根据多因子环境要素聚类结果, 结合地貌分异、气候区划和土壤区划, 对东北植被进行了重新区划, 并论述了海拔高度决定的东北植被的垂直分布规律。松嫩平原、辽河平原构成的松辽平原的植被主体为草甸, 针茅(Stipa)等群落分布于较高地势的二级台地或沙丘上, 为草甸植被中不连续分布的沙地植被类型或海拔决定的垂直植被带的草原类型。据此, 将松辽平原植被区划为温带落叶阔叶林区域, 即将温带草原区南部的东侧界限划定在大兴安岭山脊线附近, 北部寒温带针林南部界限和南部暖温带落叶林北部界线遵从现有研究结果。东北植被分布具有明显的受海拔决定的垂直地带性上的环状分布格局 特点。

冬季的土壤呼吸是生态系统呼吸的重要组成部分, 对气候变化的响应可能更为敏感。该文采用红外辐射加热器模拟土壤增温, 研究了岷江上游华山松(Pinus armandii)人工林冬季的土壤呼吸、微生物生物量及无机氮库对模拟增温的响应。结果表明: 在冬季(2009年11月-翌年3月), 模拟增温往往能显著提高土壤呼吸速率, 平均增幅达31.4%; 同样模拟增温使土壤微生物生物量碳、氮分别增加23.2%和22.7%, 而对微生物生物量碳氮比没有影响, 温度升高显著促进了微生物的生长, 但没有改变微生物的群落结构; 增温样地土壤的NO₃ ^--N和NH₄ ⁺-N浓度较对照分别增加了38.5%和12.3%, 增温显著提高了土壤的可溶性无机氮含量。综上所述, 该区针叶林冬季土壤呼吸、微生物生长和养分矿化对未来气候变暖非常敏感。

在室内人工模拟潮汐, 研究了4种盐度(0、10‰、25‰和35‰, 分别代表淡水、低盐、中盐和高盐)下秋茄(Kandelia candel)凋落叶分解过程中物质与能量动态的差异。结果表明, 高盐处理下的失重率和平均分解速率显著低于淡水和低盐处理, 而高盐下的半分解理论值则高于其他处理; 盐度对分解过程中的残叶氮磷变化动态有显著影响, 其中, 残叶氮的释放速率在实验后期会随着盐度的升高而上升, 高盐度下残叶总氮含量显著低于低盐或淡水处理; 而在分解第1周, 淡水或低盐处理能加速磷的释放, 但中高盐度残叶中总磷含量最终会低于淡水和低盐处理; 盐度同样能对残叶热值产生显著影响, 淡水和低盐处理下的碎屑热值要显著高于高盐处理下的残叶热值, 但不同盐度下分解的能量损失差异不显著。

植物根序和径级不仅反映细根的形态结构, 而且能反映根系的一些生理特征, 如细根寿命和周转等。该文以二年生油松(Pinus tabulaeformis)幼苗根系为研究对象, 系统比较了根序分类方法和径级分类方法在描述根系特征上的优缺点, 探索了两者之间的内在联系。结果表明: 二年生油松幼苗最多可包括6级根序, 直径的变化范围为0.169-3.877 mm。按根序划分, I-VI级根序的总根长和总根表面积主要集中在前3级根序, 这3级根序的根占总根长的78.77%和总根表面积的62.72%。前3级根序的比根长是后3级根序比根长的1.3-3.0倍, 比根面积是后3级比根面积的1.0-1.5倍。按常用的径级(以0.5、1.0、1.5和2.0 mm为阈值)划分方法, 油松幼苗大部分根系直径≤1.5 mm, 此区间细根的根长和根表面积占总根长的93.76%和总根表面积的84.35%。直径≤1.5 mm的细根平均比根长是>1.5 mm细根比根长的3-7倍, 比根面积的1.5-3.0倍。由于油松根序和径级之间有显著的指数关系, 依据径级最大程度反映根序的原则, 提出了新的径级划分方法, 即以0.4、0.8、1.3和2.0 mm为阈值对油松幼苗根系径级重新进行划分。此时, 上述区间可分别包括I级、II级、III级、IV级、V级根序中根尖数的93.22%、86.37%、75.96%、70.47%和76.67%。同时也可分别涵盖各径级根长的89.34%-70.83%、根面积的86.01%-76.12%以及体积的87.73%-76.12%。此时, 根系不同径级与根序之间可以建立起良好的对应关系。这些结果表明, 通过合理划分径级区间可以较好地反映根序 特征。

