一起来看！北林大近期科研进展～

　　

　　林学院森林经营教师团队在温带森林经营基础理论上取得系列进展

　　

　　水土保持学院青年教师在亚热带喀斯特地区火干扰响应领域取得进展

　　

　　生物科学与技术学院课题组揭示evk介导气孔关闭机制

　　

　　园林学院科研团队揭示连翘金叶色调控新机制

　　

　　工学院科研团队在单兵导航研究领域取得进展

　　

　　材料科学与技术学院课题组率先发现木聚糖类半纤维素室温磷光现象

　　

　　理学院教授课题组在《Industrial Crops and Products》发表研究成果

　　

　　环境科学与工程学院教授课题组在《Chemical Engineering Journal》发表研究成果

　　

　　草业与草原学院研究团队撰文阐述中国草坪草抗逆性研究的进展与挑战

　　林学院森林经营教师团队在温带森林经营基础理论上取得系列进展

　　近日，我校林学院的全国高校黄大年式教师团队、国家林草局林业和草原科技创新团队——森林经营教师团队，以温带大面积森林监测样地为基础，在森林地下碳库的动态变化、森林群落空间结构的驱动机制、温带天然林树高预测、邻域相互作用与树木生长关系对采伐干扰的响应、局域和区域尺度下性状-环境关系研究上取得系列研究进展。

　　

　　采伐对森林地下碳库的动态影响

　　森林土壤储存约70%的土壤有机碳，在陆地碳循环中发挥了重要作用。抚育采伐作为重要的森林经营措施，在调控森林结构、提高木材产量、降低火灾风险中发挥重要作用。然而，采伐过程对土壤呼吸和有机碳及其组分的影响机制仍知之甚少。团队发现在采伐后的6~8年，重度采伐使土壤呼吸明显下降，土壤呼吸的下降归因于重度采伐下自养呼吸和异养呼吸的下降，这主要是由于土壤养分、微生物生物量碳和细根生物量的变化所导致。研究强调了采伐对土壤呼吸的影响随时间的变化，在准确预测采伐对土壤呼吸的长期影响时，应考虑细根和微生物生物量的变化。此外，在采伐9年后，重度采伐使表层土壤有机碳含量明显下降，与凋落物产量、土壤养分和细根生物量的减少有关。同时重度采伐显著降低了颗粒态有机碳含量，这与土壤养分和微生物生物量氮的减少有关。此外，中度和重度采伐显著降低了烷基碳及烷基碳和氧烷基碳的比例。土壤有机碳化学组分的变化与植物生物量和土壤活性有机质的分解相关。总之，将有机碳组分、植物生物量和微生物分解结合起来，可以更加全面了解森林经营过程中土壤有机碳的动态变化。成果发表在Catena（IF=6.367，土壤科学Top）和Forest Ecology and Management（IF=4.384，农林科学Top）上，博士生杨璐为第一作者，张春雨和赵秀海教授分别为通讯作者。

　　

　　群落空间结构的形成机制

　　群落空间结构的形成机制是群落生态学研究的核心。以往研究主要从种面积关系和物种多度分布探讨群落空间结构的形成过程。这些研究只考虑物种数量而忽略物种多度信息，或只考虑物种相对多度在特定尺度上的变化，难以全面理解多样性是如何随尺度变化以及其潜在的生态学机制。团队利用基于Hill number构建的多样性面积关系和多重分形的方法，结合完全随机、扩散限制、环境过滤以及扩散限制与环境过滤共同作用的空间点过程模型，评估了生态位过程和中性过程对群落空间结构的相对贡献。研究发现，群落空间结构的形成机制强烈地依赖于多样性测度对物种频率的敏感性：q

　　

