空间直观森林景观模型不确定性分析

过去的十年出现了大量的空间直观森林景观模型。空间直观森林景观模型模拟大尺度上的空间生态过程(演替、火、采伐和病虫害等)，它需要大尺度空间数据的输入和大量模型参数的估计。由于空间数据的缺乏，在参数化过程中会有很多的人为误差从而导致模型模拟结果的不确定性(主观不确定性)。此外，为了表现自然系统的随机性，大部分空间直观景观模型采用了随机模拟的方式。随机模拟也会使模型在相同参数下具有不同的模拟结果(随机不确定性)。 本文采用蒙特卡罗模拟、拉丁超几何体采样、地统计学随机模拟及方差分析的方法，系统研究了主观不确定性和随机不确定性在模型中传递和影响。结果表明， 1) 用小班尺度上的物种年龄组信息初始化象元尺度上的物种年龄组信息对LANDIS模型景观尺度上的模拟结果没有显著的影响，但是对象元尺度上的模拟结果有显著的影响； 2) 用克吕格空间插值所获取的物种年龄信息可用于LANDIS模型对景观组分和格局的长期模拟； 3) 随机不确定性的存在使LANDIS模型不适用于小尺度上的景观格局变化的模拟，但是随机不确定性不影响LANDIS模型在大尺度上的景观组分和格局的长期模拟； 4) 随机不确定性要明显低于主观不确定性，随机不确定性和主观不确定性存在显著的相互作用。

东北黑土有机碳、全氮空间分布及其特性研究

土壤有机碳、全氮的空间分布及特性研究一直是土壤学研究的热点，研究东北黑土有机碳、全氮的空间分布和特性可以为东北黑土退化机理及可持续利用提供理论依据。本文以东北黑土区1200个样点为基础，依据尺度分布理论，采用宏观统计分析和微观化学分析相结合，研究了黑土有机碳、全氮空间分布规律；黑土有机碳与其它养分之间的关系；黑土有机碳、全氮在团聚体中的富集以及黑土活性有机碳、氮的区域分布特性。本次研究是继第二次土壤普查以来对黑土有机碳系统研究，首次摸清了东北黑土有机碳库的现状和分布规律，及其与其它养分库的关系，采用经典统计学方法绘制了黑土有机碳空间分布图；对影响有机碳库和养分的驱动因素进行了分析，发现了黑土有机碳库的“经向”和“纬向”分布规律；总结了黑土有机碳库频数分布特征，以及自第二次土壤普查以来几十年间的变化。探讨了土壤有机碳空间分布的驱动因子，绘制了土壤有机碳、全氮的空间分布等值线图，阐明了土壤活性有机碳、氮库的空间分布对土壤有机碳库的贡献： 1、土壤有机碳、全氮水平空间分布在纬向上主要受温度控制，在经向上主要受水分控制，黑土有机碳与纬度的显著相关（r=0.70188, P<0.01），与黏粒显著正相关（r=0.43, P<0.01），与砂粒显著负相关（r=-0.44, P<0.01）。 2、土壤有机碳、全氮垂直空间分布在一定深度内受温度控制，水分状况作用较小，黏粒在深度剖面作用不显著，随着土壤深度的增加，土壤有机C和全N含量降低。 3、土壤团聚体组分中有机碳、全氮含量与纬度呈正相关关系，大团聚体和微团聚体更易受水热条件影响，大团聚体的有机碳富集因子E≥1的趋势明显而微团聚体及粉＋黏组分有机碳的富集因子E≤1的趋势明显，说明大团聚体中有机碳具有累积趋势而微团聚体和粉＋黏组分中有机碳处于消耗状态。 4、黑土其它养分的分布均非正态分布，有机碳与全磷、全钾、碱解氮、速效钾和速效磷之间的相关关系分别为0.795、-0.295、0.801、0.244和0.036，只有有机碳和速效磷之间没有相关性，而与其它养分在P<0.01水平呈显著相关。 5、土壤活性有机碳和活性有机氮随纬度增加活性组分增大，土壤活性有机碳的比例较小，说明黑土有机物料输入较低；黑土活性有机氮含量差别不大，说明微生物活动相似。

