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近期学校都有哪些科研新进展？
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林学院团队揭示温带森林水-养条件调控树木叶片虫食的“逆境放大”效应
近日，我校林学院青年教师田地课题组在生态学经典期刊Functional Ecology上发表题为“Trouble follows the needy: More severe leaf herbivory in the resource-poor temperate oak forest than in the birch forest”的研究论文，揭示了植物抗虫性对生境资源的依赖性特征。
植物与植食性昆虫的相互作用是森林生态系统健康的重要组成部分，植物受虫食的程度影响森林生态系统的稳定性和可持续性。经典的资源可用性假说（RAH, Resource availability hypothesis）认为生长在养分、水分等资源丰富的环境中的植物会投资更多的资源用于生长而非防御，从而导致其更易遭受植食性昆虫的取食；而叶经济谱（LES, Leaf economics spectrum）理论认为，采取获取型资源利用策略的植物通常具有更高的叶片养分含量，且对昆虫取食的抗性较低，因此更受植食性昆虫青睐。全球干旱化背景下昆虫植食性强度增加的现象，与上述经典理论的预测存在显著矛盾，这阻碍了关于不同植物如何应对植食性昆虫取食的准确预测。
该研究以北京市东灵山两片温带落叶阔叶林（蒙古栎[Quercus mongolica]和白桦[Betula platyphylla]为优势树种的）为研究对象，比较了两个优势树种叶片虫食模式的差异并探索其潜在的机制。研究测定了三种叶片虫食指标（虫食面积、虫食率和虫食频率）、关键的叶片功能性状（叶面积[LA]、比叶面积[SLA]、叶片含水量[LWC]、叶片氮含量[LN]、磷含量[LP]和非结构性碳水化合物含量[NSC]）以及土壤特性因子（pH、土壤含水量[SWC]、土壤有机碳含量[SOC]、土壤氮[SN]和磷含量[SP]）。研究采用线性混合效应模型（LMMs）、层次分割等统计分析方法，解析了叶片虫食程度在两树种间的差异，以及土壤环境条件和叶片功能性状对其产生的塑造作用。
图1 蒙古栎林与白桦林叶片虫食程度、功能性状及土壤养分条件的差异概念图
研究结果表明：
1）生长在水分和养分条件较为贫瘠的土壤环境中的蒙古栎相比白桦具有更高的叶片虫食程度；与白桦相比，蒙古栎具有更大的叶面积和非结构性碳水化合物含量，但其比叶面积、叶片养分和水分含量较低（图1）。
2）在叶片水平上，两树种的叶面积（而非比叶面积）与叶片虫食程度呈正相关（图2）；在个体水平（图3）则出现了物种特异性模式：白桦的叶片虫食程度与叶面积正相关，与叶氮含量、含水量以及土壤磷含量负相关，而蒙古栎的叶片虫食程度仅受土壤磷含量的正向影响。
图2 叶片虫食程度与叶面积（LA）及比叶面积（SLA）的相关关系（叶片水平）
图3 叶片虫食程度与叶性状及土壤环境条件的相关关系（个体水平）
3）量化了11个叶片性状和土壤环境因子对虫食面积、虫食频率和虫食率的相对重要性，结果表明水分相关因子（土壤含水量和叶片含水量）以及叶面积在驱动叶片虫食变异中发挥关键作用（图4）。
图4 各因子对叶片虫食程度相对影响大小的分析
本研究揭示了植物抗虫性对生境资源的依赖性特征，研究结果诠释了“逆境放大效应”，明确了水分与养分匮乏会显著加剧虫食对林分的影响。为维护森林生态系统稳定性，植物资源获取策略的适应性调整过程、植食性昆虫种群对宿主资源分配的响应特征以及生境异质性对种间互作关系的调控路径，均是未来亟需深入解析的科学问题。另外，在干旱加剧与大气氮沉降等全球变化驱动因子的叠加作用下，原本处于资源制约状态的森林生态系统将面临更高的虫害暴发风险，这对脆弱生态系统保护实践提出了新的科学需求。
林学院青年教师田地课题组一年级博士生赵常提为该论文第一作者，田地为论文通讯作者。北京林业大学研究生莫仪恩和北京大学研究生俞果参与了相关实验，樊大勇教授和王襄平教授对论文撰写提供了帮助，北京大学吉成均老师和方精云院士为该研究提供了大力支持。
