近年来, 植物根系对土壤异质性的响应和植物根系之间的相互作用一直是研究的热点。过去的研究主要是针对一年生短命植物进行的, 而且多是在人工控制的温室条件下进行的。而对于多年生植物根系对养分异质性和竞争的综合作用研究很少。该文对塔里木盆地南缘多年生植物疏叶骆驼刺(Alhagi sparsifolia)根系生长对养分异质性和竞争条件的响应途径与适应策略进行了研究, 结果表明: (1)在无竞争的条件下, 疏叶骆驼刺根系优先向空间大的地方生长, 即使另一侧有养分斑块存在, 其根系也向着空间大的一侧生长; (2)在有竞争的条件下, 疏叶骆驼刺根系生长依然是优先占领空间大的一侧, 但是竞争者的存在抑制了疏叶骆驼刺的生长, 导致其枝叶生物量和根系生物量都明显减少(p < 0.01), 而养分斑块的存在促进了疏叶骆驼刺根系的生长; (3)疏叶骆驼刺根系的生长不仅需要养分, 也需要足够的空间, 空间比养分更重要; (4)有竞争者存在的时候, 两株植物的根系都先长向靠近竞争者一侧的空间, 即先占据“共有空间”。研究结果对理解植物根系觅食行为和植物对环境的适应策略有重要意义。

多枝柽柳(Tamarix ramosissima)是塔里木河下游荒漠河岸林中的优势灌木, 对荒漠河岸植被群落的稳定起着重要作用。该文通过研究多枝柽柳幼苗根系形态对不同灌溉处理的响应, 分析人工水分干扰对多枝柽柳幼苗根系生长的影响。实验设计了侧渗分层和地表灌溉两种给水方式和高灌(50 L∙株 ^-1)、中灌(25 L∙株 ^-1)、低灌(12.5 L∙株 ^-1)三个给水水平, 并在整个生长季节监测每个植株的生物量及根系形态参数。结果显示: 与地表灌溉比较, 侧渗分层的灌溉方式显著提高了细根(0.5 mm < d < 2 mm)长、细根表面积和根系生物量, 并使根系生长至160 cm深度的土层, 大于地表灌溉深度(80-100 cm); 侧渗分层灌溉+高灌的组合促进根系生长的效果最显著(p < 0.05); 侧渗分层灌溉方式下总细根(d < 2 mm)的比根长随着给水量的增加显著增大, 而地表灌溉下比根长无显著变化; 侧渗分层灌溉方式下根冠比总体小于地表灌溉方式, 即侧渗分层灌溉使多枝柽柳地上部分发育较好。因此, 侧渗分层灌溉方式有显著促进多枝柽柳幼苗在生长早期快速发育的效果。

分析干旱区深根型荒漠植物的根层土壤水分是揭示荒漠植物与土壤水分关系机理的重要方面。在黑河中游一片风沙侵蚀区域的多枝柽柳(Tamarix ramosissima)人工林地中, 对表层0.3 m到3 m深的土壤不同深度的含水量进行了连续的动态观测。结果显示, 多枝柽柳根系层土壤含水量可以分为明显不同的3层: 浅层(0.2-1.7 m深)相对湿润层、中间(1.7-2.7 m深)相对干层和深层(2.7 m以下)有效含水层。在多枝柽柳生长盛期, 浅层相对湿润层土壤含水量呈现明显的昼夜变化特征, 同时, 在晚上植物根系与浅层土壤之间存在正水势梯度, 这说明存在根系水力提升现象。水力提升是干旱气候下根层浅层土壤含水量保持相对湿润的主要原因, 并因此维系浅层根系的发育, 也为多枝柽柳具备的防风固沙功能提供了可能的解释。据初步估算, 多枝柽柳根系水力提升占每天耗水量的5%-8%, 耗水的主要水分来源仍然是充足的土壤深层有效含水层。

利用红外辐射增温装置模拟短期持续增温和降水增加交互作用对内蒙古荒漠草原土壤呼吸作用的影响, 结果表明: 土壤含水量对月土壤呼吸的影响显著大于土壤温度增加的影响, 生长旺季的月土壤呼吸显著大于生长末季; 土壤温度和水分增加都显著影响日土壤呼吸, 但二者的交互作用对土壤呼吸无显著影响。荒漠草原7‒8月平均土壤呼吸速率为1.35 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1, 7月份为2.08 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1, 8月份为0.63 μmol CO₂·m ^-2·s ^-1。土壤呼吸与地下各层根系生物量呈幂函数关系, 0‒10 cm土层的根系生物量对土壤呼吸的解释率(79.2%)明显高于10‒20 cm土层的解释率(31.6%)。0-10 cm土层的根系生物量是根系生物量的主体, 根系生物量对土壤呼吸的影响具有层次性。在未来全球变暖和降水格局变化的情景下, 荒漠草原土壤水分含量是影响生物量的主导环境因子, 而根系生物量的差异是造成土壤呼吸异质性的主要生物因素, 土壤含水量可通过影响根系生物量控制土壤呼吸的异质性。

