长白山北坡森林群落交错区植被结构及动态

本文选取长白山北坡森林群落交错区为研究对象，通过大量野外调查，运用树木年轮年代学方法结合植被数量统计分析，对北坡森林群落交错区的植被结构进行了定量研究，探讨了红松、落叶松、鱼鳞云杉、臭冷杉和岳桦的干扰节律及与气候因子的关系，并以此分析了各群落交错区内的植被动态特征。研究结果对交错区的研究和未来气候变化下长白山森林生态系统的发展趋势分析和预测有着重要的理论指导意义。 主要结论：①自然状态下群落交错区植被结构将向相邻的两个群落类型演化，但物种多样性和物种替代速率并不都比相邻群落高；②除红松外，不同树种在不同的群落类型中存活动态有明显差异；③10年平均生长释放频率，在阔叶红松林和暗针叶林交错区，红松、臭冷杉、鱼鳞云杉分别为8.22%、4.76%、和4.79%，样地干扰强度为4.38%；在暗针叶林和岳桦林交错区，臭冷杉和鱼鳞云杉分别为5.91%和7.99%；④主要树种的年表对气候变化的敏感性由高到低顺序依次为：落叶松>岳桦>鱼鳞云杉>红松>臭冷杉，且以生长在群落交错区中树种年表为优；⑤同一群落类型中的不同树种对同一气候因子的响应有明显差异，不同群落类型中的同一树种对气候因子的反应也明显不同；⑥模型预测表明，气候变暖会使目前红松、鱼鳞云杉和岳桦的分布区上移。

辽西山地乡土树种开发利用的理论基础与技术

辽西山地由于人为破坏严重，自然环境恶劣，建国以来，国家和地方先后投入了大量的人力与物力，开展以人工植被建设为主要目的工程治理。由于诸多方面原因，辽西生态建设多注重理论的探讨和工程的实施，技术开发没引起足够重视。 本文以山地乡土树种开发利用的理论和技术为主要内容，对辽西地区生态建设的理论和方法进行研究，目的是为辽西山地生态恢复与环境治理提供相应的理论基础和技术指导，以期在辽西生态与环境建设中以较少的投资获得较大的生态效益。 本研究有如下工作和结果：(1)分析并明确了辽西山地生态建设主要矛盾，指出辽西山地生态建设应遵循恢复生态学理论；（2）通过对干燥度测算，明确了辽西山地属于半干旱区与半湿润区的交错地带，从而对辽西山地给出了现实的生态区划定位；（3）利用修正的Thornthwaite公式计算了这一地区的最大潜在蒸发量，分析了水分的盈亏状况；（4）研究分析了乡土树种生长与气候因子的关系；（5）在分析现有森林资源的基础上，确认人工植被建设中纯林比重过大、乡土树种比例过小、生态系统十分脆弱；（6）研究了乡土树种资源，结果表明辽西山地乡土树种丰富，可以开发的较多，进而提出了可利用的乡土树种耐旱的形态和生理特征；同时，进一步提出了主要乡土树种研究和开发课题；（7）从生态工程的原理出发，提出并设计了辽西地区利用乡土树种可进行的生态建设工程项目。