固氮树木丛枝菌根真菌(AMF)遗传多样性的研究

丛枝菌根是自然生态系统中分布最广的内生菌根，在促进植物生存与生长、植被恢复以及生物多样性保护等方面有着非常重要的作用。 随着现代分子生物学技术的不断发展，丛枝菌根真菌研究得到空前发展。大量DNA分析新技术在丛枝菌根真菌的分子遗传、分类鉴定、种间及种内亲缘关系、菌株持久性等方面得到应用，与传统菌根研究方法相比，表现出巨大的优越性。 本项研究利用分子生物学技术和研究方法对中国吉林长白山地区非豆科固氮植物以及东北地区固氮树木的丛枝菌根真菌DNA分子多态性及其与宿主植物之间的相互关系等进行初步研究，旨在利用分子生态学理论和研究方法揭示丛枝菌根真菌多样性及其与宿主植物之间相互适应和协同进化的一般规律，为更好地保护和利用这一重要的微生物资源提供理论依据。 通过比较与筛选，建立起丛枝菌根真菌痕量DNA快速、简便、高效的提取纯化方法——改良CTAB法。经PCR检测，所得DNA满足进一步研究的要求。 根据丛枝菌根真菌18s rRNA 小亚基核基因片段的特点，利用“科”特异性引物进行半巢式标记PCR (Labelled Primers-PCR，LP-PCR) 及单链构象多态性（Single-Stranded Conformation Polymorphism，SSCP）分析技术研究了长白山赤杨在属水平上表现出的多样性。另外，利用巢式PCR-RFLP技术，分别对来源于长白山不同海拔的四种赤杨菌根样品的AMF侵染情况及其系统进化进行了研究。利用AMF特异性PCR技术对我国东北地区四种非豆科树木和5种豆科树木菌根侵染情况和系统发育规律进行了研究 研究结果显示：赤杨根内AMF存在丰富的基因多样性。AMF的侵染有从宿主混乱性向宿主专一性发展的趋势。 长白山地区赤杨属植物至少有东北赤杨、西伯利亚赤杨和色赤杨三个树种在其“属”的水平上与共生的球囊霉科（Glomaceae）至少一个“种” 的丛枝菌根真菌，即根内球囊霉（Glomus intraradix），在“种”的水平上表现出不相关于宿主海拔高度的某种相互选择性。 东北赤杨AMF菌的宿主专一性水平最强，球囊霉属已成为东北赤杨的优势侵染类群；对于其余三种赤杨，AMF则出现宿主混乱现象。宿主因素比海拔因素对AMF侵染特异性的影响更为重要。 豆科与非豆科样本的混乱性都比较强，在特定植物和AMF属之间无特异侵染规律，相对来说，非豆科树木比豆科树木对于AMF的选择性要更强一些，更倾向于和球囊霉属与无梗孢囊霉属的AMF构建共生体。

硫化叶菌病毒STFV、STSV1及其与宿主关系研究

硫化叶菌病毒表现出了极为独特、多样的形态学和基因组学特征，它们为研究硫化叶菌提供了很好的模型，同时也为构建可在硫化叶菌中进行分子操作的分子工具提供了有用的材料。 本研究从西藏热泉中分离出一株嗜酸热菌S3-3，S3-3的16S rDNA序列和腾冲硫化叶菌同源性最高，为96％，而和其它硫化叶菌同源性相对较低。基于16S rDNA序列进行的系统发育学分析同样证实了，S3-3和腾冲硫化叶菌亲缘关系最近，推测S3-3是硫化叶菌属的一新种。 从S3-3a中分离出一株硫化叶菌病毒，命名为西藏硫化叶菌丝状病毒（Sulfolobus Tibet Filamentous Virus, STFV）。STFV呈丝状，外面有一层脂膜包裹，病毒长约1.4 μm，病毒直径约20 nm，两端各有一约60 nm长的小尾巴。病毒的复制抑制宿主细胞生长，但并不引起宿主细胞的裂解。STFV的DNA为线性双链DNA，推测其DNA末端含共价闭合的发夹结构。已经完成了除病毒末端以外的基因组序列的测定，共测得序列29 568 bp。病毒基因组DNA的GC含量为32.70％，编码49个阅读框，其中包括四个解旋酶基因，四个糖基转移酶基因，一个核苷酸转移酶基因和一个磷酸转移酶基因。其中35个阅读框在已知硫化叶菌病毒中有同源基因。病毒含有两个主要的结构蛋白，分别由ORF162 和 ORF219所编码，这两个结构蛋白在Betalipothrixvirus中非常保守。基因组比对发现，STFV和Betalipothrixvirus的同源性很高。所有的证据表明，STFV为一新的病毒，属于硫化叶菌病毒Lipothrixviridae病毒科，Betalipothrixvirus病毒属。 腾冲硫化叶菌纺锤型病毒STSV1由向小宇博士分离。该病毒编码一个整合酶基因。但通过Southern杂交分析，未检测到病毒基因组整合至宿主基因组中。STSV1病毒颗粒的蛋白由5个阅读框所编码，而其主要的结构蛋白由ORF40编码。

