生态环境效应研究进展

耕地撂荒是多驱动力综合作用的结果,不同地域下的撂荒地生态环境影响具有其特殊性。针对当前西南喀斯特地区耕地撂荒现象,综述了目前在西南喀斯特地区撂荒地生态环境影响方面取得的研究进展及未来的研究展望。综合现有研究结果发现：(1)务农机会成本增加,以粗放经营为主要特点的隐性撂荒可能是现代石漠化发展的潜在动力;(2)喀斯特地区的土壤异质性决定了耕地撂荒后地块尺度的景观均质性或者区域尺度的景观异质性;(3)喀斯特地区耕地撂荒后植被恢复能在一定程度上改善土壤结构、维持土壤水分、促进土壤养分恢复;(4)撂荒初期土壤侵蚀加剧,撂荒后期植被恢复防治土壤侵蚀;(5)耕地撂荒植被恢复后增强了喀斯特地区植被碳汇、土壤碳汇和岩溶碳汇效应。未来,应明确隐性撂荒对喀斯特地区生态环境的具体影响,创新技术手段动态监测优等地和石漠化耕地的撂荒面积及趋势变化,定量显性撂荒在水土流失防治和石漠化生态恢复中的贡献,综合评估撂荒地的碳汇效应,从而为合理配置喀斯特地区耕地的社会、生态功能建言献策。     

西南喀斯特石漠化生态系统土壤有机碳分布特征及其影响因素

喀斯特石漠化已成为制约我国西南地区社会经济可持续发展最严重的生态地质环境问题,其恢复重建已成为我国社会经济建设中一项重要内容。土壤有机碳作为土壤质量评价的重要指标,可以综合反映土地生产力、环境健康功能,另一方面土壤有机碳也间接影响了陆地生物碳库,是陆地生态系统碳平衡的主要因子,它的转化和积累变化直接影响全球碳循环动态,已成为生态科学领域研究的热点之一。系统的总结了西南喀斯特石漠化地区不同土地覆被/土地利用、不同等级石漠化环境土壤有机碳的空间和季节分布特征。结合前人研究成果,进一步分析了影响喀斯特石漠化地区土壤有机碳分布的自然(气候、地形与土壤性质、植被等)和人为(土地覆被/土地利用变化、农业管理措施等)各因素,并提出增加喀斯特石漠化地区土壤有机碳含量的对策。研究结果为喀斯特石漠化退化生态系统恢复重建、石漠化地区土壤综合利用、增加碳截存应对全球碳循环减源增汇等提供了重要的科学参考。     

喀斯特石漠化综合治理及其区域恢复效应

国家加大生态保护与建设力度背景下,我国西南喀斯特石漠化面积实现"持续净减少",面临由传统高强度人为干扰向大规模自然恢复与人工造林的转变,石漠化治理也面临转型。现有喀斯特生态研究已阐明了喀斯特脆弱生态系统人为干扰退化机制,初步揭示了生态治理改善生态系统结构与功能的恢复机理,突破了保土集水与植被恢复的适应性石漠化治理技术与模式,评估了石漠化治理显著加速区域植被生长与恢复的固碳效应。但目前石漠化治理面临着治理成效巩固困难、治理技术与模式缺乏区域针对性、大规模低效人工林亟待改造、社会人文驱动机制不清等问题。未来喀斯特生态恢复应聚焦石漠化治理提质增效,从侧重单一生态要素、单一生态过程的研究向多要素综合、多过程综合以及喀斯特地表-地下过程耦合、景观格局与生态过程耦合、生态过程与生态系统服务耦合、自然与人文过程耦合等陆地表层系统集成的方向发展,为我国西南喀斯特地区石漠化治理与扶贫开发成效巩固、乡村振兴与美丽中国战略的实施提供科技支撑。     

喀斯特关键带植被时空变化及其驱动因素

中国南方喀斯特地区广泛面临着生态问题,植被的保护与恢复倍受关注,对这一区域植被覆盖的进行监测和预测是非常必要的。以MODIS-NDVI为数据源,分析2000—2016年间,研究区不同地质背景,多种土地覆被类型的NDVI时空变化特征及驱动因素。结果表明:(1)从2000—2016年间,研究区植被覆盖整体呈增长趋势;其中喀斯特区域增长情况略优于非喀斯特区域。植被覆盖在空间上呈现东高西低;其中林地的NDVI值最高,耕地次之,依次草地,居民用地,水域,未利用地最低;在林地和耕地中,非喀斯特区域的NDVI值比喀斯特高,其余的土地覆被类型中都比喀斯特区域低。(2)研究区植被覆盖改善的地区占60.19%,退化地区占17.06%;草地,耕地区改善明显,退化主要在水域和建设用地; Hurst指数显示在研究区持续性改善的NDVI大于持续性退化;相比非喀斯特区域,喀斯特区域改善及持续性改善情况更佳。(3)整体而言,海拔对NDVI的空间分布影响力最大,温度次之,依次为降雨,夜间灯光指数;相比而言,非喀斯特区域NDVI空间分布更易受地形因子影响;喀斯特区域NDVI空间分布更易受气候差异及人类活动影响。(4)研究区分别有49%,45%,61%的NDVI与气温,降雨,日照的相关系数通过a=0.05的显著性检验;相比非喀斯特而言,喀斯特区域植被生长更易受气候变化的影响。     

中国西南岩溶区水分利用效率变化及其对气象要素的响应

水分利用效率（WUE,Water use efficiency）是衡量水资源利用率的重要指标,对气候变化有明显响应,中国西南岩溶区生态缺水严重,水资源利用问题亟需解决,但该区域水分利用效率对气象要素的响应仍不明晰。利用MODIS总初级生产力（Gross primary productivity,GPP）和蒸散发（Evapotranspiration,ET）数据集计算中国西南岩溶区的水分利用效率,结合气象数据和归一化植被指数（NDVI,Normalized difference vegetation index）数据,采用Theil-Sen Median趋势分析和Pearson相关分析,揭示了其水分利用效率的时空变化特征及对气象要素的响应。结果表明：2000-2014年中国西南岩溶区年水分利用效率与植被生长期水分利用效率（AGS-WUE）时间序列变化趋势相近,春、秋季水分利用效率呈上升趋势,夏季呈下降趋势;年水分利用效率呈上升趋势,与降水呈负相关,喀斯特地区与气温呈正相关,非喀斯特地区呈负相关,NDVI增长是主要驱动因素;年水分利用效率和AGS-WUE从东南到西北逐渐升高;非喀斯特地区水分利用效率高于大部分喀斯特地区;总体上高海拔地区水分利用效率高于低海拔地区。气温、海拔及喀斯特发育程度综合影响喀斯特地区水分利用效率。本研究结果能为提高喀斯特生态系统水分利用效率提供理论参考。