该研究得到了国家自然科学基金项目（32271680, 31800397）和北京自然科学基金项目（5222018）的资助。田地得到Swiss Government Excellence Scholarship、第七届中国科协青年托举工程项目(2021QNRC001)和北京林业大学“5•5工程”创新团队的支持。
水土保持学院本科生在Journal of Hydrology和Remote Sensing发表研究成果
近日，水土保持学院研究团队在我国北方干旱农牧交错带生态可持续性评估与提升领域取得进展，相关成果以“Promoting ecological sustainability in the arid farming-pastoral ecotone through optimal water allocation”与“Assessing Future Ecological Sustainability Shaped by Shared Socioeconomic Pathways: Insights from an Arid Farming–Pastoral Zone of China”为题分别发表于地球科学领域著名期刊《Journal of Hydrology》和《Remote Sensing》。
水资源短缺制约干旱农牧交错带经济和生态的可持续发展。如何利用有限的水资源提升干旱农牧交错带的生态可持续发展水平是当地面临的重要问题。针对上述问题，研究团队聚焦阴山北麓地区生态可持续性时空变化评估预测与水资源生态调控，研究构建了一种干旱农牧交错带生态可持续性评估方法，并基于典型CMIP6模式数据预测了未来生态可持续性变化趋势，进而定量解析了生态用水与生态可持续性的关系，开发了模糊可信度约束下随机多目标模型调控有限水资源以提升生态可持续性。
图1：不同气候情景下阴山北麓地区生态可持续性预测
图2：阴山北麓地区水资源利用与生态可持续性关系
图3：水资源优化配置方案与现状配置方案对比
研究发现：阴山北麓地区生态可持续性水平在2011-2019年间持续提升；2023年至2099年间，SSP1-2.6、SSP2-4.5和SSP5-8.5情景下，阴山北麓地区生态可持续性的年变化率分别为0.45%、−0.05%和−0.46%；区域生态配水与生态可持续性总体呈正相关关系，但存在显著空间分异特征；优化后的水资源利用方式，可以将阴山北麓地区生态可持续性、水资源利用效率和用水结构均衡度分别提高5.60%、19.45%和6.35%。研究成果可为阴山北麓农牧交错带生态可持续性提升与水资源利用提供决策支持。
水土保持学院本科生计嘉晨为论文的第一作者，青年教师张帆为通讯作者。
该研究孵化于2023年校级大学生创新创业训练项目“农牧交错带生态系统可持续性对水资源利用方式的响应分析”（X202310022066），并受到阴山北麓草原生态水文国家野外科学观测研究站开放研究基金项目（YSS202315）、国家自然科学基金青年项目（52409003）等项目资助。
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2024.132609
https://doi.org/10.3390/rs16162894
生物科学与技术学院科研团队揭示盐碱胁迫下胡杨根际微生物组功能补偿机制
近日，北京林业大学生物科学与技术学院何晓青教授团队在盐碱胁迫下胡杨根际微生物组领域取得了新进展。研究成果以题为"Assembly, network and functionalcompensation of specialists andgeneralists in poplar rhizosphere undersalt stress"的论文，发表在Nature出版集团旗下的知名刊物《npj biofilms and microbiomes》（中科院1区，Top期刊）上。该研究揭示了胡杨根际特化种和泛化种的多样性模式、组装机制、网络特征以及功能补偿机制。
图1 盐胁迫升高增加了细菌特化种α多样性，降低了细菌泛化种α多样性