氮素和水分是荒漠生态系统的两个主要限制因子, 研究两者对荒漠植物的效应有助于深入了解荒漠生态系统对全球变化的响应。该文选择准噶尔盆地荒漠地区两种常见的一年生植物涩荠(Malcolmia africana)和钩刺雾冰藜(Bassia hyssopifolia), 设置0、0.18和0.72 g N·m ^-2·week ^-13个施氮浓度和湿润与干旱两个土壤水分处理, 研究模拟氮沉降增加和干旱对其生长和光合生理的影响。结果表明: (1)两种植物的根长、根重、叶片数、叶面积、总生物量和冠根比均随着施氮浓度的增加而增加, 干旱能够抑制氮对植物生长的促进作用, 但是, 氮的增加同时也能部分缓解干旱对植物生长的影响。与钩刺雾冰藜相比, 涩荠的根长、生物量和冠根比更易受氮增加和干旱的影响。(2)两种植物的最大净光合速率、叶绿素含量、可溶性蛋白含量随着氮浓度增加而增加, 但涩荠和钩刺雾冰藜对氮增加和干旱的生理响应也有所不同, 涩荠的响应更加敏感。两种植物对氮沉降和干旱胁迫响应的差异可能是其生活型等生物学特性差异所引起。通过对两种一年生植物的生长和光合生理分析表明, 在古尔班通古特沙漠, 春季丰富的降水和氮素增加将有利于涩荠和钩刺雾冰藜的生长和生产力的增加, 相对地下生长, 地上部分增加更显著。当干旱季节来临时, 氮的增加又能够在一定程度上降低干旱对这两种植物的负效应, 说明其对干旱具有一定的生态补偿作用。

根据三峡水库水位运行时间, 设计了30、75、115、155、195和240天共6个水淹时间梯度(T-1、T-2、T-3、T-4、T-5和T-6), 采用模拟水淹的方法, 研究了不同水淹时间对三峡消落带4种常见的一年生草本植物稗(Echinochloa crusgali)、金狗尾草(Setaria pumila)、马唐(Digitaria sanguinalis)和荩草(Arthraxon hispidus)种子萌发的影响。结果表明: 1)随着水淹处理时间的增长, 这4种植物的萌发率基本上呈现先增高后降低的趋势。稗和荩草在T-1-T-5的种子萌发率显著高于对照(CK) (p < 0.05), T-6和CK之间差异不显著。金狗尾草T-2、T-3的萌发率显著高于CK (p < 0.05), T-1、T-4-T-6与CK之间无显著性差异。马唐在水淹处理(T-1-T-6)的萌发率均显著高于对照(CK), 但长时间水淹处理(T-4-T-6)对萌发的促进作用要低于短时间水淹处理(T-1-T-3)。这说明一定时间的水淹有利于打破种子休眠并提高种子萌发率。2)一定时间的水淹处理加快了稗、金狗尾草、马唐和荩草的萌发进程。对照组种子的日萌发率较均匀, 萌发曲线较平缓。而水淹处理的种子多集中在3-5天内大量萌发。和对照相比, 一定时间的水淹处理显著提高了这4种植物种子的萌发指数, 缩短了种子的萌发持续时间, 提早了种子萌发高峰时间和达到50%萌发率的时间。长时间的水淹对种子的萌发进程影响不大。3)总体来说, 稗、金狗尾草、马唐和荩草在各个处理下的萌发率均较高(> 40%), 可以考虑作为三峡消落带植被恢复的备选物种。

