为探究典型草原植物长期共存的生理生态机制, 以典型草原的优势物种克氏针茅(Stipa krylovii)和冷蒿(Artemisia frigida)为材料, 采用基质培养方法, 通过比较不同供磷浓度对二者生物量、根系形态、质子分泌、酸性磷酸酶和有机酸分泌以及磷吸收利用效率的影响, 探讨克氏针茅和冷蒿对土壤磷缺乏的适应策略。研究结果表明: 冷蒿主要通过根系分泌酸性磷酸酶和酸化根际来适应低磷环境; 而克氏针茅主要是通过根系分泌有机酸(主要是苹果酸)来适应土壤磷缺乏。在低磷条件下, 克氏针茅和冷蒿的磷吸收效率没有显著差异, 但克氏针茅的磷利用效率显著高于冷蒿。随着供磷浓度增加, 二者的磷吸收速率增加, 磷利用效率降低。在生物量、地上部分性状以及根系生长方面, 克氏针茅和冷蒿对磷供给的响应都表现先增长后降低的趋势; 克氏针茅的生物量在外源供0.25 mmol·L^-1磷时达到最大, 而冷蒿的生物量在外源供0.50 mmol·L^-1磷时达到最大, 表明冷蒿对磷的生理需求高于克氏针茅。因此, 克氏针茅和冷蒿具备各自不同的适应土壤有效磷缺乏的生理策略, 这可能是它们在土壤贫瘠的温带典型草原长期共存的重要机制。

针对目前关于植物群落功能性状构建模式及其驱动因素存在的争议, 研究了33个物种10个功能性状的构建模式。研究结果显示: (1)在刈割-施肥复合梯度上, 这些功能性状主要表现为随机构建模式, 发生随机性和确定性构建的样方比例分别为82.7%和17.3%; (2)在10个功能性状中, 生长型、生活周期、单株地上干质量、叶面积和叶干质量5个功能性状为随机构建模式, 不受试验处理和群落特征(地上净初级生产力、刈割生物量损失、群落高度)变化的影响。植物倾斜度、繁殖方式、固氮性、株高和比叶面积5个功能性状的构建模式与试验处理或群落特征变化有关, 表现出趋同或趋异构建响应。其中, 植物倾斜度和比叶面积的构建模式仅受群落特征影响, 而固氮性、繁殖方式和株高3个性状的构建模式同时还受刈割或施肥处理的影响, 其构建模式因功能性状而异; (3)群落的生物量损失和地上净初级生产力是解释植物功能性状构建模式变化较理想的群落特征; (4)刈割和施肥处理对株高的构建模式具有相反效应, 而刈割和施肥的交互作用对其无显著影响。上述结果说明该研究群落植物功能性状的构建存在不同模式, 以随机构建模式为主, 确定性构建模式居次要地位。确定性构建模式与试验处理和群落特征变化有关, 而且是性状依赖的。相反选择力对趋同和趋异构建模式的平衡效应能引起功能性状发生随机构建。

荒漠草本植物是荒漠生态系统物种多样性的主体, 对其生物量分配及叶片化学计量特征随植物生长的变化规律的研究有助于深入了解荒漠草本植物生存策略和功能特征。该文选择古尔班通古特沙漠4种优势草本(2种短命植物, 2种一年生长营养期植物)为研究对象, 通过野外原位多时段取样, 对比研究了四者生物量分配、叶片N-P化学计量学随植物生长的变化特征, 以及二者之间的关系。结果表明, 在生物量累积过程中, 4种植物根冠比逐渐减小, 地上与地下生物量间的相关生长关系也发生变化, 其中琉苞菊(Hyalea pulchella)和角果藜(Ceratocarpus arenarius)的相关生长指数先增加后减小, 并趋于稳定, 而尖喙牻牛儿苗(Erodium oxyrrhynchum)和沙蓬(Agriophyllum squarrosum)的相关生长指数由小到大并趋于等速生长。琉苞菊叶片N、P含量呈逐渐增长趋势, 而另外3种植物呈下降趋势, 表明所研究的荒漠植物在生长过程中, 叶片N-P化学计量发生改变, 叶片化学计量特征与生物量指标的相关性较弱。

