陆生植物水分利用效率

植物水分利用效率（water use efficiency,WUE）作为叶片光合与水分生理过程的耦合因子,不仅是联系植被生态系统碳循环与水循环的重要变量,同时亦已成为揭示陆地植被生态系统对全球变化响应和适应对策的重要手段。稳定同位素技术和涡度相关技术的发展和应用,使植物WUE的概念和测定方法不断得到扩展,研究内容、尺度也不断拓宽。深入认识植物WUE的变化特征及其调控机制,一方面有助于揭示不同植物对生境的生理生态适应机理,另一方面能够促进对陆地生态系统碳-水平衡关系的理解。目前生态系统水平WUE的研究尚处初始阶段。如何建立不同尺度水平WUE间的联系机制,将成为今后该研究领域的关注点。本文在阐述植物WUE概念和测定方法的基础上,综述了植物叶片水平WUE的影响因子、种间差异与水分利用策略,以及WUE与其他叶性状的关系,介绍了当前生态系统水平WUE的研究状况,提出未来的研究趋势。     

陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应研究进展

气候变化显著影响陆地生态系统生产力以及水分利用格局,而水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)是衡量生态系统碳水耦合关系的重要指标之一。研究陆地生态系统水分利用效率对气候变化的响应,有助于深入理解生态系统的变化规律,模拟和预测生态系统碳水过程的发展状况,从而为应对全球气候变化提供新的依据。为了更好地掌握生态系统水分利用效率研究现状以及其对温度、CO2等关键气候因子的响应情况,本文总结了陆地生态系统水分利用效率对气候变化响应的最新研究进展。首先介绍了相关的定义并归纳了两种不同计算方式的差异和特点;接着重点总结了陆地生态系统水分利用效率对大气温度、CO2、水分、干旱以及太阳辐射等影响因素的响应;最后文章总结了目前3个相关的研究态势,主要包括:(1)长时间序列水分利用效率与气候要素的关系研究;(2)土地利用/覆被变化对水分利用效率的影响及其对气候的反馈研究;(3)多尺度水分利用效率综合研究。本研究可为深入研究生态系统过程对气候变化的响应提供参考。     

气候变暖对陆地植被-土壤生态系统的影响研究

由于自然因素及人类活动的长期影响,全球气候变化已经成为不容置疑的事实,并对陆地生态系统的植被及土壤产生了深远影响。陆地植被一土壤生态系统在全球气候变化中的反应与适应等过程已成为众多科学家所关注的问题。为更好地了解陆地植被一土壤生态系统对全球气候变化的响应机制,综述了气候变暖对植物的物候与生长、光合特征、生物量生产与分配,以及土壤呼吸等方面的影响,并对分析得到的结论进行了总结。分析指出,随着全球气候变暖,植物个体和群落特征以及土壤特性都会发生相应改变,高海拔地区的植被高度有增加趋势,而低海拔地区的植被可能出现矮化。然而,在以下方面还存有不确定性：（1）气候变暖导致的植被特征变化是否会减弱全球气候变化;（2）在较长时间尺度上气候变暖如何影响植物的物候和生长,特别是植物的体型;（3）高寒生态系统冬季土壤呼吸对气候变暖如何响应。     

干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系研究进展

研究干旱半干旱草地生态系统与土壤水分关系和相互作用机理对于揭示草地生态系统稳定性及其水土关键要素的变化过程具有重要意义。从不同界面、不同尺度综述了草地生态系统对土壤水分的影响及草地生态系统的响应与适应机制,总结了草地生态系统与土壤水分关系模型研究的相关进展,并分析了气候变化对草地生态系统和土壤水分关系的影响。草地生态系统通过影响水文过程和生态过程来影响土壤水分,土壤水分在植物生长发育、形态、生理生态过程、种间关系、群落组成和结构以及草地生态系统功能等方面对草地生态系统产生影响;充分揭示草地生态系统-土壤水分相互作用机理是模型研究的关键;气候变化对草地生态系统植物与土壤水分关系具有重要影响。今后应加强以下研究:1)开展草地不同优势种和植物功能型与土壤水分关系的研究,找出能反映植物对土壤水分响应的性状指标,阈值响应点及适应机制;2)注重对不同时间和空间尺度上的转换和比较;3)加强个体、群体和生态系统尺度草地植物生长模型的研究及其与土壤-植被-大气水分传输模型的耦合;4)加强草地生态系统与土壤水分关系对气候变化响应的研究。     

