“全球变化生态学”教学改革与实践——以天童国家野外站为依托

“全球变化生态学”是华东师范大学生态与环境科学学院面向生态学专业三年级本科生开设的学科特色课程。课程充分利用浙江天童森林生态系统国家野外科学观测研究站优质的软、硬教学资源,从教学内容、教学手段和考核方式进行了改革,强调对教学内容的推陈出新,加入了现场教学和小组讨论等教学手段,实施了提交研究计划的课程考核方式。通过实践,强化了学生学科知识认知并提升了学生的创新意识及能力,可以为其他高校相关课程的教学提供借鉴。

离子交换树脂法在天童森林内外氮素湿沉降观测中的应用

为了解天童地区森林内外氮素湿沉降的组分分配及其季节动态特征,基于离子交换树脂法对其森林内外氮素湿沉降量进行了为期2年(2011年3月至2013年2月)的观测.研究发现:(1)天童森林内外硝态氮沉降月总量分别在0.22~3.73 kg·N/(hm^2·月)和0.13~2.85 kg·N/(hm^2·月)之间波动,均呈现出秋冬季较高、夏季较低的季节动态特征;森林内外铵态氮沉降月总量在0.17~1.35 kg·N/(hm^2·月)和0.21~1.44 kg·N/(hm^2·月)之间波动,春季沉降量略低于其他季节;(2)天童森林内外氮素湿沉降量的季节动态受到研究区域所属季风气候、夏季台风和农事活动的综合影响;(3)森林内外硝态氮与铵态氮沉降量比例的年平均值均为0.9,表明化石燃料燃烧与农事活动对本地区氮素湿沉降的影响相当;(4)天童森林内外氮素湿沉降年总量分别为18.86 kg·N/(hm^2·年)和17.51 kg·N/(hm^2·年),氮素湿沉降年总量符合中国东部森林氮沉降量由北向南逐渐增加的趋势.

浙江天童常绿阔叶林米槠种子雨和地表种子库动态研究

2008年在浙江天童山常绿阔叶林的林缘和林内2个米槠种群中各选择3株米槠(Castanopsis carlesii),采用种子筐及地表取样等方法,分析了米槠种子雨和地表种子库动态特征、种子存留及其命运。结果表明:米槠种子雨主要出现在10月中旬—11月,持续约50 d,11月3日—17日为高峰期;该地区米槠的种子产量较高,林缘种群高于林内种群,单株平均落果数分别为201.0、120.3个.m-2;种子雨中完好的坚果占52.2%,虫蛀的占29.3%,松鼠啃食的占10.2%,败育的占8.4%,腐烂的占5%;完好种子的长度、宽度分别为(9.01±0.89)mm、(9.25±1.00)mm,粒重为(0.47±0.13)g;在地表种子库中,林缘种群、林内种群完好种子的存留密度分别为1.5、1.0个.m-2,分别占种子库的62.1%、66.4%,动物捕食是种子受损的主要原因。米槠种群较高的种子产量、较低的地表种子存留率等环节限制了米槠种群的天然更新。

浙江天童植物叶片氮磷含量的群落内变异

探索植物叶片氮(N)、磷(P)的种间、种内变异及其群落学特征,对于揭示群落构建机制具有重要意义.本研究在浙江天童地区常绿阔叶林内,选择一个40m×40m的样地,逐一测定了46种植物共554株个体叶片的N和P含量,从群落物种组成与内部环境特征方面分析了植物叶片的N和P化学计量关系.结果表明:①植物叶片N含量的平均值为(16.7±5.11)mg.g-1,P含量的平均值为(0.44±0.25)mg.g-1,N/P平均值为44.99±23.53;②利用个体多度较高物种的加权平均值可以较好地反映群落水平叶片的N和P化学计量特征;③叶片N含量的变异主要发生在物种之间,而叶片P含量的变异主要发生在种内;④群落内叶片N、P含量随光照程度增强而上升.可以认为:叶片N、P含量变异都受到遗传与环境因素的双重影响,在P限制条件下,叶片P含量变异受到环境因素影响更为强烈.