　　温带天然林物种群划分

　　相较于胸径树高的测定十分困难，构建精准而简易的树高-胸径模型可极大降低野外工作成本。以往研究大多针对单树种、林分结构单一的林分建立模型，对于多树种、多层次的林分缺乏适用的建模方法。团队根据冠层分布和更新模式划分了四个物种群，以传统理论生长模型为基础，针对不同物种群建立树高-胸径模型，并考虑将竞争因子纳入基础模型中建立广义模型。结果表明，不同物种群具有其独特的树高-胸径关系，其对应的最优理论树高-胸径模型也不同。相比于统一建模，划分物种群后的模型精度更高，这种采用物种群划分的分类思路可以推广到天然混交林的其他建模领域。添加竞争因子后，所有物种群的基础模型优度都得到进一步提升。为了保证该模型可以更好应用于不同树种组成的其他林分，研究还提供了以树种为随机效应的混合效应模型。成果发表在Forest Ecology and Management（IF=4.384，农林科学Top）。博士生崔可达为第一作者，赵秀海教授为通讯作者。

　　

　　邻域相互作用与树木生长关系对采伐干扰的响应

　　采伐不仅直接影响着生物多样性和生态系统功能，同时也改变了森林的物理环境和资源的可利用性，这些变化反过来又会作用于生物多样性和生态系统功能。团队在传统邻域相互作用指数的基础上，考虑了不同物种间的功能生态位差异以及亲缘关系信息，并进一步量化了这种基于功能性状或系统发育差异性的邻域相互作用指数对采伐干扰的响应。基于功能性状和系统发育差异性的邻域相互作用随采伐干扰强度的升高而降低，表明采伐可通过调整邻域的空间结构及物种组成，有效地缓解邻域竞争。采伐干扰增加了基于叶片氮含量和最大树高等级性的邻域相互作用，却降低了基于木质密度等级性的邻域相互作用。结果表明，采伐干扰提升了保留木的光竞争能力，同时保留了邻域范围内具有缓生-保守型策略的物种。随着采伐强度的升高，邻域拥挤度对树木生长的作用由不显著转为显著相关，在中度-重度采伐下，邻域拥挤度对树木生长有显著负效应。因此，为了加速树木生长及森林系统功能恢复，采伐决策中应充分考虑邻域相互作用对树木生长的影响。成果发表在期刊Ecological Indicators（IF=6.263，生态学与环境科学2区）。博士生岳庆敏为第一作者，赵秀海教授为通讯作者。

　　

　　局域及区域尺度下性状与环境关系

　　森林在保护生物多样性、减缓气候变化和固碳等各类生态功能与服务中发挥着重要作用。探讨不同空间尺度上森林群落的功能组成如何随环境条件变化有助于更好理解环境在驱动群落结构和生态系统功能的作用。团队研究发现种内变异对群落水平性状变异具有较大的贡献，并且种内变异的相对贡献随着空间尺度的增加而减少。该发现支持了SVP假说，即随着空间尺度的增加种内变异相比于种间变异的程度会降低。因此，为了准确评估不同尺度的性状-环境关系，应当在分析中考虑种内变异的作用。此外，土壤和地形因素共同决定了局域尺度的群落功能组成，而气候因素则是区域尺度群落功能组成变异的主要驱动因素。结果表明局域非生物因素是小尺度森林群落功能性状组成的主要驱动因素，而除了环境因素外，其他因素（如生物相互作用和遗传变异）在驱动大尺度森林群落功能组成变异中也发挥重要作用。成果发表在期刊Frontiers in Plant Science（IF=6.627，生物学Top）。博士生达日罕为第一作者，赵秀海教授为通讯作者。

　　水土保持学院青年教师在亚热带喀斯特地区火干扰响应领域取得进展

　　刀耕火种是一种古老的土地开垦方式，至今依然在全球范围内被广泛使用。氮素是控制植物生长的重要元素，喀斯特地区石灰性土壤具有土层薄、高pH、高钙含量和易漏失、易侵蚀的特点。传统观点认为在自然林中石灰性土壤一般以硝态氮为主且具有较高的无机氮供应能力和周转速率。因此，了解刀耕火种对土壤氮供应能力和周转速率的影响，对于深入理解生态系统养分状态，预测植被生产力潜在变化具有重要意义。

　　针对上述问题，我校水土保持学院云南建水站课题组联合中国地质科学院岩溶地质研究所，对亚热带喀斯特地区刀耕火种区域及邻近未火烧区域土壤氮转化过程进行了N15同位素双标记示踪分析。

　　

