家畜放牧对典型草原土壤-植被系统氮素转化的影响

草地生态系统中，放牧对调节物质流动和营养循环起着关键的作用。内蒙古地区已有上千年的游牧历史，放牧是该地区重要的草地利用方式之一。然而，近50年来，由于人口的剧增以及对草原的不合理利用与管理，使得内蒙古草原发生了严重的退化与沙漠化。理解放牧对氮循环的定量影响，对我们更合理地利用草地、防治生态系统的进一步退化以及探求最佳恢复途径都具有重要的意义。中国科学院内蒙古草原生态系统定位站精准设置的5种放牧强度处理（0.00, 1.33, 2.67, 4.00, 5.33 羊/公顷）为我们的研究提供了理想的平台。2005、2006年生长季期间，在经过16年不同放牧强度处理的一个典型草原样地上，我们测定了氮素输入（氮沉降、生物固氮）、转化（净氮矿化）、输出（反硝化及氨气挥发）速率等N循环的重要参量。同时，测定了微生物生物量碳、氮（Cmic，Nmic）及微生物呼吸（Rmic），研究了微生物在氮循环中的作用。另外，还测定了植物、土壤、固氮体中的15N自然丰度值，探讨了其对不同放牧强度的响应格局与机理。 结果表明，干湿混合沉降物全氮浓度最高达11.53 mg N l–1，沉降量最高为1.77 kg N ha–1m–1。月均氮沉降量与浓度正相关，它们与降水量均关系密切，前者更密切。结皮面积所占比例很小，不超过8%。结皮含氮量为1.01-1.43 g N kg–1，受放牧的影响不显著，但随放牧强度的增加有降低的趋势。土壤结皮能固氮，但固氮量不超过土壤氮含量的1倍。地耳的固氮量为结皮的10-20倍，故是主要的固氮体。尽管地耳含氮量受放牧影响不显著，但放牧是不放牧条件下地耳氮含量的1.58倍。 土壤NH4+-N浓度随季节变化范围为1.71-9.45 µg N g–1，它们在各放牧处理之间的差异不显著。土壤NO3–-N浓度变幅为0.27-11.21 µg N g–1。总无机氮浓度在不放牧条件下的变幅为2.69-14.57 µg N g–1，占总氮的0.49-2.6%;放牧条件下的变幅为2.49-8.66 µg N g–1，占总氮的0.35-1.21%。总无机氮浓度随季节和放牧强度的变化趋势与硝态氮相似，表现为2005年夏季期间有逐渐增加的趋势，而在2006年整个生长季期间有逐渐降低的趋势。不放牧比放牧条件下含氮量高，但在4个放牧处理之间的差异不显著。净氮矿化速率的变幅为–0.61-0.27 µg N g–1d–1，峰值通常出现在7月。净氮矿化速率在各处理间没有一致性差异，但中牧（2.67、4.00 羊/公顷）通常比重牧（5.33 羊/公顷）下的值高。净氮硝化速率通常很低，波动在–0.32-0.16 µg N g–1之间，2005年夏季及2006年春秋季的值相对较高。净氮硝化速率在各放牧处理之间差异不显著，但重牧条件下的值通常最低。累积净氮转化量在年际间差异大，2005年总体上遵循正态分布模式，而2006年随着放牧强度的增加有直线下降的趋势，2006年比2005年的累积量高。土壤温度和湿度比放牧强度对净氮矿化的影响更加显著。放牧强度通过调节这两个土壤因子对氮动态而产生间接影响。 反硝化和N2O的释放速率低，前者变幅为0.33-6.21µg N kg–1 d–1，后者为0.42-11.28 µg N kg–1 d–1。释放量夏季较强，春秋较弱。放牧对反硝化释放影响不显著，只在2005年对N2O释放影响显著。尽管如此，反硝化和N2O释放速率整体表现出在不放牧比放牧条件下高的趋势，且比最高放牧强度5.33 羊/公顷下的反硝化速率显著高。然而，它们在4个放牧处理之间的差异始终不显著。累积反硝化和N2O释放存在年际变化，2006年的值显著高。它们随着放牧强度的递增有逐渐降低的趋势，这在2006年表现得尤为明显，这种结果主要归因于土壤总氮量在长期放牧条件下随放牧压力的增加而逐渐降低。 氨气挥发速率变幅为0.88-3.52 g N ha–1d–1，高峰值出现在5月，2005比2006年同期的速率大。两年间放牧强度对氨气挥发的影响都较弱，2005年影响更弱。不放牧条件下的氨气挥发量通常最低，这在生长季的前期表现得更为明显，中牧及重牧条件下通常最高。放牧能影响氨气挥发与氨态氮，硝态氮及总无机氮浓度之间的关系，即不放牧条件下相关性显著，而放牧条件下相关性不显著。年际间氨气挥发速率与无机氮浓度之间的关系趋势相反，2005年负相关，2006年正相关。在水分充足的2006年，所有处理条件下氨气挥发与土壤水分及温度之间显著相关，但在单独每个放牧处理下，相关性不显著。 Cmic变幅大，为13.97-350.45 μg C g–1，占土壤总有机碳的1.58-8.35%。最高和最低值分别出现在夏季和春季。它们在各处理间差异不显著，不放牧下的值相对偏高。Cmic与土壤有机C和全N、前期的立枯、凋落量及含N量、优势种前期的地上生物量、根系生物量、土壤温度以及水分之间关系密切。氮素状态如氨态氮、总无机氮含量、反硝化以及N2O释放速率，氨气挥发速率与Cmic之间关系密切。Nmic占土壤全氮的0.41-2.74%，不受季节和放牧强度的显著影响。Nmic与可溶性N，表土层根系全N，立枯有机C，地上生物量之间关系密切。氮循环过程中氨气挥发速率受Nmic的影响。Rmic随季节而变化，通常5月份值最高。Rmic随着放牧强度的增加有稍降低的趋势。Rmic与土壤可溶性C、有机C，不同土层根系有机C，凋落物、立枯量及其C、N含量、全N，地上生物量，优势种前期的生物量，土壤温度之间关系密切。土壤氮循环动态如氨态氮、硝态氮、总无机氮浓度及反硝化速率与Rmic之间关系密切。 土壤、植物、地耳、生物结皮的δ15N值与放牧强度之间相关关系不显著。然而，放牧有增加表层土和植物的δ15N值而降低表土、地耳、结皮的δ15N值的趋势。表层土δ15N值与前一年生长季末期硝态氮及总无机氮浓度，反硝化速率及累积氨气挥发之间密切相关。 土壤碳含量的变幅为10.44-17.19 g C kg–1，全氮量的变幅为0.54-0.82 g N kg–1。长期的高强度放牧降低了土壤碳、氮储量。根系碳、氮含量分别为土壤碳、氮含量的40-50和10倍。立枯和凋落物有机碳含量变幅为446.94-507.01 g C kg–1，与放牧强度之间关系不密切;氮含量变幅为4.58-7.18 g N kg–1，与放牧强度之间显著负相关。优势种木地肤、冷蒿的含碳量与放牧强度之间相关不显著，但含氮量与之显著相关。 综述以上结果，不同放牧强度对内蒙草地生态系统氮循环中不同过程产生影响的程度各不相同，这种影响主要是通过它与土壤环境因子如温度、水分的联合作用而间接产生。

