长期重金属污染胁迫下农田土壤微生物特征研究

本论文以沈阳张士污灌区土壤为例，首次采用传统微生物生态学与现代微生物分子生态学相结合的研究方法系统地研究了污灌区长期重金属污染胁迫下原位农田土壤微生物特征。结果表明，虽然已经停止污灌十多年，张士灌区土壤耕作层（0～30 cm）仍然存在普遍的Cd污染，灌区土壤Cd含量高达1.75～3.89 mg kg-1。部分区域土壤Cd呈现向下迁移的趋势,且同时伴随有Cu、Zn复合污染。灌区土壤Cd含量较高时清水灌溉能降低土壤表层Cd含量，灌区土壤Cd含量下降到一定程度（约2 mg kg-1）后，清水灌溉对消除土壤表层Cd污染的作用消失。重金属元素中Cd对土壤微生物的影响最突出，在三个不同季节中土壤Cd与土壤微生物生物量（MBC）和微生物商（qM）呈显著负相关，与土壤微生物代谢商（qCO2）呈显著正相关。所检测的微生物指标中qM和qCO2与多种重金属元素呈显著相关性，可作为评价一定程度重金属污染的微生物指标。土壤营养元素（除P外）与微生物特征呈显著正相关性，土壤营养元素对微生物的刺激作用有可能在某种程度上掩盖了重金属对土壤微生物的负面影响。 用16S rDNA-PCR-DGGE方法，研究了不同浓度Cd胁迫下土壤Cd抗性细菌群落结构的动态变化，结果表明在Cd的胁迫下Cd抗性细菌多样性显著增加，不同土壤样品中Cd抗性细菌群落结构向相似的方向偏移，群落结构最终将可能趋向一致。Cd胁迫使敏感菌Pontibacter消失，而伯克氏菌（Burkholderia）、罗尔斯通氏菌（Ralstonia）、芽孢杆菌（Bacillus）和节杆菌（Arthrobacter）则富集成为优势菌。 从张士灌区Cd污染土壤中分离出32株Cd抗性细菌，研究了Cd抗性细菌和Cd抗性基因cadA的分布特征。这32株Cd抗性细菌分别归属于拟杆菌门(Bacteroidetes)（37.5%）、变形菌门(Proteobacteria) （37.5%）、放线菌门(Actinobacteria)（9.4%） 和厚壁菌门(Firmicutes)（15.6%）。在液体LB培养基中对Cd的抗性浓度都大于2 mmol L-1，对Zn抗性浓度介于5～13 mmol L-1。首次从Cetobacillus属的Cd抗性菌株S1基因组DNA中扩增出cadA基因的部分片断。在芽孢杆菌属(Bacillus)的4株菌N7，N9，N10和N11的基因组DNA中扩增出cadA基因的部分片断。序列分析结果表明这5株菌的cadA基因序列相似性为99％～93％，它们与坚强芽孢杆菌（Bacillus firmus） cadA 基因序列(M90750）相似性为94％～92％。系统发育分析结果表明这5株菌的cadA都与Bacillus firmus cadA 基因有着较近的亲缘关系。不同属的Cd抗性细菌间cadA基因的高度相似性揭示了cadA基因能在不同种属间转移的特性。

多环芳烃胁迫下农田土壤微生物特征及高效芘降解菌筛选

本文通过传统和现代微生物生态学方法，从土壤微生物数量、土壤底物诱导呼吸强度和微生物群落多样性角度，评价了长期污灌所致PAHs污染对土壤微生物特征的影响。结果发现沈抚灌区农田PAHs总量在表层为612.3-6362.81μg•kg-1干土，在亚表层为319.5-4318.51μg•kg-1干土。土壤微生物主要类群、功能群数量、微生物生物量碳和代谢商与土壤PAHs污染程度无明显相关性，土壤底物诱导呼吸强度和所试土壤酶与PAHs含量呈显著正相关，微生物商与PAHs含量呈显著负相关，可以作为土壤PAHs污染评价的敏感生化指标之一。污染稻田土壤细菌群落中优势菌群为β-和γ-变形细菌亚纲的成员，中度PAHs土壤的分支杆菌多样性指数较重度和轻度的略高，PAHs污染使一种或几种分支杆菌得到富集。长期污水灌溉造成土壤固氮细菌种群多样性降低，清水灌溉一段时间后，固氮细菌种群结构得到不同程度的恢复，但是，即使清灌不能使其种群结构得到完全恢复。 通过富集得到一株高效降解芘的细菌N12，经鉴定确认为分支杆菌。经10天培养菌株可将100mg•l-1芘降解97.84%。还可降解菲、苊、芴，不能降解萘、蒽和苯并[a]芘。污染土壤修复实验表明，单一接种菌剂对芘的降解率为57.42%，含N12的混合接种菌剂对芘的降解率为61.11%。

MutS蛋白识别DNA错配机制的研究

DNA生物合成过程中DNA聚合酶会错误的掺入一些碱基而导致错配，这些错配的碱基如果不能被及时地更正将会引起机体广泛的突变。DNA错配修复系统正是基于这样一种需要而产生的，它能够切除含有错配的DNA片段并重新合成出一段正确的DNA，因此对于维持基因组的稳定性具有重要的意义。 大肠杆菌DNA错配修复系统包含11种蛋白活性，并可分为起始、切割和修复三个阶段。起始阶段的第一个步骤是错配识别，这一功能是由一种叫作MutS的蛋白来完成的，它能够特异性的识别并且结合到错配上，然后引发下游一系列的修复反应。为了更深入的理解MutS蛋白识别镶嵌在随机DNA序列中的错配的机制，我们纯化了MutS及其突变体蛋白，构建了一个2279 bp的在1/4位置带有G/T错配的DNA片段和一个具有同样长度与序列的完全配对的DNA片段，然后在原子力显微镜下观察MutS及突变体蛋白与这两种DNA底物的作用方式。结果表明MutS蛋白不但能与错配的DNA结合也能与完全配对的DNA结合，而且MutS蛋白能够诱导这两种DNA底物形成一种形似a字母的环状结构，在这种结构中MutS蛋白位于两条DNA臂的交叉处。我们发现这些环状结构是在MutS蛋白寻找错配的过程中形成的，因为随着时间推移越来越多的错配位点会被MutS蛋白占据。这些结果表明MutS蛋白非特异性的结合到DNA上，然后诱导DNA形成a环状结构，并且凭借a环结构的形成对DNA的两条臂同时进行扫描以便寻找出错配的碱基对。根据以上结果我们推测a环模式是MutS蛋白寻找错配的一种机制。这些研究也为用单分子的手段研究蛋白与DNA的相互作用提供了一种可行的方法。

