碳供给与碳利用对树木生长的限制机制

树木生长固碳过程使森林生态系统成为减缓大气CO_2浓度升高的一个巨大而持续的碳汇。根据树木可利用碳的状况,限制树木生长的机制可分为碳供给限制和碳利用限制。许多环境因子交互作用,共同影响树木的碳供给与碳利用,因而很难量化碳供给和碳利用活动及其对环境变化敏感性对树木生长的影响。因此,从碳供给与碳利用角度揭示环境变化对树木生长影响的生理机制,对于预测全球变化背景下树木生长及森林碳汇功能至关重要。为此,该文介绍了树木生长碳供给与碳利用限制争议的相关背景;从碳供给与碳利用角度探讨了叶损失、干旱和低温等胁迫条件限制树木生长的生理机制;提出该领域今后应优先研究的3个问题:(1)探索非结构性碳水化合物(NSC)储存形成的调控机制,确定什么情况下以及多大程度上树木通过主动降低生长而将光合产物优先分配给NSC储存;(2)加强碳利用活动研究,系统测定光合产物在其碳利用组分的分配(特别是根系及其共生微生物活动);(3)开展树木碳代谢、矿质营养与水分生理的互作研究,充分认识树木碳、水和养分耦合关系及对树木生长的影响。     

虫害叶损失造成的树木非结构性碳减少与树木生长、死亡的关系研究进展

大规模虫害爆发可造成区域森林死亡, 近年的气候变化进一步增加了虫害的频度和危害程度。森林和林地植物死亡会导致植被生产力降低, 改变生态系统结构和功能, 使森林由一个净的碳汇转变为一个碳源。因此, 加深虫害对树木危害机制的认识有重要意义。虫害造成的叶损失(虫害叶损失)降低树木光合作用能力, 增加非结构性碳(NSC)消耗, 使得树木体内碳储备降低, NSC降低到一定程度会导致树木因碳饥饿而死亡。外部环境和树木自身的补偿性机制也会对这个过程产生正或负的影响。在近年气候变化背景下, 树木死亡在全球尺度上增多, 重新激起了人们对碳饥饿的重视, 碳饥饿被视为解释树木死亡的主要生理机制之一。该文介绍了碳饥饿的定义, 综述了虫害叶损失减少树木NSC储备与树木生长、死亡的关系, 以及树木虫害和叶损失与气候变化之间的关系, 并对今后的研究进行了展望。     

增温对南亚热带常绿阔叶林4种幼树生长和碳氮磷化学计量特征的影响

为了解不同物种在气候变暖条件下的生长及养分利用策略,研究选取南亚热带常绿阔叶林4种具代表性的典型乔木树种幼苗（1年生）木荷（Schima superba）、红锥（Castanopsis hystrix）、红枝蒲桃（Syzygium rehderianum）和海南红豆（Ormosia pinnata）为研究对象。采用红外-箱式增温的方法（2016年1月至2018年12月期间,年平均气温升高2.26℃,P<0.05）,研究了4种幼苗生长以及各器官中C、N、P化学计量特征和非结构性碳水化合物（NSC）含量对增温的响应。结果表明：增温促进了红锥和海南红豆（除2017年6月）的生长,但降低了木荷（增温1年后）和红枝蒲桃的生长（P<0.05）。增温显著降低了木荷细根、红锥茎干和海南红豆枝的P含量（P<0.05）,与对照相比,分别降低了1.91%、18.70%和46.07%。增温增加了固氮物种海南红豆细根N含量,但降低了其叶片N含量（P<0.05）,增温对其它树种N含量无显著影响。木荷茎干N∶P和海南红豆的细根N∶P在增温下分别升高了30.42%和90.29%（P<0.05）。此外,增温显著升高了木荷和红枝蒲桃叶片的可溶性糖含量（P<0.05）。以上结果表明,增温对南亚热带常绿阔叶林植物的影响存在种间差异,木荷和红枝蒲桃在增温条件下生长受限,但促进了红锥和海南红豆的生长,未来气候变暖可能会改变该生态系统的养分竞争平衡,进而可能会改变群落组成。     