施肥和降水增加对半干旱草地生产力和温室气体排放的影响

人类活动能显著地改变生态系统的属性和功能。这些变化不仅发生在容易观察的局部层面上，如土壤沙化、植被退化等;还能更深刻地影响到微生物控制的温室气体释放，进而影响大尺度上气候的变化。本论文根据2 年田间试验结果报告了人类干扰（草地退耕和施肥）和降水增加30%对中国北部农牧交错区（内蒙古多伦县）半干旱草地生态系统生产力和温室气体排放的影响。 本研究发现氮是影响该区草地和弃耕地生产力的最重要因子，即使低量的氮肥应用(5 g N y-1)也能使该区草地地上净初级生产力（ANPP）增加36-46%。然而氮对草地生产力影响主要集中在地上部分，对地下净初级生产力（BNPP） 影响比较微弱。单独使用磷肥对ANPP 和BNPP 均无显著影响，氮磷混施对ANPP 有显著正交互作用。增加的降水对草地和弃耕地ANPP 和BNPP 有弱的正效应，增加30%降水使草地对照ANPP 增加9-25%，BNPP 增加12%-17%，弃耕地对照ANPP 增加7%-37%，BNPP 增加36%-37% 。草地和弃耕地对照ANPP 并无显著差别，由于高于弃耕地1-3 倍的BNPP，总体上草地比弃耕地有更高的固碳能力。这个结果也说明草地能更有效地把植物地上部分固定的碳转移到地下，这与草地长期发育积累的丰富地下根系和高根冠比物种组成有关。 水肥处理及土地利用方式也深刻改变了温室气体排放。温带草地和弃耕地CO2 排放（系统呼吸：Re）存在显著季节变化，温度、水分和地上生物量是控制这些变化的主要因子。在气候温暖的6-9 月份，生物量和土壤水分是决定系统呼吸季节变化主要因子，而与温度无明显相关。随着氮肥使用，草地和弃耕地呼吸速率加大，其温度敏感系数Q10 也明显升高，这主要与氮肥使用后增加的地上生物量有关。由于水分促进作用和生物量的弱增长，增加的降水也加大了草地和弃耕地CO2 排放。低的地下生物量和有机碳氮并没有导致弃耕地低的CO2 排放，显示了农垦后土壤结构破坏导致的有机碳分解增加不会在农业弃耕后短期内（5-6 年）停止。 除了对生物量的不敏感性外，中国北部半干旱生态系统N2O 排放表现出与CO2 排放类似的变化规律：水分和温度是N2O 季节变化的主导因子;氮肥使用和降水增加都增加了N2O 排放;N2O 排放在草地对照和弃耕地对照之间没有显著差别。更少的根系对无机氮的竞争导致了弃耕地比草地有更高的N2O 释放因子（单位氮添加所引起N2O 释放）。低的土壤水分（<70% WFPS ）和无机氮都是限制反硝化发生的重要条件，因此硝化可能是草地和弃耕地N2O 的最主要来源。半干旱草地生态系统N2O 排放与CO2 排放之间存在着显著线性关系。 中国北部半干旱草地和弃耕地都起着CH4 汇的生态功能。水分是控制CH4 吸收季节变异的主导变量，土壤空隙水含量（WFPS）与CH4 指数递减方程能解释其变异的64%-83% 。增加的降水导致了土壤水分增加，从而引起甲烷氧化菌所需基质（CH4 和O2）扩散受阻，减小了土壤CH4 吸收功能。施肥并没有抑制CH4 吸收，相反由于施肥后植物速生对土壤水的抽干作用，施肥增加了植物速生期时的CH4 吸收。CH4 吸收对农垦引起的土壤微生物生境结构破坏非常敏感，在农业措施停止5-6 年后的弃耕地，CH4 吸收仍比草地低24%。 本研究初步分析了影响中国北部农牧交错区草地生态系统生产力及温室气体排放的自然环境因子和人为因子，给出了它们之间的定性、定量关系，为科学地管理中国北部草地，充分发挥其生态和经济效益功能提供了有效信息。