UASB反应器处理维生素C生产废水研究

维生素C生产废水有机物浓度高、成分复杂、排放量大，是一种亟待处理的典型工业废水。本研究分别采用实验室规模和中试规模的升流式厌氧颗粒污泥床反应器（UASB）对该制药工业废水的厌氧生物处理工艺进行了较为深入的研究。同时采用两种不依赖于纯培养的分子生物学手段—变性梯度凝胶电泳（DGGE）和扩增核糖体DNA限制性分析（ARDRA）技术揭示了UASB反应器不同运行阶段污泥中微生物群落多样性组成及变化。此外，首次研究了零价铁（Fe0）在厌氧消化过程中对反应器运行及微生物群落结构的影响。 采用城市污水处理厂厌氧消化池絮状污泥和处理啤酒废水的颗粒污泥混合接种，小试中温（35±1℃）UASB反应器在其运行的第65天启动成功。反应器稳定运行阶段，在进水COD浓度为9000mg/L、水力停留时间为12h、容积负荷为13.6 kgCOD/m3.d条件下，其COD去除率稳定在85~90%之间，沼气产率达到4.5 m3/m3.d，沼气甲烷含量平均为72%。中试UASB反应器的接种污泥为厌氧消化污泥，其启动时间相对较长，为90天。在稳定运行期，反应器的进水COD浓度为8000~10000mg/L，水力停留时间和容积负荷分别保持在12~16h和10.6~14.2 kgCOD/m3.d范围，该阶段反应器的平均COD去除率稳定在85%左右，沼气产率平均为5.2m3/m3.d，沼气中甲烷含量为69%。上述结果表明中温UASB工艺用于维生素C生产废水处理是高效、可行的。 与对照反应器相比，添加Fe0的小试UASB反应器的COD去除率和沼气产量分别提高了6.5%和10.2%。同时，磷酸盐平均去除率为79%，比对照提高了64%，目前尚未见类似研究报道。在中试规模的UASB反应器中补充一定量的Fe0可缩短反应器启动时间，促进颗粒污泥的形成，该结果可能具有重要的应用价值。培养试验进一步表明，Fe0可以作为产甲烷菌还原CO2生成甲烷的电子供体。培养实验还表明，当系统中存在硝酸盐（0.40 mM）和硫酸盐（0.26 mM）时，Fe0促产甲烷过程受到一定程度的抑制。 采用细菌通用引物968F/1401R和341F/907R获得的PCR-DGGE指纹图谱均表明UASB反应器不同运行阶段细菌种群结构变化明显。小试和中试稳定期污泥的微生物多样性均高于各自初始接种污泥。产甲烷菌通用引物340F/519R的PCR-DGGE结果显示，虽然接种污泥中产甲烷菌的丰富度系数略低于稳定期，但总体而言，反应器运行期间产甲烷菌的种群组成相对稳定。 通过构建不同处理和不同运行阶段污泥样品的16S rRNA基因文库并对克隆基因进行限制性内切酶消化、测序分析。结果表明，稳定期两个反应器微生物群落结构相似，但与各自接种污泥差异明显。小试UASB反应器接种污泥中细菌的优势菌群分别为变形菌纲的δ亚纲（28.7%）和β亚纲（17.4%），至稳定运行期则演替为革兰氏阳性低GC菌群（21.9%）和变形菌纲的δ亚纲（14.0%）。中试反应器接种污泥Green non-sulfer bacteria（25.9%）和变形菌纲的δ亚纲（16.4%）类群占优势，而稳定期Green non-sulfer bacteria类群（17.9%）、革兰氏阳性低GC菌群（16.2%）和变形菌纲的δ亚纲（15.4%）为优势菌群。 产甲烷菌的优势克隆为SRJ 230、SRJ 26和SRJ 583，前两者分别与Methanosaeta concilii和未培养的Methanobacteria-like克隆Gran7M4的同源性达到97%和98%，后者与Methanomethylovorans. sp同源性为99%。接种污泥中上述类群占总克隆数量的比例较低。小试、中试接种污泥中产甲烷菌分别占7.8%和3.0%，但稳定运行期，该比例明显增加，分别达到21.9%和18.8%。上述结果表明启动期与稳定期污泥产甲烷菌种群组成相对稳定，但各类群数量明显增加。 添加Fe0的UASB反应器稳定运行期污泥中产甲烷菌比例（31.2%）高于对照反应器（24.2%）, 革兰氏阳性低GC类群、变形菌纲的δ亚纲比例差异不明显，而变形菌纲β亚纲（6.0%）和Green non-sulfer bacteria（9.2%）的比例均分别低于对照反应器（13.1%和17.1%）。该结果表明，添加Fe0使反应器内微生物群落多样性发生了显著变化。 此外，在添加Fe0的UASB反应器中检测到特异性的克隆SRJ 341和SRJ 320，两者分别同磷酸盐去除和铁氧化有关的克隆子Orbal D41和Clone195的序列相似性达95%和96%。这两个类群可能分别与磷酸盐去除及铁促产甲烷作用密切相关。这一结果尚未见报道。

