新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

基于景观尺度下的鄱阳湖湿地浅层土有机碳的空间特征

湿地土壤有机碳研究是全球碳循环研究的基础性工作, 对于准确评估湿地固碳增汇和全球温室气体减排都具有重要意义。以鄱阳湖国家自然保护区为研究区域, 选择六种景观类型(湿地洲滩景观包括受人工控制的碟形湖泊常湖池、半人工控制的碟形湖泊蚌湖、不受人工控制的洲滩前缘泗洲头以及岗地景观包括林地、田地和菜地), 湿地洲滩景观在各1 m高程(泗洲头和蚌湖采样高程10-17 m, 常湖池采样高程12-17 m)内的浅土壤采取3个土壤样品, 岗地景观浅层土壤各采取3个土壤样品, 分析浅层土壤有机碳含量。结果表明, 鄱阳湖不同景观类型的浅层土壤有机碳含量差异性显著。湿地洲滩浅层土壤(特别是0-10 cm土层)的有机碳随高程梯度变化呈现倒U型变化, 即低海拔与高海拔土壤有机碳的含量较中海拔土壤有机碳的含量低, 泗洲头洲滩土层0-10 cm的有机碳含量最高值出现在13-14 m高程, 其中0-10 cm土层的土壤有机碳含量变化值为1.56-12.29 g·kg-1, 10-20 cm土层的土壤有机碳含量变化值为0.96-8.19 g·kg-1; 蚌湖洲滩土层0-10 cm的有机碳含量最高值出现在14-15 m高程, 其中0-10 cm土层的土壤有机碳含量变化值为6.36-23.32 g·kg-1, 10-20 cm土层的土壤有机碳含量变化值为4.14-8.88 g·kg-1; 常湖池洲滩土层0-10 cm的有机碳含量最高值出现在16-17 m高程, 其中0-10 cm土层的土壤有机碳含量变化值为6.51-18.91 g·kg-1, 10-20 cm土层的土壤有机碳含量变化值为3.83-10.05 g·kg-1。岗地浅层土壤有机碳(特别是0-10 cm土层)田地的土壤有机碳含量最高, 菜地土壤有机碳含量最低。比较六种景观类型的浅层土壤有机碳含量, 泗洲头洲滩浅层土壤有机碳含量最低, 蚌湖洲滩浅层土壤有机碳含量最高。六种景观类型的浅层土壤有机碳含量呈现一致的现象是土层0-10 cm的机碳含量明显高于土层10-20 cm的有机碳含量, 说明鄱阳湖国家自然保护区内土壤有机碳含量主要富集在土壤浅层的特征。土壤pH值对湿地土壤有机碳呈显著负相关性, 而土壤含水量、地上部分生物量与土壤有机碳呈显著正相关性。     

云杉碳氮化学计量比对土壤水分和氮有效性的响应

以西南亚高山针叶林优势种——粗枝云杉(Picea asperata)为研究对象,探究不同土壤水分状况和氮添加下云杉碳氮化学计量比的变化及其响应过程。采用两因素(水分×氮素)随机区组实验,设置5个土壤水分梯度和3个氮添加浓度,其中土壤水分梯度分别是土壤田间持水量的40%(W1)、50%(W2)、60%(W3)、80%(W4)和100%(W5),氮添加浓度分别为0(N0)、20(N1)、40(N2)gNm~(-2) a~(-1)。结果表明:(1)土壤水分和氮添加显著影响了云杉碳氮化学计量比(P0.05),具体为:云杉植株和器官碳氮比在N0W4处理下最大值,随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而降低。(2)随土壤水分有效性的降低,根和叶的碳含量显著升高(P0.05),茎和叶的碳含量随着氮添加浓度的增加而降低。此外,土壤水分有效性的降低显著提高了根和茎的氮含量(P0.05),各器官的氮含量随着氮添加浓度的增加而增加。在相同水分和氮添加浓度处理下表现为碳含量:叶茎根,氮含量:叶根茎。(3)云杉净光合速率随土壤水分有效性的降低先升高后降低,随氮添加浓度增加而增加,在N2W4达到最大。(4)根对NH~+_4和NO~-_3的净吸收速率随土壤水分有效性的降低而减小,随氮添加浓度的增加而显著增加(P0.05)。此外,根对NH~+_4的净吸收速率与土壤有效氮含量呈显著负相关关系(P0.05)。本研究表明,土壤水分和氮添加影响了云杉的碳同化和氮吸收过程,改变植物的碳、氮分配策略和养分利用效率,从而导致碳氮比的变化。     