季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响

全球气候变化引发的雪被格局变化将深刻影响植被的凋落物分解、陆地生态系统的土壤养分循环等过程.森林是陆地生态系统的主体,在全球生物地球化学循环中起着不可替代的作用.本研究综述了季节性雪被变化对森林凋落物分解及土壤氮动态的影响.全球气候变化情景下季节性雪被表现出因地域而异的增加或减少的变化格局,一方面通过改变环境温湿度、凋落物质量、分解者动态等直接影响分解过程,另一方面通过改变森林群落结构、植被物候、土壤养分等间接地作用于凋落物分解.同时,季节性雪被通过影响氮富集作用、雪被下土壤温湿度、冻融循环、森林群落、雪下动物和微生物等相关因子而改变森林土壤氮循环.本领域未来应开展的研究是: 1) 全面考虑全球气候变化情景下季节性雪被格局的变异性,开展不同季节性雪被格局变化的模拟研究;2) 开展季节性雪被融雪水淋溶作用对森林凋落物分解和土壤氮动态的影响研究;3) 阐明不同生态系统和气候带中季节性雪被格局变化对森林凋落物分解过程和土壤氮动态的驱动机制研究;4) 量化季节性雪被变化对森林凋落物分解和土壤氮动态在雪被覆盖期的瞬时影响和无雪期的延续影响,为阐明和模型预测陆地生态系统生物地球化学循环对全球气候变化的响应提供理论基础和数据支持.     

云南省植被水分利用效率时空变化及影响因素

对云南省植被水分利用效率(WUE)的时空特征及影响因素进行研究可以更加全面的了解全球气候变化在区域上的响应。基于MODIS数据定量估算了2000—2014年云南省植被水分利用效率，利用趋势分析法和相关分析来对其时空格局和影响因素进行研究。研究结果表明：(1)云南省植被WUE整体呈现显著上升的趋势，增速为0.0078 gC mm^-1 m^-2 a^-1,年内表现为“M”型的变化趋势。2009—2013年的干旱对该地区植被WUE产生了滞后的正效应。不同土地利用类型下的植被WUE从高到低依次为森林，灌木地，草地和耕地。(2)在空间分布上植被WUE呈现西部高于东部的分布特征；在时间尺度上呈现北增南减的趋势。云贵高原与青藏高原的连接区域——丽江市的植被WUE最高，整体上大于2.5 gC mm^-1 m^-2。澜沧江上游的三江并流区植被WUE随着山脉的走势呈现条状变化分布，不仅是植被WUE的低值集中区，同时也是植被WUE增加10%以上的集中区，另外滇东北和滇东南也是植被WUE的低值区。总的来看，除...     

干旱沙漠边缘地带7种沙生植物适应性机理

对干旱沙区极端生境下植物适应策略的研究有助于揭示该区植物群落演替机理,预测生态系统的稳定性和演替方向,为固沙工程和生态恢复提供理论依据。本文对流动沙丘-固定沙地这一过渡带上不同群落中出现的7种优势植物种的适应策略进行了研究。结果表明:流动沙丘优势植物种沙米(Agriophyllum squarrosum)拥有高蒸腾速率(Tr)和高水分利用效率(WUE)峰值,且WUE的峰值出现在较为干旱的土壤水分条件;相反,固定沙丘优势植物种小画眉草(Eragrostis poaeoides)表现出保守的利用水分特征(低Tr,高WUE峰值,WUE的峰值出现在较为湿润的土壤水分)。我们对此过渡带的7种高等植物定义为高耗水量[沙米、花棒(Hedysarum scoparium)、油蒿(Artemisia ordosica)、刺蓬(Salsola ruthenica)]、中耗水量[蒙古虫实(Corispermum mongolicum)]和低耗水量[雾冰藜(Bassia dasyphylla)、小画眉草]3种主要的水分利用类型,并发现植物的水分消耗量(在其优势分布沙丘类型的根际土壤水分条件下)与其盖度呈显著负相关(R2=0.94,P0.01);提示植物水分利用特征的不同和土壤水分分布的不同是两个主要的影响植被分布格局的因素,影响着土壤水分平衡和干旱沙漠绿洲生态系统的演替过程。土壤理化性质对植物的影响作用在固定和半固定沙丘上表现显著,而土壤水分的影响作用在流动和半流动沙丘中表现的更加显著。     