放牧对草原群落主要植物种和功能群水分来源与水分利用效率的影响

水分是半干旱草原生态系统植物多样性和初级生产力的限制因素。近年来由于人为干扰和气候干旱，特别是过度放牧，导致半干旱地区草原严重退化，草地生产利用和生态服务功能日益衰减，自然灾害频繁发生。草原退化演替主要表现为不同植物种的消长和替代过程。在内蒙古草原，过度放牧导致多年生根茎禾草和丛生禾草被豆科灌木或具根茎和不定根的杂类草替代，丰富的多年生杂类草被一、二年生植物替代。目前，对于上述功能群之间的替代机制，以及草原退化的机理尚不十分清楚。本研究在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站选取了79年围封的大针茅(Stipa grandis)样地、其外围的自由放牧样地及中德合作项目“ Matter Fluxes in grassland of Inner Mongolia as influenced by stocking rate (MAGIM) ”的传统平地放牧处理小区为研究对象，从植物-水分关系的角度，利用氢和碳稳定性同位素技术，研究主要植物种和功能群水分来源和水分利用效率对放牧的响应，进而揭示放牧干扰下草原退化的机理。本研究取得了如下主要研究结果和结论： 1. 在干旱年份，雨水仅湿润了大针茅草原0-20cm的表层土壤。土壤中保存的冬季降水贡献了植物可利用水分的30%，而在正常年份只有10%。干旱季节羊草(Leymus chinensis)和大针茅能够利用土壤60cm以下保存的多年降水，而糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)和冰草(Agropyron cristatum)只能利用生长季的雨水。长期过度放牧使冰草和糙隐子草的相对生物量和相对多度均显著增加，而羊草的相对生物量和相对多度显著降低。这种由放牧引起的群落结构与组成的改变，降低了植被对冬季降水的利用，加剧了干旱对生态系统的影响。 2. 依据羊草草原群落植物的生活型和光合类型划分为：C4禾草、C4杂类草、C4灌木、C3禾草、C3杂类草、C3鳞茎类植物和C3灌木七个功能群，各功能群间的水分利用效率差异显著。不同功能群植物在对土壤水分的利用上存在着明显的生态位分离。C4禾草和C3鳞茎类植物主要利用表层水分，而C4灌木则利用深层土壤水分，C3其它功能群介于二者之间。在无放牧和低载畜率下，各功能群植物均主要吸收浅层土壤水分，功能群间竞争相对强烈。在较高载畜率下，C3禾草转为利用深层土壤水分，功能群间出现水分生态位的分离，部分地缓解了植物对土壤表层水分的竞争。沿着载畜率梯度，群落对浅层土壤水分的利用呈现出先增加，尔后下降的趋势。 3. 在放牧干扰下，羊草草原群落中主要植物种稳定性碳同位素值的变化范围为-13.100/00~-27.590/00。不同功能群植物间的水分利用效率有着显著的差异：C4禾草> C4杂类草> C4灌木> C3禾草、C3杂类草> C3鳞茎类植物> C3灌木。C3鳞茎类植物和C4杂类草的水分利用效率随载畜率增加而降低。C3和C4禾草的水分利用效率随载畜率的增加表现为先增加，尔后下降的趋势。群落水平的水分利用效率主要由占生物量90%的禾草的水分利用效率决定。随着载畜率增加，群落水分利用效率有逐渐降低的趋势。

内蒙古多伦典型草原几种植物叶片性状与生物量及降雨量关系的初步研究

植物性状是植物与环境长期互作过程中表现出的内在或外部的特征。目前植物生态学界关于植物性状的研究，主要包括以下三个方面的研究内容：植物性状与环境因子间的关系，反映植物性状对环境变化的响应或适应机制；植物性状与生态系统功能的关系，以更好地揭示生态系统功能的内在驱动机制；植物性状间的相关关系和消长对策，反映植物性状的协同进化机制。 本试验所在地区内蒙古多伦十三里滩为典型克氏针茅草原，水分为当地生态系统的主要限制因素。我们在当地的围封样地内，采用人工模拟生长季降雨变化梯度的方法，研究了内蒙古典型草原几种常见植物叶片功能性状对模拟降雨量梯度的响应、性状之间的协变关系以及植物性状与地上部分生物量间的关系。研究工作在2005-2006年期间进行。观测的叶片性状包括叶片干物质含量(LDMC)，比叶面积(SLA)和叶片氮含量(LNCmass, LNCarea)，以地上部分生物量作为年净初级生产力(ANPP)估计，降雨量梯度模拟了两个水平，即对照(接收正常降雨)和增雨。主要结论如下：1) 叶片性状在降雨量梯度上的变化趋势在物种水平上表现出多样化的特点，性状的变化趋势是否有显著的格局取决于物种或特定性状。2) 叶片性状对水分梯度的响应在功能群水平上表现出各自的特点，Grass功能群对水分梯度的响应敏感性较低，Forb居中，Legume表现出较强的敏感性，表明Grass功能群对水分的耐受性比较强，这在一定程度上解释了当地克氏针茅草原上目前以禾草类为主的现状，对物种之间的替代有一定的指示性。而群落水平上探讨性状在环境梯度上的变异趋势，研究结论存在较大的不确定性，主要是难以区分环境和系统发育背景对植物性状的影响。3)叶片功能性状间的协变关系，不同物种因其自身发生背景不同，在不同环境背景下总体表现出一致的变化规律，但也存在例外。相对而言，对功能性状间协变关系的研究在物种水平或功能群水平上更有意义，而在群落水平上所得结论，可能会掩盖了群落内部不同物种或不同功能群间的信息。4)叶片功能性状与草原地上部生物量的关系在功能群水平上呈显著正相关关系，再次验证了土壤含水量的变化同土壤氮元素的动态，共同影响了植物的氮利用策略，进一步影响了初级生产力等和氮元素直接相关植物性状参数。在群落水平上叶片功能性状与生物量的之间并没有表现出可遵循的规律性，说明叶片功能性状对生物量的作用更多地局限在群落内部的组织层次上发挥作用。5)本研究的虽然从不同的组织层次上探讨了叶片功能性状对环境、性状之间的协变关系以及与地上部分生物量间的关系，由于植物性状变化幅度可能与环境梯度密切相关，如果模拟环境梯度不够大，可能会影响结论的普遍性。此外，本次野外控制试验时间较短，数据量偏少，本文的结论尚需要进一步验证。

内蒙古多伦典型草原植物多样性与生产力的关系及其对水分梯度的响应

为了研究草地群落发展的初期阶段物种多样性和生产力的关系及对降雨梯度的响应，同时确定草地群落面对降雨量的波动时物种多样性和地上生物量稳定性的关系，我们在2004-2005年在内蒙古草原进行一个为期二年的实验。我们在降雨梯度内（增雨、对照、减雨）模拟群落物种丰富度（4种，8种和14种）。我们的结果表明，在草地群落早期阶段观测到的物种丰富度及地上生物量的关系不同于群落发展成熟稳定时的关系。我们发现：1）无论是在群落水平还是功能群水平，盖度相对物种丰富度都是一个决定群落地上生物量的重要因素； 2）不同植物功能群表现出不同的物种丰富度-地上生物量的关系。这可能是因为不同功能群植物的横向扩展能力不同导致；3）在群落水平和豆科固氮功能群，地上生物量随着土壤含水量的增加而增加，但禾本功能群和非豆科非禾本功能群的关系不显著；4）降雨量变化对物种多样性和地上生物量的关系影响不大；5）在我们实验中，具有较高的物种丰富度植物群落的地上生物量比那些物种丰富度低的群落较为稳定，我们的研究结果因此支持“保险假说”；6）土壤含氮量和含碳量呈现非常显著的正相关关系。 为了补充2004-2005年实验结果，我们在2006年同一个实验样地进行了另一个实验。2006年实验土壤经过翻耕平整，然后选择植物幼苗移载。在这种情况下，我们发现：1）物种组成是决定地上生物量一个关键因素；2）降雨量变化对物种多样性和地上生物量的关系影响不大; 3）混合群落表现出超产效应，物种丰富度高的群落超产的比例较高；4）在三个水分处理梯度都没有发现物种丰富度和群落可靠度存在相关关系；5）在所有水分处理样方都发现地上生物量和土壤含氮量呈现非常显著的负相关关系；6）土壤含氮量和土壤含碳量与土壤湿度呈现非常显著的正相关关系；7）土壤含氮量和含碳量呈现非常显著的正相关关系。