浙江天童常绿阔叶林不同传播方式物种种子雨的基本特征

为了研究不同传播方式物种种子雨的基本特征,以浙江天童常绿阔叶林20 hm2动态监测样地的种子雨为研究对象,分析了种子雨的密度、物种组成以及种子限制的强度.结果表明:(1)种子雨收集器共收集到种子136 38粒,隶属于28科66种,种子雨密度为146粒/m2;(2)样地内有56%的物种未收集到种子,因此种子雨与可繁殖个体物种组成的相似性较低且受不同传播方式影响,风力传播的相似性系数极值(Rmax)最大且距种子收集器距离(d)最远(风力传播:Rmax=0.226,d=20 m;重力传播:Rmax=0.077,d=9 m;鸟类传播:Rmax=0.094,d=13 m),证明通过风力传播的种子在远距离传播上更有优势;(3)样地内存在一定程度的种子限制,有43个物种的种子只在很少的(<10)收集器中出现.对于较为优势的物种而言(IV≥1),传播方式可能是影响种子限制的主要因素.另外,群落中通过风力传播的物种种子限制很可能仅仅是由于可繁殖个体的缺少造成的,而通过重力和鸟类传播的物种存在很高的种子限制可能是因为种子的低产量以及种子扩散能力的不足.

不同光照条件下结缕草全株碳素生理整合格局及其生态效应

在4种光照处理条件下(处理Ⅰ:对所有分株光照处理;处理Ⅱ:对所有分株遮光处理;处理Ⅲ:仅对引入13CO2的复合节分株进行遮光处理;处理Ⅳ:仅对引入13CO2的复合节分株进行光照处理),分别从结缕草(Zoysia japonica Steud.)克隆植株的基部、中部和梢部(分别为第7、第17和第24复合节)分株引入13CO2,对13C在克隆植株不同器官内的分配格局及传输特征进行了研究。实验结果表明:从克隆植株的不同部位引入13CO2,13C的传输格局均表现出以引入点为起始点沿匍匐茎向基和向顶双向运输的趋势,但向顶传输的陡度值均小于向基传输的陡度值,向顶传输的距离则均大于向基传输的距离,说明13C的向顶传输更具优势。分株叶片、匍匐茎和复合节根中13C的传输格局有一定差异;引入点分株叶中δ13C值较高,其他分株叶中δ13C值均迅速降低;匍匐茎内δ13C值总体较低,但13C传输范围广;当13CO2引入点位于基部和中部时复合节根的δ13C值高于匍匐茎,但当13CO2引入点位于梢部时复合节根的δ13C值低于匍匐茎。从13C的传输范围及陡度值看,总体上分株叶中13C的陡度值显著大于复合节根和匍匐茎;在匍匐茎中13C呈现出平缓的传输格局但传输距离最远。此外,在4种光照处理条件下,处理Ⅳ的根及匍匐茎中13C向基或向顶传输的陡度值总体上均最高,且各器官13C的传输距离均最远;但从基部、中部和梢部分株引入13CO2后,分别在处理Ⅱ、处理Ⅲ和处理Ⅰ的分株叶中13C向基或向顶传输的陡度值均最高。根据实验结果,对不同光照条件下结缕草克隆植株不同器官内光合产物的分配格局及其生态效应进行了探讨。

上海崇明县植被覆盖度动态变化遥感监测研究

植被覆盖度是用于描述和评价生态系统的重要参数。基于1989、2001、2006年的TM/ETM+遥感数据,以上海市崇明县为研究区域,利用改进的像元二分模型,估算出不同时期内崇明县的植被覆盖度,并对其变化进行了定量分析。结果表明:1989-2001年,植被覆盖度负向变化地表约10.17%,正向变化约20.58%,乡镇和湿地区域正向变化的面积大于负向变化,农场区域则相反;2001-2006年,负向变化约29.1%,正向变化约12%,农场和湿地区域正向变化的面积大于负向变化,乡镇区域则相反,并且随着城市化进程的深入,各土地用地类型的植被覆盖度变化在一定程度上都呈现出生态退化的趋势。