亚洲半干旱区碳水通量时空格局及驱动因素

亚洲半干旱区生态系统敏感，环境问题突出，作为全球近30年来碳水通量变化最大的区域，明确其碳水通量的时空分布格局和驱动因素对区域资源管理与可持续发展、全球气候变化等领域具有重要意义。基于植被与土壤湿度的联合同化产品(LPJ-Vegetation and soil moisture Joint Assimilation, LPJ-VSJA),结合研究区植被及气象数据，分析了亚洲半干旱区2010—2018年碳水通量植被总初级生产力(GPP)、蒸散发(ET)和水分利用效率(WUE)的时空变化、年际变化贡献率以及驱动因素。结果表明：(1)2010—2018年亚洲半干旱区年均GPP、ET、WUE空间格局总体呈“双夹型”,中高纬度与低纬度地区的碳水通量值大于中纬度区域。(2)2010—2018年GPP、ET和WUE的年际变化总体都呈现增长趋势，但只有GPP呈现显著增长趋势(P<0.05),增速为7.82 g C m^-2 a^-1。(3)WUE的年际变化表现为总体先增加后减少，正值中农田对WUE年际变化贡献率最大(54.6%),森林生态系统在面积占比仅有...     

植物功能性状对全球气候变化的指示作用研究进展

以大气CO2浓度升高、大气温度升高、干旱胁迫加剧及紫外辐射增强为特征的全球变化对陆地生态系统产生巨大影响,植物作为陆地生态系统的重要组成部分,其功能性状对全球变化的指示作用为探寻全球变化规律、减缓气候变化提供了科学依据。该文主要综述了植物生理功能性状改变(形态变化、气孔调节、光合结构及光合途径改变和植物光合、呼吸速率及水分生理变化等)和物候功能性状改变对全球变化的指示作用,以及植物群落物种丰富度或数量增加等群落特征变化对全球气候变暖的指示作用。最后指出,完善植物功能性状指标和建立从植物个体、群落到生态系统功能的网络指示系统是今后植物功能性状指示研究的发展方向。     

水分条件变化对土壤微生物的影响及其响应机制研究进展

土壤微生物在维持陆地生态系统服务中扮演着重要的角色.土壤水分条件是影响微生物活性与生态系统功能的重要因素之一,全球气候变化所引起的极端干旱与降雨必将加速土壤水分的剧烈变化.由于不同土壤微生物对干旱胁迫的耐受性不同及其对水分变化的响应差异,使得土壤水分条件变化直接改变了土壤微生物活性与群落结构,进而对微生物介导的关键过程与土壤生态系统功能造成深刻的影响.因此,全面深入地理解水分条件变化下土壤微生物群落的结构变化特征与响应机制具有重要意义.本文在总结土壤水分条件变化对土壤微生物活性(土壤呼吸与酶活性)和微生物群落结构的影响的基础上,进一步阐述了土壤微生物对干旱胁迫与水分条件变化的响应机制和生态学策略,包括: 1)积累胞内溶质、产生胞外聚合物、进入休眠状态等应对干旱胁迫的细胞生理策略;2)微生物之间、微生物与植物之间相关抗逆性基因的转移及土壤微生物群落的功能冗余等应对水分变化的微生物机制.研究水分条件变化下土壤微生物群落结构及生态系统功能之间的内在联系,不仅有助于进一步剖析微生物介导的土壤生态过程,而且能够为今后陆地生态系统对气候变化的响应研究和模型预测提供理论依据.     

生态系统水分利用效率研究进展

水分利用效率(WUE)是反映生态系统水碳循环相互关系的重要指标,开展生态系统水平WUE的时空变异性的研究有助于预测气候变化对生态系统水碳过程的影响.目前不同研究常常基于不同的算法估算生态系统WUE,一方面不同算法因包含了不同复杂程度的水过程而有着不同的内涵,另一方面各种算法又因包含了相同的核心过程而有着密切的联系.长期以来人们通过传统的生物量动态调查和生态系统水文过程的测定来估算生态系统的WUE,但该方法大大限制了在短时间尺度上对生态系统WUE进行分析,近年来发展起来的以涡度相关为代表的新技术的应用使得研究生态系统WUE在多个时空尺度上的变异特征取得了突破性的进展.生态系统WUE的主要影响因子与叶片尺度相似,主要有空气饱和水气压差(VPD)、土壤水分、大气CO2浓度、Ci/Ca等,另外,生态系统水分平衡特征也有着重要影响.比较分析表明,森林与草地生态系统WUE的日变化和季节变化存在显著的差异,同时森林和农田生态系统的WUE整体高于草地、荒漠和冻原.当前生态系统WUE的研究尚处于初始阶段,许多工作仍需深入开展,其中,多时间尺度以及生态系统间WUE的时空变异特征及机理的对比研究可能是未来工作的热点.     