土壤盐渍化是土壤退化的一种最严重的形式，是土壤荒漠化的主要催化剂。胡杨，以其卓越的耐盐碱能力而闻名，其根际微生物组的独特性被认为对逆境适应性具有重要贡献。在胁迫环境和营养匮乏的条件下，植物能够招募有益微生物以促进其生长。研究发现，盐碱胁迫显著影响胡杨根际微生物组的多样性和功能：盐碱胁迫升高增加了细菌特化种的α多样性，同时降低了细菌泛化种的α多样性。盐碱胁迫还改变了胡杨根际细菌特化种的群落结构和组装机制，并使微生物网络的复杂性随盐度升高而增加。更重要的是盐碱胁迫下存在功能补偿机制，即在高盐条件下（5-20g/kg），ASV中抗逆相关代谢功能（如抗坏血酸代谢、花生四烯酸代谢、萜类生物合成等等）的重要性上升，细菌特化种在其中发挥了重要作用。
图2 高盐度下胡杨根际微生物网络的复杂性升高
本研究揭示了胡杨根际微生物群落对盐碱胁迫的响应机制，强调了特化种在植物耐盐碱性中的关键作用。未来的研究可以进一步探索耐盐碱微生物缓解植物盐碱胁迫以及提高植物营养元素吸收的潜在机制，并开发微生物合成菌群（SynCom），以增强植物在盐碱胁迫下的适应性。
图3 胡杨根际微生物存在功能补偿机制
北京林业大学生物科学与技术学院博士研究生杜尧、张蕾为论文第一作者，何晓青教授为论文通讯作者。我校金一副教授该也对该项研究做出了重要贡献。
此项工作得到了“十四五”国家重点研发计划子课题“基于土壤微生物-土壤动物-植物-食草动物营养级联关系重构的自然保护地近自然修复理论与技术”(2023YFF1304302)的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41522-025-00662-5
园林学院研究团队在揭示‘美人’梅紫色性状的基因组起源方面取得进展
近日，园林学院孙丽丹教授课题组在揭示‘美人’梅紫色性状的基因组起源方面取得进展，相关研究成果以“Haplotype-resolved genome assembly provides new insights into the genomic origin of purple colour in Prunus mume”为题在Plant Biotechnology Journal杂志在线发表。
紫色是自然界中对植物进化具有重要意义的独特颜色，由水溶性色素花青素决定，与类黄酮-花青素次生代谢途径相关，且受MYB-bHLH-WDR（MBW）复合物的调节。在蔷薇科植物中已发现MYB10基因是紫色性状的关键调控因子，但从基因组进化方面揭示紫色性状的形成起源研究较少。随着高通量测序技术发展，植物复杂的基因组被测序和组装，通过比较基因组学研究在基因组中能鉴定到可以影响植物表型变异的染色体倒位（INV），为解析复杂性状的遗传调控机理奠定重要理论基础。梅花是蔷薇科李属木本观赏花卉，因其早春形成踏雪寻梅的景观和独特花香，被广泛地应用于园林中。‘美人’梅属于美人品种群，是紫叶李与重瓣宫粉型梅花的杂交种，其茎、叶和果皆为紫色，适应性强，但‘美人’梅紫色性状形成的遗传调控机制还不清晰。
‘美人’梅基因组组装和单倍型染色体构建
研究工作利用Pacbio、Hi-C等测序技术，完成了‘美人’梅单倍型基因组构建，通过比较基因组学在单倍型C（Haplotype C）亚基因组上鉴定到一个约1.8 Mb的倒位（INV）变异，利用群体遗传学分析揭示INV与紫色性状共分离，并在INV的远端断点发现了PmMYB10.5b转录因子。利用梅花毛状根遗传转化、双荧光素酶和EMSA等实验验证PmMYB10.5b通过与花青素合成等位基因启动子结合，促进花青素积累，解析了‘美人’梅紫色性状的基因组起源与分子调控机制，为观赏木本植物彩色性状的遗传改良和分子育种工作提供重要的理论依据。
紫色叶形成的基因组起源与调控模式
园林学院博士研究生蒙娟和李子葳为论文的共同第一作者，孙丽丹教授为论文通讯作者，北京林业大学为第一完成单位。研究得到中央高校基本科研业务费专项资金资助（QNTD202306）、国家林草局林草科技青年拔尖人才项目（No.2020132608）和北京市高精尖学科项目“城乡人居环境生态学科”的资助。