华东地区木材腐朽菌多样性与资源研究

木材腐朽菌是生物多样性的重要组成部分，在森林生态系统中起着关键的降解还原作用；同时，木材腐朽菌还是重要的生物资源，与人类的生产与生活密切相关，具有重要的经济价值。因此，木腐菌一直是真菌研究的重点领域之一，然而过去对华东地区木腐菌的研究还非常薄弱，对华东地区木腐菌的种类和资源还缺乏清晰的认识。本文对华东地区不同森林生态类型中的木腐菌进行了广泛的调查采样，通过形态学、分子系统学和单孢融合交配实验，对华东地区的木腐菌多样性与资源进行了系统的研究，同时对具有重要经济意义和潜在应用价值的种类进行了菌种的分离保藏，并初步分析了华东地区木腐菌的区系特点。通过本论文的研究，提高了对华东地区木腐菌资源与多样性的认识，丰富了我国木材腐朽菌的种类，为控制林木病原菌、开发利用有益真菌资源提供了基本信息和科学依据。本论文的主要研究结论如下： 1．华东地区的木腐菌有3目13科92属270种，其中真菌新种6个，分别是：铁杉集毛孔菌Coltricia tsugicola Y.C. Dai & B.K. Cui，香榧嗜蓝孢孔菌Fomitiporia torreyae Y.C. Dai & B.K. Cui，拟囊状体大孔菌Megasporoporia cystidiolophora B.K. Cui & Y.C. Dai，菌索多年卧孔菌Perenniporia rhizomorpha B.K. Cui, Y.C. Dai & Decock，微小硬孔菌Rigidoporus minutus B.K. Cui & Y.C. Dai，浅黄芮氏孔菌Wrightoporia luteola B.K. Cui & Y.C. Dai；中国新记录种9个，分别是：紫多孢孔菌Abundisporus violaceus (Wakef.) Ryvarden，卡玛蜡孔菌Ceriporia camaresiana (Bourdot & Galzin) Bondartsev & Singer，撕裂蜡孔菌Ceriporia lacerata N. Maek., Suhara & R. Kondo，塔斯马尼亚集毛孔菌Coltriciella tasmanica (Cleland & Rodway) D.A. Reid，瑞克纤孔菌Inonotus rickii (Pat.) D.A. Reid，骨质多年卧孔菌Perenniporia minutissima (Yasuda) T. Hatt. & Ryvarden，灰硬孔菌Rigidoporus cinereus Núñez & Ryvarden，凹形栓孔菌Trametes ectypus (Berk. & M.A. Curtis) Gilb. & Ryvarden，变形干酪菌Tyromyces transformatus Núñez & Ryvarden。 2．利用分子系统学方法，确定了一些通过形态学研究难以鉴定或容易混淆的种类的分类地位，并对嗜蓝孢孔菌属、彩孔菌属和多年卧孔菌属进行了系统发育分析，发现木腐菌新种3个：Fomitiporia sp.、Hapalopilus sp. 和Perenniporia sp.。 3．华东地区的异担子菌为岛生异担子菌，并且存在两个生物种：T生物种和Y生物种。T生物种为腐生菌，Y生物种为兼性腐生菌，华东地区不存在多年异担子菌这一严重的森林病原菌。 4．华东地区的木腐菌种类丰富，组成复杂多样。优势科为多孔菌科，其次为锈革孔菌科，这两科的种类构成了华东地区木腐菌类区系的主体；优势属主要有多年卧孔菌属、多孔菌属、针层孔菌属和泊氏孔菌属。 4．华东地区木腐菌科的地理成分分为3类：热带亚热带成分，北温带成分和世界广布成分，以世界广布成分为主。属的地理成分分为5类：世界广布属，北温带分布属，热带–亚热带分布属，东亚–北美分布属，大洋洲–北温带分布属，以世界广布属和北温带分布属为主。种的地理成分分为8类：世界广布种，北温带分布成分，泛热带分布成分，亚–欧共有成分，东亚–北美共有成分，东亚–澳大利亚共有成分，东亚成分，中国特有种，以北温带分布种和世界广布种为主。 5．华东地区木腐菌的各主要区系成分均有分布，以世界广布成分和北温带成分为主，表现出明显的北温带性质，可能起源于北半球，华东地区木腐菌类的区系地理成分与其所处的地理位置、气候特点与植物区系的组成密切相关。此外，华东地区的中国特有种类也较为丰富，说明了华东地区木腐菌类的区系具有一定的独特性，也在一定程度上反映了华东地区生态环境条件的特殊性，而木腐菌的生长与环境条件和寄主树木种类有很大的关系。 6．华东地区的木腐菌资源非常丰富，林木病原菌有36种，其中新发现的病原菌有3种；野生的食用木腐菌有11种，野生的药用木腐菌64种，工业用木腐菌有28种。对其中的一种重要经济真菌——黄白多年卧孔菌进行了分离培养，找出了最佳生长条件：最适生长温度为25℃左右，相对最适pH值为5.5，相对最好的碳源为可溶性淀粉和葡萄糖，相对最好的氮源为酵母汁。