自然条件下滤减UV-B辐射对烤烟光合色素含量的影响

在自然环境中,以烟草栽培品种K326为材料,通过覆盖不同透明薄膜滤减UV—B辐射,研究100％（CK）、75％（T1）、50％（T2）、35％（T3）UV—B辐射透过率处理下,不同强度UV—B辐射对烟草光合色素含量的影响。结果表明：烤烟三类光合色素对UV—B辐射有不同响应。类胡萝卜素对UV—B辐射响应较敏感。成熟初期,类胡萝卜素含量与UV—B辐射强度变化具有较好的正相关性,而chl a和chl b含量基本与UV—B辐射强度呈反向变化关系。成熟后期,由于UV—B辐射累积效应,光合色素含量变化没有明显规律。现蕾期至成熟采烤烟初期,chl a：chl b与UV—B辐射的反向变化关系较明显,后期则无明显规律,其含量的下降与UV—B辐射的累积效应有关。     

UV-B滤减处理下烟草光合作用参数对光照度的响应

以烟草栽培品种K326为材料,通过覆盖不同的透明薄膜滤减UV-B辐射,研究了100%（CK）、75%（T₁）、50% (T₂)、35%（T₃）UV-B辐射透过率处理下,烟草成熟初期光合参数与50和150 cm高度光照度的关系。结果表明：对于T₁、T₃,烟叶净光合速率的变化主要是气孔因素,而T₂主要是非气孔因素;通过对4类处理的平均水分利用效率的比较,发现可能存在一个UV-B辐射对水分利用效率影响的阈值范围;150 cm高度光照度除了对蒸腾速率和T₂处理的气孔导度起促进作用外,对其他光合参数都有一定的抑制作用;而不同处理的烟叶光合参数对50和150 cm高度上的光照度的响应都较为一致,在敏感程度上则存在差异。     

板蓝根种子的吸水特性及发芽条件研究

采用室内测定方法,对板蓝根种子的吸水特性及不同处理下种子的发芽率、发芽势和相对活力指数等进行比较研究。结果表明,板蓝根种子具有快速吸水的生物学特性,分为快速吸水期、缓慢吸水期和缓慢吐水期三个阶段,入水后2 h的吸水量达最大吸水量的73.29%,为快速吸水阶段;温度对板蓝根种子的萌发影响较大,最适发芽温度为30℃。光照、发芽床和种子预处理对板蓝根种子的萌发无明显影响。这说明板蓝根种子的萌发主要取决于水分和温度。     

内皮素-1通过L-型钙通道的Ca^2＋内流和钙致钙释放诱导心肌细胞内[Ca^2＋]的增加

本研究利用fura-2-AM荧光成像和膜片钳技术,发现内皮素-1（Endothelin-1,ET-1）可显著提高大鼠分离心肌细胞内钙离子水平（[Ca^2＋]i）,激活心肌细胞钙通道．ETA受体阻滞剂BQ123能够消除ET-1提高[Ca^2＋]i的效应,而ETB受体阻滞剂BQ788对该效应无影响,用ryanodine受体阻断剂ryanodine（10μmol／L）预处理,可以使ET-1诱导的[Ca^2＋]i的增加抑制46.7％,蛋白激酶A（PKA）的抑制剂、蛋白激酶C（PKC）的抑制剂和血管紧张素Ⅱ-型受体（ATI receptor）的抑制剂都能够抑制ET-1诱导的[Ca^2＋]i的增加,本研究发现ET-1能够提高全细胞L-型钙通道电流的幅度,增加L-型钙通道单通道的开放概率．并且BQ123完全阻止了ET-1诱导的L-型钙通道开放概率增加的效应．本研究证明了ET-1通过一系列机制调节钙超载,包括L-型钙通道的激活,钙致钙释放（CICR）,ETA受体,PKC,PKA和血管紧张素Ⅱ-型受体也参与到了这个途径中。     