工学院科研团队在鸟鸣声识别领域取得新进展
近日，工学院张军国教授课题组在鸟类学领域的一流期刊《Avian Research》（中国科学院2区，中国科技期刊卓越行动计划英文梯队期刊）上发表了关于鸟鸣声识别方法的最新研究论文“Beyond Amplitude: Phase Integration in Bird Vocalization Recognition with MHAResNet”。
鸟类监测是反映生态系统健康的关键手段，为生态保护提供重要依据。被动声学监测结合鸟鸣声自动识别技术，可高效、精准地从数据中提取鸟类信息，助力研究与保护。传统的鸟鸣声识别方法往往忽略了相位信息，导致特征表示不完整。本研究提出了一种新的鸟鸣声识别方法MHAResNet，该方法整合了幅值和相位信息，采用残差块和多头注意力机制来捕获鸟鸣声的对数功率、瞬时频率和群延迟的显著特征。在三个鸟鸣声数据集上识别性能均优于现有方法。整合相位信息在鸟鸣声识别领域是一种创新的方法，极大地推动了鸟类自动监测技术的发展，为生态研究和保护工作提供了帮助。
该项工作得到了国家自然科学基金项目（62303063）的支持。北京林业大学工学院青年教师谢将剑副教授、硕士研究生郝珠琳为论文共同第一作者，张军国教授为通讯作者，北京林业大学为第一完成单位。
材料科学与技术学院科研团队在生物基木塑复合材料协同改性与强韧化方面取得进展
近日，材料科学与技术学院张双保教授课题组在材料科学领域一区Top期刊《Composites Part B: Engineering》（影响因子：12.7）上发表论文“Engineering strong and tough wood fiber/polyhydroxybutyrate bio-composite: Synergistic modification, performance optimization, and mechanistic insights”。
随着石油基资源日益枯竭和“白色污染”问题日益严峻，可生物降解塑料聚羟基丁酸酯 (PHB) 作为一种极具潜力的绿色替代品，备受瞩目。然而，其高昂的成本和固有的脆性限制了它的广泛应用。采用植物纤维增强PHB基复合材料虽能有效降低成本并提高强度，但由此产生的界面相容性问题以及植物纤维在改善PHB脆性方面的局限性仍不容忽视。因此，兼顾强度与韧性提升，是拓展PHB基生物复合材料应用前景的关键挑战之一。
据此，张双保教授团队提出了一种基于协同效应的PHB基木塑复合材料改性策略。该策略巧妙地利用聚丁二酸丁二醇酯 (PBS) 生物基聚酯的高韧性特点作为增韧组分；同时引入马来酸酐接枝聚羟基丁酸酯 (PHB-g-MA) 作为界面相容剂，以增强各组分间的相互作用。本研究成功构建了基于PHB-g-MA与PBS协同作用的WF/PHB生物基复合材料及其性能优化数值模型，并在此基础上探索了可定制化的性能优化策略。此外，研究团队还结合多尺度表征及分子模拟等先进手段，深入探究了PHB-g-MA和PBS在多相体系中的相互作用机制，揭示了二者协同改性构效的深层机理，为高性能生物基复合材料的可持续发展提供了重要的理论指导与技术支撑。
实验结果表明，采用最优配方制备的PHB基木塑复合材料强度和韧性均得到显著提升，其中静曲强度、弯曲韧性、拉伸强度、断裂伸长率和抗冲击强度分别提高了 25.6 %、165.6 %、22.4 %、110.8 % 和 210.7 %；
此外，该策略还显著改善了复合材料的耐水性、动态弹性、热稳定性以及熔融加工性能。
这项研究为经济高效开发PHB基生物复合材料提供了一种灵活的发展思路，有望推动其在环保包装、汽车内饰、增材制造、绿色建筑和生物医学等领域的广泛应用，为应对全球环境挑战，助力可持续发展贡献力量。
材料学院陈政豪博士为该论文第一作者，张双保教授为通讯作者，美国华盛顿州立大学李辉博士为共同通讯作者，北京林业大学为第一完成单位。
该研究工作得到了国家自然科学基金（32171707）、北京市自然科学基金（6202024）、国家留学基金委（202206510012）等资助与支持。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2025.112174