小兴安岭主要树种及林型对气候变化的潜在响应研究

本文采用了国际上可信度高、应用广泛的林窗模型LINKAGES，结合多个气候模式的预测结果，对小兴安岭地区的17个主要树种和4个主要林型对气候变化的潜在响应进行了系统研究。验证结果表明，LINKAGES模型能够较好地跟踪并再现小兴安岭现有林分及各主要林型的演替动态，适用于树种和林型对气候变化响应的预测研究。主要结论如下： 1）以树种为研究对象的模拟结果表明，不同树种均具有各自不同的生存温度临界值，因此对气候变化的敏感性也不同。当温度缓慢上升时，云冷杉、枫桦将面临退化危险，但红松及其他阔叶树种的生长优势均更加明显；当温度快速上升时，大部分树种均显示出不同程度的衰退趋势，仅蒙古栎等耐高温、干旱的阳性树种能够较好地适应未来的高温环境。 2）以整个林分为研究对象的模拟结果表明，在小幅增温情景下，林分中的云冷杉、枫桦趋于退化，而红松及其他伴生阔叶树种的比重则逐渐增加，森林总生物量呈上升趋势；在中幅增温情景下，现存的云冷杉红松阔叶混交林有可能逐渐演化为阔叶混交林，物种多样性明显减少；在大幅增温情景下，小兴安岭现有林分呈显著的退化趋势。 3）林分年龄影响森林的演替方向。不同年龄林分对气候变化的响应程度存在差异。当未来气候条件适于红松生长时，过熟林的恢复能力最强，而中幼林的适应能力最强；当未来气候条件不适于红松生长时，过熟林的恢复能力下降，而中幼林依然具有较强的适应能力。 4）季节增温方式是影响森林演替方向的另一重要因素。当冬季增温幅度大于夏季时，小兴安岭现存林分的演替受气候变暖的影响相对最小，树种组成仍然能够保持较为稳定的针阔混交状态；反之，当冬季增温幅度小于夏季时，现存林分的演替受气候变暖的影响最显著，树种衰退最迅速。小兴安岭针阔混交林的演替与未来的增温方式关系密切，上限温度是现存树种能否继续存活的重要决定因子。 5）以林型为研究对象的模拟结果表明，如果未来气候维持当前的状况不变，云冷杉红松林、枫桦红松林、椴树红松林和蒙古栎红松林四种主要林型的森林组分均将继续维持目前的优势地位，并一直保持较为稳定的动态平衡。 在变暖气候情景下，各林型中的云杉、臭冷杉和枫桦将退出森林演替；目前的云冷杉红松林、枫桦红松林和椴树红松林均将逐渐向椴树、色木槭阔叶红松林演变；蒙古栎红松林林型内部的树种组成基本不变，但蒙古栎所占比例将大幅上升。 6）气候变化幅度决定各林型未来的生物量水平。椴树红松林和蒙古栎红松林100年后的红松生物量和林分总生物量均在小幅增温情景（OSU和GISS模式）下达到最大，云冷杉红松林则在中幅增温情景（CGCM2和HadCM3模式）下达到峰值，而枫桦红松林在现行气候条件下已经为最理想状态，气温的小幅变化也会对其造成影响。在大幅增温情景（UKMO和GFDL模式）下，各林型均难以适应近8℃的增温而全部呈退化趋势。 此外，土壤水分越充足，各林型对高温的耐受范围就相对越大。故从林型角度进行预测分析时，除温度外还应进一步考虑土壤水分与林内的湿度状况。

银杏、油松对CO2和O3浓度升高的生理响应

随着工业化和城市化的迅速发展，高浓度CO2和高浓度O3对植物影响的研究受到了广泛的重视，但二者交互作用对城市树木的生理及碳氧平衡的影响尚不清楚。银杏（Ginkgo biloba）、油松（Pinus tabulaeformis）是沈阳市城市森林的两种重要树种，对大气环境变化的响应具有代表性。本文采用开顶箱法研究了在高浓度CO2（700 μmol•mol-1）、O3（80 nmol•mol-1）及其复合作用条件下城市银杏、油松生长、光合、蒸腾以及呼吸作用的日动态、季节动态变化，揭示了银杏、油松光合对高浓度CO2、O3的适应机制及其本身环境效应的变化规律，为研究城市森林对全球变化的响应与反馈提供了重要基础。 得出的主要结果如下： 1. 短期（0-30 d）高浓度CO2处理提高了银杏、油松叶片/针叶细胞间CO2浓度、羧化效率和表观量子效率，从而提高了银杏、油松的净光合速率。 2. 一个生长季(100 d)高浓度CO2处理促进了银杏、油松叶片/针叶的生长，提高了细胞渗透调节物质含量，增强了银杏、油松抵御逆境胁迫的潜能。银杏、油松日变化曲线趋向单峰曲线，缓解了中午的光抑制现象；固碳释氧量提高了近1倍，有助于减缓全球变化的速度。 银杏、油松的气孔导度和羧化效率的降低是发生光合适应的重要原因。 3. 高浓度O3处理可导致两树种的生理伤害，银杏叶片表现为褐斑型伤害，油松则为水锈型，叶片生长受到抑制。同时两树种可溶性蛋白、可溶性糖含量降低，电导率升高。 两树种叶绿素含量降低，净光合速率下降。银杏光合速率的降低前期表现为气孔限制，后期转为非气孔限制为主。油松光合速率下降则是两种限制因素共同作用的结果,难分主次，表明油松的气孔调节能力弱于银杏，更易受到O3的伤害。造成实验处理后期银杏、油松光合速率下降的非气孔因素是表观量子效率和羧化效率的降低。 高浓度O3处理使银杏、油松的光抑制现象加强，固碳释氧、降温增湿能力降低，且油松降低幅度大于银杏。 4. 高浓度CO2和O3复合处理提高了银杏油松的叶绿素含量，减轻了高浓度O3对叶片/针叶的伤害，促进了叶的生长。 与对照相比，复合处理提高了银杏、油松的净光合速率，降低了气孔导度和蒸腾速率，从而使水分利用效率和含水量得到提高。表观量子效率和羧化效率的提高是光合速率大幅度上升的重要因素；呼吸速率的提高则是后期光合速率增幅减小的重要原因。复合处理前期CO2主要是通过气孔调节来缓解O3对树木的伤害，高浓度CO2处理对光合作用的促进作用大于高浓度O3处理的抑制作用。 高浓度CO2和O3复合处理的银杏、油松的光呼吸速率、可溶性蛋白、可溶性糖的含量增加，电导率降低，提高了银杏、油松的抗逆性，这是高浓度CO2缓解O3胁迫对树木伤害的一个原因。复合处理同样缓解了银杏、油松光抑制现象，提高了固碳释氧量，但银杏降温增湿能力降低。