结核分枝杆菌尼克酰胺酶/吡嗪酰胺酶的研究

本研究通过一系列生物学手段系统阐述了结核分枝杆菌尼克酰胺酶/吡嗪酰胺酶（PncA酶）的生物化学特征，并鉴定了酶当中的关键氨基酸。结果表明体外表达的结核分枝杆菌PncA酶是一个分子量为22.4 KDa的单体酶，其最适pH值和温度分别为6.6 ~ 7.4和35 ~ 45 °C。电感耦合等离子原子发射光谱结果表明PncA酶是一种含有Mn2+和Fe2+的蛋白，二者的比率为1:1。通过运用高效液相色谱和耦联氨酶试验的方法对纯化的PncA酶进行了动力学分析，结果表明PncA酶拥有相同的吡嗪酰胺酶和尼克酰胺酶活性。通过定点突变得到了9个突变，圆二色谱数据证明突变并没有引起PncA酶的二级结构的改变。对这9个突变的酶活性和金属离子含量分析的结果表明，D8、K96和C138是PncA酶结合和催化底物的关键氨基酸残基，D49、H51、H57和H71是金属离子结合的关键氨基酸，而Y103和S104则有可能与底物的结合稳定有关。我们的结果也表明，尽管与Pyrococcus horikoshii PncA酶的序列同源性很高，但二者在对金属离子的结合方式上存在明显差异, 并有可能导致两者在催化机制上的差异, 值得进一步研究。 通过筛选抗吡嗪酰胺药物的临床分离结核分枝杆菌19株，并对其pncA基因序列进行测序分析。结果再一次表明结核分枝杆菌PncA酶的突变与吡嗪酰胺耐药性密切相关，检测的准确性为78.9 %，并发现了一个在16位的甘氨酸突变为丝氨酸的新突变。

小兴安岭地区主要树种对气候变暖的响应

小兴安岭是温带和寒温带的过渡地带，属于针阔混交林（阔叶红松林）与北方针叶林（兴安落叶松林）的过渡区域，树种种类众多，是气候变暖的预警区。在CGCM2气候预案下，研究区内，年平均温度增加5.97±0.14℃，年平均降水量减少16.2±6.2mm。本文联合静态模型Logistic和动态模型LANDIS，模拟气候变暖、火干扰、采伐和种植对树种分布的影响。 Logistic回归模型结果显示，在区域尺度上，气候因子（年平均温度和降水量）是影响大部分树种潜在分布的最重要的环境因子，如枫桦、黑桦、红松、冷杉、蒙古栎、山杨和云杉。少数树种对地形因子最为敏感，如落叶松，色木槭、紫椴和白桦。当空间尺度从区域尺度降低到局域尺度时，树种与环境因子之间的关系发生变化，对树种分布最具影响的环境因子发生转移。由气候因子逐渐转移为地形因子，如对红松分布最具影响的年降水量转移为坡向。但有些地区气候因子仍然是树种分布的最重要的环境因子。气候变暖与尺度效应相同，也会改变树种与环境因子间的关系，并且最具影响的环境因子也发生转移。 静态和动态模型的联合模拟结果显示，气候变暖后，红松、蒙古栎、色木槭、枫桦和紫锻北界向北迁移；落叶松、黑桦南界向北迁移；云杉分布基本没有变化，冷杉向高海拔地区迁移。虽然研究区内树种分布发生显著变化，但树种组成没有变化。气候变暖对消退型树种分布的影响最快（30年），对扩展型树种的影响较慢，其中阔叶扩展型树种对气候变暖的反应较快（40~70年），针叶树种对气候变暖的反应较慢（100~150年）。气候变暖和火干扰的作用下，扩展型树种一直增加，只有增长阶段没有消退阶段，而消退型树种，只有消退阶段没有增长阶段。树种分布变化率与树种耐火性之间没有显著相关关系，而与树种萌发力、最小萌发年龄和结实年龄之间存在显著相关关系。最后，火干扰促进耐火性强、萌发力强、最小萌发年龄小、结实年龄小的树种扩展，延缓通过种子传播、耐火性弱、结实年龄大的树种扩展。在树种年龄结构上，幼龄组比例大量增加，最终，所有龄组分布趋向稳定。而采伐使树种年龄结构趋于简单，在商品林区内年龄大于采伐年龄的树木几乎不存在。不过，火干扰和采伐都减少针叶树种的分布，增加阔叶树树种的分布。在气候变暖和采伐的作用下，消退型树种提前消退，扩展型树种扩展阶段提前。火干扰在时间上没有提前或延缓气候变暖对树种分布的影响，而采伐将提前气候变暖对树种分布的影响190年，森林提前70年从演替初期进入演替中期。种植消退型树种（如落叶松）不仅消除因采伐而提前的190年，还能保持一定量的分布，进而阻碍气候变暖对树种分布的影响。 比较两个模型结果发现气候变暖后，火干扰减少红松的迁移速度22m/Yr.，减少枫桦的8m/Yr.，而采伐不影响红松和枫桦迁移速度。种植增加红松迁移速度4~7m/Yr.，减少枫桦迁移速度5~7m/Yr.。干扰对树种迁移速度的影响与树种可通过的廊道有关。 气候变暖、火干扰和采伐的共同作用下，火烧轮回期显著减少4年，而平均火烧面积显著增加13.0hm2。种植显著影响火烧轮回期和平均火烧面积，种植红松和多个树种使火烧轮回期有所增加，在种植落叶松预案下，有所减少；种植红松、云杉和多个树种使平均火烧面积显著减少。火干扰减少采伐面积，而气候变暖增加采伐面积。但因过去超量采伐，如今树木年龄小，无法满足采伐条件，从而削弱气候变暖对采伐的影响。今后60年之内气候变暖对采伐面积没有任何影响，相反因火干扰而采伐面积减少。从2080年开始，气候变暖而扩展的阔叶树种达到采伐年龄，采伐面积开始增加；从2110年开始，在采伐迹地上种植的落叶松达到采伐年龄，采伐面积再次增加；从2130年开始，种植的云杉和红松达到采伐年龄，采伐面积再度增加。 最后，对两个模型结果进行了详细分析，讨论了干扰之间的相互关系，干扰与作用区域，树种分布变化与树种生物学特性之间的关系。提出了些有关干扰调控，生物多样性保护，森林管理方面的设想。

