多样性与稳定性的尺度之谜在全球气候变化和人类活动持续加剧的背景下，生物多样性丧失正在深刻改变生态系统功能，也削弱了生态系统稳定提供服务的能力。长久以来，科学家们都知道局域尺度的物种丰富度对草地群落稳定性有积极作用，而植物叶片经济谱的快慢功能性状权衡，也被证实能通过多种机制预测群落稳定性。然而，这种多样性-稳定性关系是否能够从局部尺度扩展到更大的空间尺度，仍是生态学中的一个重要问题。针对这一科学问题，来自兰州大学刘向老师团队、西班牙巴斯克气候变化中心、荷兰乌得勒支大学等研究团队，通过对中国青藏高原和内蒙古高原235个草地的实地调查与遥感数据结合，系统揭示了植物多样性如何在多空间尺度上影响草地生产力的稳定性，相关成果发表于国际权威期刊《Nature Communications》。 图1. 研究区域、环境梯度和取样设计。大尺度野外调查 + 遥感数据研究设计：研究在2021年和2022年生长季，在青藏高原和内蒙古高原调查共计235个草地样点。每个样点设置一个50 m × 50 m样方，并在四个角各布设一个0.5 m × 0.5 m的小样方，用于调查物种丰富度和采集地上生物量；数据收集：物种组成、地上生物量，叶片比叶面积、叶氮含量、叶磷含量等功能性状、并利用NASA Landsat卫星数据估算初级生产力的时间稳定性；数据分析：结合结构方程模型（SEM），将稳定性划分为局...
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2026
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研究背景在干旱与半干旱地区，水分是决定生态系统稳定和植被生存的关键。随着全球气候变化加剧，干旱频率增加、地下水位下降和土壤盐渍化加剧，导致植被退化与土地荒漠化问题日益突出。柽柳作为我国西北干旱区荒漠-绿洲过渡带的优势物种，具有极强的耐旱、耐盐特性，在维持区域生态平衡中发挥着不可替代的作用。然而，关于柽柳在不同水文环境下的水分利用策略及其适应机制，仍缺乏系统的定量研究。近期，长安大学卢玉东老师团队牵头进行了一项研究，其成果发表在在国际权威期刊《Scientific Reports》。研究以新疆阿克苏塔兰河流域荒漠—绿洲过渡带的优势灌木柽柳为对象，通过分析降水、土壤水、植物木质部水和地下水的氢氧稳定同位素（δ²H和δ¹⁸O），并结合贝叶斯（MixSIAR）模型，定量解析了不同地下水埋深条件下柽柳的水分来源及其适应对策，揭示了柽柳在水盐胁迫环境下的生态可塑性和水资源调控机制，为干旱区生态修复和植被保护提供了重要科学依据。 图1.小区调查和采样地点。研究方法研究设计：以中国西北干旱区典型流域——新疆阿克苏地区塔兰河流域的荒漠-绿洲过渡带为研究区域。其地下水位埋深2–6 m，实验沿地下水流向设置两条调查剖面，分别用于同位素采样与根系调查：Ø 剖面I沿地下水流向平行布设，用于采集同位素样本；Ø 剖面II垂直于剖面I布设，兼用于同位素样本采集及优势植被根系...
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研究背景随着全球气候变化及水体富营养化加剧，蓝藻及其他藻类爆发已成为全球关注的环境问题。这些藻华不仅干扰航运与娱乐，更严重的是，部分蓝藻会释放致命毒素，威胁人类和野生动物的健康。传统监测方法往往难以快速、准确地在大空间尺度上区分产毒与不产毒的蓝藻属种。而光谱成像技术通过获取植物光合色素的“特征指纹”，为解决这一难题提供了可能。然而，现有的遥感监测也面临挑战：（1）光谱库不足：卫星遥感依赖端元光谱库，但经验证的代表性蓝藻光谱数据稀缺；（2）水体干扰强：水深、浊度等光学参数复杂，影响大范围遥感反演精度；（3）培养与野外的差异：实验室藻类光谱难以完全还原自然生境下的真实特征；基于此，美国地质调查局（USGS）联合美国国家标准与技术研究院（NIST）利用高光谱显微镜成像系统，以俄勒冈州上克拉马斯湖的不同区域水体的蓝藻样品为研究对象，通过系统验证与野外采样相结合的方法，获取了不同蓝藻属在细胞尺度的高分辨率反射光谱特征，成功实现了属水平的蓝藻光谱区分，并发现衰老与生长期样品的显著光谱差异。该研究为利用卫星遥感技术大范围识别潜在产毒藻类提供了关键的地面真实验证数据支撑。 图1.俄勒冈州上克拉马斯湖采样点地图。研究方法研究设计：2022年夏季，在上克拉马斯湖的霍华德湾、中沟、摩尔公园、鹈鹕湾、响尾蛇角、浅水湾、鹈鹕湾和威廉姆森河口采集了水华样本。通过真空过滤浓缩藻类生物量，并将其重悬于样本室中。水...