内蒙古典型温带草原植物功能群去除对土壤氮矿化的影响

由于人为因素导致的全球范围内的第六次物种大灭绝已经成为不争的事实，但人类还不清楚这种现象对生态系统功能的影响。在回答生物多样性与生态系统功能关系的问题上，补偿作用是一个争论的热点。为了阐明生物多样性对生态系统功能的影响，于2005年夏开始，在内蒙古温带典型草原开展了一个研究生物多样性与生态系统功能的物种去除试验。本研究是该项目的一部分。 元素循环是生态系统的重要功能之一，而氮素是限制草地生态系统生产力的主要因素，氮矿化是氮循环的关键步骤，因此，本研究重点讨论植物功能群对土壤氮矿化作用的影响，提出3点假设：1. 不同植物功能群对土壤氮矿化速率影响不同；2. 植物功能群去除前后氮矿化速率不同；3.植物功能群之间存在补偿效应。为了证明这些假设，于2006年9月、2007年6月和2007年8月份分别进行了室内培养（温度25℃，湿度60％田间最大持水量）用于测量氮矿化速率，同时于2007年6月和2007年8月份进行野外培养用于测量野外条件下的氮矿化速率，并在去除处理2年后得到以下主要结果： 1.　植物功能群去除数与土壤氮矿化速率呈单峰曲线关系（P<0.05），去除少量植物功能群氮矿化速率上升，去除更多的植物功能群后氮矿化速率下降； 2.　植物功能群去除数与土壤硝态氮含量呈线性正相关关系（P<0.0001），植物功能群的丧失加剧了土壤NO3--N的流失； 3.　多年生非禾草（PF）比其他植物功能群显著降低了氮矿化速率（P<0.05）； 4.　短期内（去除处理1年内）在凋落物回填的情况下，去除0个植物功能群与去除全部植物功能群的氮矿化速率无显著差异（P>0.05）； 5.　内蒙古温带典型草原在近3年内（2005、2006、2007）土壤碳库、氮库变化较小。

氮素添加对内蒙古羊草草原净氮矿化的影响

　　氮素作为陆地生态系统生产力主要的限制因子，对生态系统过程的调控有着重要的意义。净氮矿化是有机氮素到无机氮素的转变过程，该过程决定了土壤氮素的可利用性。准确估计土壤的供氮能力可以为确定最佳施肥量和施肥时间提供理论依据，并将影响着土地的可持续发展和管理政策。氮矿化潜力N0被定义为在最适温度和湿度下，土壤氮素在无限时间内所能矿化的最大量。由于氮矿化潜力是土壤供氮能力很好的指示值，所以对氮矿化潜力的研究能够使我们更好地了解土壤的氮素矿化动态和其供氮潜力。 　　为更好地了解天然草原氮素矿化对全球氮沉降背景以及草原施肥管理模式的响应，我们从2000年起在内蒙古羊草草原开展了长期的氮素添加实验，分别设置对照(N0)、添加5g N•m-2(N1.75)、30g N•m-2(N10.5)和80g N•m-2(N28)四个氮肥添加梯度以及对照(control)、添加100g有机肥•m-2(O100)、添加500g有机肥•m-2(O500)、添加1000g有机肥•m-2(O1000)四个有机肥添加梯度。氮肥添加在相邻并同时进行施肥的两个生态系统类型中展开，即成熟羊草草原（A区，1979年围封）和退化的羊草草原（B区，1999年围封），有机肥添加也同时在与之相邻的C区中展开（C区的土地利用历史与B区一致）。 2002年和2006年，从A、B区中进行氮肥处理后的土壤取样；有机肥处理的土壤样品从2002年C区中获得。土样在最佳温度(25℃)和湿度(60%田间持水量（WHC）)下进行了5周室内培养，并用阶段淋溶方法来测定氮肥添加和有机肥添加对土壤氮矿化动态的影响。 　　氮肥添加显著降低了土壤的pH值，但累积氮矿化量与土壤pH值、有机碳、全氮均没有显著的相关性。在两个区内，氮素添加都显著改变了土壤的累积氮矿化量。最高氮素处理N28相对应于最低的累积氮矿化量，而低氮素处理N1.75却使得累积氮矿化量最高。同时，在N0和N1.75处理中硝态氮的含量高于铵态氮，但在N28处理中却表现出相反趋势。实验还表明大多数氮素添加强度处理在A区比B区有更高的土壤累积氮矿化量。 　　有机肥添加也显著改变了土壤5周内的累积氮矿化量，并且累积氮矿化量随有机肥添加强度的升高而显著增加。培养5周末时土壤的累积铵态氮的含量与有机肥施加强度之间并没有相关性，但是累积硝态氮的含量有随着有机肥施加强度的上升而增加的趋势。 　　基于前5周土壤培养所得到的结果，我们选择了氮肥添加的N0，N1.75， N28处理以及有机肥添加的control、O100、O1000处理继续进行了长达15周的培养。培养数据与描述土壤氮矿化动态的一级动力学模型--first-order kinetics: Nm=N0（1－exp(-kt)）拟合良好( R2=0.893～0.97)。无论是氮肥添加还是有机肥添加都显著增加了土壤的氮矿化潜力N0，并且N0随着氮肥或者机肥添加强度的增加而增加。对于氮肥处理的土壤来说， N0与氮矿化速率常数k之间反向相关，但是在有机氮处理的土壤中N0与k之间却没有相关性。总的结果显示，经有机肥添加的土壤比经氮肥添加的土样有着更大的氮矿化潜力N0值以及氮矿化速率常数k值，较大的k值暗示着土壤氮素较快的周转速率。