古油松年轮记录的沈阳地区300年来的气候变化

本研究通过对沈阳清•昭陵、清•福陵和千山风景区树木年轮气候学考察和取样，共采集了103株古油松样本的树芯和轮盘。依据树木年轮气候学研究的规范做法建立了3地区的STD, RES, ARS三种类型的树轮宽度年表9个。并分析了不同采样点树木年轮所反映的气候信息，在此基础上重建了该区域近300年来的气候变化，开展了区域以及全球气候变化对比研究，以探讨沈阳地区近300年来气候变化的特点、规律和机制： （1）古油松年表与冬季和初春低温的关系较明显，1月的低温最显著，3种年表与冬季、春季和秋季的降水量的相关性均较显著。水汽压、相对湿度在入冬前、生长后期和易发生春旱的5-6月份对年轮宽度的影响表现突出。蒸发是上年全年、当年全年和当年绝大部分月份对油松生长起负效应的因素，其中5月最明显，但1、2月的蒸发量与油松当年的年轮宽度表现出正相关。油松年表的窄轮和窄化突变佐证了1650年以来的35次主要的旱灾年历史记录和59次干旱记录。 （2）本研究成功地检验了沈阳地区古油松年轮宽度年表对太阳活动，地磁活动，太平洋十年震荡和全球气温变化的响应。年轮宽度与这些影响因子均存在共同的周期变化和显著的线性关系。其中，年轮宽度对过去太阳活动和地磁的活动呈明显负相关关系，而且是多种抑、促效应的复合。所有结果表明沈阳城市古油松适于监测极度的诸如El Niño (La Niña)事件的全球环境变化和区域环境异常。 （3）本研究重建了沈阳地区1710-2004年12-1月的极端最低温，并指出其主要低温波动期，高温波动期；重建了沈阳地区1780-2004年1-6月的降水量，并统计了降水量反映的偏湿年份,，偏干年份；同时，分别重建了沈阳地区1780-2004年的年均水汽压、年蒸发量和年均相对湿度，并指出各重建结果所表征的旱涝年份。

森林与大气间物质和能量交换的模拟研究

植被冠层标量源汇分布和垂直通量的估算一直是生物圈－大气圈交换过程研究中的一个重要问题；植被－大气间物质和能量交换的数值模拟对区域气候和全球变化研究具有重要的科学意义和应用价值。本文以长白山阔叶红松林为研究对象，应用自动观测系统获得的大量气象数据和标量梯度数据，对林冠结构和林冠内/上的湍流统计量特征进行了详细模拟分析，为构建标量源汇反演模型提供了基础。探讨了大气热层结条件下林冠内上的显热与大气之间的交换特征；并提出在欧拉模型中增加浮力项的影响，结果表明浮力项对显热通量收支的作用明显，而且提高了欧拉模型对长时间序列数据模拟的能力。以Raupach提出的局地近场理论为依据，耦合垂直速度标准差和拉格朗日时间尺度，建立林冠内标量源汇强度和平均浓度廓线之间的关系；利用拉格朗日反演模型提出了通过林冠标量浓度梯度直接计算林冠内的标量源汇强度进而推算标量通量的方法；并对林冠内/上的水汽、显热和CO2的源汇和通量分布特征进行了模拟；结果显示拉格朗日模型能够很好地反映水汽和显热的源/汇强度及其通量随高度的变化过程，模拟值与实测值的相关性都在80%以上，模型对长时间数据序列的模拟具有较强的稳定性。拉格朗日模型能准确稳定地模拟出林冠与大气间CO2交换特征，与实测值的相关性为89%；比较拉格朗日模型与欧拉模型，结果显示欧拉模型能够有效地反映出林内叶片和树干的呼吸作用，而拉格朗日模型则更有利于模拟地表土壤呼吸和林下低矮植被的光合作用。