植物功能性状与环境和生态系统功能

植物性状反映了植物对生长环境的响应和适应,将环境、植物个体和生态系统结构、过程与功能联系起来(所谓的“植物功能性状”)。该文介绍了植物功能性状的分类体系,综述了国内外植物功能性状与气候(包括气温、降水、光照)、地理空间变异(包括地形地貌、生态梯度、海拔)、营养、干扰(包括火灾、放牧、生物入侵、土地利用)等环境因素,以及与生态系统功能之间关系的研究进展,探讨了全球变化(气候变化和CO₂浓度升高)对个体和群落植物功能性状的影响。植物功能性状的研究已经取得很多成果,并应用于全球变化、古植被恢复和古气候定量重建、环境监测与评价、生态保护和恢复等研究中,但大尺度、多生境因子下的植物功能性状研究仍有待于加强,同时需要改进性状的测量手段;我国的植物功能性状研究还需要更加明朗化和系统化。     

Modeling the spatial–temporal dynamics of water use efficiency in Yangtze River Basin using IBIS model

Climate change alters regional water and carbon cycling, which has been a hot study point in the filed of climatology and ecology. As a traditionally “water-rich” region of China, Yangtze River Basin plays an important role in regional economic development and ecosystem productivity. However, the mechanism of the influence of climate change on water and carbon cycling has been received little attention. As a coupling indicator for carbon and water, the water use efficiency (WUE) is widely used, which indicates the water consumption for carbon sequestration in watershed and regional scale. A lot of studies showed that climate change has significantly affected the water resource and production of the ecosystems in Yangtze River Basin during the period of 1956–2006, when great climate variations were occurred. To better understand the alternation pattern for the relationship between water and carbon cycling under climate change at regional scale, the WUE and the spatiotemporal variations patterns were simulated in the study area from 1956 to 2006 by using the Integrated Biosphere Simulator (IBIS). The results showed that the WUE spatial pattern had the annual and seasonal variations. In general, the average annual WUE value per square meter was about 0.58 g C/kg H₂O in Yangtze River Basin. The high WUE levels were mainly distributed in the eastern area of Sichuan, western area of Jiangxi and Hunan, and the highest value reached 0.88 g C/kg H₂O. The lowest WUE’s were mainly located in the western area of Sichuan and Qinghai with the lowest values reaching to 0.36 g C/kg H₂O. The WUE in other regions mostly ranged from 0.5 to 0.6 g C/kg H₂O. For the whole study area, the annual WUE slowly increased from 1956 to 2006. The WUE in the upper reaches of Yangtze River increased based on the simulated temporal trends, which mainly located in the western area of the Sichuan Basin; the WUE of the middle reaches of Yangtze River had increased slightly from 1987 to 1996, and then decreased from 1996 to 2006; the lower reaches of Yangtze River always had smaller WUE’s than the average from 1956 to 2006. The spatiotemporal variability of the WUE in the vegetation types was obvious in the Yangtze River Basin, and it was depended on the climate and soil conditions, and as well the disturbance in its distribution areas. The temporal variations of WUE among different vegetation types had similar trends but different in values. The forest type had higher WUE than any other vegetation types ranging from 0.65 to 0.8 g C/kg H₂O. The WUE of shrubland ranged from 0.45 to 0.6 g C/kg H₂O. The WUE of tundra was the lowest, indicating the differences in plant physiology. The consistence of the spatial pattern of WUE with the NPP indicated that the regional production of Yangtze River Basin increased based on the water resources prompted and vegetation restoration. We found the drought climate was one of critical factor that impacts the alteration of WUE in Yangtze River Basin in the simulation.     