增温与土地利用变化对青藏高原高寒草甸生态系统温室气体通量影响的研究

随着青藏高原气候变暖进程及放牧压力与开垦面积的逐年加大，非常有必要评价青藏高原高寒草甸生态系统温室气体通量对气候变暖、放牧（包括粪尿斑）和开垦的响应和反馈。与此同时，我们进行了粪尿斑及开垦对土壤理化性质影响研究。本研究对于青藏高原高寒草甸C、N循环关键过程对全球变化响应的认识具有重要意义。 本文通过2年（2006-2007）增温（白天+1.2℃，晚上+1.7℃）与放牧耦合试验，在生长季观测了增温与放牧对高寒草甸生态系统温室气体通量的影响。研究初步表明，增温试验显著增加10 cm土壤温度1℃左右；在放牧频度相对较高的2007年，放牧也显著增加了土壤温度1℃左右。总体上，增温对土壤湿度的影响不显著。 增温可以促进土壤对CH4的吸收，而放牧对CH4通量影响不大或起到一定程度抑制作用。在较低放牧频度的2006年，放牧显著降低了植物-土壤系统CO2总释放量，增温促进了CO2的释放。而在放牧频度相对较高的2007年生长季，没有发现增温及放牧对土壤-植被系统CO2释放显著的影响。2006年放牧后，增温促进了高寒草甸土壤N2O的释放；2007年，增温不放牧小区N2O总通量较对照增加了24.6%，同时放牧处理也促进了N2O释放。基于土壤温度和土壤湿度的线性回归模型可以解释55%-89%的CH4通量变异，而土壤湿度较土壤温度对CH4通量影响更大。土壤温度是影响CO2和N2O通量的主要因子，通过拟合的指数型曲线，土壤温度可以分别解释43%-63%CO2通量变异与65%-81%N2O通量变异。 在2005年与2006年夏季放牧期间，对牦牛粪尿斑处理对高寒草甸CH4、CO2和N2O通量进行了观测。牛粪小区2年观测期内CH4平均通量为687 μg m-2 h-1，而尿斑和对照土壤吸收CH4（平均通量分别为-34 μg m-2 h-1和-39 μg m-2 h-1）。牛粪小区CO2在2005年和2006年观测期内累积释放量较对照分别增加了35.8%和49.7%，而牛尿小区与对照累积释放量差异不显著。牛尿与牛粪小区N2O累积释放量显著高于对照，在2005年牛尿与牛粪小区N2O累积释放量较对照分别增加了3.7和3.5倍，而在2006年分别增加了2.1和1.8倍。因此，在估算放牧高寒草甸生态系统N2O释放时，来自牛粪斑释放量是不能被忽略的。但在中等放牧强度下（1.45头ha-1 y-1），有粪尿斑覆盖的高寒草甸在观测期内全球变暖潜势较相同面积没有粪尿斑覆盖的草甸仅增加了1%。土壤水分孔隙度（WFPS）可以解释牛尿小区35%和对照小区36%CH4通量变异。土壤温度是控制CO2释放的主要因子之一，它可以解释所有处理40-75% CO2的变异。牛尿处理（34%）、牛粪处理（48%）及对照（56%）N2O时间变异则同时受土壤温度和WFPS的驱动。在观测期内，牛尿可以显著提高土壤的pH值。粪尿斑对土壤微生物量碳氮没有产生显著性影响，但在一定时段内能显著增加土壤无机氮含量。 通过在青藏高原高寒草甸开展的人工草地试验，初步探讨了不同土地利用方式（种植燕麦、开垦后闲置及自然恢复）对CO2、CH4和N2O通量，以及土壤无机氮和微生物量氮的影响。燕麦地、自然恢复草地及开垦闲置地与天然草地相比，吸收CH4的能力均表现为增强（CH4的吸收总量分别增加了31.9%、57.2%和71.0%）。由于燕麦地生物量低于天然草地与恢复草地，造成了燕麦地土壤-植被CO2释放量低于天然草地和恢复草地。而闲置地几乎没有植被覆盖，其CO2释放量显著低于天然草地。草地恢复8年后，CO2释放基本恢复到天然草地的水平。闲置地N2O总通量显著高于天然草地，较天然草地增加了60.5%。观测期内燕麦地与天然草地相比，N2O总通量增加了24.3%，但没有达到显著性水平。开垦及种植燕麦，增加了土壤硝态氮的含量，而自然恢复地、燕麦地、天然草地和闲置地在观测期内土壤铵态氮平均含量没有观察到显著性差异。燕麦地土壤微生物量氮平均含量最低（119.7 mg N kg-1），而自然恢复草地、天然草地和闲置地土壤微生物量氮差异不大。

内蒙古草原凋落物分解对生物多样性变化的响应

生物多样性与生态系统功能紧密相关，而凋落物分解是生态系统主要功能之一，同时凋落物的分解反过来又影响了物种的组成和多样性。本研究在内蒙古草原应用分解网袋法，通过功能群去除产生不同的多样性梯度。研究了草原生态系统的生物多样性变化对凋落物分解过程的影响。实验分为相互补充的三个部分，（一）、分解微环境实验研究了功能群多样性变化引起的分解微环境变化对凋落物分解的影响；（二）、凋落物组成实验研究四个功能群的优势物种羊草（Leymus chinensis）、大针茅（Stipa grandis）、细叶葱（Allium tenuissimum）、刺穗藜（Chenopodium aristatum）的15种不同组合方式的单种或混合凋落物在相同的分解微环境下物种间的相互作用对凋落物分解的影响；（三）、综合分解微环境和凋落物组成两种影响凋落物分解的因素，从15种多样性组合的去除样方中收集的单种或混合凋落物放回原样方分解。研究结果表明，功能群多样性，相应地物种多样性高的样方中，其微环境有利于凋落物的分解，两个生物特性差异较大的物种木地肤（Kochia prostrata）和二裂委陵菜（Potentilla bifurca）在功能群多样性高的样方中与多样性低的样方相比均表现出高的分解速率；混合凋落物的分解具有非加和性效应。混合凋落物的分解速率与其初始碳含量呈负相关关系，与其初始氮、磷含量呈正相关；当混合凋落物在功能群多样性不同的环境中分解时，重量降解速率与环境中的功能群多样性没有显著的相关关系，氮流失与功能多样性成正相关。我们的研究表明，群落中凋落物组成和凋落物多样性相比，前者是影响凋落物分解的决定性因素；与地上存活植株的生物学过程相比，凋落物分解受生物多样性的影响较小；在生物多样性更高的区域，可以显著地增加氮的循环过程，有利于提高群落生产力。