崇明东滩景观格局的生态学分析与评价

在崇明岛功能区划的基础上,利用2006年的遥感影像对崇明东滩的景观类型进行解译,并对景观格局变化和植被覆盖度进行了分析与评价。结果表明:崇明东滩的景观面貌已经由原始潮滩演化出目前多达11种斑块类型。从景观空间形态指标和景观组分指标分析结果来看,崇明东滩的生境破碎化趋势已经显现,但从景观空间关系指标和Shannon均匀性指标分析结果来看,景观聚集度和连通度尚处于较高水平(分别为96.27和99.15),均匀度尚较大(0.59)。崇明东滩的植被覆盖度主要集中在0.3至0.9之间,植被覆盖度整体上尚处于较高水平。

城乡交错区的土壤微生物多样性格局及其影响因素

以上海市松江区泖港镇为研究地点,采用高通量测序技术全面揭示了该城乡交错区不同土地利用类型中土壤细菌和土壤真菌的多样性分布格局和群落组成格局.研究结果显示,采集的土壤样品中共发现632种土壤细菌OTUs (operational taxonomic units)和593种土壤真菌OTUs,优势类群为变形菌门(细菌)与子囊菌门(真菌). 4种土地利用类型(耕地、坑塘水域、仓储用地和居民居住区)中,土壤细菌的Shannon指数为4.41~4.71,土壤真菌的Shannon指数为1.99~2.60,这两类土壤微生物的α多样性在各土地利用类型间无显著差异.而不同土地利用类型间,土壤细菌(R=0.32, p=0.001)和土壤真菌(R=0.22, p=0.001)的β多样性格局存在显著差异.此外,该城乡交错区土壤细菌和土壤真菌的群落组成格局和β多样性格局与土壤酸碱度、土壤孔隙度和土壤含水率显著相关.

城市尺度上植被分类体系方案及其在上海市的运用

以城市为对象编制植被志或植被图有助于城市尺度上的植被管理与保护.我国的植被分类体系主要是以自然植被为主体构建的,且大多集中在全国尺度上或省域尺度上,不适用于城市尺度上的植被分类.并且,强人为干预下形成的植被一直未出现学界公认的分类体系,给城市植被的研究带来了诸多不便.本文基于“起源-干扰-功能”为基本原则的综合型城市植被分类体系,按照植被起源和受人为干扰程度将城市植被分为自然植被、次生植被和栽培植被.栽培植被依据其功能类型进一步划分为人工林地植被、景观绿地植被及农业植被三大类型.下级单位参照1980年《中国植被》的分类系统,并结合新近《中国植被志》编研提出的3个初步纲领性文件,进而构建城市植被分类系统,并对城市植被分类的原则和标准在上海地区进行了应用尝试,以期进一步构建一个兼具学术科学性和应用操作性的城市植被分类体系,为后续城市植被志的编撰,以及城市植被的认知、保护、建设和管理提供理论依据和技术支撑.

崇明县土壤主要理化指标的空间分布与变异特征

于上海市崇明县(崇明岛、长兴岛、横沙岛3岛)采集0～20cm表层土壤样品128个,采用经典统计学和地统计学相结合的方法,分析土壤有机质、全氮、有效磷、有效钾含量和土壤电导率、容重、pH值等数据,研究土壤特性的空间分布规律。结果表明:崇明3岛有效磷和电导率的分布具有强变异性,pH值的变异强度最弱,其他土壤特性均具有中等变异强度。土壤容重和pH值具有很强的空间相关性,而土壤有机质、全氮、有效磷和有效钾的空间相关性最弱,其分布受随机因素影响较大。Kriging空间插值分析表明,受农事活动和城镇效应的影响,崇明岛土壤有机质和全氮含量高值区主要集中于人为活动比较密集的地区,土壤容重和pH值分布趋势基本一致,呈现由东西两端向岛中央递减的趋势。崇明岛土壤有机质、全氮、有效磷和有效钾含量两两间呈显著相关关系(α=0.01)。

