增强UV-B辐射对暖温带落叶阔叶林下土庄绣线菊水分生理和氮素利用及形态特性的影响

在中国北方大部分地区，水分始终是影响植物生长和分布的最主要限制性因子之一，植物在其生长期经常遭受水分胁迫。不仅如此，随着大气同温层中臭氧浓度的减少，过量的有害紫外辐射（主要是UV-B，280nm-320nm）将穿透大气层达到地球表面。随着全球变化的加剧，这些地区的植物将不可避免地受UV-B和水分胁迫的共同作用。 本实验是在北京东灵山暖温带森林生态系统中，选择常见灌丛土庄绣线菊(Spiraea pubescens)，建立UV-B控制实验。连续三个生长季每天增补9.4kJ•m-2的辐射剂量，模拟臭氧衰减17%时近地表面UV-B辐射的增强。本实验的目的是观测在野外环境下，长时间人工增强UV-B辐射对土庄绣线菊水分生理、氮素利用以及形态特征的影响。具体对以下指标进行测定：叶片的气孔导度、碳同位素比率（δ13 C）、叶含水量、叶面积、水分利用效率（WUE）、叶全氮含量、叶氮素再吸收率。 实验结果表明，增强UV-B辐射显著减少了土庄绣线菊的叶面积（50.1%），提高了叶片全氮含量(102%)，处理植株的氮素再吸收率比对照植株高出50.9%。同时，UV-B辐射还在一定程度上（尽管统计显示不显著）降低了气孔导度(16.1%)、胞间CO2浓度与大气CO2浓度之比(Ci/Ca) (4.0%)、提高了碳同位素比率（δ13 C）(20.5‰)、叶含水量(3.1%)及比叶重（SLW）(5.2%)，从而导致水分利用效率（WUE）的增加(4.1%)，植物的抗旱能力增强。值得注意的是，深层土壤（30-40cm）含水量变化会影响气孔导度、δ13 C、WUE对紫外辐射的响应程度：在土壤干旱的季节（6月和9月），气孔导度、δ13 C、WUE这些指标处理和对照的差异很小，但是当土壤水分充足时（7月和8月），处理和对照的差异就较为显著。另外，随着实验处理时间的延长UV-B的效应变得不显著。相关分析表明，UV-B辐射降低了土壤含水量（30-40cm）与土庄绣线菊叶含水量、δ13 C、Ci/Ca、气孔导度的相关系数，增强了WUE与土壤含水量的相关性，这也许是由于UV-B辐射增强了WUE对土壤水分变化的敏感性。本研究的结果表明UV-B辐射对土庄绣线菊的形态和生长有显著的影响，但对主要水分生理指标影响不显著。

CO2倍增对紫花苜蓿的生态生理作用及模型

本论文是国家自然科学基金重大项目“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”下子项目“对全球变化反应植物生态生理学的基础模型研究”中的重要部分。 本文研究了紫花苜蓿(Medicago Sativa L．)在C02倍增下光合作用、蒸腾作用、气孔导度、叶面积、物候进程、高度、以及生物量的生态生理变化，并在此基础上对苜蓿进行了生态生理模型化的研究。 在倍增(694ppm)和对照(375ppm) C02浓度下，对紫花苜蓿的生态生理学的研究表明，以整个生育期计，倍增组的表观光合作用比对照组可提高18.7%：气孔导度略有下降(2%);蒸腾作用减少了2.7%;水分利用效率提高了30.1%;叶面积增加了48.9%;每株植物白天的净光合总量可提高76.7%，另外，植株高度和整株生物量的测定也显示了C02增加对苜蓿的正效应。 本文还对生理指标的实测数据进行了模型化的研究。对光合作用模型和气孔导度模型中参数的拟合结果表明，C02倍增下，苜蓿的光能转化效率(α)，电子传递速率(Jmax)比对照组都有明显的提高，最大气孔开度(Gsmax)略有下降．