沈阳市城市扩展分析与模拟研究

城市扩展及其导致的土地利用/土地覆被变化作为全球环境变化的重要驱动因素，日益引起社会各界的普遍关注。新中国成立以来，沈阳市经历了快速的城市化过程，特别是进入21世纪以来，伴随着人口增长和经济发展，中心城区持续向外扩张，导致基本农田大量流失，区域景观和生态环境质量日益下降，给沈阳市的城市增长管理和可持续发展带来严峻挑战。 利用遥感(RS)、地理信息系统(GIS)和空间Logistic回归模型对1988-2004年间沈阳市的城市扩展与土地利用变化特征及其驱动力进行深入分析，并在此基础上利用基于细胞自动机(CA)的城市扩展模型－SLEUTH对历史时期(1988-2004年)的城市扩展格局进行模拟与重建，对未来(2005-2030年)不同发展条件下的城市扩展进行模拟与环境影响评估，以期为城市增长管理与区域可持续发展提供决策支持。本论文取得如下研究成果： (1) 1988-2004年间，沈阳市辖区城市面积持续增加，城市扩展强度逐渐增强；2000-2004年城市扩展规模和强度都达到最大；沈阳市城市化进程正在显著加速。城市扩展具有明显的空间分异特征：整个研究时段内，市区西南方向是城市扩展的主方向，中心城区周边(8~10km)及各级经济开发区是扩展的热点区域。 (2) 1988-2004年间，沈阳市辖区土地利用变化最主要的特征是耕地向城乡建设用地的大面积转换。持续的城市扩展导致区域景观日益破碎化和复杂化。城市和其它建设用地的景观影响日益增强，耕地的优势地位减弱，且破碎化程度增加，斑块形状日趋复杂。城市化空间梯度上的土地利用格局变化分析表明，随着城市化水平的提高，景观组成和空间配置发生了明显变化。处在城市化前沿区域的城郊地区，景观格局表现出景观多样性增加、破碎化程度加深和形状日趋复杂等特点。 (3) 1988-2004年间，沈阳市辖区城市扩展主要受到社会经济发展的推动作用和政策因素的激励与导向作用。空间Logistic回归分析显示，开发区建设与行政建制变化、道路与城镇分布、浑河和城市规划是城市空间扩展的主要影响因素。 (4) ROC曲线统计、Kappa统计与多分辨率误差估算以及景观指数从城市扩展总体预测能力、增长数量、空间位置和空间格局上给予SLEUTH模型一个全面、客观的评估。总体上来说，SLEUTH模型具有可信精度，较好地表达了沈阳市1988-2004年间城市扩展的总体趋势，对城市扩展面积的拟合精度很高。但是，与其它城市扩展模型相似，在像元尺度上对城市扩展空间位置的预测和对城市空间格局的表达还有待于提高；随着分辨率的降低，模型对城市发展中空间邻域关系的表达效果趋于提高。SLEUTH模型对城市扩展的总体模拟精度要高于空间Logistic回归模型，但是对城市扩展位置的模拟准确性低于后者。 (5) 通过分析发现，影响SLEUTH模拟准确性的主要因素包括模型结构、地方城市发展特征、模型应用的时空尺度和模型输入数据的获取与误差传递等。通过修改模型组分设置、开展模型敏感性与不确定性分析以及实行城市扩展一体化模拟可以提高SLEUTH模型的模拟效力，而具体实现方法需要深入研究。基于模型评估结果和效力提高的对策，对城市扩展演变的时空格局进行了较为准确的重建，为其相关研究提供了可靠的历史数据资料。 (6) 遵循沈阳市目前和未来的区域开发政策、最新修编的城市总体规划，以及社会对区域生态环境保护的要求，设计了五个城市发展预案，即目前趋势发展预案(CT)、区域开发政策与城市规划预案(PP)、生态可持续发展预案(ES)、紧凑式发展格局预案(CD)和特定增量发展预案(GA)。对不同预案条件下未来(2004-2030年)城市扩展面积和空间格局、城市扩展热点区域、城市景观格局变化及其景观生态效应，以及对其它类型土地资源的消耗四个方面进行了分析和比较，为沈阳市城市规划、生态建设以及可持续增长管理提供了许多有价值的决策信息。