崇明东滩湿地芦苇和互花米草种群的分布格局及其与生境的相关性

应用GIS技术与实地调查相结合的方法,对上海崇明东滩湿地芦苇〔Phragmites australis(Cav.)Trin.exSteud.〕和互花米草(Spartina alterniflora Loisel.)种群斑块的分布格局和沿潮位梯度的分布特征及其与部分环境参数的相关性进行了研究。结果显示:在1 500 m×100 m尺度内共有42个斑块;其中,互花米草种群斑块数量较少(13个)但面积和周长均较大,呈集中化分布特征;芦苇种群斑块数量最多(25个)但面积和周长均较小,呈现破碎化特征;芦苇种群的斑块密度和边缘密度均大于互花米草种群,但二者的聚集度指数及连通度指数均较高。沿潮位降低,芦苇种群数量减少,互花米草种群数量增多;中、低潮位以互花米草种群为主,中、高潮位以芦苇种群为主。不同潮位二者活体与立枯体株数有明显差异且具有不同程度的相关性,其中,互花米草总株数与芦苇活体株数、互花米草立枯体株数与芦苇立枯体株数均呈显著负相关(P<0.05)。该区域内各景观和斑块类型格局指数数值均较高,Shannon多样性和均匀性指数均较大。不同潮位的环境参数差异明显且与距堤坝的距离有不同程度的相关性;中潮位相对高程最高(9.2 m),低潮位土壤盐度最高(37.17 ng.L-1);随潮位降低土壤总氮和总磷含量总体上下降,但中高潮位土壤总磷含量最高、高潮位土壤总氮含量最高。芦苇活体株数与距堤坝的距离及土壤盐度、互花米草活体株数与相对高程及土壤总磷含量、互花米草总株数与相对高程均呈显著负相关(P<0.05)。研究结果揭示:该区域景观已出现破碎化现象;互花米草种群规模逐年增大,与芦苇种群有明显的竞争,二者呈明显的镶嵌分布格局。高潮位的相对高程低而土壤盐度高,这种微生境有利于互花米草生长却能抑制芦苇生长,对二者的扩散和分布格局产生复杂的局部性影响。

结缕草克隆生长对生境资源梯度水平和次序的响应

以克隆植物结缕草(Zoysia japonica)为研究对象,探究了其克隆整合的生长收益对生境资源梯度水平和次序的响应。试验设置了高养分水平、低养分水平和高低水平贯通3个梯度,且在每个梯度内设置养分浓度呈增长和降低次序的两类生境。结果表明,结缕草总生物量在高养分水平梯度生境>低养分水平梯度生境>高低水平贯通梯度生境,且在同一梯度降低次序生境的总生物量均高于增长次序生境,表明提高生境中的养分水平能显著增加结缕草克隆整合的生长收益,当小生境养分供应与分株生长的需求相匹配时,结缕草克隆整合的生长收益更大。根冠比在低养分水平梯度生境>高低水平贯通梯度生境(相当于中等养分水平)>高养分水平梯度生境,表明结缕草克隆分株具有较强的独立性,分株倾向于在自身所处小生境内发生可塑性反应,而受相邻分株的影响不大。在不同养分水平梯度和次序生境中,结缕草植株A分株的生长明显优于B分株的。对匍匐茎的生物量投资比例在高低养分水平贯通梯度生境(相当于中等养分水平)中最大。结缕草克隆生长对于生境资源梯度水平和次序的响应反映了其形态可塑性的生态适应意义。

