降水变化与CO₂浓度升高将严重影响陆地生态系统尤其是草地生态系统, 阐明干旱半干旱区草原优势植物对降水与CO₂浓度变化的联合响应有助于理解和准确评估未来气候变化对草地生态系统的影响。基于开顶式生长箱(OTC), 模拟研究了降水变化(-30%、-15%、0、+15%、+30% (以1978-2007年月降水平均值为基准))、CO₂浓度变化(对照、450 μmol·mol^-1、550 μmol·mol ^-1)及其协同作用对荒漠草原优势物种短花针茅(Stipa breviflora)光合特性的影响。结果表明: 降水变化和CO₂浓度升高对短花针茅光合参数影响显著, 表现出显著的交互作用。随着CO₂浓度升高, 短花针茅叶片净光合速率(P_n)呈增加趋势, 但随着时间延长(8月份)显示出光合适应现象; 气孔导度(G_s)和蒸腾速率(T_r)则呈下降趋势, 水分利用效率(WUE)显著增加。随着降水增加, 短花针茅的P_n、G_s和T_r均呈增加趋势, P_n增加速率小于T_r, 使得WUE降低。高浓度CO₂和降水增加15%的协同作用可以显著提高短花针茅的P_n、G_s和T_r, 但P_n增加速率接近于T_r, 导致WUE变化不显著。这表明, 在干旱半干旱地区, CO₂浓度升高可在一定程度上提高短花针茅的抗旱能力, 增强短花针茅对暖干化气候情景的适应性。

盐生植物作为干旱区绿洲重要的生命支持系统, 对于维持绿洲生态系统平衡起着核心的作用。很多学者对此展开了大量研究, 但是对盐生植物的光谱特征研究较少, 因此, 该文以渭干河-库车河三角洲绿洲盐漠带典型盐生植物为研究对象, 利用FieldSpec Pro FR便携式地物波谱仪, 2010年10月通过对盐穗木(Halostachys caspica)、盐节木(Halocnemum strobilaceum)、骆驼刺(Alhagi sparsifolia)、白刺(Nitrarria sibirica)、柽柳(Tamarix ramosissima)、花花柴(Karelinia caspia)及芦苇(Phragmites australis)野外光谱数据采集和处理, 获得了这7种盐生植物的高光谱数据, 然后采用光谱学分析方法分析其特征变化, 结果表明: (1)采用Percentile Filter平滑方法进行光谱噪声去除, 有很好的去除噪音效果。(2)对3种类型盐生植物样本的原始光谱曲线提取光谱吸收特征参数, 结果发现稀盐盐生植物、泌盐盐生植物、拒盐盐生植物的波谷波长位置接近, 说明盐生植物的吸收波段特征有一定的相似性。(3)对盐生植物光谱反射曲线进行归一化处理, 发现在消除土壤等背景影响、突出目标及消除同物异谱现象上具有很好的效果, 能够提高盐生植被的识别精度。(4)应用二阶导数的方法得到盐生植物识别的9个最佳波段: 510、550、690、730、950、1150、1210、1290和1310 nm。研究成果不仅可以为盐漠带植物的高光谱遥感数据处理提供一定的科学依据, 而且可以为盐漠带盐生植物的遥感识别和分类提供一定的参考。