为探讨苔原植被对气候变暖的响应模式, 采用开顶箱增温法, 研究了3个生长季增温对长白山苔原3种代表植物——牛皮杜鹃(Rhododendron aureum)、笃斯越桔(Vaccinium uliginosum)和东亚仙女木(Dryas octopetala var. asiatica)的叶片及土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其比值的影响。结果表明: 增温使土壤N和P的含量分别增加5.88%和4.83%, C含量降低13.19%; 增温和对照(不增温)条件下, 植物叶片的C、N、P含量及其比值在生长季有明显的变化。增温使笃斯越桔和东亚仙女木叶片的P含量分别增加10.34%和12.87%, 牛皮杜鹃则降低了16.26%, 增温并没有明显改变3种植物叶片的C、N含量, 但牛皮杜鹃和东亚仙女木叶片的C:N值在增温条件下呈现增加趋势。增温使土壤可利用的N、P含量增加。增温对3种植物的C:N值, 牛皮杜鹃、笃斯越桔的P含量, 以及东亚仙女木的C:P值都产生了显著的影响。结果表明增温增加了长白山苔原P元素对植物生长的限制, 且3种植物叶片的C、N、P化学计量学特性对增温的响应模式和尺度没有表现出一致性。

为利用土壤共生真菌资源促进荒漠植被恢复和生态重建, 分别于2013年6月、8月和10月, 从内蒙古元上都地区采集北沙柳(Salix psammophila)根围0-10、10-20、20-30、30-40和40-50 cm共5个土层的土壤样品, 系统研究了丛枝菌根真菌(AMF)和黑隔内生真菌(DSE)的时空分布及其与土壤因子的相关性。结果表明: AMF和DSE的平均定殖率分别为77%和84%, 说明北沙柳根系能与这两类真菌形成良好的共生关系。AMF和DSE的分布和定殖具有明显的时空异质性, 并与土壤因子密切相关。AMF和DSE的平均定殖率均表现为10月> 8月> 6月。土壤深度对AMF和DSE的定殖率有显著影响, AMF和DSE定殖率的最大值分别在0-20 cm和0-10 cm土层。双因子方差分析表明, 月份和土层对AMF和DSE的定殖率以及土壤因子具有显著的交互效应。主成分分析表明, 土壤湿度、pH值、碱性磷酸酶、易提取球囊霉素是内蒙古荒漠环境中AMF和DSE定殖的主要影响因子。

为探讨间作大豆(Glycine max)对甘蔗(Saccharum officinarum)根际土壤细菌及固氮细菌多样性的影响, 收集和开发固氮菌资源, 筛选高效甘蔗联合固氮体系, 选用3个甘蔗栽培品种‘ROC22’、‘GT21’、‘B8’与大豆品种‘Guizao 2’进行间种栽培, 采用巢式PCR特异扩增细菌16S rRNA基因片段和固氮细菌nifH基因片段, 并结合变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术, 对间作大豆的甘蔗根际土壤细菌及固氮细菌进行系统演化和多样性分析。聚类分析结果显示, 间作大豆改变了甘蔗根际土壤细菌及固氮细菌原来的群落组成结构, 尤其对固氮菌群落组成的改变更大, 但对群落物种的优势度影响较小。Shannon-Wiener多样性指数和Simpson多样性指数分析结果表明, 甘蔗-大豆间作显著影响甘蔗根际土壤中细菌和固氮菌的多样性, 其中对固氮细菌多样性的影响较大。不同甘蔗品种的根际土壤细菌和固氮菌在间作大豆条件下表现出不同的多样性, ‘ROC22’和‘GT21’间作处理甘蔗根际土壤固氮细菌的Shannon-Wiener多样性指数显著高于单作处理, 而‘ROC22’与大豆间作处理的甘蔗根际土壤固氮菌多样性最为丰富。在大豆生长盛期, 间作处理的甘蔗根际土壤细菌多样性最为丰富, 不同处理间的差异也最大, 随后下降。总体来看, 甘蔗-大豆间作显著地影响根际土壤细菌和固氮菌的群落结构和群落多样性, 有助于对甘蔗合理间作栽培模式的认识和筛选高效甘蔗联合固氮体系。