构筑湿地部分亚硝化－厌氧氨氧化自养脱氮研究

废水部分亚硝化—厌氧氨氧化自养脱氮研究是目前废水生物脱氮领域研究的热点。为了开发低浓度小城镇废水构筑湿地可持续自养脱氮新工艺，提高脱氮效率，减少占地面积，论文在对构筑湿地自养脱氮前置部分工作性能进行研究的基础上，在法国东部Evieu构筑湿地污水处理场对传统脱氮工艺及改进用于部分亚硝化—厌氧氨氧化脱氮的工艺进行了对比实验研究。 研究结果表明，采用改进的非饱和层(25cm)与饱和层(55cm)结合的湿地床与60cm深度的水平流构筑湿地床组合工艺，进行着完全不同于传统垂直流构筑湿地硝化与水平流构筑湿地反硝化的脱氮反应。氮平衡分析表明，这一脱氮过程是以厌氧氨氧化反应为主的脱氮反应。经分子生物学荧光免疫原位杂交（Fluorescent in situ hybridization, FISH）技术鉴定，证明了传统的垂直流构筑湿地以好氧氨氧化细菌为主，但厌氧氨氧化细菌与之共存；而在改进的湿地床及后续水平流湿地床低氧环境则是以厌氧氨氧化细菌为主。论文首次为构筑湿地系统在自然条件下通过合理设计实现厌氧氨氧化自养脱氮提供了可行的实验证据。实验研究得出如下主要结论： 1. 构筑湿地可通过合理设计促进自养脱氮反应实现；传统硝化反硝化脱氮工艺VF1-1+HF3-2总氮平均去除率为66.3%，VF1-3+HF3-2总氮平均去除率为59.4%，而改进后的VF1-2+HF3-2总氮平均去除率为71.0%；含有厌氧氨氧化自养脱氮反应的工艺提高了总氮去除率； 2. 构筑湿地自养脱氮反应过程不排斥异养反硝化作用存在，两者协同进行脱氮，脱氮效果稳定；而全程硝化的出水在水平流构筑湿地进行传统反硝化脱氮的同时，会存在异化性硝酸盐还原作用，使出水的氨氮浓度增加； 3. 构筑湿地具有较好的蓄积培养厌氧氨氧化细菌的能力，在19.7℃的进水水温条件下启动反应装置，运行培养100天即观察到所需要的生物体颜色呈棕红色；调整pH至适宜厌氧氨氧化反应的范围6.81-7.18；控制氧化还原电位Eh值在-148.34至120.18mV；反应装置进水的氨饱和，并且稳定进水水力负荷在构筑湿地污染物去除能力范围内以及为避免外环境因素如降雨量过大等对反应装置造成的冲击，设置缓冲装置等，是构筑湿地实现自养脱氮主要控制的工艺参数； 4. 水力停留时间设计为5天的水平流构筑湿地HF3-3更适合传统反硝化脱氮工艺；水力停留时间的延长并不能使厌氧氨氧化工艺进一步提高脱氮效率，采用厌氧氨氧化自养脱氮工艺为减少构筑湿地占地面积提供了可能。

东北黑土重金属污染发生机理及健康动力学研究

东北黑土高有机质含量和巨大而连续的耕作带使它成为中国重要的粮食生产基地。随着人类开发和利用程度的加剧，其直接后果是导致黑土健康质量逐渐下降。土壤重金属污染是导致黑土健康质量下降的重要因素之一。本研究通过对东北黑土重金属污染初步调查，确定黑土分布地区重金属污染的主要类型、来源、污染趋势和分布状况，分析污染黑土中重金属形态、迁移和生物有效性等特点。结果表明：黑土环境中，镉、铅、锌的含量呈明显上升趋势，镉是对土壤健康危害最大的重金属；污染较为严重的区域主要分布在城区和城乡结合部，重金属在这些区域中生物有效性高，工业排放和污水灌溉是其重要来源；而在农区耕作土壤中磷肥的长期施用是造成土壤中镉含量上升的主要原因。 根据调查结果，选择黑土中主要重金属污染类型—镉，对其在土壤中导致污染发生的主要机理进行了深入研究。从形态、生物有效性和吸附-解吸过程等方面阐述了镉在土壤环境中的主要化学行为，以及这些行为对有机农药交互作用的响应。研究表明，外源镉离子进入土壤后能很快被吸附，由于这种吸附作用，使交换态镉容易向结合态和残渣态转化，被土壤吸附的镉离子有一部分被解吸下来，这也使形态转化呈一个互为可逆的过程。由于黑土特殊的土壤理化性质，镉离子在黑土中的吸附和转化趋势明显强于棕壤。乙草胺的加入能加强这种吸附作用和转化趋势，而敌敌畏的作用则增加了吸附态镉离子释放的风险。镉和乙草胺复合污染条件下对生物的毒性呈拮抗作用。 最后，采用化学固定修复的方法，对镉污染黑土进行健康调控研究。通过重金属溶出、形态转化、生物毒性和微观构像等实验评估的结果表明，一种富含H2PO4-、HCO3-和CO32-等配位体的人工合成固定剂对镉污染黑土具有一定的修复潜力。对污染程度较低的重金属面源污染耕作土壤的调控，化学固定化修复在时间和成本等方面显示其修复的优越性。