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研究背景在北半球，多年冻土覆盖了约22%的陆地面积，封存着全球陆地最大的土壤碳库。然而，在全球变暖的驱动下，多年冻土正面临快速退化的严峻挑战。一旦这些被长期封冻的古老碳库随冻土融化而释放入大气，将触发剧烈的温室效应正反馈，从而进一步加速气候变暖。因此，系统探明冻土区碳储量及其稳定性特征，不仅是厘清碳循环机制的关键，更为预测气候变暖背景下全球碳平衡的动态演变提供重要依据。基于此，哈尔滨师范大学臧淑英老师团队以中国东北大兴安岭高纬度多年冻土区南部边界为研究对象，通过机械钻探及物理化学分组法，研究了不同地表类型深层土壤碳的组分与稳定性。研究发表在《Permafrost and Periglacial Processes》期刊。结果发现，深层冻土（尤其是森林地带）富含高活性碳，面临极高的变暖释放风险。该研究为气候模型中冻土碳反馈机制提供了重要的实测数据支撑。为什么选择大兴安岭？1. 大兴安岭位于高纬冻土南部边界，可能代表未来多年冻土温度状况；2. 冻土层储存大量有机碳，有助于理解温室气体释放与碳循环变化；3. 多样化土地覆盖类型有助于研究不同生态系统中碳的变化； 图1.研究区域。研究方法研究设计：在大兴安岭的北极村和呼中地区选取了三种典型地表覆盖类型进行采样，通过机械钻探，获取了深度达7-8 m的土芯，并将土壤细分为活动层和多年冻土层进行对比；森林沼泽；干旱森林；灌丛沼泽；监测指标：碳组分...
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研究背景 氮素是水稻生长发育的关键元素，其利用效率备受关注。传统研究多聚焦于土壤氮流失，而忽视了植株地上部分的氮气损失。研究发现，水稻植株尤其在开花和灌浆后期，会排放大量氨气。这一时期，叶片中的叶绿体成分大量降解，产生大量的NH4+。谷氨酰胺合成酶（GS）通常促进氮的循环利用，但衰老过程中GS活性的下降会损害NH4+的同化能力，导致NH3挥发损失。叶片由绿变黄是灌浆期氮素再利用最直观的指标。那么，叶片变色的快慢是否可以预测氨挥发的多少？中国水稻研究所的王丹英老师团队联合华中农业大学和浙江大学等团队对此进行了深入探讨。相关成果发表在《The Crop Journal》期刊。研究以灌浆期不同叶片颜色变化特征的水稻品种为研究对象，采用15N同位素示踪结合动态流通室技术精准量化植株源氨挥发，并同步监测叶片颜色动态变化及关键生理指标。研究发现，水稻叶片颜色变化率与灌浆期氨挥发量呈极显著正相关，叶片变色快的品种因质外体 NH4+ 浓度高、NH3 补偿点高及GS活性低而导致更高的气态氮损失。该结果揭示了叶片表型与氮素气态损失的内在联系，为选育低氨挥发氮高效水稻品种及通过栽培管理延缓叶片衰老以减少氮损失提供了理论依据。 图1.采用动态流通室（DFC）法测定植物氨挥发量。研究方法实验设计：研究在2023年和2024年在杭州市富阳分别进行了水稻不同品种的水培实验，采用分区实验设计，选取5个叶片颜色变化...