耕作方式对农田土壤生物学特性的影响

采用田间试验方法，通过研究潮棕壤地区不同耕作方式对农田土壤酶活性、微生物量、土壤基础呼吸和土壤食微线虫数量的影响，以及这些生物指标在不同取样时期和耕层深度的时空分布规律，为潮棕壤农田土壤质量评价提供科学依据。 试验结果表明：常规耕作、免耕和休耕地土壤酶活性、微生物量、土壤基础呼吸和食微线虫数量均具有明显的季节变化。免耕土壤表层（0-5 cm）蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶和脱氢酶活性在不同取样时期显著高于常规耕作玉米地，休耕地土壤脲酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性在成熟期显著高于常规耕作玉米地。在0-5 cm土层，免耕和休耕地土壤微生物量碳和氮在多数取样时期高于常规耕作玉米地，而微生物商在所有取样时期都高于常规耕作玉米地；常规耕作土壤呼吸在所有取样时期都高于免耕玉米地，并在成熟期显著高于免耕和休耕地。免耕和休耕地土壤食细菌线虫和食真菌线虫数量在成熟期各耕层深度都高于常规耕作玉米地；在所有取样时期，免耕和休耕地表层（0-5 cm）线虫生态学指数NCR都高于常规耕作玉米地，说明免耕和休耕地土壤以细菌为主的分解途径较常规耕作更占优势。 相关分析表明，土壤酶活性与土壤有机碳、全氮、速效磷、碱解氮、pH和EC显著相关；土壤微生物量碳和氮与土壤蔗糖酶、脲酶、酸性磷酸酶和脱氢酶活性显著正相关；食细菌线虫数量与土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶活性和微生物量氮显著正相关。 本研究结果表明，免耕和休耕地土壤表层生物活性高于常规耕作农田，土壤蔗糖酶、酸性磷酸酶、芳基硫酸酯酶和脱氢酶、微生物量以及食微线虫数量对土壤环境的扰动非常敏感，可以作为评价潮棕壤土壤环境质量变化的生物指标。

土壤低浓度PAHs胁迫下赤子爱胜蚓差异表达基因初步筛选

为探索土壤低浓度多环芳烃污染的生态毒性及其对土壤生物的致毒机理，本论文初步研究了菲、芘、荧蒽和苯并[a]芘等四种多环芳烃人工土壤污染在0.1mg.kg-1~10.0mg.kg-1浓度水平对赤子爱胜蚓（Eisenia fetida）产卵量、体重变化、排卵激素annetocin基因和翻译控制肿瘤蛋白（translationally controlled tumor protein, TCTP）转录水平的影响，发现在相同的低浓度水平下，只有苯并[a]芘对蚯蚓annetocin前体基因和TCTP基因的表达有显著影响，故其对生物体的生殖风险和致癌风险可能最大。另一方面，低浓度苯并[a]芘对蚯蚓体重和产茧量并无显著影响，这表明基因表达水平作为污染生态监测指标比宏观观测指标更灵敏。 为进一步研究土壤PAHs污染的生态毒性效应，在上述研究基础上，我们采用SSH-PCR的方法构建了人工土壤1.0mg.kg-1苯并[a]芘胁迫下的蚯蚓与对照组蚯蚓之间的消减cDNA文库，随机挑取上调文库301个克隆及下调文库283个克隆进行测序，与NCBI蛋白数据库比对结果表明，其中有391个克隆与已知的75种蛋白质基因显著匹配（期望值< 10-5），其余克隆匹配不显著（期望值> 10-5）或找不到匹配蛋白。显著匹配的基因序列包括：一相解毒酶细胞色素P450，二相解毒酶谷胱甘肽硫转移酶，蛋白质合成所需的核糖体蛋白亚基，参与新合成肽链折叠的热休克蛋白，线粒体基因组编码的呼吸链复合酶体亚基，过氧化物还原蛋白，铁蛋白，钙结合蛋白，半胱氨酸蛋白酶等。表明低浓度苯并[a]芘胁迫引起蚯蚓的生理变化是非常复杂的，涉及污染物降解与解毒、抗氧化保护、能量代谢、蛋白质合成、金属离子调节与蛋白质降解等过程。 Real-time PCR检测验证消减文库中部分差异基因对不同剂量BaP胁迫响应结果表明，各检验基因序列受1.0 mg∙kg-1 BaP 胁迫影响均与消减结果一致，且影响程度均高于0.1 mg∙kg-1浓度水平的BaP；其中，在0.1 mg∙kg-1 BaP胁迫下，过氧化物还原酶PRDX和类似Cyp2R1的P450基因表达未见明显变化。其余的HSP70、HSP90、rpL10、COXⅡ、SCBP、Ferritin等基因在0.1 mg∙kg-1 BaP胁迫组蚯蚓中均有检测到预期表达变化，说明虽然从消减文库中获得的基因在一定的污染物浓度范围内均表现浓度效应，但各个基因对污染物的响应浓度不尽相同。 Real-time PCR检测消减文库中部分差异基因对不同PAHs胁迫响应结果表明，1.0 mg∙kg-1 浓度水平的荧蒽、菲、芘和苯并[a]芘对差异表达基因的影响不尽相同，主要有以下三种情况：(1)广谱响应型：蚯蚓线粒体编码的亚基COXⅡ、可溶性钙结合蛋白、铁蛋白等基因对荧蒽、菲、芘及苯并[a]芘的胁迫均有相似的响应；(2)随芳烃环数而变化型：热休克蛋白HSP70和过氧化物还原酶PRDX表现出响应程度随胁迫多环芳烃的环数增加而提高的现象；(3)仅在苯并[a]芘中有响应型：核糖体蛋白亚基L10和细胞色素P450（类似Cyp2R1）基因，在1.0 mg∙kg-1浓度条件下，它们仅受BaP诱导表达，而芘、菲和荧蒽却没有显示诱导作用。 上述结果表明，在土壤中的低浓度的多环芳烃污染胁迫对蚯蚓的影响是多方面的，这些影响至少涉及能量代谢、污染物降解与解毒、蛋白质合成与修复、信号转导、细胞凋亡、排卵生殖、个体发育等多方面的生理功能。目前蚯蚓基因组还未有完整测序，本文论述的多个差异表达基因是首次在蚯蚓中发现的，这些新发现的基因序列在为低浓度PAHs的生态毒性机理研究提供依据的同时，也为以蚯蚓为模式生物的土壤污染生物监测提供了备选的生物分子标记。另一方面，由于蚯蚓基因组未完整测序，本研究构建的消减文库中仍不少未知功能基因，其功能与调控有待进一步研究。