　　火烧区和未火烧区的土壤氮转化过程速率

　　火烧区和未火烧区的土壤铵态氮吸附、解吸速率和无机氮平均滞留时间

　　研究发现，火烧区土壤有机碳、总氮、钙含量较未火烧区显著降低，土壤有机氮矿化过程速率、自养硝化过程速率、微生物同化过程速率也均显著低于未火烧区，表明刀耕火种对土壤矿化-同化循环具有负效应，且无机氮产生和消耗的综合结果导致氮有效性降低。土壤铵态氮和硝态氮平均滞留时间在火烧后分别延长为未火烧区的5倍和8倍，表明火烧显著降低了土壤无机氮周转速率。该研究通过解析土壤氮初级转化速率，揭示了火烧影响土壤无机氮供应能力的内在机制，并发现土壤有机碳含量降低是导致氮周转改变的主要原因，建议在农业生产中施用有机肥以提高土壤内在氮转化过程，保证土壤氮的有效供应。

　　该研究成果以“Slash-and-burn in karst regions lowers soil gross nitrogen (N) transformation rates and N-turnover”为题，发表于土壤学领域国际著名期刊Geoderma。论文第一作者为水保学院青年教师王冠，通讯作者为中国地质科学院岩溶地质研究所朱同彬研究员，北京林业大学为第一完成单位。论文得到了中央高校基本科研业务费项目（2021ZY52）和国家自然科学基金（41771340，41877348）项目的支持。

　　生物科学与技术学院课题组揭示evk介导气孔关闭机制

　　气孔是叶片上CO2、H2O等气态分子的交换通道，也是病原体的主要感染部位。气孔关闭能有效阻止病原体入侵。α, β-不饱和羰基是植物中可长距离运输的信号分子的重要结构。作为一种挥发性小分子物质，乙基乙烯基酮（evk）含有α, β-不饱和羰基结构，具有远距离传输的能力。在植物遭受胁迫情况下，在叶片中合成，通过气孔释放。先前的研究表明evk可诱导气孔关闭，但evk导致气孔关闭的机理尚未见报道。

　　北京时间2022年8月12日，北京林业大学生物科学与技术学院沈应柏课题组在《International Journal of Molecular Science》发表了题为“Ethyl Vinyl Ketone Activates K+ Efflux to Regulate Stomatal Closure by MRP4-Dependent eATP Accumulation Working Upstream of H2O2 Burst in Arabidopsis”的研究论文，报道了evk通过激发胞外ATP（eATP）浓度升高从而介导H2O2迸发，最后引起K+外排，促使气孔快速关闭的新发现。

　　

　　沈应柏课题组前期研究发现， evk可引起保卫细胞K+外流和气孔关闭。后续研究表明用evk熏蒸植物叶片，可导致胞外ATP（eATP）浓度上升，这个过程与RBOHD/F所介导的H2O2迸发相关。用RBOHD/F抑制剂和突变体验证发现，eATP和H2O2参与了由evk引起的气孔关闭过程，且eATP在evk诱导的气孔关闭过程中位于H2O2迸发的上游。进一步通过酵母双杂交(Y2H)，萤火虫萤光素酶互补成像测定(LCI)，GST-Pulldown和BiFC实验证实RBOHF蛋白与DORN1之间存在互作。研究还发现在突变体mrp4，rbohd/f和dorn1.3突变体的保卫细胞中K+流出显着降低，这意味着evk以eATP和H2O2依赖的方式激活外向K+通道。

　　

　　

　　综上所述，乙基乙烯基酮（evk）通过以eATP和H2O2依赖的方式激活保卫细胞K+外流通道，致使保卫细胞K+流失，引起保卫细胞膨压下降，导致气孔关闭。研究结果为揭示气体小分子evk导致的气孔关闭机理提供了新的科学依据。

　　北京林业大学博士生巩俊清，硕士生姚丽娟和博士生焦春阳为该文的共同第一作者，沈应柏教授为通讯作者，该研究受到国家自然科学基金（31270655）的资助。

　　园林学院科研团队揭示连翘金叶色调控新机制

　　近日，《Frontier in Plant Science》在线发表了国家林业和草原局“紫薇等花卉种质创新与分子育种创新团队”负责人、北京林业大学园林学院潘会堂教授课题组题为 “Comparative transcriptome analysis identified CHLH and POLGAMMA2 in regulating yellow-leaf coloration in Forsythia” 的研究论文。