小麦非结构性碳水化合物分配对水分胁迫的生理响应

以‘西旱2号’小麦为试材,采用水分胁迫和复水处理方法,研究了小麦发育过程中不同水分胁迫下非结构性碳水化合物(NSC)在小麦旗叶、茎、叶鞘等器官中的动态变化,以及籽粒中碳代谢相关酶(可溶性淀粉合成酶SSS和淀粉粒结合态合成酶GBSS)活性的变化.结果表明:不同程度水分胁迫对小麦旗叶、茎、叶鞘等器官中蔗糖含量无显著影响.随水分胁迫的深入,花后12～ 18 d旗叶中淀粉含量显著增加;水分胁迫缩短了花后茎和叶鞘中淀粉的积累时间,抑制了茎中淀粉的转化和分配;而叶鞘中淀粉的积累逐渐增大,在中度水分胁迫下积累提前终止.在水分胁迫初期,各营养器官中的NSC含量为旗叶＞茎＞叶鞘;随着水分胁迫的深入,各营养器官中的NSC含量为茎＞旗叶＞叶鞘.小麦主要营养器官中NSC的分配速率及主要代谢酶的变化可能是小麦对水分胁迫的一种生理调节反应.     

树木木质部生长动态及其调节机制研究进展

全球变化对树木木质部生长产生了深远影响,进而影响了森林生态系统的固碳功能以及全球生态系统能量和物质的循环过程。树木木质部生长动态主要包括形成层活动开始和结束的时间、生长季长度以及分裂速率等,其受到多种因素的共同调节,如植物激素、碳水化合物、氮素和气象因子等。通过在精细的时间尺度上对比研究树木木质部生长动态,揭示木质部形成的决定因子,可以加深对树木生长生理机制的理解,从而提高其对气候变化响应的预测精度。对近年来在木质部的形成动态及其调节机制方面取得的研究进展进行了综述,并对未来的研究方向进行了展望。     

去叶对青杨雌雄植株生长和非结构性碳水化合物的影响

近年来,森林食叶害虫在全世界呈爆发趋势.树木的非结构性碳水化合物(NSC)如何响应叶片损失对其生长和生存至关重要.雌雄异株植物在维持森林生态系统稳定性方面扮演着重要角色.然而,目前对该类植物性别之间如何响应去叶的研究还比较少.本文以我国重要的经济和生态恢复树种青杨(Populus cathayana)为研究材料,比较了...     

夏季水涝对白皮松根系电阻抗特性及生长生理的影响

气候变化背景下夏季极端降水发生频率增加,夏季水涝通过影响根系,从而影响树木生长和存活,对森林生态造成严重破坏。树木根系埋于地下,水涝后根系变化不易观测。研究目的是利用电阻抗图谱法非破坏性测定根系电阻抗特性,通过分析电阻抗参数与根系生长生理指标的相关性,为快速了解水涝胁迫后白皮松地下根系的受害程度提供新方法。本研究以我国北方造林常用的白皮松四年生苗木为试验材料,于夏季进行水涝处理:i)对照(CK),正常管理;ii)连续水涝3周(CWL);iii)间歇水涝3周(IWL,水涝1周+排水1周,循环3次,总计水涝时长3周)。水涝后及后续恢复生长期对白皮松根系进行了电阻抗图谱测定及图谱归类分析(CLAFIC,Class-Featuring Information Compression)。对根系形态指标、非结构性碳水化合物、丙二醛含量进行了测定并分析与电阻抗参数的相关性。CWL和IWL处理下白皮松的根系形态指标较CK降低,且IWL处理下根系形态指标在恢复期显著低于CK和CWL处理,表明连续和间歇水涝3周均抑制了白皮松的根系生长,间歇水涝对根系的伤害较连续水涝更严重,与根系丙二醛含量更高相印证。CWL 和IWL处理下白皮松根系的电阻抗图谱表现出明显的变化,电阻值(Re (Z))低于CK,容抗值(Im (Z))高于CK,恢复生长期间以上参数变化相反。CLAFIC 归类结果显示CWL和IWL在水涝处理期间图谱相似比例最高,在恢复一个月后分别与CK相似比例较高。低频下阻抗损耗系数(δ)与根体积呈线性正相关,与淀粉含量呈线性负相关,表明水涝胁迫后白皮松苗木根系的阻抗损耗系数具有反映根大小和生理状态的潜力。     