信息学院（人工智能学院）科研团队在森林场景大规模三维点云理解方面取得新进展
近期，信息学院（人工智能学院）卢昊副教授研究团队联合中国林业科学研究院、瑞士联邦森林、雪与景观研究所（WSL）等机构研究人员，在遥感领域顶刊《Remote Sensing of Environment》（中国科学院一区Top，IF=11.1）上发表题为"Towards a point cloud understanding framework for forest scene semantic segmentation across forest types and sensor platforms"的研究成果。该研究针对复杂森林场景，提出了大规模三维点云理解的神经网络模型Sen-net，实现了点云多种组分的高精度语义分割。
森林场景往往具有复杂三维结构，包括林木（含树干、树枝、树叶）和其他（草、灌、地面等）多种成分，这些成分对森林生态系统的作用和影响是不同的。通过遥感技术测量这些成分，对定量、精确、完整地理解森林生态过程具有重要意义。无人机激光雷达（LiDAR）三维点云是进行森林三维结构刻画的有力工具，但复杂的成分和结构使点云数据难以采用传统的特征工程、启发式方法或机器学习进行高精度语义分割。
团队基于长期在三维点云处理方面的研究，充分发挥“遥感—林草—AI”学科交叉融合的优势，发展了数据驱动的深度神经网络模型，从森林场景三维点云有效分离出树叶、木质成分、低矮植被及地面。针对这一目标：
（1）独立构建了大规模森林场景点云标注数据集Lin3D。针对国际上该领域标注数据稀缺的问题，构建了总面积超过20000 m2、包含不同气候带、森林类型、树种、林分密度、地形条件的数据集Lin3D。
图1. 大规模数据集Lin3D示例
（2）设计和训练了专门针对森林场景三维点云理解的神经网络模型Sen-net。结合长距离上下文信息与数据集先验知识，基于语义驱动融合多尺度特征，通过自适应学习方式，有效将森林场景“端到端”地分割为树叶、木质成分、低矮植被及地面组分。
图2. Sen-net网络架构
在Lin3D数据集上，Sen-net总体正确率、平均交并比分别达到97.6%和85.1%；在国际公开数据集上，总体正确率、平均交并比分别达到94.5%和78.2%，说明Sen-net在准确性和泛化能力方面表现出色，优于同类方法。该网络无需调节参数，使用方便，泛化能力强，适用于森林场景点云分析，并可作为森林场景点云处理算法的基础性框架，该研究成果表明团队在这一领域的研究处于国际前沿水平。
图3. Sen-net对Lin3D数据的分割结果
图4. Sen-net对几个国际公开数据的分割结果
卢昊副教授为第一作者，信息学院2024届硕士毕业生李博文和中国林业科学研究院资源信息研究所庞勇研究员为通讯作者。
该研究受到国家重点研发计划项目“森林资源激光雷达遥感动态监测与蓄积量估测技术联合研发”（2020YFE0200800）、国家自然科学基金项目“多源机载LiDAR数据融合的落叶松表型分析方法研究”（42001376）和雄安新区科技创新专项“雄安新区绿色生态城市智慧森林经营关键技术应用与示范”（2023XAGG0065）的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0034425724006175
生态与自然保护学院在单亲孵卵鸟类生活史策略的纬度变化上取得新进展
近日，保护学院徐基良教授课题组在国际著名生态学期刊《Journal of Animal Ecology》（一区，TOP期刊）上发表了题为 “Latitudinal variations in incubation behaviour among uniparental incubating birds”的学术论文。