　　连翘（Forsythia）是我国传统的早春观花灌木，是我国北方城市早春植物景观的重要组成部分，金叶连翘（F. koreana ‘Suwon Gold’）叶片黄色，观赏期长，在全光下叶色金黄，遮荫后叶色复绿。目前为止，金叶连翘叶片呈色机制尚不清晰。

　　

　　连翘金色叶呈色分子机制解析

　　本研究利用连翘品种和金叶连翘的杂交群体中黄叶型和绿叶型株系为实验材料，比较了不同光强条件下叶色变化、叶片解剖结构和色素含量，发现金叶连翘的黄色主要是由叶绿素a含量降低导致的。利用比较转录组鉴定到CHLH和POLGAMMA2基因与连翘黄叶色形成相关。利用病毒诱导基因沉默体系（VIGS）与基因过表达技术，在连翘和番茄、烟草中对CHLH和POLGAMMA2基因进行功能分析，并对基因沉默株系进行了转录组测序，分析了下游基因的变化，证明CHLH和POLGMMA2通过影响连翘叶绿素合成与叶绿体发育调控黄色叶的形成。研究结果为金叶连翘分子育种奠定了理论基础。

　　潘会堂教授为该论文通讯作者，国家花卉工程技术研究中心青年教师张曼博士和已毕业的申建双博士、吴雨桐硕士为共同第一作者。本研究在北京市科技计划（Z181100002418006）、中央高校基本科研业务费专项资金（2015ZCQ-YL-03）、北京林业大学建设世界一流学科和特色发展引导专项资金（2019XKJS0323）等项目的资助下完成。

　　工学院科研团队在单兵导航研究领域取得进展

　　我校工学院科研团队在基于分布式多节点MEMS惯性传感器的森林消防员自主导航研究中取得了新的进展。

　　目前行人自主定位导航方法中，步长和航向容易产生偏移误差。针对此问题，通过分析定位系统中状态变量的可观性，结合人体下肢生物力学模型，对分布在不同人体位置的传感器之间建立了互补的约束关系。该方法已在安装于下肢的零速度更新辅助惯性导航系统的信息融合中得到验证。实验结果表明，使用几何约束可以显著提高导航性能。本研究有助于利用森林消防员间的相对位置指导其他队员及时搜救，从而提高了森林消防员在林火扑救过程中的安全保障。

　　

　　三传感器约束方式

　　双传感器约束方式

　　

　　

　　森林三维定位导航实验结果

　　近期，上述研究成果在《IEEE Transactions on Industrial Electronics》(中科院一区，TOP，影响因子: 8.162)、《IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement》(影响因子: 5.332)和《IEEE Sensors Journal》(影响因子: 4.325) 等权威期刊上发表多篇论文。第一作者分别为工学院研究生李哲、王建宇、王嘉盛，通信作者为工学院徐向波副教授，北京林业大学为唯一完成单位，本研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金（2021ZY68）的资助。

　　材料科学与技术学院课题组率先发现木聚糖类半纤维素室温磷光现象

　　有机室温磷光材料，被业界誉为“有机夜明珠”，近年来备受关注，其长寿命发射可以消除背景荧光和光散射的干扰，在防伪、传感、光电器件和生物成像等领域具有广阔的应用前景。人造有机室温磷光材料通常需要复杂的化学合成及纯化，难以大规模制备，加工性能及余辉颜色调节性能差。针对以上问题，材料学院课题组另辟蹊径，基于天然多糖开发室温磷光材料，并率先发现了半纤维素的长寿命、余辉颜色可调谐室温磷光现象。其中，直链木聚糖结构规整，结晶度高，通过分子动力学模拟及量子化学计算揭示了木聚糖分子间相互作用对三线激发态的稳定机制；其发光寿命长达588毫秒，远长于其他天然高分子。通过光谱表征揭示了木聚糖簇聚诱导发光（CTE）机理，并阐明了其激发波长依赖性及延迟时间依赖性余辉颜色可调谐机制。同时，可进一步通过氧化反应将木聚糖转化为水溶性双醛木聚糖，赋予其加工成型特性，其独特的余辉颜色变化特征赋予了半纤维素基材料优异的信息加密、存储及防伪功能。本工作为半纤维素开拓了新的应用领域，即颜色可调室温磷光体系，并为半纤维素室温磷光材料的设计提供理论依据和技术支撑，推进了有机室温磷光领域的绿色发展，有望在未来满足社会对低成本、无污染、高性能磷光信息功能材料的需求。