作物系数是计算作物需水量必不可少的参数。利用2008年野外水分试验和4个气象站近26年的土壤水分和气象等常规观测资料, 以相关分析和回归分析等统计学方法为基础, 根据水量平衡原理计算了内蒙古典型草原区的作物系数, 分析了其在生长期和不同站点间的变化规律; 建立了典型草原标准作物系数与返青后年日数和大于0 ℃积温的模拟方程, 相关指数在0.94以上。在分析湿润指数、叶面积指数和盖度与作物系数关系的基础上, 提出标准作物系数的气候修正方法和胁迫条件下作物系数的修正方法。同时, 与修正后的联合国粮农组织(FAO)推荐值比较后得出, 生长季标准作物系数的平均值为0.60, 最大值为1.02; 不同生长阶段作物系数的典型值分别为: 初始生长期0.40, 生长中期0.93, 生长后期0.80, 相应的阈值范围为0.35-0.45、0.85-1.00和0.70-0.90。通过旬蒸散量的模拟计算值与蒸渗仪实测结果的比较, 平均相对误差在20%-24%之间, 生长旺盛期大多低于10%, 从而初步证明该文提出的方法在内蒙古典型草原区有较好的适用性。

在田间试验条件下, 以中穗型小麦(Triticum aestivum)品种‘山农15’和大穗型品种‘山农8355’为供试材料, 设置3个0-140 cm土层土壤相对含水量处理: W0 (拔节期65%, 开花期60%)、W1 (拔节期70%, 开花期70%)、W2 (拔节后8天70%, 开花后8天70%), 采用测墒补灌的方法补充土壤水分达到目标相对含水量, 对两个不同穗型小麦品种的耗水特性和干物质积累与分配进行了研究。结果表明: (1)两品种籽粒产量均以W0处理最低, ‘山农15’ W1和W2处理无显著差异, ‘山农8355’ W1处理显著高于W2处理; 两品种W1处理的水分利用效率和灌溉水利用效率均显著高于W2处理。‘山农15’ W1处理的籽粒产量和灌溉水利用效率分别显著低于和高于‘山农8355’的W1处理, 水分利用效率无显著差异; 两品种W2处理的籽粒产量、水分利用效率和灌溉水利用效率均无显著差异。(2)两品种总耗水量以W0处理最低, ‘山农15’ W1处理显著低于W2处理, ‘山农8355’两处理无显著差异; 两品种W1处理的土壤供水量及其占总耗水量的比例显著高于W2处理。‘山农15’ W1处理的总耗水量和灌水量占总耗水量的比例显著低于‘山农8355’, 土壤供水量占总耗水量的比例显著高于‘山农8355’; 两品种W2处理总耗水量, 土壤供水量及其占总耗水量的比例无显著差异。(3)两品种W1处理成熟期干物质积累量显著高于其他处理, W1处理提高了‘山农8355’开花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率, 对‘山农15’无显著影响。‘山农15’ W1和W2处理成熟期干物质积累量显著低于‘山农8355’, 开花前贮藏同化物向籽粒的转运量和转运率、对籽粒的贡献率均显著高于‘山农8355’, 开花后干物质积累量及其对籽粒的贡献率低于‘山农8355’。综合考虑干物质积累与分配、籽粒产量、水分利用效率和灌溉水利用效率, W1处理是两品种节水高产的最佳土壤相对含水量处理。

利用从高原温带兰科植物菌根中获得的22个菌根真菌菌株, 对五唇兰(Doritis pulcherrima)进行了室内种子萌发、原球茎分化和组培苗回接试验, 从交叉回接的角度对附生兰科植物与菌根真菌的生理专一性进行了探讨。经过20周的共生培养, 只有编号为Cf1和Mm1的两个菌株使种子表现出种胚明显膨大的萌发迹象; 9个菌株能够促使原球茎较好地分化发育出根叶; 11个菌株处理苗的平均鲜重增长率高于对照组(156.25%), 其中Mm1的效果达到极显著水平(p = 0.01)。通过根切片显微观察, 在原球茎分化根和回接效果良好的处理苗的根皮层组织发现典型的菌丝团结构, 表明菌根体系已成功建立。温带地生兰菌根真菌对五唇兰种子萌发、原球茎发育和幼苗生长等3个重要生长阶段影响的试验显示, 五唇兰的种子和菌根真菌的共生萌发效果不佳, 而原球茎及幼株更容易与之建立良好的共生关系。同时, 也没有发现同一个真菌菌株能够对五唇兰的种子、原球茎和幼苗均产生促进作用。研究结果表明, 五唇兰的菌根真菌专一性因生理生长阶段的不同而存在差异。