孵卵是鸟类生活史的一个重要特征，反映了胚胎能量需求与亲代生存和繁殖之间的平衡。单亲孵卵鸟类独自承担孵卵职责，其必须通过调整孵卵期间的离巢和回巢频率及持续时间来平衡自我生存和胚胎热量需求。孵卵行为会受气候和巢捕食等生态因素的复杂影响，而这些因素在不同纬度上存在显著差异，因此孵卵行为也会随纬度变化。纬度作为多种关键环境梯度的代表，深刻影响了鸟类的生活史策略。例如，纬度相关的温度梯度和巢捕食风险的差异会影响亲代的孵卵行为和孵化成功率。此外，不同纬度的成鸟存活率也可能影响其繁殖投资（如窝卵数和孵卵行为），从而导致孵卵行为的纬度差异。
尽管已有一些研究关注单一物种内不同种群的孵卵行为，但缺乏对单亲孵卵鸟类孵卵行为的系统研究。该研究通过201种单亲孵卵鸟类的孵卵行为数据（图1），发现与低纬度物种相比，高纬度物种采取了不同的孵卵策略，表现为更多的离巢次数（图2a,d）、更短的离巢时间（图2b,e）以及更高的孵化恒定性（图2c,f）。此外，体型较小的物种离巢次数更多，而栖息在森林中的物种比栖息在灌木和草原中的物种离巢次数更少。同时，植食性物种表现出更高的孵卵恒定性。该项研究为深入理解鸟类生活史策略纬度变化规律提供了全新的认识视角。
图1. 201种单亲孵卵鸟类的三种孵卵行为：离巢频率、离巢时长、孵卵恒定性的系统发育分布(a)及 201种单亲孵卵鸟类孵卵恒定性的地理分布(b)
图2. 单亲孵卵鸟类离巢频率、离巢时长和孵卵恒定性的纬度变化(a–c)；雁形目、鸡形目、雀形目鸟类的孵卵行为的纬度变化(d–f)
生态与自然保护学院徐基良教授为该论文通讯作者，博士研究生靳亭为论文第一作者，北京林业大学为第一完成单位。
该研究获得国家自然科学基金面上项目（No. 32470525和No.32222012）的资助。
论文链接：https://besjournals.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1111/1365-2656.70022
环境科学与工程学院在农业生产环境风险评估领域取得进展
近日，环境科学与工程学院黄凯教授课题组的研究论文“Addressing regional agro-ecological boundaries: An integrated environmental footprint framework for revealing sustainability gaps in agro-ecosystems”在环境领域顶级期刊《Environmental Science & Technology》上发表。该研究基于环境足迹-农业生态边界集成评估框架揭示了区域农业生产环境风险，被选为EST当期封面论文。
现代农业不仅承载着养活全球人口的重任，也对自然生态系统施加了巨大的压力：近70%的水资源和土地消耗、25%的温室气体排放以及70%的氮磷流失都源于农业生产。这些环境压力威胁生态系统韧性，并挑战多个联合国可持续发展目标（SDGs），如“零饥饿”“清洁水资源”和“气候行动”。然而，由于资源禀赋和生态承载力的区域异质性，单一的环境评估方法难以描绘复杂的区域生态风险。传统的环境足迹（EF）评估虽然覆盖了多种指标，但忽略了它们之间的相互作用，容易引发“问题转移”。
为破解这一难题，该研究提出了“Footprint-AEB（足迹-农业生态边界）集成框架”，结合全球行星边界理论与区域生态特征，综合评估水资源、土地、温室气体、氮磷、生物多样性等多个环境足迹对农业生态系统的影响。以中国为例，这一框架揭示了农业供应链中的关键环境压力点和生态脆弱区域，为制定精准、区域化的可持续发展策略提供了科学支持。从全球到区域，从分散到整体，这一框架为推动生态平衡与可持续发展开辟了新路径。守护地球农业的“安全运行空间”，需要全局与细节并重。
论文第一作者为环境科学与工程学院博士研究生吴琳秀，黄凯教授为唯一通讯作者，北京林业大学为论文第一完成单位，论文合作单位包括北京理工大学、清华大学、澳大利亚联邦科学与工业研究组织（CSIRO）等国内外研究机构。
上述研究工作得到国家自然科学基金（52370190）的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1021/acs.est.4c08025
微信名：bfu-1952-
北京林业大学
出品｜北京林业大学党委宣传部
来源｜各单位、绿色新闻网
校对｜高增增
编辑｜张薇
责编｜欧阳汀
审核｜刘广超