老秃顶子自然保护区北坡森林土壤动物多样性研究

土壤动物区系是分解者食物网的重要组成部分，在分解作用、养分循环和土壤肥力保持中起重要的作用。论文以辽宁老秃顶子北坡森林生态系统为研究对象，综合运用野外调查、室内分析和多元统计方法，对土壤动物组成和多样性随海拔梯度变化（海拔>700m）、典型天然次生林土壤动物组成与多样性（海拔<700m）、典型人工林土壤动物群落组成和多样性等问题进行定量分析研究，旨在揭示土壤动物生态分布规律，为生态系统生物多样性保护和恢复提供数据支持。 研究结果表明：（1）采集的主要土壤动物隶属于7门、11纲、18个目，其中蜱螨4亚目、41科，中气门亚目26个属；土壤动物类群数量与密度的对数值呈极显著线性正相关关系。（2）无论是天然林，还是人工林，不同林型间大型土壤动物密度和组成有显著差异，除天然赤松林外，其他样地蜱螨密度、多样性指数差异多不显著；（3）各海拔群落间土壤动物密度随海拔梯度的升高呈现先下降后升高、之后又下降的趋势；（4）不同海拔高度，相邻群落螨类共有度高，低海拔相邻群落共有度大于高海拔相邻群落螨类共有度（5）天然林大型土壤动物优势类群多为腹足纲、后孔寡毛目（蚯蚓）和膜翅目；人工林大型土壤动物优势类群为膜翅目；无论天然林群落还是人工林群落，奥甲螨科均为螨类优势类群。（6）土壤动物群落沿海拔的垂直分布可划分为：海拔<1100m的低海拔土壤类群带和海拔>1100m的高海拔土壤动物类群；（7）典型天然次生林（海拔<700m）土壤动物群落可划分为阔叶林土壤动物群落、天然油松林土壤动物群落、天然赤松林土壤动物群落。（8）植被类型、乔木多样性和坡向是影响土壤动物组成和分布的重要因素。

沙地樟子松水分生理生态特征及其适应性——以科尔沁沙地东南缘为例

沙地樟子松天然分布于大兴安岭以西的呼伦贝尔草原红花尔基一带，分布范围虽然相对狭窄，但其具有重要的防风、固沙等生态功能，而且，该区沙地樟子松林的分布范围正呈现不断扩大的趋势。然而，在引种区（科尔沁沙地东南缘），20世纪70~80年代曾经引起国际关注的沙地樟子松人工林，自从90年代初以来，逐渐出现了以枯梢、生长下降，甚至死亡等为特征的衰退现象。与此同时，沙地樟子松人工造林仍在北方干旱、半干旱沙区大面积推广。面对如此具有重要防风固沙作用并在大范围推广的沙地樟子松人工林，解释其为何衰退，其机理如何，回答现存沙地樟子松人工林发展方向及培育等理论和实践问题，成为目前面临的巨大挑战。 本论文在对沙地樟子松天然分布区与引种区野外调查、气候差异性对比分析的基础上，结合对引种区沙地樟子松幼苗、幼树及中龄林的水分生理生态过程实验，研究了沙地樟子松在引种区自然条件和干旱胁迫下的光合生理和水分生理生态特征；重点分析了水势、气孔导度等生理因素和土壤含水量、光合有效辐射、气温、空气相对湿度等生态因素对净光合速率、蒸腾速率的影响。结果表明： 1）较低、较长的低温和降雪覆盖有利于沙地樟子松更好的生长；运用De Martonne干燥度指数对气候类型进行划分，沙地樟子松引种区（科尔沁沙地东南缘）生态系统应为草地或疏林草地生态系统。 2）引种区近50 a来年平均温度存在着明显的线性上升，平均每10 a增温0.185 ℃；该区年平均降水量没有显著的变化趋势，但是，在过去的50 a里，该区平均每15 a 左右出现1次大旱。 3）在引种区多年年平均降水量条件下，沙地樟子松幼苗80%以上的时间处于受胁迫的状态，17%的时间处于不受水分胁迫的状态，而仅有1%左右的时间处于不能利用土壤水分的状态；在不同密度、不同年龄的沙地樟子松人工林中，土壤可溶性盐总量都很低，对沙地樟子松林木生长不会造成盐分胁迫；由于地下水位的急速下降，目前，引种区大部分地方地下水不能被沙地樟子松所利用。 4）随着模拟年降水量的减少，沙地樟子松幼苗的生长明显受到抑制，针叶水势、蒸腾速率、光合速率均有下降，各部分生物量积累明显降低；当模拟年降水量低于350 mm时就已经对沙地樟子松的生长产生了较大的限制。 5）在科尔沁沙地东南缘，影响沙地樟子松生理生态特征的主要因素为水分条件，特别是在树高生长旺季以及生长末期，而在生长中期，主要是光照和水分共同影响沙地樟子松的生长；在沙地樟子松天然分布区（红花尔基），影响沙地樟子松生长季节中期生理生态特征的主要因素也是水分和光照条件，这与在科尔沁沙地东南缘樟子松生长中期观测到的结论一致。然而，与天然沙地樟子松相比，引种区沙地樟子松每天干物质的积累增加为天然分布区的3~13倍，每天蒸腾耗水量为天然分布区的7~19倍。 综合以上对引种区的生态气候、水分条件以及沙地樟子松本身生理生态特征的分析结果得出，引种区与天然分布区水、热差异导致引种区沙地樟子松在年内的生长期延长（与天然沙地樟子松相比），以及在生长季节每天蒸腾耗水量的剧增及耗水时间的延长；同时，在引种区由于年内降水分布极不均衡，冬季降雪覆盖少，导致4、5、9三个月份的水分极度亏缺，该季节引种区水分亏缺严重限制了沙地樟子松的生长。大面积营造纯林、地下水位急剧下降（目前，引种区大部分林地的沙地樟子松已不能利用地下水）以及引种区每15 a左右一次的特殊干旱是导致沙地樟子松死亡的最直接原因。从个体水平上来说，近50 a的引种驯化，沙地樟子松并没有完全表现出适应引种区生长环境的迹象。最后，基于以上对沙地樟子松人工林衰退分析的基础上，提出了对现存沙地樟子松人工林总体经营的方向及具体经营对策。