北京山区落叶阔叶林优势种水分生理生态研究

本文研究了北京山区落叶阀叶林优势种一辽东栎、大叶白蜡、北京丁香、核桃楸、山杏和荆条等乔灌木的稳定碳同位素比率，长期水分利用效率、植物蒸腾特性和土壤植物体的水分运动特点，并从植物解剖学的角度研究了这些植物叶片特点和其水分生理生态特性的关系。 对北京山区落叶阔叶林生态系统这几种乔、灌木植物叶片中的碳稳定性同位素比率(δ¹³C值)测定结果显示，这些植物叶片的δ¹³C值受多种因子的影响，具有较大的种间差异及时空异质性。主要表现在不同植物种叶片δ¹³C值不同，其排列顺序为山杏(- 24.75±0.85%。>大叶白蜡(- 25,94±1.52%。)=荆条(- 26.01±1.63%。)=辽东栎(一26.07±1.17%。)=北京丁香(-26.46±0.80c70。)>核桃楸(-28.11±1.52%。);生长初期叶片δ¹³C值较生长末期高，尤以核桃楸和辽东栎表现明显其生长初期和末期的叶片δ¹³C值皆相差达3‰;生境条件，特别是土壤水分含量和土层厚度，对植物叶片的813C值的高低有较大的影响，生长在于旱生境中的植物具有较高的δ¹³C值。另外，即使是同一株植物，叶片δ¹³C值也因其在冠层中所处的位置不同而异，冠层项部叶片的δ¹³C值高于林冠内部的叶片。北京山区落叶阔叶林优势种的长期水分利用效率与种的特点有关，山杏最高(4.950±0．l71mmolC0_2•mol-1H_2O)，核桃楸最低(3.760±0.203mmolC0_2•mol-1H_2O)，大叶白蜡、荆条、辽东栎和北京丁香居中(4.346- 4.530 mmolCO_2•mol-1H_2O)，大部分植物长期水分利用效率在春季（5月）较高，秋季较低，荆条由于物候期的特殊性在其生长季初期较低，而后逐渐增高。核桃楸在不存在水分亏缺情况下，树干液流速率受微气候因子的影响，液流速率的最大值达1600g•hour 左右。树干液流速率的日进程和大气相对湿度、温度的日进程具有相当好的生态学同步性。通过对核桃楸夜晚树干液流的分析可以得出其有根压存在的结论。 植物叶片和枝条中自由水和束缚水含量主要决定于植物种的特性，枝条的年龄、生境特点，特别是土壤水分特点。在落叶阔叶林I(样地2)中植物叶片自由水含量的排列顺序是：北京丁香>核桃楸>大叶白蜡>辽东栎;而杂灌丛（样地1）中植物叶片自由水含量的排列顺序是：核桃楸>大叶白蜡>山杏>荆条>北京丁香>辽东栎，可见群落类型对植物自由水含量影响是很大的，植物束缚水含量与其自由水含量的格局完全相反，荆条、山杏等植物含量高，核桃揪含量低。枝条水分含量有与叶片水分含量相类似的特点。 北京山区落叶阔叶林优势种的水分生理生态学特性和其叶片的特点有很大的关系，首先是植物叶片的特点总是和其种的特性相联系，主要表现在叶的类型、叶片上毛、气孔密度、着生方式等，如荆条叶片上下表面都密被披针形毛，气孔小，核桃楸气孔较大且凸出，大叶白蜡叶片上的气孔凹陷，辽东栎的气孔呈椭圆状，保卫细胞上有许多白色蜡质结晶。有一些种有环状的气孔外缘。生境的变化对叶片的形态特征有影响，在全光照条件下叶片小而犀，而在庇荫条件下叶片大而薄，在扫描电镜下可见全光照条件下北京丁香叶片基本无毛，庇荫条件下则有短微毛，全光条件下荆条叶片上毛有小乳头状凸起，庇荫条件下没有。本文所研究的植物种气孔都着生在叶片的下表面，气孔密度的大小排列顺序是：辽东栎>山杏>北京丁香>核桃楸>大叶白蜡。经方差分析显示种闷气孔密度存在极显著性差异。对所研究植物的气孔导度和环境因子、叶片解剖特点进行线性回归分析，得到了总体的和各个种的回归模型，结果表明光照强度、气孔密度等对气孔导度影响显著，但因种的不同相互之间存在差别。 植物的蒸腾速率受多因子的影响，主要有种的特点、微气候因子（光照强度、大气相对湿度、叶面温度、叶室温度等）和土壤水分特点。植物的蒸腾速率日进程和微气候因子日进程有相当好的生态学同步性。对辽东栎的蒸腾速率和光照强度的研究发现二者有很好的线性关系。这些植物蒸腾速率都表现出一定规律的日进程和季节进程，大多数植物蒸腾速率在一天中有数次波动，最高峰一般出现在中午12时之前;在整个生长季中，6月底至8月初的蒸腾速率高于其他月份。