环境变化对内蒙古草原小叶锦鸡儿和羊草土壤氮素转化的影响

氮素是影响内蒙古温带典型草原植物生长和初级生产力的主要因素之一，土壤氮素的可利用性及其对全球环境变化的响应对于预测生态系统碳氮平衡显得尤为重要。空气中的游离氮和土壤中的有机氮必须通过固氮作用和矿化作用，转化为无机氮才能被绝大多数高等植物直接利用，氮素转化决定土壤氮素有效性。因此，研究环境变化对草原灌丛豆科固氮植物小叶锦鸡儿和草原优势植物种羊草土壤氮素转化重要生物过程的影响，对于进一步了解草原氮库变化及其对环境变化的可能响应有重要意义。 在中国科学院内蒙古草原生态系统定位站，利用开顶式生长室（Open-top chamber，OTC）控制实验模拟环境变化，经过三年的实验处理，研究氮素、水分和CO2浓度变化对小叶锦鸡儿根瘤生长和共生固氮、小叶锦鸡儿和羊草土壤净氮矿化速率的影响。观察小叶锦鸡儿根瘤形态和数量、测定根瘤长度和生物量以及固氮酶活性、测定土壤净氮矿化速率和土壤酶活性，探讨小叶锦鸡儿和羊草土壤氮素转化对环境变化响应机理。 结果表明，三年生桶培小叶锦鸡儿根瘤多着生于侧根，以浅黄色的小型球状根瘤为主，其次是棕褐色的棒状和纺锤状根瘤，较大型的褐色Y状根瘤相对较少。添加氮素极显著地抑制根瘤生长发育及其固氮酶活性，这种抑制效应随着水分增加和CO2浓度升高有所减缓。随着水分的增加，根瘤形态多样，根瘤着生部位由主根渐向侧根再向须根发展，根瘤数量和重量也显著增加。水分和CO2浓度升高，固氮酶活性增加但是未达到显著水平。小叶锦鸡儿根瘤生长及其固氮酶活性在加水条件下最好，水分可能是限制内蒙古半干旱草原小叶锦鸡儿固氮能力的关键因素。 环境变化影响小叶锦鸡儿土壤无机氮库。添加氮素处理，土壤无机氮库显著增加。添加氮素后，土壤脲酶活性显著降低，铵态氮和无机氮都出现明显的氮固持，但硝化速率增加，可能是由于添加氮素后土壤化学性质改变更利于硝化细菌进行硝化活动。随着水分和CO2浓度的升高，由于植物生长需求更多氮素的供应，土壤无机氮库显著降低。水分和CO2浓度处理对小叶锦鸡儿土壤脲酶活性和净氮矿化速率没有显著影响，但是能一定程度上减缓了氮素的负效应，促使无机氮的转化，使土壤微生物对铵态氮和无机氮的固持减少。但是蛋白酶活性和硝酸还原酶活性对三种环境因子响应均不敏感，脲酶对环境因子的变化最为敏感。小叶锦鸡儿土壤氮素转化与土壤理化性质密切相关，环境因子通过影响土壤脲酶活性以及土壤酸碱度等影响土壤矿化速率，进而影响土壤无机氮浓度和植物可利用氮。 羊草土壤无机氮库与小叶锦鸡儿土壤无机氮库对环境变化的响应较为一致，添加氮素羊草土壤无机氮含量显著增加，水分增加土壤无机氮含量显著降低。添加氮素使硝化速率显著增大，氨化速率和净氮矿化速率降低，但是未达到显著水平，铵态氮和无机氮出现固持现象。水分的增加降低土壤无机氮库，刺激脲酶活性，微生物对铵态氮的矿化作用增加，但是硝态氮的矿化作用受抑制，对净氮矿化没有影响。CO2浓度升高对羊草土壤无机氮库和土壤氮素矿化都没有显著地影响，但是CO2浓度升高在适宜水分下通过刺激土壤微生物活性，促进脲酶活性和无机氮的转化。羊草土壤酶活性对氮素和CO2浓度的响应与小叶锦鸡儿土壤酶活性的响应一致。 综上，不同环境因子对氮素转化过程影响不同，氮素添加抑制小叶锦鸡儿根瘤及其固氮酶活性，降低小叶锦鸡儿和羊草土壤净氮矿化速率。水分和CO2浓度升高一定程度上缓解了氮素对固氮酶活性以及土壤净氮素矿化速率的抑制作用，有利于土壤氮素转化。

旱生植物冷蒿（Artemisia frigida）的甲烷排放

本工作研究植物源CH4排放，即植物本身生成的CH4，不是厌氧微生物代谢产生的。目前对植物是否直接排放甲烷仍然存在很大争议：一方面实验中观测到的植物甲烷排放率差异较大；另一方面对植物甲烷排放内在机理仍不清楚。本文以旱生植物冷蒿(Artemisia frigida)为对象，测定冷蒿甲烷排放，分析冷蒿甲烷排放的可能存在的外界干扰因素。实验结果表明，冷蒿确实能够排放甲烷，冷蒿甲烷生成可能与活性氧代谢有关。 冷蒿是一种典型的旱生植物，其生长的典型草原中，土壤透气性好并表现为大气甲烷的汇。土壤孔隙间的甲烷浓度不高于大气甲烷浓度，能够通过植物根系进入植物体内的土壤甲烷量十分有限，植物组织又缺乏吸附甲烷的能力，很难在植物体内累积甲烷。因此，一些实验研究中所提出的植物蒸腾作用和细胞壁吸附作用对冷蒿的甲烷排放并没有显著影响。我们研究在实验室条件下冷蒿能否排放甲烷，无论是野外生长的冷蒿，还是室内无菌培养的冷蒿，都有明显的甲烷排放。通过研究植物呼吸作用与甲烷排放之间的相关性，我们发现两者有明显的线性关系。植物在应对环境胁迫时，呼吸电子传递链发生紊乱，导致活性氧的积累，这可能是植物所排放甲烷的主要来源。进而，我们通过活性氧添加实验证实包括超氧阴离子(•O2-)，羟基自由基(•OH)和过氧化氢(H2O2)在内的多种活性氧都能够促进冷蒿的甲烷排放，而抗氧化酶CAT则对冷蒿的甲烷排放具有抑制效果，我们认为这种抑制效果是通过对ROS的清除来实现的。冷蒿体内能够不断产生甲烷的途径可能需要活性氧的参与，植物体内自由基水平的高低，很可能决定了这种植物能否排放甲烷。因此，我们对比了四种植物体内的抗氧化酶活性。我们在抗氧化酶活性高的物种中没有测得甲烷的排放，而冷蒿和小叶锦鸡儿两种有明显甲烷排放的植物，其三种抗氧化酶活性均较低。由此我们认为，植物体内的活性氧与植物细胞内的某些成分发生反应并产生甲烷的过程很可能是植物体内清除活性氧，降低过氧化毒害的一种适应机制。

