华北平原玉米叶片光合及呼吸过程对实验增温的适应性

利用典型农田生态系统的原位实验增温平台,探讨我国华北平原重要农作物玉米叶片光合及呼吸过程对实验增温的适应性,并深入分析其产生适应性的原因和机理。研究结果显示,实验增温使玉米叶片净光合速率(A_n)显著升高(P0.001),同时增温也导致A_n的最适温度(T_(opt))升高1.56℃;相似地,实验增温也同样导致了光合作用过程中最大电子传递速率(J_(max))显著增加(P0.001),并且其最适温度(T_(opt))升高了1.45℃,但并没有对最大羧化反应速率(V_(cmax))及其温度敏感性(Q_(10))产生显著的影响(P0.05)。然而,实验增温却显著降低了玉米叶片的暗呼吸速率(R_d)及其Q_(10)值(P0.05)。另外,研究结果还显示实验增温没有对R_d/A_g和J_(max)/V_(cmax)产生显著的影响(P0.05)。此外,尽管实验增温显著提高了玉米叶片的蒸腾速率(T_r),但却并没有显著改变叶片的气孔导度(G_s)及水分利用效率(WUE)。研究结果表明,玉米可以通过调控叶片光合及呼吸等关键生理过程的最适温度对增温产生一定的适应性。然而,尽管玉米能够在叶片尺度上做出调整来适应增温环境,但这种适应能力却十分有限,以至于未来气候变暖仍可能会对华北平原玉米的生长发育过程和粮食产量造成一定的影响。     

中国东北典型森林生态系统植物叶片的非结构性碳水化合物研究

植物叶片的非结构性碳水化合物(NSC)不仅可以反应植物的碳供应状况,也能反应植物对外界环境的适应策略。利用传统的蒽酮比色法测定了东北3个典型森林生态系统(呼中、凉水和长白山)242种常见植物叶片的非结构碳水化合物,探讨了温带主要森林植物叶片NSC沿纬度梯度的变化趋势及其在物种-生活型-群落间的分布规律。实验结果表明:3个典型森林生态系统植物叶片可溶性糖、淀粉和NSC含量均呈偏正态分布,多数物种的含量偏中低水平;242种植物叶片可溶性糖、淀粉和NSC的平均含量分别为63.31、65.66和128.96 mg/g。在所调查的森林生态系统中,叶片可溶性糖、淀粉和NSC含量在不同生活型中表现各异。此外,乔木植物叶片的可溶性糖、淀粉和NSC含量从北到南呈递增趋势,呼中最低,凉水次之,长白山最高。乔木淀粉含量均表现为落叶树种大于常绿树种,可溶性糖和NSC含量变化趋势复杂。研究结果不仅为阐明东北主要森林生态系统植被碳代谢和生长适应对策提供数据基础,而且对理解植物对未来气候变化的响应机理提供数据支撑。     

Effects of nitrogen addition on leaf traits of common species in natural Pinus tabuliformis forests in Taiyue Mountain,Shanxi Province,China

Aims Our objectives were to explore the effects of simulated nitrogen deposition on leaf traits and ecological stoichiometry characteristics of common species in natural Pinus tabuliformis forests.
Methods We conducted the experiment of nitrogen (N) addition from 2009 to 2013 in the natural Pinus tabuliformis forests in Taiyue Mountain, Shanxi, China. The levels of N addition were 0 (control), 50 (low-N), 100 (medium-N) and 150 (high-N) kg·hm^-2·a^-1, respectively. Eleven common plant species in 12 20 m × 20 m plots were selected, including Pinus tabuliformis, Quercus mongolica, Acer ginnala, Corylus mandshurica, Cornus bretschneideri, Spiraea salicifolia, Lonicera maackii, Carex callitrichos, Diarrhena mandshurica, Anemone tomentosa, and Polygonatum odoratum. Nine leaf traits were measured, including leaf thickness (LT), specific leaf area (SLA), leaf dry matter content (LDMC), leaf nitrogen content (LNC), leaf phosphorus content (LPC), and other four.
Important findings We found that: 1) LT and SLA of Polygonatum odoratum significantly differed among four levels of N addition. Leaf area (LA) and LDMC of several species, such as Spiraea salicifolia, had significant difference among the N addition concentration. LNC of all species, chlorophyll content (CC) and LPC of most species increased significantly with the addition of N. Leaf N:P of 9 species varied significantly, and leaves with different types and ages showed different responses to N addition. 2) Leaf traits were significantly correlated with each other. For instance, SLA was significantly positively correlated with LNC and LPC. In contrast LT was negatively connected with LNC and LPC. In addition, the degree of correlation changed with the level of N addition. 3) The pattern of species distribution in leaf trait space was consistent with the prediction from the theory of Leaf Economic Spectrum (LES). N addition drove species moving along axis 1 in the trait space, and propelled them towards different directions along axis 2, which indicated that these species tended to take the “fast investment-return” strategy. These results suggested that with the change of environmental conditions, plants changed their survival strategy and adjusted resource allocation to maintain the stability of communities. This is the inherent characteristic of plants, thus the formation of LES did not depend on the environment change.     