绿化树种在截留沙尘、降低大气颗粒污染物浓度、改善城市生态环境等方面发挥着不可替代的作用。该文选取新疆南部典型绿洲城市——阿克苏市不同功能区的绿化树种, 用多重比较法对比分析了二球悬铃木(Platanus × acerifolia)、新疆杨(Populus alba var. pyramidalis)、圆冠榆(Ulmus densa)、天山梣(Fraxinus sogdiana)和垂柳(Salix babylonica) 5个树种叶片平均滞尘量随时间变化及不同高度叶片的滞尘能力, 探讨了阿克苏市主要绿化树种的滞尘规律, 得出以下结论: 不同绿化树种单位叶面积滞尘量差异显著, 差距在1.15-2.17倍之间, 绿化树种滞尘量随着时间延长而增加; 同一树种在城市不同功能区的滞尘能力不同: 工业区>交通枢纽区>居民区>清洁区; 不同高度的叶片, 其滞尘量在工业区和交通枢纽区差异显著: 高度1 m的叶片滞尘量>高度2 m的叶片滞尘量>高度4 m的叶片滞尘量。

耐旱苔藓广泛分布于干旱半干旱荒漠地区, 对荒漠生态系统稳定性与功能多样性具有重要作用。齿肋赤藓(Syntrichia caninervis)是古尔班通古特沙漠苔藓结皮层的优势物种, 生于不同的微环境中。古尔班通古特沙漠冬、春季降雪频繁, 并能形成稳定的积雪层。目前关于降雪与微生境对齿肋赤藓生理生化特征影响的研究极为缺乏。该研究探讨了初冬一次降雪前后活灌丛、死灌丛和裸露地3种微生境下齿肋赤藓相关生理生化特征。结果表明, 与降雪前相比, 降雪后各微生境下齿肋赤藓植株的含水量、荧光活性、可溶性糖含量、超氧化物歧化酶(SOD)和过氧化物酶(POD)活性均有明显提高, 但脯氨酸、可溶性蛋白和丙二醛(MDA)含量有不同程度的降低。微生境对齿肋赤藓的生理指标有不同程度的影响, 而且与降雪具有显著的交互作用(脯氨酸除外)。降雪前后, 活灌丛下的齿肋赤藓具有较高的含水量和光合活性, 以及较低的保护酶(POD和SOD) 活性, 裸露地则表现出完全相反的特点。表明前者面临的胁迫最小, 生理活性最大, 但抗性较弱; 而后者具有更大的抗胁迫能力, 但生理活性低。降雪后, 脯氨酸、MDA、POD及SOD均与植株含水量呈显著负相关, 而荧光活性、可溶性糖及可溶性蛋白含量与植株含水量为显著正相关, 表明降雪降低了齿肋赤藓的水分胁迫程度, 改善并促进了生理活性与光合作用, 而且初冬的低温也起到了促进作用。