特定化合物同位素分析技术在树木非结构性碳水化合物研究中的应用

特定化合物同位素分析(CSIA)可以实现对复杂基质中特定化合物稳定碳同位素组成(δ¹³C)的精确测定。应用此方法测定树木非结构性碳水化合物(NSC)中特定成分(如糖类、有机酸和糖醇)的δ¹³C,不仅能够追踪新同化的光合产物在树木中的运移及与外界的碳交换,还能够更敏感地指示树木生理状况对环境变化的响应。本文首先系统介绍了CSIA从样品采集、处理到δ¹³C测定的方法,然后综述了树木NSC中各成分之间及各成分在不同器官之间的δ¹³C差异,阐述了树木NSC的δ¹³C时间动态变化特征及内在机制,最后分析了NSC作为主要呼吸底物,其δ¹³C与树木呼吸释放CO₂的δ¹³C(δ¹³C_R)之间的联系,并针对CSIA分析技术在后光合分馏、树木逆境生理和年轮δ¹³C形成机制等研究的应用前景提出了展望。     

不同地理种源栓皮栎幼苗生长与物质分配的变化趋势

该研究通过收集栓皮栎5个地理种源(北京平谷、河南内乡、江西永修、湖北秭归和湖南城步)种子并在栓皮栎自然分布南界以南(广东鹤山)进行培育,考察自然增温对不同地理种源栓皮栎当年生幼苗的生长性状、非结构性碳水化合物(NSC)的积累以及迁移和养分分配的影响,探讨在未来气候变暖情景下不同地理种源树木在生长与物质分配方面是否存在某种地理趋势。结果表明:(1)栓皮栎全株NSC浓度随种源地纬度增加而呈显著上升趋势,且该趋势以叶片NSC浓度(特别是可溶性糖浓度)所主导;不同器官间,叶片可溶性糖和根系淀粉浓度均随种源地纬度增加而增加,而根系可溶性糖浓度则相反;茎NSC及其组分无明显地理趋势。(2)在养分方面,栓皮栎不同器官N浓度及叶片P浓度均随种源地纬度的增加而增加,叶片氮磷比则随种源地纬度增加而显著下降;除叶片外,不同器官的N利用效率和P利用效率均随种源地纬度的增加而呈现微弱下降趋势。(3)栓皮栎幼苗的相对生长速率随种源地纬度增加而呈显著下降趋势,且与全株可利用碳库(主要指NSC)呈极显著负相关关系。结合已有研究,初步认为栓皮栎幼苗生长及物质分配的地理格局主要受遗传因素所控制。     

摘叶造成的碳限制对刺槐碳素分配和水力学特性的影响

以3年生刺槐（Robinia pseudoacacia Linn.）为研究对象,通过对其进行连续3次摘叶造成严重碳限制,检测摘叶后刺槐的生物量分配、叶片形态和不同部位的非结构性碳（NSC）浓度,同时检测其根压和根系导水率、枝条水势和导水率损失值（PLC）及茎的抗栓塞能力,研究摘叶造成的碳限制对刺槐碳素分配和水力学特性的影响。结果显示,摘叶显著降低了刺槐不同部位的生物量,其中细根生物量降低程度最大;摘叶还造成了刺槐不同部位NSC浓度显著降低,茎韧皮部、茎木质部、根韧皮部和根木质部的NSC浓度分别为对照的29.6%、20.2%、10.2%和8.7%,且根部NSC的降低程度显著高于茎;碳限制显著降低了刺槐苗木的根压和根系导水率,增加了枝条凌晨和正午的PLC,降低了其抗栓塞能力。研究结果表明摘叶造成的碳限制改变了刺槐的碳素分配模式,限制了碳素向根的分配,抑制细根的发生,进而限制根的水分吸收能力,加重枝条栓塞程度,同时还会导致枝条抗栓塞能力下降,从而降低植物水分输导的安全性。     

葡萄园生态系统碳源/汇及碳减排策略研究进展

葡萄园生态系统是农业生态系统的重要组成部分, 集中连片栽培的葡萄园具有重要的生态价值。开展葡萄园生态系统碳源/汇的研究, 是完整探讨葡萄园生态系统碳循环必不可少的内容。随着葡萄生态学研究的进一步深入, 如何直观地揭示葡萄园生态系统碳循环规律和碳汇功能已经成为葡萄生态学领域关注的热点问题。研究发现, 葡萄园生态系统固定大量碳, 将碳封存在葡萄果实等一年生器官、主干等多年生器官以及土壤碳库中。葡萄园生态系统碳输入量大于碳输出量, 是碳汇; 土壤是葡萄园生态系统最大的碳库, 占总碳储量的70%, 尤其是土藤界面; 覆盖和免耕作为葡萄园的碳减排策略, 可以减少碳排放, 提高葡萄园土壤肥力。基于此, 为了阐明葡萄园生态系统的碳汇价值, 该文围绕葡萄生态学最新研究进展, 系统回顾了葡萄园生态系统中碳循环规律、碳汇研究进展及碳减排策略, 为葡萄生态学的研究提供理论基础, 并对本领域未来的研究方向和应用前景进行展望。     