大气CO2浓度升高对土壤碳库稳定性的影响

工业革命以来,大气CO₂浓度持续上升,升高的CO₂浓度会改变植物光合产物积累、土壤碳库的碳输入和碳输出过程,进而通过影响有机碳组成和周转特征来调控土壤碳库动态变化。土壤碳库是陆地生态系统碳库的重要组成部分,其碳储量的微小变化都会对大气CO₂浓度和气候变化产生巨大影响。但目前关于CO₂浓度升高对土壤碳库动态和稳定性的影响还不清楚,很大程度上限制了预测陆地生态系统碳循环对气候变化的反馈。系统综述国内外大气CO₂浓度升高对植被生产力、植被碳输入和土壤碳库影响的研究进展,旨在揭示土壤碳库物理、化学组成以及周转特征对CO₂浓度升高的响应过程和机理,探讨CO₂升高情境下土壤微生物特征对土壤碳库稳定性的影响和驱动机制,为深入理解全球变化下的土壤碳循环特征提供理论支撑。     

中国植物群落生产力由东向西分布格局及其驱动因素

植物群落生产力是表征植物群落光合生产能力的重要参数,是维护生态系统稳定性与可持续发展的基础。研究沿中国东西样带(WETC)的水热梯度对植物群落展开野外调查,并基于调查数据计算植物群落地上生物量(AGB)及地上净初级生产力(ANPP),结合环境因子对我国植物群落生产力的东西分布格局及其驱动因素进行了探讨。中国东西样带(WETC)沿30°N设置,水热梯度明显,具有良好的植被、气候等环境因素的过渡特征。在该样带上,ANPP和AGB均具有明显的经度地带性和垂直地带性分布特征,并且其空间分布特征能够较好地被环境因子所解释;具体关系为：ANPP、AGB和年降水(MAP)、生长季温度(T_gs)、CO₂分压(Pco₂)呈显著正相关关系,与太阳辐射(SRAD)、风速(WS)、pH为显著负相关关系。由于青藏高原特殊环境的影响,在该样带上除了MAP和T_gs外,Pco₂也成为影响ANPP和AGB空间分布格局的重要因子,该结论为未来研究高海拔地区群落生产力的响应机制提供了新的启示。综上所述,中国东西样带...     

长白山群落交错带长白松和鱼鳞云杉径向生长对气候变暖的响应

长白山是典型的温性针阔叶混交林分布区,也是受全球气候变化影响最为显著的地区之一。为了解该区森林生态系统对气候变化的响应,本研究选取该区阔叶红松林与云冷杉林(又称暗针叶林)群落交错带内优势乔木树种长白松和鱼鳞云杉作为对象,获取树木年轮宽度资料建立标准年表,明确限制2个树种径向生长的关键气候因子。结果表明: 长白松和鱼鳞云杉径向生长对气候变化的响应存在差异,长白松较鱼鳞云杉对气候因子的响应更加敏感,更适合用于年轮气候学研究。长白松径向生长具有与平均气温升高相一致的趋势,而鱼鳞云杉径向生长则出现随气温升高而下降的“分离现象”。相关分析表明,长白松径向生长主要受气温限制,尤其是受上年7、8月和当年9月平均气温影响较大。鱼鳞云杉标准年表与大多数月份的平均气温呈负相关,表现为受气温和降水量的综合制约。升温突变后,长白松和鱼鳞云杉径向生长与气候因子相关性较升温突变前减弱,并且在个别月份出现了径向生长与气候因子相关性由正相关向负相关的转变。目前,升温可能并未超过长白松径向生长的临界阈值,对其径向生长仍保持着促进作用。小波分析表明,该地区树木径向生长可能受到一些大尺度的大气-海洋-陆地变化的耦合作用影响。综上,气候变暖有利于增加长白松径向生长量,升温导致的干旱胁迫是限制鱼鳞云杉径向生长的主要原因,如果未来全球气温持续增加,将对鱼鳞云杉产生不利影响。本结果有助于理解长白松和鱼鳞云杉径向生长对未来气候变化的响应,并为在该区使用该树种进行气候重建提供一定的基础数据。     