岷江上游景观可持续管理决策预案研究

岷江上游地区是我国一个重要的大尺度、复合型生态过渡带，也是一个生态系统脆弱区和敏感区，它不但影响当地和岷江下游的农业生产、生活用水和生态环境，而且影响长江上游地区生态环境改善，在长江上游生态安全格局中占有重要地位。近几十年来，在强烈的自然变化与人类活动干扰下，该区域景观发生了巨大变化，综合研究影响景观变化的自然、社会因子，制定以生态系统可持续为目标的景观管理决策，从而为改善区域生态环境，构建生态安全格局具有重要的科学意义和现实需求。本论文通过对岷江上游农、林、草复合景观诸多因子的研究，通过NetWaver和CDP（Criterium DecisionPlus）平台，分别建立基于模糊逻辑的景观评价知识库和基于多目标决策的景观管理决策模型，实现了岷江上游3种不同目标的景观管理决策预案。本论文取得了如下结论： (1). 景观格局分析表明，岷江上游景观以草地为基质，森林以及其他景观类型作为斑块镶嵌其中，草地类型影响到整个景观格局的生态过程，包括物质的传输与能量的流动。 (2). 通过建立人类活动强度这一可定量化测度的指标，分析了研究区森林、草地、耕地三种主要景观类型的格局变化，结果显示，人类活动视为信息熵输入，其强度大小对景观类型所起的作用不同，正确引导和控制一定范围、一定强度的人类活动可以实现景观的恢复。 (3). 基于NetWeaver系统，设计景观评价模糊知识库，对研究区进行了景观综合评价，整个流域除了四个子流域支持程度为低或者非常低外，其余子流域支持程度较好，景观管理的可行性和有效性水平较高。评价的结果为景观管理预案的设计提供了重要的数据支持。 (4). 综合研究区社会、经济和生态发展三个子系统，通过层次分析法，建立三层指标体系对研究区可持续能力进行评价。结果表明，岷江上游可持续发展能力综合评价值为0.22（理想值为1），反映出景观可持续能力差，实施区域生态系统管理，制订可持续管理预案具有重要性和紧迫性。 (5). 通过CDP（Criterium DecisionPlus）平台，综合所有对景观管理有潜在影响的因素，构建景观管理的决策模型，设计了三个基于不同管理目标的决策预案；并对所设计的管理预案进行了模型不确定性分析、灵敏度分析和因子贡献量分析，验证了预案模型的鲁棒性（robustness）；最后，结合生态系统管理系统EMDS（Ecosystem Management Decision System）和ARC/GIS的环境实现预案空间表达，并对决策结果进行了分析与讨论。论文的研究结果是研究区实施景观管理规划的关键性参考依据。

大兴安岭林火迹地景观恢复的生态效应与影响因子研究

林火，作为森林生态系统不可或缺的生态干扰因子，通过改变森林景观的组成与结构，影响森林生态系统的物质循环与能量流动，进而影响森林景观生态功能的发挥。火后森林景观结构变化及其生态功能的恢复，不仅是森林经营管理所关注的关键内容，也是景观生态学与火生态学研究的重要课题。本文以1987年大兴安岭“5，6”特大森林火灾的过火区为研究区，利用TM数据、森林资源清查图件资料，结合大量的野外调查，以GIS为核心技术，利用空间代时间、空间分析和多种数学统计方法，对研究区1987年火烧前与2000年的景观格局与主要生态功能的恢复状况进行了多尺度的研究，并探讨了影响森林景观恢复的主要因子，旨在为火干扰后的森林恢复提供科学依据。主要结论如下： ① 从较大尺度上看，整个火烧迹地景观已基本恢复，植被生长状况良好。与未火烧区相比，针叶林所占比重降低，混交林比重升高，阔叶林的比重变化不大，沼泽面积明显增加。以上结果显示，森林景观正处于由初期向中期演替的过渡阶段。沼泽面积的增加应引起重视，应采取相应对策以防止森林的逆行演替。NDVI 值的等级分布显示，针叶林在火烧区的生长状况不如未火烧区，而阔叶林的生长状况则好于未火烧区，这主要是由于喜阳的阔叶林更能适应了火后环境所致。 ② 中等尺度上，森林景观总体格局的破碎化程度明显增加；针叶树种仍是森林景观的基质树种。森林景观质量得到了初步恢复，但由于恢复时间尚短，林龄结构以幼龄林为主，无统计蓄积量的林地比重大幅增加，而郁闭度等级也下降了一位。多变量回归分析显示，火烧强度、更新类型、海拔以及地形因子（坡度、坡位、坡向）对森林郁闭度的恢复均产生了显著影响。海拔与火烧强度影响较大，坡位与坡向影响微弱。其中，海拔梯度与郁闭度恢复状况呈正相关，即海拔越高，恢复越好，这可能与火干扰强度随着海拔的升高而降低有关；而火烧强度与郁闭度恢复则呈显著负相关。 ③ 研究区的森林水文调节能力已得到了基本恢复，平均水平略有提高。从调节能力的等级构成来看，由于恢复时间较短，具有较高调节能力的林地比例仍然较低。湿地面积由火烧前的11544 hm2增加到2000年的20498 hm2，增幅达77.56%；湿地的破碎化程度降低，湿地格局由分散趋向于集中连片分布。将森林水文调节能力分布图与湿地分布变化图叠加发现，95 %以上的新增湿地来源于火前水文调节能力较低的地区，火烧后立地条件的恶化，随着水分截流能力的进一步下降，加之缺乏有效的植被蒸腾作用，使这部分地区演变为湿地。 ④ 通过将火前条件相似的火烧区与未火烧区的冻土活动层厚度进行T检验后发现，两者的均值存在着显著性差异，火烧区平均厚度为102.6 cm，而未火烧区仅为61.9 cm。冻土活动层的变化又对生态环境产生了显著影响。如，冻土融化可能导致低洼地区积水形成新生沼泽，从而改变森林植被的演替方向。 ⑤ 野生动物（以紫貂为例）的适宜生境的规模与质量远未恢复到火前水平，其生存条件不容乐观。火烧区适宜生境的面积比重从火前的37%下降为2000年的29%，而未火烧区仅下降6%。火烧区适宜生境和最适宜生境面积变化幅度不大，而未火烧区则明显降低，降幅达68%和82%，1987年火后采伐集中于未火烧区是出现这种状况的主要原因。相反，火烧区的勉强适宜和中等适宜生境面积明显减少，而未火烧区则有较大幅度增加。火烧区与未火烧区适宜生境破碎化程度均明显加剧。可见，林火干扰与人类活动均对动物生境产生了负面影响。