Winter climate change in plant–soil systems: summary of recent findings and future perspectives

The winter climate is changing in many parts of the world, and it is predicted that winter climate change will modify the structure and function of plant–soil systems. An understanding of these changes and their consequences in terrestrial ecosystems requires knowledge of the linkage between above- and below-ground components as well as the species interactions found in plant–soil systems, which have important implications for biogeochemical cycles. However, winter climate-change studies have focused on only a part of the ecosystem or ecological process. We summarize here recent findings related to the effects of winter climate and its changes on soil nitrogen (N) dynamics, greenhouse gas (N₂O) emissions from the soil, N use by individual plants, vegetation development, and interactions between vegetation and pollinators to generate an integrative understanding of the response of the plant–soil system to winter climate change. This review indicates that the net effects on plants, soil microbes, pollinators, and the associated biogeochemical cycles are balanced among several processes and are highly variable depending on the context, such as the target species/functional group, original winter condition of the habitat, and type of climate change. The consequences of winter climate change for species interactions among plants, associated animals, and biogeochemical cycles are largely unknown. For further research, a large-scale comparative study to measure ecosystem-level functions is important, especially in less-cold ecosystems.     

Observed and modelled historical trends in the water‐use efficiency of plants and ecosystems

Plant water‐use efficiency (WUE, the carbon gained through photosynthesis per unit of water lost through transpiration) is a tracer of the plant physiological controls on the exchange of water and carbon dioxide between terrestrial ecosystems and the atmosphere. At the leaf level, rising CO₂ concentrations tend to increase carbon uptake (in the absence of other limitations) and to reduce stomatal conductance, both effects leading to an increase in leaf WUE. At the ecosystem level, indirect effects (e.g. increased leaf area index, soil water savings) may amplify or dampen the direct effect of CO₂. Thus, the extent to which changes in leaf WUE translate to changes at the ecosystem scale remains unclear. The differences in the magnitude of increase in leaf versus ecosystem WUE as reported by several studies are much larger than would be expected with current understanding of tree physiology and scaling, indicating unresolved issues. Moreover, current vegetation models produce inconsistent and often unrealistic magnitudes and patterns of variability in leaf and ecosystem WUE, calling for a better assessment of the underlying approaches. Here, we review the causes of variations in observed and modelled historical trends in WUE over the continuum of scales from leaf to ecosystem, including methodological issues, with the aim of elucidating the reasons for discrepancies observed within and across spatial scales. We emphasize that even though physiological responses to changing environmental drivers should be interpreted differently depending on the observational scale, there are large uncertainties in each data set which are often underestimated. Assumptions made by the vegetation models about the main processes influencing WUE strongly impact the modelled historical trends. We provide recommendations for improving long‐term observation‐based estimates of WUE that will better inform the representation of WUE in vegetation models.     

陆生植物稳定碳同位素组成与全球变化

分析了大气CO₂浓度、温度、降水和海拔高度等环境因素对陆生植物稳定性碳同位素组分的影响及其作用机理,综述了国内外碳稳定同位素技术在全球变化研究中的进展和应用,如重建大气CO₂浓度变化,揭示温度、降水对树木生长的“滞后效应”和“幼龄效应”,确定不同光合型植物随海拔高度的分布变化,以及通过碳稳定同位素技术揭示不同时间尺度上和不同气候条件下的植物水分利用效率变化及不同生活型植物的水分利用效率差异,并探讨研究中存在的问题及其研究前景.     

全球变化下植物物候研究的关键问题

总结了全球变化下植物物候研究的主要进展,针对该领域国内外的几个热点问题进行了讨论。植物物候研究的重心从以前的野外观测和初步统计分析逐步过渡到以揭示物候周期的调控机制和环境效应为主,研究手段从植物物候对环境变化做出反应的表象描述转移到多尺度、多要素耦合关系的综合分析。随着学科交叉研究的不断深入,植物物候研究从植物个体及居群适应性研究转向植物物候变化对生态系统、气候演变、农业生产乃至人类健康等方面影响的系统评估。并且在该转变过程中出现了几个关键性问题,如不同温度带大气温度与光周期对植物物候期贡献力问题、植物物候变化对气候变暖的非线性响应特征、群落水平上植物物候研究的复杂性、以及农业生态系统中作物物候研究的重要性等。对我国植物物候研究现状和管理体系中亟待解决的问题提出了建议。