盐地碱蓬(Suaeda salsa)是滨海湿地典型植被之一, 研究其化学计量特征变化对于了解滨海湿地植被健康状况具有重要意义。该文比较了盐地碱蓬生长期、成熟期和衰退期内叶片C、N、P营养元素的化学计量特征, 并做了相关性分析。结果表明, 叶片C含量在不同生长阶段差异性显著, 生长期最低, 衰退期最高; 叶片N含量在衰退期较生长期和成熟期显著降低; 叶片P含量较为稳定, 在不同生长阶段无显著性差异。C:N、C:P在植物整个生长发育期内呈现逐渐增大的趋势, 而N:P表现出逐渐减小的趋势。相关性分析显示, 在盐地碱蓬3个不同的生长阶段, C:N和C:P与相应的N、P含量呈显著负相关, 随着N、P的变化以对数方程的形式减小; N含量与P含量之间呈显著正相关, 体现了植物体内两营养元素含量需求变化的相对一致性。同时发现, N元素已经成为滨海湿地盐地碱蓬生长发育过程中的主要限制性因子。

通过搭建荫棚设置3种不同的光强, 模拟森林幼苗生长的旷地(砍伐迹地)、林窗和林下光照环境(分别为100%、56.2%和12.5%的全光照), 比较研究了外来种台湾桤木(Alnus formosana)和乡土种桤木(A. cremastogyne)幼苗的叶形态、光合能力、热耗散和抗氧化酶的活性, 探讨了两树种幼苗对光强的适应及光保护策略。结果表明: 在3种光强下, 一定光强范围内随着光强的增加, 两种桤木幼苗的比叶重(LMA)、类胡萝卜素(Cars)、类胡萝卜素/叶绿素(Cars/Chl)和抗氧化酶(超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、抗坏血酸过氧化物酶(APX))活性升高, 最大净光合速率(P_max)、光饱和点(LSP)、光补偿点(LCP)和非光化学猝灭系数(NPQ)具有升高的趋势; Chl含量和瞬时光能利用效率(LUE)降低; 净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)、气孔限制值(L_s)升高, 胞间CO₂浓度(C_i)降低, 推测P_n降低的主要因素是非气孔限制, 表明两种桤木幼苗均能适应不同的生长光强。生长在相同光强下, 桤木幼苗光抑制现象比台湾桤木幼苗严重, 台湾桤木幼苗对光强适应能力较强。随着光照强度的增加, 台湾桤木幼苗NPQ增加不显著, 热耗散较少, 相同光强下P_max和抗氧化酶活性显著高于桤木幼苗, 而桤木幼苗随着光强的增加热耗散显著, 表明在光抑制时, 台湾桤木幼苗主要是通过提高P_max利用光能和抗氧化酶系统进行保护性调节, 桤木幼苗则通过天线系统非辐射耗散将过剩的光能以热能的形式消耗掉。

设置0、70、140、210和280 kg N·hm ^-2 5个施N梯度, 对冬小麦(Triticum aestivum)旗叶光合速率(A_leaf)、群体冠层光合速率(A_canopy)、作物生长速率(CGR)和籽粒产量(GY) 4个生产力水平进行综合观测研究, 结果发现: 在0-210 kg N·hm ^-2区间, A_leaf、A_canopy、CGR和GY都随施N量的增大而增大; 在施N量由210增加到280 kg N·hm ^-2时, GY没有显著变化, 而灌浆期A_leaf、开花期和灌浆期A_canopy、开花-成熟阶段CGR有显著减小。综合分析认为: 1)过量施N (280 kg N·hm ^-2)能显著降低灌浆期冬小麦A_leaf、A_canopy和CGR, 进而抑制GY; 2)过量施N对冬小麦光合生产力的抑制作用主要发生在灌浆期; 3)在A_leaf、A_canopy、CGR和GY 4个生产力指标中, A_canopy对过量施N的反应最敏感。