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研究背景在陆地生态系统的水循环中，蒸散是连接地表与大气水分和能量交换的关键途径。尤其对于农田生态系统而言，准确估算作物的实际蒸散量，不仅有助于理解作物水分利用效率，还能为农业水资源管理和干旱应对提供科学依据。然而，现有的估算方法却面临诸多挑战：（1）传统气象模型：理论基础扎实，但依赖完整的气象数据，且难以捕捉植被光合作用的生理过程；（2）遥感指标局限性：太阳诱导叶绿素荧光（SIF）虽能直接反映光合活性，但在水分胁迫下存在响应滞后；光化学反射指数（PRI）能灵敏跟踪短期胁迫响应，但鲜少被纳入机器学习模型中；因此，如何融合多源数据，利用深度学习挖掘气象与生理指标的协同价值，成为了提高实际蒸散量（ETc act）估算精度的新途径。近期，西北农林科技大学蔡焕杰老师的团队联合沈阳大学和石河子大学的团队在《Agricultural Water Management》期刊发表最新研究成果，该研究通过融合SIF、PRI与气象要素，结合时间卷积网络和SHAP可解释性分析，系统揭示了多源数据在水分胁迫下对作物实际蒸散量的协同作用机制。该成果不仅为精准估算农田蒸散提供了新的技术路径，也为理解作物在水分胁迫下的生理响应机制、优化农业水资源管理提供了科学支撑。 图1.杨凌野外试验基地概况。注：(a) 显示了杨凌研究基地在中国西北部的具体位置。(b-f) 展示了本研究中使用的光合速率相关指标、通量和气象数据的...
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研究背景作为我国西部重要的生态安全屏障，祁连山南坡的阿咪东索小流域地处高寒干旱带，不仅承载着独特的山地生态系统，更是下游河西走廊及绿洲农业的关键补给水源。在高寒干旱区，极端气候条件和强烈的蒸发效应会导致水体同位素信号呈现出显著的时空变异性。稳定氢氧同位素作为示踪水文循环路径的“天然指纹”，成为精准揭示降水、地表水、地下水和土壤水之间的复杂转化关系与补给机制的理想手段。然而，尽管稳定同位素在水文学中的应用进行了大量的研究，但以往研究多集中于单一水体或大尺度区域，对于像阿咪东索这样的高寒干旱小流域尺度下多种水体（降水、河水、土壤水、地下水）同位素特征的综合演化规律及其与区域气候 - 水文过程的关系，尚缺乏系统性解释。阿咪东索小流域凭借其高海拔、强季节性波动及干旱特征，成为了解析高寒干旱区水文动态、弥补研究尺度缺口的天然实验室。基于此，青海师范大学曹广超老师团队以祁连山南坡阿咪东索小流域为研究对象，通过对2023-2024年间降水、河水、地下水及土壤水等多水体的氢氧稳定同位素进行系统观测与分析，揭示了高寒干旱区水体同位素季节性强烈波动、地表水快速响应与地下水缓慢更新、高海拔气候地形协同调控的演化规律。相关研究成果发表于国际学术期刊《Water》。该研究为高寒干旱区水资源管理，特别是干季水源配置、地下水保护及水文过程预测提供了新的数据支持，奠定了科学基础。 图1.研究区域及采样点示意图。研...