西双版纳片段化热带雨林植物水分利用效率的边缘效应

本研究利用稳定性碳同位素法，测定了西双版纳城子片断化季雨林和补蚌沟谷雨林7条样线上70个科226种林下植物叶片δ13C值，并以此为表征研究了片断化雨林植物WUE边缘效应，结果表明： 西双版纳热带雨林林下植物叶片δ13C值与世界范围内其他热带雨林的研究结果相近。补蚌样地的植物叶片δ13C值显著低于城子样地植物叶片δ13C值，说明水分条件是植物水分利用效率的主要决定因素。 常绿植物的δ13C值显著低于落叶植物，由此可推知常绿植物的WUE显著低于落叶植物;乔灌草和藤本植物叶片δ13C值也存在显著差异，表现为：藤本＞灌木，乔木＞草本。 方位对边缘效应的影响不容视。东、西、南、北四个方位相比，边缘的产生对四面影响最大，北面最小。森林边缘对植物WUE的影响深度至少进入林内30m。 侵入物种所占比例在林缘较大，而进入林内锐减。有些植物δ13C值与距离显著负相关，说明这些植物对水分条件敏感（如假海桐，木奶果），若小气候条件继续变干，他们有在林缘消失的危险;有些相关不显著（如冬叶、锡金粗叶木、小叶藤黄），则植物对水分条件不敏感，这些物种在边缘产生后对环境条件变化影响不敏感，不会因森林片断化而迅速灭绝。

鄂尔多斯高原气候变化及典型植物与环境的相互作用

鄂尔多斯高原是一个多层次、复杂的生态地理过渡带，具有复杂多样的环境条件和生态特点。因而，研究该地区植被与环境复杂多变的相互关系有助于我们认识鄂尔多斯高原生态系统的脆弱性和植被对于维持该区生态系统结构和功能过程的重要性。 降水、温度及其组合特点决定了鄂尔多斯高原特殊的生态环境格局，分析其演变趋势有助于理解鄂尔多斯高原生态环境的演变过程。从旬、月、生长季和非生长季及年四个不同的时间分辨率对鄂尔多斯高原八个气象台站近30年的气象资料进行分析。结果表明30年来年平均气温、2、9、12月均温明显增高;年降水未发生显著变化，降水分配模式变化明显。采用与植物生长密切相关的气候因子对整个鄂尔多斯高原的气候特征进行综合分析，将鄂尔多斯高原划分为三个综合气候类型，即：半湿润、低蒸发型，半干旱、半湿润、中等蒸发型和偏干旱、高蒸发型。根据不同的气候类型，确定适宜恢复的植被类型，对目前该区域进行的生态恢复工作具有重要指导意义。 在鄂尔多斯高原从东向西的降水梯度上，选取三个实验点测定柠条的光合、蒸腾和水分利用效率等主要生理生态指标，分析了同种植物对不同环境的反应。鄂托克旗柠条光合速率最高，东胜东部柠条次之，杭锦旗柠条光合速率最低而蒸腾速率最大，东胜东部柠条和鄂托克旗柠条的蒸腾速率相差不大。 植被能够降低其下垫面及其附近的地表温度，从而影响地表蒸发。以鄂尔多斯高原典型植物油蒿和柠条作为研究对象，采用先进的非接触红外测温法，并提出度量植株温度效应的影响指数，对鄂尔多斯高原两种典型植物植株附近地表温度进行了比较分析,结果表明，柠条对地表温度的影响较油蒿明显。