为探明山西不同生态型大豆(Glycine max)品种对苗期低温胁迫的应答表现, 寻求大豆苗期耐低温性综合评价指标和评价方法, 选取了山西普遍种植的‘晋大53’、‘晋大70’和‘晋豆24’ 3个不同生态型大豆品种, 在苗期将材料分别置于14、17和20 ℃人工气候箱中, 保持昼夜恒温, 进行低温胁迫处理。分别测定了各品种光合与产量性状值, 用基因型主效应及其与环境互作(GGE)双标图分析各性状对品种的效应及性状间的相关性, 应用隶属函数法综合评价各品种的苗期耐低温性。结果显示: 低温胁迫下不同生态型大豆品种苗期延长1-12天; 苗期光合性状值均下降, 其中, 叶片气孔导度(G_s)和蒸腾速率(T_r)下降最明显; 产量性状值均呈下降趋势, 单株生物量和单株荚数下降最明显; 各项性状在不同品种中对低温的应答效应不同, 且性状间存在明显的相关性, 可作为耐低温性的评价指标。品种‘晋大70’的耐低温性最佳。

植物气孔与木质部导管及纤维的功能直接关系着植物的水分利用, 进而影响植物的生长。为研究丛枝菌根真菌(AMF)对杨树抗旱性的影响, 采用温室盆栽的方法, 研究两种水分条件下, 接种根内球囊霉(Rhizophagus irregularis)对速生杨107 Populus × canadensis (P. nigra × P. deltoides) ‘Neva’气孔及木质部微观结构的影响。结果表明: AMF的侵染显著提高了杨树幼苗地上和地下部分生物量, 对叶片气孔长度、茎部导管细胞直径和纤维细胞长度也有促进作用。AMF对生物量和导管细胞直径的增加幅度表现出干旱条件下>正常水分条件下, 而对气孔长度的提高幅度表现出干旱条件下<正常水分条件下。正常水分条件下, AMF增加了杨树叶片的气孔密度, 减小了纤维细胞直径, 对相对水分饱和亏缺无影响; 干旱条件下, AMF增加了纤维细胞直径, 降低了相对水分饱和亏缺, 对气孔密度无影响。综上所述, 干旱条件下, AMF对导管水分传输能力的促进作用明显增加, 而对气孔蒸腾能力的促进作用有所减少, 从而更利于杨树在遭遇干旱时保持水分, 减少干旱对菌根杨树造成的水分亏缺, 提高菌根杨树对干旱的耐受性。

当前人类活动的加剧显著地影响着全球大气循环的格局。大气循环的多个模型均预测未来全球气候变化的显著特征是极端降水事件和极端干旱事件发生的频率会显著增加。水分是干旱、半干旱区草原植物生长发育的限制性资源, 而草原生态系统是陆地生态系统中对降水格局变化非常敏感的系统。但是, 关于极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统结构和功能的影响还是以分散的个案研究为主, 甚至关于极端气候事件的定义迄今也不尽相同。为此, 该文在分析极端气候事件定义及其研究方法的基础上, 总结了极端降水事件和极端干旱事件对草原生态系统土壤水分和养分状况、植物生长发育和生理特性、群落结构、生产力和碳循环过程的影响, 并提出了未来极端气候事件研究中应重点关注的5个重要方向, 以及控制试验研究的2个关键科学问题, 对开展全球变化背景下草原生态系统对极端气候事件响应机制的研究具有指导意义。

水分再分配(hydraulic redistribution, HR)作为一个普遍存在的生物物理过程, 在缓解植物干旱胁迫、调节植物种间关系和群落组成、影响生态系统水碳平衡等方面具有重要的生态意义。近年来, 同位素标记示踪技术的应用促进了HR的深入研究, 该文综述了HR对土壤-植被系统养分循环的影响。HR能改善干燥土层的水分状况, 防止根系栓塞, 促进细根存活与生长, 提高微生物活性, 从而促进植物对表层土壤养分(尤其是氮)的吸收; HR还通过水分下传作用促进植物对深层土壤中磷和金属离子的吸收。HR促进土壤养分库的上下交换与流动, 调节植物与土壤的氮磷比, 因此其影响可能具有全球意义。在全球变化(如氮沉降)背景下, 有必要深入探索HR在生物地球化学循环过程中的影响和作用, 并将其纳入生态系统模型中。