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复杂胁迫下作物产量早期预测的挑战与瓶颈作物产量预测是评估田间管理效果与辅助育种决策的关键环节。相较于传统作物模型依赖多源复杂参数，机器学习模型结合遥感技术，能以无损、高通量的方式实现作物表型监测与产量预测。尽管如此，现有模型在实际应用中仍面临两大挑战：（1）早期预测精度不足：作物冠层结构对干物质积累的影响随生长期推进而增强，导致依赖形态变化的模型在早期预测精度受限，难以满足育种早期决策需求；（2）复合胁迫下的泛化误差：田间环境复杂，水氮胁迫往往联合发生。年份间的环境变异及胁迫组合差异，导致模型在面对与训练集分布不同的目标样本时，产生显著的泛化误差；基于此，中国农业科学院陈震老师团队联合河南大学、邢台农科院等团队在《Agricultural Water Management》发表研究。团队以水氮联合胁迫下的冬小麦为研究对象，结合无人机高光谱遥感数据，提出了一种基于多胁迫数据融合的可解释跨周期集合学习框架（APEL），研究证实，该方法显著提升了模型在复杂胁迫环境下的预测精度与泛化能力，为作物早期产量预测提供了高精度、可解释的技术支撑，对推动智慧农业发展与节水育种实践具有重要的科学意义与应用价值。 图1.研究区域和实验设计。多应力融合与跨周期集合学习研究区域：研究在河南省新乡市的中国农业科学院新乡综合试验基地和河北省农林科学院的Yanli试验基地两个试验站点开展了为期两年（2022-20...
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研究背景农村生活污水处理对改善人居环境具有重要意义，但其治理过程涉及多个环节，构成了一项复杂的系统工程。过去，受限于农村经济基础薄弱，缺乏物质和制度支持，污水治理手段相对匮乏。然而，随着脱贫攻坚的胜利，我国农村污水处理在一定程度上取得了进展，但仍面临管护机制不健全、设施建设和维护困难等挑战。因此，迫切需要开发低能耗、易管理、高效的污水处理技术。传统污水处理方式往往存在高能耗和高成本等问题，导致治理效果不尽如人意。人工湿地技术（CWs）因其低能耗、低成本和较好的处理效果，成为一种理想的处理方案。然而，由于废水中碳负荷较高，人工湿地在去除营养物质和有机物的过程中可能排放大量CO2，这不仅会加剧全球变暖问题，还可能降低其生态效益，进而限制了人工湿地在污水处理中的广泛应用。基于此，山西农业大学甄志磊老师团队以山西省运城市的一个农村生活污水处理厂为研究对象，提出了利用厌氧预处理与先进人工湿地处理工艺相结合的农村生活污水治理方式。研究成果发表于《Ecological Engineering》期刊。团队通过14个月的水质监测、CO2原位测定、高通量测序与植物生物量分析，研究了不同植物配置对污水中COD、氮磷等污染物的去除效率及CO2排放的影响。结果表明，景观设计能够提高植物多样性，优化污水处理能力，并促进碳固定。该研究为农村污水低碳处理技术的进一步推广和优化奠定了基础。 图1.厌氧池和人工湿地（...
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研究背景甘蔗是全球生物经济的基石，其高产高效依赖于精准的养分管理。传统的营养评估方法依赖于实验室化学分析，但这些方法不仅具有破坏性，还非常耗时且成本高昂，难以满足精准农业对高频、原位监测的需求。可见光-近红外-短波红外（Vis-NIR-SWIR）光谱技术因快速、无损等优势，已成为农业科学中的一种强大分析工具。然而，叶片样品制备方式（鲜样原位测量和烘干磨碎测量）对光谱预测性能的影响仍存争议。尽管新鲜样品在光谱研究中被广泛使用，但在甘蔗NPK综合估算中，系统地评估样品干燥对预测性能的影响，特别是与先进的机器学习算法相结合时，仍然是一个有待探索的问题。近期，巴西巴拉那联邦科技大学的研究团队领衔，联合米纳斯吉拉斯州立大学和马林加州立大学的研究团队，以甘蔗叶片为研究对象，系统评估了不同样品制备方式对Vis-NIR-SWIR光谱预测N、P、K含量的影响。相关研究成果发表于《Measurement》期刊。该团队通过对比鲜叶与干叶光谱，结合不同机器学习算法，系统分析了模型性能、特征波长及养分-光谱关联机制。结果表明，干燥处理显著提升了N的预测精度，而新鲜叶片对P和K的预测表现更优。该研究为甘蔗无损营养诊断中样品制备策略的差异化选择提供了关键数据支撑，并为精准农业中光谱技术的作物特异性应用奠定了方法学基础。 图1. 实验区的地理位置。研究方法研究区域：研究团队在巴西巴拉那州帕拉纳瓦伊市一块2000平...
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