　　

　　半纤维素室温磷光现象

　　相关论文以“Natural ultralong hemicelluloses phosphorescence”为题在线发表在Cell Press出版集团旗下综合期刊《Cell Reports Physical Science》上，本文第一作者为材料学院青年教师吕保中，通讯作者为彭锋教授，北京林业大学林木生物质化学北京市重点实验室为第一单位。该工作得到了国家重点研发计划（2019YFB1503803）、国家自然科学基金（31971611）等项目的资助。

　　理学院教授课题组在《Industrial Crops and Products》发表研究成果

　　理学院李强教授课题组基于实验和密度泛函理论计算方法，对利用NiMoO4-CNTs-CF电催化剂绿色高效催化农林生物质源呋喃化合物高值化展开了系统研究，并取得了阶段性进展，相关成果发表在农林科学类Top期刊《Industrial Crops and Products》（一区，IF=6.449）上，论文第一作者为博士生武艺，共同通讯作者为理学院杨悠笛讲师和李强教授，北京林业大学为唯一完成单位。

　　

　　糠酸和2,5-呋喃二甲酸是一类重要的化工原材料，可作为中间体制备多种食品防腐剂、杀菌剂、香料以及多种聚合物，广泛应用于食品和制药行业。然而，糠酸和2,5-呋喃二甲酸的传统制备方法往往是借助于康尼扎罗反应合成，但该过程通常存在产量低、净化操作复杂、环境污染严重、工艺风险大，成本高，能源利用率低等缺点，导致其在实际工作中应用受限。作者从能源高效利用和环境保护的角度，采用电化学的策略来有效提升糠酸和2,5-呋喃二甲酸的产量。电催化氧化是一种很有前途且强大的绿色工具，它由电力驱动，不需要高温高压和强氧化剂等比较苛刻的条件。因此，制备高选择性和稳定的电催化剂是生物质原料高值化的有效途径。有研究表明，贵金属（Pt、Pd、Au）被证明是能够高效电催化氧化糠醛和5-羟甲基糠醛的活性成分。然而，贵金属储量少、成本高，导致其无法满足目前大规模工业化的要求。在这一背景下，探究廉价、高效且稳定的电催化剂是实现生物质基化合物高值化利用的一个关键的挑战。

　　本研究致力于寻找廉价且稳定的高效电催化剂，受自然界中花朵的启发，作者创新性地将碳纳米管引入二元过渡金属氧化物钼酸镍中，制备出具有花朵形状的NiMoO4纳米片，该结构显著增大了电催化剂的电化学活性表面积（10.3 mF cm-2），有利于反应底物的吸附，同时最大限度的减少传质阻力，显著提高电催化能力。在NiMoO4-CNTs-CF电催化剂的作用下，糠酸和2,5-呋喃二甲酸的产率分别为96.98%和93.78%，法拉第反应效率分别为95.47%和89.42%。此外，碳纳米管的加入还能显著提高电催化剂的稳定性，有效防止其结构的坍塌和脱落。在五次连续电解循环下，糠酸的产率和法拉第效率依旧保持在90%以上。同时，DFT计算表明，NiMoO4-CNTs-CF电催化剂的良好催化性能与其结构和活性位点的良好设计是密不可分的，在电解过程中， Ni和Mo的协同效应可以显著提高催化剂的电荷密度，促进NiMoO4-CNTs-CF电催化剂对糠醛和5-羟甲基糠醛的电催化氧化活性。本研究为生物质源呋喃醛电化学转化为高价值化学物质的提供了新的见解，也为工业上高效绿色地生产食品添加剂、药物中间体和聚合物原料提供一个绿色和优良的选择。