Cd－豆磺隆复合污染黑土多介质界面过程及化学动力学

Cd和豆磺隆是黑土区比较典型的两种化学污染物，通过开展水－土界面Cd迁移试验、根－土界面Cd吸附－解吸试验、根－土界面Cd化学形态变化动力学试验及Cd－豆磺隆联合胁迫生物化学反应动力学试验，对Cd在Cd－豆磺隆污染黑土多介质界面过程及化学动力学进行了研究，为黑土区Cd和豆磺隆污染防治提供理论依据。 pH对水－土界面Cd扩散和吸附过程产生明显的影响，一般是在酸性条件下，比较有利于Cd在水－土界面的迁移，在碱性条件下，其迁移能力明显降低。豆磺隆影响水－土界面Cd迁移行为，且对水－土界面和土－水界面Cd迁移行为产生影响的结果不同。 Elovich方程和双常数方程分别是描述根－土界面Cd吸附和解吸的最优动力学方程。根－土界面Cd吸附量大于非根－土界面Cd吸附量，而解吸时的情况与此相反。豆磺隆对Cd的吸附和解吸都表现出抑制作用。 小麦体内Cd积累量随着土壤中Cd浓度的增加而增加，豆磺隆抑制Cd的吸收，Cd－豆磺隆在小麦体吸Cd过程中表现出拮抗效应。根－土界面各层碳酸盐和铁锰结合态Cd可向可交换态Cd转化，且这种转化趋势由根中心区向根外区减弱，而向残留态Cd转化的趋势加强，近根层的可交换态Cd和有机结合态Cd是小麦能直接利用的两种Cd形态。Cd－豆磺隆复合污染对脲酶表现出拮抗效应，而对过氧化氢酶和酸性磷酸酶则有一定的协同效应。

有机酸淋洗修复重金属污染土壤的研究

本文以冶炼厂土壤和张士灌区土壤为研究目标，以污染土壤中镉、铅、锌、铜四种重金属离子为主要的修复目标，有针对性的筛选出柠檬酸和酒石酸作为淋洗剂，通过室内模拟实验，考察了两种有机酸在振荡淋洗条件下和土柱淋洗条件下对重金属污染土壤的修复效果，并通过板栗内皮吸附的方法，成功实现淋洗废液的再生和回用。 振荡淋洗条件下，柠檬酸对冶炼厂土壤中四种重金属离子的最大去除率分别为Cd89.1%、 Pb26.8%、Zn41.7%、Cu14.2%；对张士灌区土壤中四种重金属离子的最大去除率分别为52.9%Cd，32.9%Pb，40.7%Cu，13.6%Zn；酒石酸对冶炼厂土壤中四种重金属离子的去除率分别为87.9%Cd，15.7%Pb，40.6%Zn，13.9%Cu；对张士灌区土壤中四种重金属离子的最大去除率分别为53.5%Cd，43.6%Pb，41.4%Cu，21%Zn。 土柱淋洗条件下，柠檬酸淋洗能去除冶炼厂土壤中91.3%Cd，11.1%Pb，39.2%Zn，11.1%Cu；酒石酸淋洗能去除88.0%Cd，9.5%Pb，35.6%Zn，10.9%Cu。 形态分级的结果表明，在上述两种淋洗条件下，两种有机酸均能有效去除污染土壤中交换态、碳酸盐结合态部分重金属，并能显著降低氧化物结合态部分重金属，而对有机态和残余态部分重金属离子去除效果不明显。 板栗内皮两次连续吸附能去除有机酸淋洗废液中90%以上的重金属离子，实现有机酸溶液的再生。再生后的有机酸溶液对污染土壤中重金属离子的去除能力与原有机酸溶液相似。 柠檬酸和酒石酸淋洗修复重金属污染土壤具有可行性。 关键词：有机酸，淋洗，重金属，形态，再生