内蒙古锡林河流域主要植物种、功能群和群落水分利用效率的研究

近二十年来，碳同位素技术己被广泛应用于植物生态学，特别是植物“碳一水”关系的研究中。植物的碳同位素组成（δ13C值）是叶片组织合成过程中光合活动的整合，它反映了植物长期的水分利用效率。内蒙古锡林河流域位于我国温带典型草原的核心区域，水分是制约本区植物生产力和群落稳定性的限制因素。因此关于本区植物水分利用效率和水分利用状况的研究，对探讨植物对生境干旱化的适应与响应机制具有十分重要的理论和实践意义。本研究沿土壤水分梯度在锡林河流域选取了沼泽化草甸、盐化草甸、草甸草原、典型草原、退化草地和疏林沙地等8个代表性植物群落，研究主要植物种、功能群和群落的碳同位素组成及叶片含水量、脯氨酸含量等与植物抗旱性相关的生理指标的变化，从植物种、功能群和群落三个层次研究了不同水分条件下植物水分利用效率的变化及其对不同水分生境的响应与适应机制。 　　1）在所调查的8个植物群落中，C3植物占绝对优势;C3植物的δ13C值和水分利用效率越大，其在整个流域中的分布频度越高，生物量也越大;与生长在湿润生境中的植物相比，生长在较干旱生境中的植物能积累更高水平的脯氨酸。以上结果表明，锡林河流域的植物可能通过两种机制适应当地的干旱生境：一是通过调节气孔导度提高植物的水分利用效率;止是通过积累高水平的脯氨酸增强植株的渗透调节能力并维持相对稳定的水分含量。 　　2）依照生活型将锡林河流域主要植物种划分成6个植物功能群：乔木、灌木、半灌木、多年生禾草、多年生杂类草和一年生植物。在较湿润生境，多年生杂类草更加丰富并构成了群落地上生物量的绝大部分;而在较干旱生境下，多年生禾草在群落中起更重要的作用;随着土壤含水量下降，灌木和半灌木逐渐增多，且在退化草地和沙地中其相对生物量迅速增加;多年生禾草别3c值显著高于其它功能群;随着土壤水分可利用性降低，多年生禾草和杂类草的别3c值表现出增加的趋势，而灌木／半灌木则表现出相反的趋势。以上结果进一步证明了，在典型草原区以生活型为基础划分的植物功能群可以用来进行较大尺度植物一水分关系的研究。 　　3）依照植物的水分生态类群，将锡林河流域主要植物种划分为六个植物功能群：旱生植物、中旱生植物、旱中生植物、中生植物、湿中生植物和湿生植物。在较湿润生境中（沼泽化草甸和盐化草甸），湿中生和湿生植物成为优势种并构成地上生物量的主体;在干旱生境中（草甸草原、典型草原和退化草地），旱生和中早生植物占绝对优势并构成群落生物量的90％以上;随着不同水分生态类群所适应的生境从干旱到湿润逐渐转变，植物的δ13C值和水分利用效率显著降低;旱生植物叶片脯氨酸含耸最高，湿中生和湿生植物脯氨酸含量最低，不同水分生态类群脯氨酸含量与其δ13C值和地上生物星．显著正相关关系。 　　4）不同群落类型的平均δ13C值有显著不同，表现为：典型草原＞退化草地＞沙地＞退化恢复草地＞草甸草原之盐化草甸＞沼泽化草甸。C4植物的出现、不同物种δ13C值的差异和同一物种在不同生境下δ13C值的变化是影响群落平均δ13C值的主要因素，而这些因素与土壤水分状况和干扰历史（特别是放牧）密切相关。 　　此外，本文还研究了氮素添加对羊草和大针茅光合和水分利用效率的影响。土壤含氮量的增加可以显著提高羊草叶片光合能力和叭JE，而对大针茅的影响不大。作为锡林河流域两种优势植物，羊草和大针茅通过不同的生理机制来维持较高的WUE适应干旱生境：羊草为高光合、高蒸腾，而大针茅为低光合、低蒸腾。羊草较高的WUE是以降低氮利用效率 （NuE）为代价的;而大针茅在维持较高WUE的同时仍能维持较高的NUE，这一特征使大针茅可以广泛分布于更加干旱和贫瘩的地区。 　　以上研究结果，为深入开展典型草原生态系统植物与水分关系的研究提供了有价值的信息，进一步证实了稳定性碳同位素技术可以有效地指示不同群落类型中主要植物种长期水分利用效率。同时，通过对其它相关生理指标的测定，可以更好地探讨植物对水分限制的适应策略。我们的研究结果从植物种、功能群和群落三个层次进一步揭示了植物对干旱生境的适应机制，并初步阐明了人类干扰特别是过度放牧对草原群落建群种和优势种的生态替代或／和灌丛入侵的影响。这些研究对生物多样性保护、全球变化和区域可持续发展等热点问题的研究都具有重要的意义。在今后的研究中，结合其它稳定性同位素（如2H，18O和15N）技术，将有助于我们进一步深入研究蒙古高原植物对气候变化和过度放牧的适应与响应机制。 　　