大田条件下, 以普通夏玉米(Zea mays) ‘泰玉2号’为材料, 于授粉后1-20天遮光55% (+S), 以大田自然光照条件下生长的玉米作为对照(-S), 研究了遮光及恢复过程中玉米植株的光合性能、叶绿体荧光参数、叶黄素循环以及光能分配的变化, 初步揭示夏玉米开花后弱光条件下光适应的生理机制, 为玉米高产稳产提供理论依据。结果表明, 遮光后玉米穗位叶叶绿素含量及可溶性蛋白含量均减少, RuBP羧化酶和PEP羧化酶活性显著降低, 导致穗位叶净光合速率(P_n)迅速下降, 光饱和点也明显降低; 恢复初期P_n迅速升高, 光合关键酶活性有所增强。遮光后植株的最大光化学效率(F_v/F_m)、实际光化学效率(Ф_PSII)显著降低, 非光化学淬灭(NPQ)则显著升高, 而恢复初期植株穗位叶Ф_PSII有所升高, 表明突然暴露在自然光下的光合电子传递速率明显加快, 这与其光合速率及光合酶活性的趋势保持一致; 遮光处理对穗位叶叶黄素循环库的大小(紫黄质+花药黄质+玉米黄质(V + A + Z))影响不显著, 但使叶黄素循环的脱环氧化状态(A + Z)/(V + A + Z)增加; 遮光后植株分配于光化学反应的光能明显减少, 天线耗散光能比率显著增加, 恢复过程中植株主要以过剩非光化学反应的形式耗散过剩的光能。遮光后及恢复初期, 玉米植株的PSII原初光化学活性明显下降, 限制了光合碳代谢的电子供应从而抑制了光合作用, 主要依赖叶黄素循环途径进行能量耗散, 而在光照转换后遮光的玉米叶片在适应自然光过程中的光保护机制不断完善, 光合能力逐渐得到 恢复。

以平邑甜茶(Malus hupehensis var. pingyiensis)实生幼苗为试验材料, 研究NaCl浇灌后根系线粒体H₂O₂含量、膜电位(Δψm)和根系ATP含量的变化以及细胞死亡特征。结果表明, 根系线粒体H₂O₂含量在0.085 mol·L ^-1 NaCl处理的第1-6天逐渐降低, 在第6-15天则快速上升; 线粒体Δψm在0.085 mol·L ^-1 NaCl处理的15天内一直呈下降趋势, 在第6-15天下降速度明显加快; 根系ATP含量在0.085 mol·L ^-1 NaCl处理的15天内始终低于对照, 但保持在一个较稳定的范围内。TUNEL原位末端标记试验显示, 0.085 mol·L ^-1 NaCl处理的第9天, 根系石蜡组织切片上的阳性反应斑点明显增多, 到第15天时阳性反应斑点密集成片, 表明细胞核DNA发生了细胞程序性死亡的特征性断裂。根系中细胞程序性死亡关键酶类caspase3/7活性在0.085 mol·L ^-1 NaCl处理的第1-6天处于较低水平, 其活性在第6-15天成倍上升。这些结果表明, 0.085 mol·L ^-1 NaCl处理6-15天能诱导平邑甜茶根细胞发生程序性死亡, 而且线粒体特性的变化与根系细胞程序性死亡密切相关。