亚热带红壤区森林土壤剖面微生物残体碳分布及影响因素

土壤剖面中20cm以下土壤有机碳(SOC)储量占土壤剖面总SOC储量50%左右,由于土壤微生物残体碳(MRC)是稳定土壤碳库的重要来源,因此研究土壤剖面中MRC对SOC的贡献对于评估土壤碳储量具有重要意义。然而,目前关于MRC含量及其对SOC贡献的研究多数集中在土壤表层,在土壤剖面和母质中尚不清楚。选取江西省千烟洲亚热带典型森林红壤剖面,通过氨基糖与磷脂脂肪酸(PLFA)微生物标志物分析方法,分析红壤剖面和母质中MRC的影响机制及其对SOC贡献的分布特征。研究结果表明：(1)MRC含量随着土壤剖面深度增加而显著降低(P<0.05),在整个土壤剖面中,细菌MRC对SOC贡献为6%—12%,真菌MRC对SOC贡献为12%—36%,MRC对SOC贡献为18%—46%。从土壤表层至母质,真菌MRC对SOC贡献高于细菌MRC。(2)结构方程模型结果表明,在土壤剖面中,MRC含量主要受到微生物-PLFA含量、容重和溶解态有机碳含量的影响。研究量化了红壤剖面中MRC对SOC的贡献,表明在20cm以下土壤及母质中,微生物残体碳对红壤地区生态系统碳库具有重要贡献。     

阶段性干旱及复水对小麦光合特性和产量的影响

在田间人工遮雨条件下,研究了持续、缓慢的干旱胁迫及复水对小麦旗叶光合特性及产量的影响.结果表明:返青至成熟期充分供水(S0)的小麦旗叶叶绿素含量、叶绿素荧光参数、光合参数和产量较高;返青至成熟期(S3)或开花至成熟期(S2)遭受干旱胁迫的小麦上述光合特征参数与产量显著下降;开花至成熟期复水(S1)的小麦其上述光合参数与S0相比表现出超补偿效应,但产量略低于S0;S1、S2与S3水分利用效率分别为S0的143.2％、86.5％和97.3％;由此得出0～ 40 cm土层平均土壤相对含水量在返青至开花期保持在55％±5％,开花至灌浆期保持在70％±5％,可在获取一定产量的同时高效节水;由于水分和密度在产量表现上存在互作,得出0 ～ 40 cm土层平均土壤相对含水量在返青至开花期保持在55％ ±5％,开花至灌浆期保持在70％ ±5％,并采取675株·m-2的密度是该地区最佳的水分密度组合.     

DROUGHT EFFECTS ON CARBON EXCHANGE IN A SUBTROPICAL CONIFEROUS PLANTATION IN CHINA

 干旱对陆地生态系统的影响已成为全球变化研究的焦点问题之一。该研究基于生态系统过程模型——CEVSA2, 结合涡度相关通量观测, 分析了不同程度干旱对亚热带人工针叶林碳交换的影响及其关键控制因素。结果表明: 1)干旱使生态系统碳交换显著下降, 2003和2004年的干旱使得年净生态系统生产力(Net ecosystem production, NEP)相比无干旱影响情景的模拟结果分别减少了63%和47%; 2)光合和呼吸对干旱具有不同的响应, 干旱时光合的下降比呼吸更为显著, 这导致了NEP的显著下降; 3)当饱和水气压差(Vapor pressure deficit, VPD)达到1.5 kPa以上时, 生态系统的光合、呼吸和净碳吸收均开始下降, 当VPD大于2.5 kPa、土壤相对含水量(土壤含水量/土壤饱和含水量)(Relative soil water content, RSW)低于40%时, 生态系统的碳收支由碳汇转为碳源; 4)土壤干旱是造成碳交换下降的主要驱动因素, 对年NEP下降的平均贡献率为46%, 而大气干旱的贡献率仅为4%。     

叶片水H218O富集的研究进展

 植物叶片水H₂¹⁸O富集对大气中O₂和CO₂的¹⁸O收支有着重要影响。蒸腾作用使植物叶片水H₂¹⁸O富集, 而植物叶片水H₂¹⁸O富集的程度主 要受大气水汽δ¹⁸O和植物蒸腾水汽δ¹⁸O的影响。过去, 通过引入稳态假设(蒸腾δ¹⁸O等于茎水δ¹⁸O)得到Craig-Gordon模型的闭合形式, 或 将植物整个叶片水δ¹⁸O经过Péclet效应校正后得到植物叶片水δ¹⁸O的富集程度。然而, 在几分钟到几小时的短时间尺度上, 植物叶片蒸腾 δ¹⁸O是变化的, 稳态假设是无法满足的。最近成功地实现了对大气水汽δ¹⁸O和δD的原位连续观测, 观测精度(小时尺度)可达到甚至优于稳定 同位素质谱仪的观测精度。在非破坏性条件下, 高时间分辨率和连续的大气水汽δ¹⁸O和蒸腾δ¹⁸O的动态观测, 将提高植物叶片水H₂¹⁸O富集的 预测能力。该文综述了植物叶片水H₂¹⁸O富集的理论研究的新进展、研究焦点和观测方法所存在的问题, 旨在进一步加深理解植物叶片水H₂¹⁸O 富集的过程及其机制。