半干旱风沙区植物功能特性与植物功能型研究

半干旱风沙区是我国北方土地沙漠化严重的生态脆弱地区，建设和保护本区植被是生态建设和环境保护的当务之急。为了深入了解半干旱风沙区的植被的组成和演替动态，为当地的植被管理提供建议，本文以科尔沁沙地乌兰敖都地区为例，比较系统地探讨了本区植被的数量特征、筛选出90种具有代表性的植物种类，研究了各物种的62种功能特性、并对代表种进行植物功能型划分，从植物功能特性和功能型的角度分析了半干旱风沙区植被的分布动态和管理。 研究结果表明：（1）90种代表植物的38种营养阶段特性和24种繁殖阶段特性之间呈现显著相关（P＜0.05）的特性对的比例要低于营养阶段和繁殖阶段内部，与营养特性显著相关（P＜0.05）的特性对占总显著相关特性对的83.9%，营养特性是植物生长过程中非常重要的特性；（2）应用62种功能特性将90种代表植物划分为6类植物功能型，植物体内氮和钾含量、营养扩散、种子萌发率、叶面积和叶体积等是本区植物重要的功能特性，6类植物功能型分别以豆科植物、菊科植物、多年生C3草本植物、单子叶草本植物、叶片较小的植物和叶片较大植物为主的类群；（3）生长在各种沙丘上的群落类型的功能多样性低于生长在草甸草原和丘间低地植物群落中的功能多样性；（4）土壤有机质、全氮、全磷、地下水位和速效钾是影响植物种类、群落、植物功能特性和功能型分布的重要因素。

岷江上游景观边界网络格局研究及生态效应分析

景观边界是特定时空尺度下相对均质的景观之间所存在的异质性过渡带，作为景观的一个四维组分，边界动态直接反映景观变化，与基于斑块的研究相比，明确景观边界的生态意义是理解景观过程的一个新的切入点。边界效应是景观边界最显著特征之一，也是当前生态学领域的研究热点，但大部分研究集中在生态系统及其以下尺度，对大尺度上的研究涉及内容尚少。 本文以岷江上游地区为例，利用TM影像数据、林相图、土地利用图和野外实测数据，应用RS、GIS、SPSS、Fragstats等软件的数据处理、分析、运算功能，研究了景观边界网络格局的变化，并分析了与之相关的生态过程；研究了类型水平上森林景观的边界效应以及景观尺度上林农复合景观的边界网络效应。旨在揭示岷江上游景观格局的变化趋势及其驱动因子，以及林农复合景观格局的生态效应，从而为研究区土地利用提供科学参考。研究结果如下： （一）在岷江上游地区的13种景观边界类型中，建筑用地边界和农田边界是人工边界，同时也都是清晰边界；但林地、灌木林地、草地等自然景观之间的边界并不都是模糊边界。冰雪边界是典型的随季节变化的变动型边界，其它边界在年内的变化则相对稳定。 （二）在1974-2000年期间，由于人为干扰强度的加剧，岷江上游景观边界网络结构变得更加复杂，在早期以边界长度增加为主，网络连接度变大，在后期以边界数量和结点数量增加为主，网络连接度变小；森林景观与低坡位景观类型间的边界减少，森林下线上移；农田与林地的边界在早期增加，1986年后减少，而与灌木林地的边界持续增加；基于边界特征的格局分析表明，森林景观结构变得简单化，而农田、灌木林地、草地等景观类型的结构变得更加复杂。 在景观水平上，基于边界和结点特征的格局指数与对应的基于斑块特征的格局指数具有基本一致的变化趋势，但基于边界和结点特征的指数对格局的变化更灵敏，在类型水平上，基于结点的格局指数比基于边界的格局指数具有更大的灵敏性，而且前者能够反映出后者反映不出的格局信息。 （三）研究区的农田边界共有5种类型，分别是农田与林地、灌木林地、草地、水体、建筑用地之间的边界，总长6583.4km；其中林农边界长2473.7km，占37.6%，是除灌农边界（占农田边界总长度的44.9%）之外比例最大的农田边界类型，广泛分布在岷江干流及其支流的河谷中，海拔多在1000-3500m之间。 （1）多元线性回归分析结果表明，农田生物量的边界效应深度与海拔和坡度显著相关，与其它因子相关性不大；林地生物量的边界效应深度与海拔和坡向相关性较大，与其它因子相关性不大；林农边界对农田生物量产生正面效应，对林地生物量产生负面效应，且对农田的影响面积大于对林地的影响面积；根据回归方程计算边界效应的影响面积，2000年有14532hm2林地生物量受到林农边界网络的影响，占研究区林地面积的1.2%，有16659 hm2农田生物量受到林农边界网络的影响，占研究区农田面积的22.6%，由于边界位置、长度的变化，不同年间林农边界网络的生态效应也存在差异。 除了生物量，本文还研究了林农边界网络对林地和农田土壤水分和生物多样性的影响： （2）林农边界减少林地和农田边缘的土壤水分，岷江上游有2103 hm2农田和371 hm2林地其土壤水分受到林农边界效应的影响，分别占研究区农田面积的2.3%和林地面积的0.03%。生物多样性受林农边界网络影响的农田面积为4855 hm2，占研究区农田面积的5.37%；生物多样性受林农边界网络影响的林地面积为3401 hm2，占研究区林地面积的0.29%。 上述研究从景观边界网络的角度揭示了岷江上游近三十年的景观变化特征，在印证斑块类型所反映的景观变化特征的同时，还反映出传统格局研究方法反映不出的格局信息，为景观生态学中格局与过程研究提供了新思路，也丰富了边界效应的理论和案例研究，有关结论还可为高山峡谷区土地利用格局优化和实施退耕还林还草工程提供参考依据。