根系依赖根细胞内线粒体呼吸代谢产生的能量, 不断从土壤中获取养分。在胁迫条件下, 线粒体的结构和功能会发生一定的变化, 从而影响根系的功能。土壤干旱是最容易引起苗木细根衰老死亡的非生物胁迫因子之一。为了更好地认识干旱胁迫下细根线粒体的结构和功能变化, 对土壤干旱胁迫下水曲柳(Fraxinus mandshurica)不同颜色细根皮层薄壁细胞内线粒体的超微结构(线粒体数量、形态)、线粒体的呼吸功能、线粒体膜脂质氧化(膜透性变化、过氧化氢含量等)情况进行了研究。结果表明: (1)干旱胁迫下, 水曲柳白色及黄色根皮层薄壁细胞内线粒体形状、结构及分布数量与对照相似, 无显著差异。干旱胁迫下产生的褐色根皮层薄壁细胞线粒体数量减少, 分布密度也变小。线粒体内、外膜先后发生不同程度的解体, 最后消失。(2)干旱胁迫显著干扰了线粒体膜的正常呼吸耦联作用, 细根线粒体呼吸控制率(RCR)与磷氧比(无机磷酸/分子氧, P/O)均显著低于对照(p < 0.05)。随着细根颜色加深, 线粒体RCR和P/O值逐渐下降, 白色根﹥黄色根﹥褐色根。褐色根线粒体RCR值最低, 接近极值1。说明褐色根线粒体结构完整性最差, 能量转化效率最低。(3)干旱胁迫下, 不同颜色细根线粒体内的H₂O₂含量、线粒体膜透性、膜脂氧化产物丙二醛(MDA)含量均显著高于对照(p < 0.05)。且随着细根颜色加深, 各个值增加明显。分析可能是由于干旱胁迫导致线粒体内H₂O₂含量升高, 线粒体膜脂质过氧化(MDA含量升高), 膜结构受到破坏(膜透性增加) (电镜下可见部分线粒体内膜电子密度下降及外膜解体)。线粒体膜结构完整性的破坏, 直接影响了线粒体呼吸代谢反应, 使线粒体呼吸功能下降。

为了比较分析芍药组不同类群光合生理差异以及它们对各自不同光照环境的适应性, 测定了芍药组(Paeonia sect. Paeonia) 4种2变种的光合日变化、光响应曲线、CO₂响应曲线, 以及叶绿素荧光特性。结果显示, 芍药组中不同类群之间光合速率差异明显, 各个种类的“午休”程度不同, 芍药(Paeonia lactiflora )和毛果芍药(P. lactiflora var. trichocarpa)的强光抑制现象没有川赤芍(P. veitchii)、美丽芍药(P. mairei)和窄叶芍药(P. anomala)明显。叶绿素荧光特征能够反映芍药组不同类群光合生理的差异。芍药组内不同类群地理分布的差异能部分从光合生理特征的适应性方面得到解释。

植物根资源捕获塑性是地下生态学研究的重点之一, 在过去二三十年间有长足的进步。菌根塑性是根资源捕获塑性的重要方面, 但由于研究手段的限制, 目前仅有概念上的探讨。缺乏菌根塑性的根塑性研究至少是不全面的。菌根生物学的迅速发展, 尤其是分子生物学手段的介入, 使对菌根塑性进行深入研究成为可能。该文对外生菌根塑性进行讨论, 在简要介绍了外生菌根的生物学基本知识后, 着重讨论了外生菌根形态塑性和生理塑性的定义与内涵。通过文献综述, 分析讨论了外生菌根塑性的研究现状: 很少有研究聚焦在菌根塑性本身, 现有的材料多为其他研究的隐示或研究结果的引申, 并多在形态塑性方面。外生菌根的生理塑性未见有直接的实验数据。该文还对外生菌根研究中发展的、可用于菌根塑性研究的方法进行了综述。由于外生菌根塑性的复杂性, 对菌根塑性的研究会较植物根本身塑性的研究复杂得多, 问题也会相对复杂, 比如植物和外生菌根菌之间的营养需求关系、植物外生菌根塑性的生态意义、实验方法的缺陷等等。对今后外生菌根塑性研究的方向进行了探讨。