力学载荷对骨整合影响的动物实验

植入体的骨整合使植入体与骨组织间形成牢固的接合, 可承受功能性生理载荷. 加载时间是决定植入体骨整合进程的关键因素. 然而, 关于初期载荷是否影响骨整合的进程, 或者, 无载荷愈合期是否可以缩短等问题现在还不清楚. 本文通过动物实验, 研究在骨愈合初期, 外部载荷如何影响骨整合的进程. 将钛植入体侧向植入山羊胫骨, 从术后4周开始, 对植入体加不同大小轴向载荷. 加载两周时, 取下连带植入体的胫骨; 设计专门的“拔出”力测试实验, 以检测不同分组(包括加载组和无载荷组)植入体的拔出力、骨-植入体界面的剪切强度. 并采用组织学染色、能量色散谱(energy dispersive spectroscopy, EDS)和扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)分析骨-植入体界面特征, 以评价骨整合状态. 结果表明, 术后4周时, 骨-植入体界面没有良好的骨整合, 在无载荷组样本的骨-植入体界面处可发现成纤维样组织, 而轴向10 N加载组样本的骨-植入体界面则发生良好的骨整合. 这表明, 植入手术后一定的载荷可以有利于骨整合的发生. 本研究提示, 术后初期的载荷会影响植入体骨整合的进程, 而适宜的载荷可缩短术后骨整合发生的时间.     

长江中游鱼类资源量的估算

为了解长江中游的鱼类资源现状,于2018年5和6月以及9和10月在宜昌、石首、洪湖、武汉和湖口5个江段进行了渔获物调查工作。通过统计各江段的渔业捕捞情况,计算年捕捞量。用体长股分析方法,对铜鱼(Coreius heterodon)、鳊(Parabramis pekinensis)和瓦氏黄颡鱼(Tachysurus vachelli)的资源量进行估算,并以此推算各江段的鱼类总资源量。结果显示,宜昌江段的鱼类年总资源量1077.36 t,其中,铜鱼为623.25 t;石首江段的年总资源量为2190.74 t,铜鱼为698.19 t;洪湖江段的鱼类年总资源量为58.57 t,其中,瓦氏黄颡鱼为0.41 t;武汉江段的鱼类年总资源量1010.54 t,其中,鳊为148.65 t;湖口江段的年鱼类总资源量14.55 t,瓦氏黄颡鱼为0.032 t。估算结果可以为长江中游鱼类资源保护措施的制定提供数据参考。     

基于增强回归树与区域增温敏感性指数的城市升温效应空间分异

热岛效应已成为城市化进程中备受关注的城市生态环境问题。有关城市热岛效应的研究对区域在地表升温过程中的空间分异关注尚不足。通过设计区域增温敏感性指数,借助增强回归树（boosted regression tree,BRT）机器学习算法,量化城市不同区域在地表升温过程中的敏感性差异。结果表明：（1）上海市各辖区增温敏感性从高至低依次是：黄浦区、杨浦区、虹口区、静安区、普陀区、徐汇区、长宁区、宝山区、闵行区、浦东新区、嘉定区、奉贤区、松江区、青浦区、金山区、崇明区;（2）区域增温敏感性在不同的温度梯度下具有明显差异,在高温梯度下区域间指数值的差异最大;（3）地表覆被的增温敏感性存在明显的区域分异特性;（4）基于BRT的增温敏感性指数具有较好的指示意义和较高的灵敏度。在城市热环境持续恶化背景下,探讨城市异质空间中地表温度变化的敏感性可为城市热环境调控提供科学依据。