植物根系的身份识别能力、作用及影响机制

自然生境中有些植物的繁殖体传播距离有限,这类植物更有可能与其亲缘相近的植株相邻。植物个体能否识别邻株的身份并做出相应的反应,会对植物间的相互作用产生重要影响。亲缘选择理论预测亲缘相近的植物间可以通过亲缘识别和选择作用,有效地削弱彼此间的干扰和竞争,从而增加适合度。对植物通过根系进行自我/非我和亲缘识别能力、作用及其影响机制进行了综述,同时指出了当前研究中存在的一些疑点和亟待解决的问题,对植物身份识别研究的发展方向进行了展望。

不同氮磷比条件下结缕草克隆整合作用的生长代价与收益

为了解结缕草克隆整合作用的生长代价与收益,及其与土壤氮磷比的关系,以克隆植物结缕草（Zoysiajaponica）为研究对象,研究了对主匍匐茎实施4 种切断处理（连接、轻度切断、中度切断和重度切断）和3 种氮磷比（N ：P2 O5 =7 ：1、N ：P2 O5 =14 ：1、N ：P2 O5 =21 ：1）处理对结缕草植株生长和生物量积累的影响,并进行生长代价与收益的分析.结果表明：无论在何种氮磷比条件下,与主匍匐茎连接相比,不同程度的切断处理均显著降低结缕草克隆植株的-级A 分株数、复合节数和主匍匐茎的长度、生物量及其生物量分配,显著增加一级B 分株数、二级A、B 分枝数、母株生物量和A、B 分枝生物量分配.结缕草克隆植株对根系生物量的分配随氮磷比的升高而增大,对A 分枝的生物量分配（25. 7% - 47郾6%）始终高于对B 分枝的生物量分配（3. 9% - 16郾5%）.结缕草在低氮磷比（N ：P2 O5 =7 颐1）生境中,生长最为适宜,积累的总生物量显著高于中、高氮磷比生境.在任何氮磷比养分条件下,分别对主匍匐茎实施中度切断、轻度切断和不切断（连接）处理时,其克隆植株总生物量分别为3.65 g、2.90 g 和2.94 g,均高于重度切断处理.因此,结缕草的克隆整合作用在不同切断处理间存在不同程度的生长代价与收益,长期而完整的克隆整合使结缕草克隆植株的一级A 分株、复合节和匍匐茎的生长显著受益,而一级B 分株、二级A、B 分枝和母株的生长则出现明显的损耗.

谷子的亲缘识别能力及其与种植密度和土壤养分水平的关系

为探明作物是否具有识别邻株身份的能力以及这种能力是否受到环境因子的调控,通过大田试验,研究邻株身份(亲缘株、非亲缘株和陌生株)、种植密度和土壤养分水平的交互效应对谷子(Setaria italica)地上部分生物量分配的影响。结果表明,谷子与亲缘株为邻时的净繁殖生物量分配和种子生物量分配,比与非亲缘株为邻时显著提高,且营养生物量分配显著降低(P<0.05)。在高种植密度条件下,亲缘组谷子的穗长、净繁殖生物量分配和种子生物量分配显著大于非亲缘组,而营养生物量分配显著小于非亲缘组(P<0.05)。随着土壤养分水平提高,亲缘组谷子的种子生物量分配显著增加,营养生物量分配显著减少(P<0.05)。由此推断,谷子具有对亲缘邻株的识别能力,且这种能力受种植密度和土壤养分水平的调控,在高种植密度和高土壤养分水平条件下,谷子的亲缘邻株识别能力较强。