内陆荒漠区两种盐生植物种群定居过程的生态学研究

盐生植物是适应于盐渍生境的植物类型，种子萌发和幼苗生长是种群定居的关键阶段，这一阶段植物对盐渍生境的适应决定了盐生植物种的发生在时间和空间上的分布，并通过个体对环境的反应影响着种群的更新和扩大。本文在实验室试验和野外调查基础上，采用种群生态学和个体生态学的原理对分布于中国内陆荒漠区（新疆北部）的两种盐生植物种群——里海盐爪爪（Kalidium capsicum）种群和囊果碱蓬（Suaeda physophora）种群定居过程的生态学特性进行了研究，结果显示： 温度和光照条件对里海盐爪爪种子萌发影响作用明显；其种子在盐分胁迫条件下保持休眠状态，当胁迫解除时，种子恢复萌发，表现出避盐策略；在自然条件下里海盐爪爪的种子活力变化不大，土壤种子库中有丰富的储备；对种群所做的发育阶段结构调查表明，现存里海盐爪爪种群为稳定型，其中多数个体处于繁殖期；当地正常的降水条件很难满足里海盐爪爪种子萌发和幼苗存活的要求，种子萌发条件限制和幼苗补充缺乏是限制其种群增长的主要原因。 囊果碱蓬种子具备低温萌发特性，萌发适应温度范围较宽；在定居过程的不同阶段，囊果碱蓬对盐分胁迫具有不同的忍耐能力，种子萌发阶段其忍耐能力最强，胚根伸长阶段为最弱，随着幼苗生长发育时间的推移，囊果碱蓬对盐分的忍耐能力逐步增强；其种子无休眠特性，常温下种子活力丧失很快，但低温干燥条件能保持种子活力，种子产量调查显示具有一定的种子密度；囊果碱蓬幼苗的保存率、生长状况与土壤水盐条件的变化紧密相关，种子萌发和幼苗根系生长受到土壤水盐条件的影响；现有种群中当年生幼苗占据较大比例，其种群为个体增长型，幼苗早期死亡率高是其种群变化的主要特征。 两种盐生植物虽定居于相似的生境，分布于同一地域，却具有不同的幼苗补充方式：里海盐爪爪为具有非地带性特征的盐生植物，在当地多数一次性降水条件下，里海盐爪爪幼苗难以实现定居，其定居的实现可能依赖于不定期的环境干扰，适当的人为干扰可以促进种子萌发和幼苗补充；囊果碱蓬是具有地带性特征的盐生植物，其发生水源是降水，在自然条件下，能够实现自然更新，进而维持种群的稳定，避免人为破坏，保证幼苗存活，是保持其植被稳定性的重要前提。 论文以种群稳定和扩大的关键阶段――定居为研究目标，并为种群实验生态学的研究方法提出新的途径，具有创新性。它探讨了盐生植物定居过程的关键问题，满足了新疆盐渍化土地资源和盐生植物资源利用的需要，对干旱区植被恢复重建和生态环境改善具有重要的理论和实践意义。

豆磺隆－重金属生态毒理联合效应及分子诊断

豆磺隆在土壤中残效期较长,易对后茬敏感作物以及周围敏感植物物种产生药害，造成农业生态环境污染，危害区域性陆地生态系统完整性。化肥和其它农药的使用，带入了重金属如：铜、镉、铅和锌等，导致豆磺隆和重金属的复合污染的发生。本研究所得参数不仅为豆磺隆－重金属复合污染的生态风险评价提供了一定的理论依据，还为诊断豆磺隆－重金属复合污染提供了快捷有效的生物标记物。 低浓度豆磺隆、Cu、Cd复合时，豆磺隆与重金属对根长抑制率具有拮抗作用；当Cu、Cd浓度较高时，豆磺隆与重金属对小麦幼苗芽长、根长的抑制率具有显著的协同作用（P<0.05）；同时，复合污染的联合毒性更多的倾向于重金属的毒性。 作为可见症状之一，叶绿素下降只在豆磺隆、Cd单一处理时表现出来，复合处理时由于有机物与重金属的相互作用抵消了两者对叶片叶绿素含量的影响。 酶活变化与可溶性蛋白质含量的变化有一定的相关性，但是可溶性蛋白质的变化主要还是由于污染物抑制植物体生长，抑制蛋白质生物合成的性质有关。污染物的化学性质决定其对生物体的毒性机制以及在复合污染时的联合效应；有机物、重金属单一处理之间以及两者与有机物－重金属复合处理之间的毒性机理有明显的不同。但是正如不同重金属之间的毒性机理有一定共性一样，不同重金属和有机物的联合毒性机理也有一定的共性。豆磺隆－重金属对小麦幼苗生化水平上的联合效应随着不同的浓度组合以及不同的植物部位而不同。小麦幼苗根系POD、SOD酶活以及SP含量的下降可以被用来作为指示除草剂以及重金属胁迫的生物指示物。 Cd比豆磺隆单因子以及豆磺隆－Cd复合处理更容易对DNA分子产生伤害。一定浓度组合的豆磺隆－Cd复合处理下，豆磺隆能够减轻Cd对DNA分子的毒性。引物序列的不同对污染物的敏感性也不同。豆磺隆、Cd引起的损伤可能发生在DNA序列上的特定位置。单因子和复合处理对新条带出现有不同的敏感性，这可能是因为豆磺隆和Cd的交互作用降低了引物S1156位点上的DNA变化概率。

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。