采用盆栽实验研究了Zn (0、1.0、5.0、10.0和20.0 mg·kg ^-1)对不同油菜品种(‘罗平金菜子’ (Brassica juncea)、‘二牛尾’ (B. juncea)、‘溧阳苦菜’ (B. juncea)、‘南通黄油菜’ (B. chinensis)、‘H33’ (B. napus))的光合特性、根尖细胞超微结构及籽粒富锌的影响。结果显示, 5个油菜品种在品种之间、Zn处理浓度之间, 根、茎、叶、籽粒及植株干重、光合特性、Zn含量和积累量的差异性均达到显著水平; 品种与Zn浓度的交互效应也达到显著水平。在Zn ≤ 5.0 mg·kg ^-1范围内, Zn增加了超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化物酶(POD)和过氧化氢酶(CAT)等抗氧化酶活性、净光合速率(P_n)、气孔导度(G_s)以及蒸腾速率(T_r), 提高了油菜茎、叶、籽粒干重及总干重。油菜产量(籽粒干重)在5.0 mg·kg ^-1 Zn时达到最大值, 各品种分别较对照增加了37.7%、23.4%、29.5%、82.6%和18.0%。在Zn处理浓度为20.0 mg·kg ^-1时, ‘罗平金菜子’、‘二牛尾’、‘南通黄油菜’和‘溧阳苦菜’根尖细胞出现不同程度的线粒体肿胀、细胞壁增厚、细胞核萎缩且内容物较少, 而‘H33’中根尖细胞结构较CK处理差异不明显, 细胞结构较为完整。5个品种的籽粒Zn积累量随Zn浓度先增加, 在5.0 mg·kg ^-1 Zn时达到最大值, 然后下降。‘二牛尾’的籽粒Zn含量和籽粒Zn积累量在5.0和10.0 mg·kg ^-1 Zn处理时为5个品种最高或次高, 分别为172.34和164.10 mg·kg ^-1、2.932和2.575 mg·pot ^-1。

使用小兴安岭温带森林机载遥感-地面观测同步试验获取的机载激光雷达(light detection and ranging, Lidar)点云数据和地面实测样地数据, 估测了典型森林类型的树叶、树枝、树干、地上、树根和总生物量等组分的生物量。从激光雷达数据中提取了两组变量(树冠高度变量组和植被密度变量组)作为自变量, 并采用逐步回归方法进行自变量选择。结果表明: 激光雷达数据得到的变量与森林各组分生物量有很强的相关性; 对于针叶林、阔叶林和针阔叶混交林三种不同森林类型生物量的估测结果是: 针叶林优于阔叶林, 阔叶林优于针阔叶混交林; 不区分森林类型的各组分生物量估测与地面实测值显著相关, 模型决定系数在0.6以上; 区分森林类型进行建模可以进一步提高生物量的估测精度。

为了采用广义加法模型整合数字高程模型和遥感数据进行植被分布的预测, 并探索耦合环境变量和遥感数据作为预测变量是否能够有效地提高植被分布预测的精度, 选择海拔、坡度、至黄河最近距离、至海岸线最近距离, 以及从SPOT5遥感影像中提取的光谱变量作为预测变量, 采用广义加法模型整合环境变量和光谱变量, 建立植被分布预测模型。研究设置3种建模情景(以环境变量作为预测变量, 以光谱变量作为预测变量, 综合使用环境变量与光谱变量作为预测变量)对黄河三角洲的优势植被类型的分布进行了预测, 并对预测结果采用偏差分析、受试者工作特征曲线和野外采样点对比等3种方法进行了验证。结果表明: (1)基于广义加法模型的植被分布预测方法具有一定的实用性, 可以较为准确地预测植被的分布; 盖度较高的植被类型预测精度较高, 盖度较低的植被类型预测精度较低, 植物群落结构的特点是出现这些差异的主要原因; 综合使用环境变量和光谱变量作为预测变量的模型, 预测精度高于单独以环境变量或者光谱变量作为预测变量的模型。(2)环境变量、光谱变量大多被选入模型, 二者均对植被分布预测有重要的作用; 同一预测变量在不同植被类型的预测模型中的贡献不同, 这与植被的光谱、环境特征差异有关; 同一预测变量在不同的建模情景下对模型的贡献不同, 环境变量与光谱变量的耦合效应可能是导致预测变量对模型的贡献出现变化的原因。

植物和昆虫在长期的相互作用过程中形成了复杂的防御体系。近年来, 人们发现植物在受到外界伤害后, 它们邻近的健康植物能够感受到威胁来临, 并积极表达抗性基因和产生防御物质。这种现象被称为“植物-植物相互交流”。一系列的相关研究表明: 绿叶挥发物和萜烯类物质是受伤害植物对邻近健康植物发送的主要信号, 邻近的健康植物在接收到这些挥发性有机化合物信号后, 直接防御和间接防御能力都能够迅速提升。人们猜测植物挥发性有机化合物“启动”了邻近健康植物的多种防御反应, 使它们在面临真正威胁时迅速做出防御反应。然而, 植物-植物交流的分子机制至今尚不清楚。我们运用拟南芥(Arabidopsis thaliana)全基因组芯片技术和突变体材料, 对植物-植物交流的分子机理进行了探讨。结果发现: 有效的挥发性有机化合物并不限于绿叶挥发物和萜烯类物质, 且挥发性有机化合物的种类和节律能够相互配合, 从而达到最佳效果; 邻近健康植物的乙烯信号途径在植物-植物交流过程中是不可或缺的, 茉莉酸信号起到了辅助和信号放大的作用。