岷江上游地区景观格局与生态承载力变化及预测研究

岷江上游是我国十分典型的山地生态脆弱区。该地区的生态环境意义十分重大，既是长江上游生态屏障的重要组成部分，更是成都平原的重要生态屏障和水源生命线，其生态环境状况直接影响成都平原水资源的质量和数量，以至影响到整个岷江流域甚至整个长江上游的生态环境与社会经济发展。本论文通过3S技术手段，应用转移矩阵、景观指数和Kappa指数系列方法对岷江上游的景观变化从1974到2000年进行了综合分析，同时应用CLUE-S模型在有无“天然林保护工程”两个预案下对该区域2001到2020年的景观变化进行了预测。然后，应用基于能值理论进行改进的生态足迹方法和传统生态足迹方法对岷江上游地区的1982到2000的生态承载力进行了分析，以反映研究区的生态环境质量和可持续发展情况；应用多元统计方法和CLUE-S模型预测的结果预测了研究区2001到2020年的生态足迹和生态承载力。对岷江上游地区的景观格局和生态承载力的变化进行分析和预测得到如下主要结论： 1. 岷江上游地区景观在1974到2000年间格局变化并不十分显著，景观由少数几种景观类型所控制，各景观类型有不断趋于平均化的趋势，但速度缓慢，景观的破碎化程度越来越严重。研究区的景观变化以有林地的不断减少和其它景观类型的相应增加为特点，主要的景观变化发生在有林地、灌木林地、草地、耕地和经济林地之间。此时间段内的景观林地的面积不断减少，大部分转化为灌木林地和草地，使得其面积相应增加。耕地和经济林地面积不断增长，增长速度最为迅速。 2. 在有无“天然林保护工程”两种预案下，有林地向着不同的方向发展，有林地变化情况的不同导致其它景观类型的变化不同。在“无天保”预案下，林地面积不断减少，灌木林地、草地和耕地面积不断增长，景观的破碎化程度不断加剧，斑块形状更加不规划，景观的连通性不断下降。在“天保”预案下，林地面积有增长趋势，灌木林地和草地面积有所下降，耕地面积有下降趋势，景观的破碎化程度有减小的趋势，景观形状变得更加规则，景观的连通性也将得到改善。由此，“天然林保护工程”对景观格局未来变化有着决定性的作用。 3. 岷江上游地区的生态足迹从1982到2000年间呈缓慢的上升趋势，表明研究区内居民的生活水平不断提高，但速度缓慢。虽然研究区在研究时期内的生态承载力大于需求，但生态承载力呈明显的下降趋势，造成这种情况的主要原因是由于资源的不合理利用方式造成的，特别是对森林的过度采伐。连续的木材采伐给岷江上游地区脆弱的生态系统带来严重后果，导致了林地面积减小、森林质量下降、水土流失加剧和泥石流频繁发生。 4. 对于生态足迹和生态承载力在两个预案的预测表明到2020年为止岷江上游地区仍为可持续发展状态。在“无天保”预案下，生态承载力不断下降，生活足迹不断上升，研究区向不可持续的方向发展；在“天保”预案下，生态承载力在2003年后开始逐渐上升，同时，由于木材采伐被禁止，导致岷江上游地区的生态足迹大为下降，研究区将向更加可持续的方向发展。由两种预案的结果对比可以发现1998年开始实施的“天然林保护工程”能够扭转岷江上游地区未来的生态承载力变化方向。生态承载力可以反映生态系统的质量，说明该政策的实施可以有效改善岷江上游地区未来的生态系统。 5. 传统生态足迹方法应用的生物生产能力数据为常量，所以它能够有效地比较不同年份和不同区域间消费数据的变化情况。实际土地需求法应用的生物生产能力和均衡因子均根据研究区实际数据计算得到，其反映研究区的实际情况更为有效。应用能值对生态足迹方法进行改进，改变了传统生态足迹以生物圈为限制的不足。本文改进的方法－区域能值足迹法能够有效地反映研究区的实际情况，同时又能够将科技进步所带来的影响加以考虑。

污染土壤修复基准建立的方法体系、案例研究与评价

为了今后我国在国家层面上建立污染土壤修复基准系统，促进我国国家生态安全体系的建立，本研究对国外发达国家建立污染土壤修复基准的情况进行了系统详细的文献检索。结合一些发达国家土壤修复标准以及我国土壤污染实际情况，提出建立污染土壤修复标准应从多方面综合考虑。并且以铅和乙草胺两种在我国东北地区普遍存在的污染物作为研究对象，首次开展区域水平上建立污染土壤修复基准方法和修复效果评判的尝试性研究。 通过农作物（小麦、大豆和白菜）发芽毒理实验，以食品卫生标准为反推基础的农作物毒物吸收实验，土壤动物毒理实验，生化水平毒理实验，土壤化学毒理实验和土壤酶学水平效应实验得出对土壤中主要组分和功能不产生影响，棕壤中乙草胺和铅浓度阈值。其基准不是所谓的不产生不良或有害影响的最大单一浓度或单一的无作用剂量，而是一个基于不同保护对象的多目标函数或一个范围值，所以对于不同的修复要求和保护对象确定乙草胺的修复阈值为0.4～12mg·kg-1，铅的修复阈值为3.98～793 mg·kg-1。 以沈阳某冶炼厂废弃厂区重金属污染监测为依据，采用美国环保局（US EPA）最新的人类健康风险评价标准方法对冶炼厂废弃地块污染土壤进行评价的结果显示：冶炼厂厂区内土壤污染非常严重；无论是工业用地假设还是休闲用地假设，由无机Cu 造成的人类健康风险在整个风险中所占的比例最大；单纯依靠US EPA 的健康风险评价并不能正确指示出土壤的潜在风险。运用土壤酶、暴露在土壤环境中的陆生植物以及与土壤环境直接接触的无脊椎动物等可靠的生态毒理指标，来判定、评价污染土壤的修复效果是可行的。