上海辰山植物园木本植物幼枝导管特征及其权衡关系

以上海市辰山植物园85种常见木本植物为研究对象,通过解剖木质部结构,分析了枝条导管特征在不同生活型物种间的差异及其系统发育信号,揭示了导管密度-大小权衡关系在不同生活型物种间的差异.结果表明:①常绿木本植物的导管直径((28.55±8.84)μm)和导管占比(8.7%±2.89%)均显著小于落叶木本植物导管直径((35.81±13.92)μm)和导管占比(12.7%±4.82%),而导管密度在常绿((149.3±75.62)N/mm(2))和落叶((164.5±154.28)N/mm(2))木本植物之间则无显著差异;乔木的导管直径((35.86±13.5)μm)显著大于灌木((26.24±8.84)μm),导管占比和密度在乔木(12.09%±5.01%,(151.9±142.73)N/mm(2))和灌木(10.59%±2.99%,(208.7±126.37)N/mm(2))之间则无显著差异.②导管直径、导管密度存在显著的系统发育信号,且导管密度信号大于导管直径,导管占比则无明显的谱系信号存在.③标准化主轴估计分析表明,导管密度-大小权衡关系普遍存在,不同生活型植物具有相同的斜率系数(k=–0.89,95%的置信区间CI为–0.98~–0.79),但常绿乔木的纵截距显著小于落叶乔木,即相同导管密度下落叶乔木比常绿乔木具有更大的导管直径.

氧化还原条件对城市水体沉积物重金属迁移转化的影响

以重金属Zn、Fe为研究对象,选取长风公园内的银锄湖和华东师范大学内的丽娃河的沉积物,通过室内模拟水生植物根际泌氧的周期性变化,研究4种不同氧化还原条件:好氧(+O)、厌氧(-O)、好氧后厌氧(+O→-O)和高度厌氧(--O)对沉积物中重金属迁移转化的影响.结果表明,与厌氧处理相比,好氧处理下银锄湖沉积物中可氧化态Fe比例由5.53%下降至4.60%,可还原态Fe比例由13.77%上升至16.20%,残渣态Fe比例由81.08%上升至83.49%,而且Fe向上清液中的释放量减少;弱酸提取态Zn比例由30.14%下降至29.16%,可还原态Zn比例由25.40%下降至23.90%,可氧化态Zn比例由35.73%下降至32.72%,残渣态Zn比例由32.73%上升至35.92%,最终使得上清液中Zn的含量较低.相关性分析结果表明沉积物中可氧化态和可还原态Fe、Zn存在相关性.本研究将对城市富营养化水体生态恢复过程中的风险分析及评价提供科学依据.

水生植被恢复对城市景观水体磷浓度及沉积物磷形态的影响

以上海市两个水生植被恢复时间为5—10年的城市景观水体为研究对象,通过分析水体理化性质以及水和沉积物磷的含量和形态,研究水生植被恢复对富营养化水体修复的长期生态效应.结果表明,水生植被恢复能有效降低水体氮、磷浓度,对水体富营养化有明显的改善作用.在外源磷的污染源得到控制后,水体磷浓度会随着修复时间的增加而逐渐降低并相对稳定.沉积物磷形态以钙磷为主,随着水生植被恢复时间的增加,生物活性较强的可交换态磷、铝磷和铁磷的含量下降,而相对稳定的钙磷所占的比例增加.研究结果还表明,即使不进行底泥疏浚,长期的水生植被恢复也可以使城市河流沉积物中内源磷释放及水体磷浓度得到有效控制.

木荷—里白林主要优势种群42a动态变化

根据浙江天童次生木荷林抚育42 a的永久样地1972年、1983年和2014年3次调查数据，分析木荷林中主要树种的种群动态。结果显示：木荷林抚育后随着林龄增加样地内胸径≥5 cm的成树密度在3次调查中呈逐年递减趋势，而林分胸径断面积和蓄积量呈逐年增加趋势。林分蓄积年生长率为2.4％。林分优势种为木荷、栲树和石栎种群，优势度明显；且木荷、栲树种群结构为单峰曲线，石栎、浙江新木姜子等为逆“J”型，更新层中里白独占优势。在3次调查中，木荷林的1～5级木分化等级范围由1972年的3级扩展成2014年的5级，分化明显。其经营策略可采用近自然林经营技术，将里白连续割除2 a，开展森林综合抚育；培育目标树结实更新；清理枯立木、风倒木和干扰木；在“林窗”中少量补植地带性顶级阔叶树种。