宁夏平原北部引黄灌区地下水埋深浅是该地区土壤盐碱化的主要原因, 种植耐盐植物可以吸收利用地下水, 在降低地下水位的同时可以减少对地面灌溉的依赖。为了分析银川平原北部4种灌木对不同水源的利用特征, 于2010年生长季测定了灌溉前后20年生多枝柽柳(Tamarix ramosissima)、3年生多枝柽柳、3年生宁夏枸杞(Lycium barbarum)和3年生四翅滨藜(Atriplex canescens)木质部水及不同潜在水源稳定氧、氢同位素组成(δ¹⁸O和δD), 应用IsoSource同位素线性混合模型估算了不同灌木对不同水源的利用率。同时测定了0-200 cm土壤剖面的全盐含量、含水量和pH值以及灌溉前后光合气体交换参数。结果表明: 不同深度土壤水δ¹⁸O和δD值存在较大差异, 并呈规律性变化。土壤水δ¹⁸O和δD值随深度加深呈逐渐降低的趋势。灌溉后80 cm以上土壤水δ¹⁸O和δD值低于灌溉前。无论灌溉前还是灌溉后, 20年生多枝柽柳与3年生灌木相比具有更低的δ¹⁸O和δD值。灌溉前, 3年生多枝柽柳、宁夏枸杞和四翅滨藜主要利用表层土壤水(70.1%、52.3%和48.9%); 20年生多枝柽柳对地下水的利用率最高(21.5%)。灌溉后, 3年生多枝柽柳和宁夏枸杞对80-140 cm土壤水利用率较高(59.5%和58.8%)。20年生多枝柽柳对地下水的利用率最高(18.3%)。灌溉前, 20年生多枝柽柳净光合速率、气孔导度和蒸腾速率显著高于其他3种灌木, 灌溉后3年生四翅滨藜净光合速率最高。灌溉对3年生多枝柽柳和宁夏枸杞的净光合速率和气孔导度有显著影响。无论灌溉前还是灌溉后, 3年生四翅滨藜瞬间水分利用效率均高于其他3种灌木。研究表明, 不同灌木在不同水分条件下水分利用策略不同, 这主要与植物种类及树龄有关。灌溉前幼龄多枝柽柳凭借其对干旱较强的忍耐能力利用浅层不饱和土壤水, 灌溉后其又转而利用中层土壤水, 表现出潜水湿生植物的特征, 主要吸收利用深层土壤水分, 对灌溉反应不明显。

火干扰是森林生态系统的重要干扰因子, 是导致植被和土壤碳储量发生变化的重要原因。火干扰所排放的含碳气体对气候变化具有重要的影响。科学有效地对森林火灾所排放的碳进行计量, 对了解区域和全球的碳平衡及碳循环具有重要的意义。根据大兴安岭森林资源调查数据和1965-2010年森林火灾统计资料, 利用地理信息系统GIS (geographic information system)技术, 通过野外火烧迹地调查与室内控制环境实验相结合的方法确定各种计量参数, 从林分水平上, 采用排放因子法, 估算了大兴安岭1965-2010年46年间森林火灾所排放的碳和含碳气体量。结果表明: 大兴安岭46年间森林火灾排放的碳为2.93 × 10 ⁷t, 年平均排放量为6.38 × 10 ⁵t, 约占全国年均森林火灾碳排放量的5.64%; 含碳气体CO₂、CO、CH₄和非甲烷烃(NMHC)的排放量分别为1.02 × 10⁸、9.41 × 10 ⁶、5.41 × 10 ⁵和2.11 × 10 ⁵t, 含碳气体CO₂、CO、CH₄和NMHC的年均排放量分别为2.22 × 10⁶、2.05 × 10 ⁵、1.18 × 10 ⁴和4.59 × 10 ³t, 分别占全国年均森林火灾各含碳气体排放量的5.46%、7.56%、10.54%和4.06%; 针阔混交林燃烧效率较低, 虽然火烧面积占总过火面积的21.23%, 但排放的碳只占总排放量的7.81%, 为此提出了相应的林火管理策略。

以川西亚高山50年生粗枝云杉(Picea asperata)人工林为研究对象, 探讨了间伐对粗枝云杉人工林1-5级细根生物量及碳储量的影响。结果表明: 粗枝云杉人工林细根生物量和碳储量随根序等级的增加而显著增加(p < 0.05), 5级根序中1级根生物量及碳储量最小, 5级根生物量及碳储量最大。与对照(间伐0%)相比, 间伐对粗枝云杉人工林林分细根生物量及碳储量有显著影响(p < 0.05); 而对单株细根生物量影响不一, 间伐10%和20%与对照没有显著性差异(p > 0.05)。间伐显著影响生物量在各根序中的分配, 随着间伐强度的增加, 1、2级细根中生物量分配比例增加, 1级细根的生物量增加幅度最大; 3-5级细根的生物量分配比例减小, 5级细根减少幅度最大。其中, 间伐50%显著减少了细根在下层(20-40 cm)土壤中的生物量比例(p < 0.05), 但与间伐20%和30%无显著差异(p > 0.05)。