　　该研究得到了国家自然科学基金（No. 22003004，No. 21671021）和中央高校基本科研业务费专项资金（No. BLX2019329）的资助。

　　环境科学与工程学院教授课题组在《Chemical Engineering Journal》发表研究成果

　　环境学院王毅力教授课题组在镧基复合材料吸附除磷领域取得新进展，相关成果发表在化学工程领域Top期刊Chemical Engineering Journal (一区，IF = 16.744)上，论文第一作者为环境学院博士生李小林，北京林业大学为文章第一完成单位。

　　过度磷排放所导致的水体富营养化已被认为是一个全球性问题，其造成的水质恶化和生物多样性减少等问题严重威胁人类健康和水生生态系统的可持续性，因此水体中磷的去除引起了人们的极大关注。近年来，镧基复合材料因其与磷酸根的特异性相互作用而被广泛研究，当与具有高表面电荷的基质材料结合时，将成为更有前途的磷吸附材料。但由于表面能的限制作用和界面边界的产生，负载在基质材料上的镧氧化物或氢氧化物倾向于自发聚集，导致活性位点的屏蔽，从而降低相应的吸附效率。鉴于此，本研究尝试通过调节纤维素水凝胶的电荷分布促进氢氧化镧的分散，从而提升水凝胶材料的磷吸附效果。

　　

　　首先，本研究通过合成调控改变了聚合物链上季胺基团的空间分布，分析了合成的阳离子、两性、阴离子三种纤维素水凝胶的化学结构和带电基团分布。随后采用分子动力学模拟计算了三种水凝胶负载的La(OH)3纳米颗粒之间的成对相互作用，揭示了水凝胶的空间正电荷分布对La(OH)3团簇分散性的影响规律。结合静态批次实验和吸附后材料的表征分析了三种吸附剂的磷吸附特征及机理。结果表明长链阳离子官能团可以改善La(OH)3纳米颗粒在水凝胶中的分散性，从而在纤维素水凝胶网络中实现镧活性位点的理想分布，提升了复合材料对磷的吸附容量。合成的季胺基团接枝的载镧纤维素阳离子水凝胶（CCH@La）的磷吸附容量为92.54 mg P/g，摩尔P/La比为1.41，是羧基基团接枝的纤维素阴离子水凝胶吸附剂（CAH@La）的2.01倍。La(OH)3纳米颗粒在水凝胶中的良好分散性使更多的La–O位点暴露于磷酸根中，促进了吸附效率的提高。本研究为磷吸附剂设计中电荷分布和La(OH)3分散的协调问题提供了新的见解，并展示了载镧吸附剂CCH@La用于含磷废水处理的潜在应用性。

　　研究得到了国家重点研发计划（No. 2017YFC0505303），国家自然科学基金（Nos. 51978054和52170122）和北京市教委的“生态修复工程学”高精尖学科项目（GJJXK210102）的资助。

　　草业与草原学院研究团队撰文阐述中国草坪草抗逆性研究的进展与挑战

　　在过去的三十年里，我国草坪草研究与产业发展取得一系列成就，但与发达国家仍存在较大差距。近日，草业与草原学院韩烈保教授团队撰文综述了草坪草抗性育种的研究进展，分析了草坪草抗性育种发展中的制约瓶颈，提出了促进我国草坪草创新研究和产业发展的思路和对策。

　　

　　中国草坪草品种登记情况 (2008 - 2016): (a) 草坪草品种登记数目, (b) 已登记品种的分布

　　研究团队首先回顾了草坪草的外来引种与自主品种研发现状，进而从冻害、高温、干旱、重金属污染等方面分析了抗逆性育种的研究现状。文章指出，草坪草的全基因组研究相对匮乏，且目前的科学研究和生产实践存在鸿沟，迫切需要建立草坪草抗性育种平台，以便打破草坪草研究与产业之间的壁垒，促进大数据的积累，为基础数据与成果的共享提供便捷，助力草坪草行业的健康、高效与可持续发展。

　　

　　草坪草对环境胁迫的耐受与响应

　　上述论文以Progress and Challenges in China Turfgrass Abiotic Stress Resistance Research为题，发表在top期刊《Frontiers in plant science》。北京林业大学草业与草原学院博士后赖玖鑫为第一作者，韩烈保教授为通讯作者，本研究得到国家自然科学基金资助 (No.31971770) 。