土壤有机物添加对温带半干旱草地地下生物过程的影响

大气CO2 浓度和降水量增加有可能大幅提高中国北方部分草地生态系统净初级生产力，进而导致向土壤中输送的有机物相应增加。本研究以位于内蒙古自治区东乌珠穆沁旗内的半干旱草地生态系统为研究对象，通过向10−20 cm 土层添加不同质量和数量的植物凋枯物碎屑模拟有机物输入增加和喷灌模拟降水量提升，同时测定土壤微生物群落动态和植物生长指标，探讨在增加有机物输入和土壤水分的情况下土壤生物过程的变化及其对土壤碳排放和贮存的反馈作用。 研究结果表明，有机物添加可促进植物地上部分及根系的生长，并显著提高土壤中可溶性有机碳（能量）和氮（养分）的含量。土壤能量和养分水平的提高促进了土壤微生物的生长：在底物可利用性水平较高时，r−对策微生物（指具有生长迅速、C/N 值较低的微生物群组）在群落中占优势地位；随着底物水平的降低，土壤中K-对策微生物（指具有生长缓慢、C/N 值较高的微生物群组）在群落中逐渐占据优势地位。土壤微生物群落组成的改变进一步导致了微生物功能群代谢活性和特征的变化，具体表现为提高了有机物添加处理中土壤细菌群落的代谢潜能，并使细菌在群落水平上的生理剖面特征明显区别于未添加有机物的处理。 研究样地内土壤微生物主要受到底物中的能量（碳）限制，土壤活性有机质库作为可利用性较高的能量和养分的重要来源，对土壤微生物活性和土壤碳周转起着比水分因子更加重要的作用。土壤水分主要影响植物生长和根系活性，并增加了土壤微生物对底物响应的复杂性，但它对地下生物过程的作用程度以底物中能量和养分水平为前提。 利用稳定性13C 同位素示踪技术测量后发现，添加C4-植物凋枯物会加速C3 底物中碳的分解速度。结合有机物添加后土壤有机质库的变化，可以推测植物凋枯物（即能量物质）输入增加会导致土壤原生有机碳的正向激发效应。在此过程中，土壤微生物群落组成及功能群代谢活性的变化起着至关重要的作用。 不同光合途径（C3 和C4）的植物和同一植物不同器官组织（地上部分和根系）的凋枯物添加对地下生物过程，特别是土壤微生物群落代谢功能的影响是不同的。在添加C3-草本凋枯物的处理中，土壤细菌群落主要利用的碳源为氨基酸类化合物；而在添加C4-植物凋枯物的处理中，土壤细菌群落主要利用的碳源为羧酸类化合物。 本研究在野外自然条件下证明了在能量缺乏的中国北方草地生态系统中，土壤有机物输入增加不但不会提高土壤有机碳库的大小，而且可能导致土壤原生有机碳的激发效应。在利用土壤呼吸与环境因子（如温度）的关系进行模拟预测土壤碳排放时，需要考虑不同生态系统底物中的能量和养分水平，以及土壤微生物和植物根系等地下生物过程对底物水平的适应性。

水、肥添加对内蒙古农牧交错区不同土地利用历史的草地群落结构和稳定性的影响

草地是我国陆地面积最大的生态系统类型，它在维持我国自然生态系统格 局、功能以及过程方面具有特殊的生态学意义。内蒙古草原是我国北方最重要的自然群落类型，对于维持当地的生态平衡和社会经济的可持续发展起着重要的作用。由于历史上人类的过度放牧以及开垦农田，加上气候的变化使得内蒙古草地大面积退化，并引发了许多生态、环境问题。研究土地利用历史对草地植物群落结构、组成和稳定性的影响对于退化草地的恢复和管理具有重要的意义。通过适当的水、肥管理措施加快退化草地的植被恢复，改善其生态服务功能是当前的紧迫任务，同时也将对理解未来气候变化对草地群落的影响具有重要作用。 本试验进行了内蒙古农牧交错区不同土地利用历史的草地（围封的天然草地和弃耕的草地）植物群落结构和稳定性的对比研究，并且讨论了模拟降水增加和氮、磷添加及其互作效应对群落结构、组成和稳定性的影响。结果表明： 1. 土地利用历史对草地植物群落的结构和稳定性产生了显著的影响。围封的天然草地比农田弃耕地具有更高的物种丰富度、均匀度和植被盖度。历史上草地的垦殖使群落结构发生极大的变化，造成物种多样性和均匀度的明显降低，同时，也降低了群落的稳定性，使弃耕地在环境的变化下更加脆弱。 2. 水分的添加显著地改善了群落的结构和功能。增水的处理增加了物种丰富度、密度、植被盖度和生产力。同时，添加水分也提高了群落的稳定性，对于加快内蒙古退化草地的恢复具有明显的作用。 3. 添加氮肥增加了植被盖度和群落的生产力，同时改变了群落的物种组成，增加了禾本科草的比例，尤其是增加了围封样地中克氏针茅（Stipa krylovii Roshev.）的盖度，在弃耕地主要增加了冰草（Agropyron cristatum (Linn.) Gaertn.）的盖度。不同的氮肥梯度之间只对植被盖度的影响存在差异，在功能群水平上，这种差异则存在于对禾本科草盖度的影响中。添加氮肥增大了物种丰富度在时间上的变异，在一定程度上降低了群落的稳定性。添加磷肥只增加了群落地上生物量，对群落结构和稳定性都没有显著影响。氮、磷肥同时添加增加了草地群落的生产力和植被盖度，在功能群水平上增加了禾草的盖度。二者的共同作用也增大了物种丰富度在时间上的变异，降低了群落的稳定性。 4. 同时添加水分和氮肥增加了植被盖度，在围封样地同时增加了禾草和杂类草的盖度，在弃耕地只增加了禾草的盖度；水分和氮肥结合也降低了群落盖度在时间上的变异。同时添加水分和磷肥改善了群落结构，增加了植被盖度、密度及地上生物量。在功能群水平上，增加了围封样地杂类草的盖度。同时添加水分和磷肥减小了植被盖度的时间变异，有利于群落的稳定。水分、氮肥和磷肥共同添加增加了植被盖度和群落的生产力，并且比其他处理组合效果更显著。在水、氮、磷共同作用下，禾草和杂类草盖度同时增加。同时添加水分、氮肥和磷肥也降低了群落盖度在时间上的变异。 由此可见，水分是决定内蒙古农牧交错区草地植物群落结构和生产力的最主要的环境因子，氮素对群落的结构和生产力起到调节的作用，而磷素只有在水分较为充足的条件下才能对群落产生显著影响。水分和养分的结合能够有效地改善群落的结构和功能，增加群落的稳定性，进而加快退化草地的恢复进程。