根据土壤-根系统中水分守恒和水势对水分运输作用的原理, 建立了土壤中非均匀水势作物根系吸水模型。在该模型中, 分别对一次函数和指数函数两种不同的非均匀土壤水势的表达形式建立模型, 并对非均匀水势和均匀水势下模型的解析解之间的关系进行了探讨; 利用该模型讨论根系的吸收阻力和木质部传导阻力的比率对根吸水的影响; 运用阻力比率的合理生理范围确定根生长的优化长度。结果表明: 在特定情况下, 非均匀水势下的根系吸水模型可以用于均匀水势, 对Poiseuille公式进行修正后得到的根的优化长度接近实际值。

通过比较棉花(Gossypium hirsutum)幼叶和完全展开叶气体交换参数及叶绿素荧光特性的差异, 探讨高光强下幼叶的光抑制程度及明确光保护机制间的协调机理。在田间自然条件下, 以棉花刚展平的幼嫩叶片(幼叶)和面积已达到最大的完全展开叶片为研究对象, 通过测定不同发育阶段叶片气体交换参数及叶绿素a荧光参数的变化, 并运用Dual-PAM100对不同发育阶段的叶片进行快速光响应曲线的拟合。结果表明: 幼叶和完全展开叶片在光合、荧光特性方面表现出明显的差异。与完全展开叶相比, 较低的叶绿素(Chl)含量和气孔导度(G_s)是幼叶较低净光合速率(P_n)的限制因素, 从而直接导致其光系统II (PSII)实际光化学效率(Φ_PSII)和光化学猝灭系数(q_P)的降低。在1800 μmol·m^-2·s^-1光强以下, 完全展开叶具有较强的围绕PSI循环的电子流(CEF), 有利于合成ATP, 是其具有较高光合能力的原因之一。相同光强下, 幼叶较低的光饱和点(LSP)更易受光抑制, 但其PSII原初光化学效率(F_v/F_m)的日变化幅度显著小于完全展开叶, 说明强光下幼叶通过类胡萝卜素(Car)猝灭单线态氧、光呼吸(P_r)、热耗散(NPQ)以及PSI-CEF等光保护机制能有效地耗散过剩的光能, 从而避免其光合机构发生光抑制。

为探讨植物在机械损伤后C₆-C₁₀醛类化合物的释放机理, 及C₆-C₁₀醛类化合物对叶片光系统II (PSII)的影响, 以樟树(Cinnamomum camphora)为材料, 采用动态顶空气体循环法和热脱附/气相色谱/质谱联用技术(TDS-GC-MS), 对樟树幼苗叶片损伤后释放的C₆-C₁₀醛类化合物进行采集与分析, 并同步测定了脂氧合酶活性和损伤叶片的叶绿素荧光动力学参数。结果表明: 樟树幼苗叶片损伤后, 其挥发性有机化合物中己醛、庚醛、辛醛、壬醛和癸醛的释放量比损伤前分别增加了2.47、0.99、1.34、0.91和28.38倍(p < 0.01); 同时新增4种醛类化合物, 分别是: 2-己烯醛、2,4-己二烯醛、(E)-2-辛烯醛和(E)-2-壬烯醛。脂氧合酶活性比损伤前增加1.2倍(p < 0.01)。PSII单位反应中心复合体吸收的能量和被核心捕获的能量分别比损伤前下降12.8%和9.8% (p < 0.01)。单位面积反应中心的数量、电子传递量子产额、捕获激子能导致电子传递效率和叶片性能指数分别比损伤前增加23.3%、24.4%、22.6%和82.7% (p < 0.01)。损伤24 h后, 醛类化合物的种类、释放量、脂氧合酶活性及叶片叶绿素荧光动力学参数基本恢复到损伤前水平。说明机械损伤使PSII供体侧受损、脂氧合酶活性升高, 致使C₆-C₁₀醛类化合物大量释放, 樟树幼苗通过增加单位面积反应中心的数量来提高光合效率应对胁迫。