Physiological and ecological responses to drought and heat stresses in Osmanthus fragrans ‘Boyejingui’

为了探讨植物对干旱、高温及协同胁迫的响应, 该研究以木犀(Osmanthus fragrans) ‘波叶金桂’为材料, 采用盆栽质量控水法模拟干旱胁迫(对照、轻度、中度和重度)和高温胁迫, 利用动态顶空气体循环吸附法和热脱附-气相色谱-质谱(TDS-GC-MS)联用技术对其挥发性有机化合物(VOCs)进行测定; 同时测定其非结构性碳(NSC)含量及次生代谢酶活性。结果表明: 干旱胁迫对‘波叶金桂’叶片NSC组分含量影响不显著; 可溶性糖和淀粉含量在高温胁迫下显著降低, 在协同胁迫后持续性下降, 重度协同胁迫下, 葡萄糖、果糖、蔗糖和淀粉分别比对照降低47.7%、46.4%、34.4%和38.2%。干旱胁迫和协同胁迫下3-羟基-3-甲基戊二酸单酰辅酶A还原酶(HMGR)、1-脱氧木酮糖-5-磷酸还原酶(DXR)活性表现出先上升后下降, 而脂氧合酶(LOX)活性表现出持续性上升趋势; 高温胁迫后, HMGR、DXR和LOX活性显著高于对照。干旱胁迫下萜烯类VOCs释放量表现出先上升后下降趋势, 中度干旱胁迫和高温胁迫下分别比对照高37.9%和32.3%; 协同胁迫下萜烯类释放量逐渐降低, 干旱、高温和协同胁迫诱导醛类释放量明显增加。上述结果表明: 干旱胁迫条件下, ‘波叶金桂’通过NSC进行自我渗透调节, 同时合成大量萜烯类化合物来提高抗旱性; ‘波叶金桂’调控萜烯类化合物合成以及绿叶挥发物(GLVs)的释放抵御高温胁迫; 协同胁迫下萜烯类化合物的合成途径受阻, ‘波叶金桂’提高GLVs合成与释放量抵御协同胁迫; 中度和重度协同胁迫导致‘波叶金桂’细胞膜严重受损, 自我调节能力降低。     

环境胁迫对海草非结构性碳水化合物储存和转移的影响

非结构性碳水化合物在海草体内的代谢对植株的生长有重要影响。为更好地跟踪非结构性碳水化合物在海草响应环境胁迫中所起的作用,根据国内外最新文献,重点综述了光强、营养盐、盐度、海洋酸化、温度、硫化物和动物摄食等环境胁迫对海草非结构性碳水化合物储存和转移的影响。光限制和富营养化均降低非结构性碳水化合物的合成,并使之从地下根茎转移到叶;而海洋酸化却促进非结构性碳水化合物合成并向地下组织转移;盐度变化改变海草体内渗透压,需要非结构性碳水化合物的新陈代谢来维持;温度通过影响光合作用、呼吸作用、氮代谢来影响非结构性碳水化合物的合成与储存;而硫化物和动物摄食则分别通过抑制海草酶的活性和啃食海草光合组织,减少非结构性碳水化合物的合成和储存。同时指出了一些今后关于海草非结构性碳水化合物的重点研究方向:(1)海草不同生命阶段(种子休眠和萌发,发育,繁殖等)非结构性与结构性碳水化合物之间,以及可溶糖与淀粉之间的转化分配机制;(2)双环境因子或者多环境因子对海草非结构性碳水化合物的耦合作用;(3)非结构性碳水化合物作为海草床生态系统健康评价指标的研究与应用。     

干旱胁迫对杉木无性系非结构性碳水化合物含量的影响

以杉木Cunninghamia lanceolata 6个优良无性系组培移栽苗为试材,对聚乙二醇(PEG-6000)模拟干旱胁迫条件下各无性系针叶淀粉、可溶性糖及非结构性碳水化合物(NSC)总量进行测定。结果显示,干旱胁迫致使杉木无性系针叶淀粉含量下降、可溶性糖含量有所提高,NSC含量呈下降趋势(除T-cF1无性系外)。干旱胁迫条件下,可溶性糖含量与针叶相对含水量、丙二醛含量间呈显著正相关(P<0.05),而淀粉含量、NSC与过氧化氢酶活性间均为显著负相关(P<0.05)。