火烧、施肥、刈割及其交互作用对草原土壤净氮矿化的影响

我国北方温带草原地处干旱半干旱区，是欧亚大陆草原生物区系的重要组成部分，也是我国重要的畜牧业生产基地。土壤氮素作为陆地植物生长和生态系统初级生产力的主要限制因子之一，了解其矿化和可利用性对各种人为干扰因素的响应，有助于我们充分认识草地退化机理，维持草场生产力并进一步促进畜牧业的可持续发展，为草地恢复、重建和维护提供理论依据。本实验在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的多年围封退化样地，分别实施了火烧、施肥、刈割及其交互作用的人为干扰处理，利用原状土野外培养的方法，在两年时间中，研究不同的人为干扰因素（火烧、施肥、刈割及其交互处理）对土壤净氮矿化作用的影响。 火烧显著影响草原的氮循环过程，季节和年际的气候变化参与调节氮循环对火烧处理的响应。多年围封后的初次人工火烧处理显著降低了第一个生长季（2006 年生长季）和其后冬季的土壤净氮矿化速率，但是，火烧处理仅在冬季对土壤无机氮含量产生显著降低作用；2007 年生长季，火烧处理对土壤净氮矿化速率和土壤无机氮含量没有显著作用，但是在个别月份，不同的火烧频率对土壤净氮矿化速率和无机氮含量的影响表现出差异。2006 年生长季，未火烧样地和火烧样地净氮矿化积累量分别为3.07±0.26 g N m-2 和2.18±0.21 g N m-2；冬季，未火烧样地和火烧样地净氮矿化积累量分别为1.18±0.25 g N m-2 和0.51±0.08 g N m-2；2007 年生长季，未火烧样地（BC）、每年火烧样地（B1）和两年一烧样地（B2）净氮矿化积累量分别为1.32±0.21 g N m-2、0.54±0.30 g N m-2 和 0.77±0.24 g N m-2。较为湿润的2006 年生长季的净氮矿化积累量显著高于较为干旱的2007 年生长季，冬季也存在相当丰富的净氮矿化积累量。我们推论，长时间围封后的单次火烧处理对土壤净氮矿化作用的影响可能是短效的，但是年际间气候变化对土壤净氮矿化作用影响显著。 施肥显著提高了土壤的无机氮含量，并且与施肥梯度呈显著正相关关系。施肥对土壤无机氮含量的影响具有累加效应，第一次施肥和第二次施肥后的首次取样，+N5.25 、+N17.5 、+N28.0 三个施肥梯度的样地土壤无机氮含量比未施肥样地分别高出56%、219%、1054%和514%、891%、1811%。施肥处理在2006 年和2007 年对土壤净氮矿化作用都没有显著影响，仅在2007 年的个别月份有一定效果。以上结果说明，无机氮肥的添加可以明显提高土壤中无机氮的含量，满足植物生长的需求，但对于土壤氮转化过程的影响可能还要受其它环境和生物因子的制约。 刈割对土壤无机氮含量和净硝化速率没有显著作用，对土壤净氮矿化速率仅在个别月份表现显著效果。2007 年生长季，未刈割样地和刈割样地净氮矿化积累量分别为1.32±0.21 g N m-2 和1.08±0.35 g N m-2，不存在显著差异。我们推论，长期围封后的单次刈割处理在短期内对生长季的土壤氮动态仅有微弱影响，并且这种效果还可能受水分因素的制约。 火烧、施肥、刈割的交互处理在2007 年生长季对土壤无机氮含量产生显著作用，但是，对土壤净氮矿化速率和净硝化速率没有显著效果，然而，在不同的取样时间，火烧、施肥、刈割的交互处理对土壤无机氮含量、净氮矿化速率和净硝化速率的影响存在显著差异，说明火烧、施肥、刈割的交互处理对土壤无机氮和净氮矿化作用的影响可能受各种环境因子的制约，尤其是在水分相对缺乏的半干旱内蒙古草原，非生物因子和生物因子可能共同影响着土壤中的氮平衡。 本研究初步分析了长期围封后火烧、施肥、刈割及其交互处理对土壤净氮矿化的影响，初步探究了人为干扰和环境气候变化对土壤可利用性氮的调节作用，为科学地进行禁牧、割草、人工养份添加等草原管理提供了数据支持。

高山植物唐古特红景天（Rhodiola algida Var.tangutica）抗冻蛋白的研究

抗冻蛋白（AFP）或热滞蛋白（THP）最早是从极区鱼和昆虫中发现的一类特殊蛋白质，其共同特性是能阻止体液内冰核的形成和生长，降低体液的冰点，使其冰点低于熔点（热滞效应）。近几年的研究表明，AFP在某些植物、细菌、真菌中也存在。生长在极端低温环境中的高山植物体内是否也存在AFP，据我们掌握的资料，还未见这方面的报道。为此，我们选择了青海高原海拔4000米高山生长的唐古特红景天为实验材料，并在这种植物中发现了抗冻蛋白。主要实验结果概括如下： 1. 唐古特红景天叶片有很强的抗冻性，可耐受-26.5 ℃的冰冻温胁迫。在北京地区夏季（7月）驯化20天后，半致死温度（LT_(50)）升高为-15.5 ℃。叶片质外体蛋白抽提液有明显的热滞效应（0.2 ℃），在AFP中存在糖基。SDS-PAGE分析表明，质外体AFP为分子量在43-85KD范围内的五条多肽。 2. 光镜组织化学切片显示，在红景天叶片中存在蛋白质量丰富的细胞;电镜细胞化学研究揭示，在细胞壁外层及细胞间隙中分布着明显的经钌红特异染色的糖蛋白，这种糖蛋白因环境温度升高而减少。结合前述的实验结果，确认这种细胞壁外层及细胞间隙中的糖蛋白，即抗冻蛋白。 3. 以唐古特红景天叶片为外植体，在MS+BA_2+NAA_(0.2)固体培养基上可诱导出黄绿色，松脆愈伤组织。愈伤组织细胞在同样成分的液体培养基中培养获得成功。在悬浮培养液中可检测到分泌蛋白的存在。经SDS-PAGE分析表明，经低温锻炼或ABA诱导后，细胞分泌蛋白的多肽谱带数增加。与此相对应的是，细胞的抗冻能力也明显提高。PAS染色揭示，多肽中均含有糖基。 4. 通过测定热滞值，确信细胞分泌蛋白是具有抗冻活性的糖蛋白。