被子植物虫媒传粉植物的物种分化通常被认为是花性状响应传粉环境(传粉者)的空间变异而发生适应性分化的结果。通过对鼠尾草属(Salvia) 3个物种(共4个居群)传粉互作系统的比较, 探索了花性状对不同传粉环境的进化响应。结果表明: 各居群的传粉者组成、主要传粉者类型及其大小各不相同, 杠杆状雄蕊及相关花部性状大小在不同居群间具有显著差异; 各居群均表现出腹部传粉和背部传粉2种传粉模式, 但背部传粉仍然是最有效的传粉方式; 居群间杠杆状雄蕊长度与传粉者体长表现出极显著的正相关, 然而花冠长与传粉者体长表现出负相关; 花冠口高度和柱头高度与传粉者胸厚也表现出一定的协同变异。鼠尾草属植物的杠杆状雄蕊及相关花部性状在传粉系统的进化过程中表现出高度的可塑性, 表明雄蕊杠杆传粉机制对传粉环境的变异非常敏感, 在该属植物的物种分化过程中具有关键作用。

美人蕉(Canna indica)是我国城区普遍栽植兼具绿化、观赏和净化环境等重要价值的地被植物。为研究美人蕉对Cd的胁迫反应及积累特性, 使用盆栽方法对美人蕉进行不同含量水平Cd处理, 测定其生长过程中部分形态、生态、生理指标的变化和收获后体内Cd含量。结果表明, Cd含量小于1 mg·kg^-1时对美人蕉生长影响不大, 大于5 mg·kg^-1时抑制美人蕉生长。Cd含量小于5 mg·kg^-1时延长了美人蕉的花期。随着Cd含量的增大, 美人蕉根系活力、叶绿素含量和含水量逐渐降低, 可溶性糖含量先升高后降低, 游离脯氨酸含量和细胞膜透性逐渐升高。Cd在美人蕉体内的分布为根系>地上部分, 随着Cd含量的增大, 美人蕉根系和地上部分Cd含量逐渐升高、富集系数和转运系数逐渐降低; Cd含量为20 mg·kg^-1时美人蕉对Cd的积累量最大, 为5.89 mg·株^-1。综合分析美人蕉的生长、生理生态变化及富集Cd的能力, 美人蕉适于土壤Cd含量小于1 mg·kg^-1条件下的园林应用。

采用室内单养和混养方法, 设置不同的氮、磷营养条件, 研究了氮、磷对中肋骨条藻(Skeletonema costatum)和锥状斯氏藻(Scrippsiella trochoidea)种间竞争的影响。结果表明: 混养时各氮和磷浓度下均呈现培养初期中肋骨条藻为优势种、培养后期锥状斯氏藻为优势种的变化趋势, 但随着氮、磷浓度的升高, 中肋骨条藻作为优势种的时间延长; 与单养时相比, 混养中两种微藻的最大密度受到不同程度的抑制, 表现出氮、磷浓度越高, 受抑制的程度越大的特征, 且与锥状斯氏藻相比, 中肋骨条藻的最大密度受到抑制的程度更大。混养时两种微藻均是在氮、磷浓度最高时, 抑制起始点出现时间最长, 随着氮、磷浓度的降低, 抑制起始点出现时间缩短; 各氮、磷浓度条件下, 锥状斯氏藻对中肋骨条藻的竞争抑制参数明显高于中肋骨条藻对锥状斯氏藻的竞争抑制参数, 当氮浓度为512 μmol·L^-1、磷浓度为2 μmol·L ^-1时, 竞争结果是锥状斯氏藻获胜; 其余氮、磷浓度条件下为两种微藻不稳定共存。