中国东北样带草原段关键种——羊草茎、叶显微结构的生态可塑性及群落功能群组成和多样性研究

陆地样带是国际地圈——生物圈计划(IGBP)研究中最引入注目的创新之一。目前，国际上已经设立了15条陆地样带，研究内容涉及环境梯度分析、气候变化对植被初级生产力的影响及环境变化、土地利用等与植被变化的对应关系等。沿该陆地样带分布较广的关键种生理适应性等方面对影响其生理功能形态结构的研究较少，特别是茎、叶等组织功能研究较少。 中国东北样带(NECT)是全球陆地样带的重要组成部分，多年来已开展了大量深入系统的研究工作，已成为我国生态学、地学等学科的重要研究平台。本研究以中国东北样带中西段广泛分布的重要关键种——羊草（Leymus chinensis）为研究对象，分析了羊草茎、叶显微结构的生态可塑性及其与水分利用效率的关系，进而阐述了羊草适应不同生境条件，特别是适应水分变化的机制，为揭示羊草及其种群、群落乃至以羊草为优势种或建群种的草地生态系统在全球变化背景下的发展趋势提供理论依据。 基于2001年7～8月第3次中国东北样带考察资料，采用高精度Olympus显微镜及C同位素分析技术（δ13C判别值），结合在野外取样过程中测定的样地土壤含水量和海拔高度，以及近十年各样地年降水量和年均温度气象资料，分析了羊草茎、叶显微结构和水分利用变化与环境因子的关系，以及以羊草为建群种或共建种的无牧和放牧样地群落生物量、物种多样性和植物功能型组成变化与环境因子的关系。 结果表明：羊草叶片表面及内部主要显微结构特征参数各样地间有不同程度的差异，其中气孔密度与降水量呈线性正相关。代表气孔开张程度的气孔长度和宽度变化与土壤含水量呈线性相关。叶表面角质层厚度与海拔高度变化关系较大，并以上表面角质层厚度变化最为明显，主要受海拔高度升高引起的紫外线照射增强的影响。运动细胞带宽度占叶面积比虽然与各环境因子关系不很密切，但温度变化的影响较突出，这一显微结构调整与气孔变化构成干旱——高温调节机制。叶片表面毛茸的变化也是非常显著的，但与各环境因子关系密切程度均不大，可以肯定的是在土壤水分状况较好的生境下羊草叶片表面毛茸密度及长度明显增加，而一些干旱生境中常表现为毛茸较少、较短，个别样地基本没有发育较好的毛茸。总体上看，羊草叶片对干旱化的形态结构调整以气孔密度和开张程度的变化最大，是羊草叶片调节水分利用效率的重要适应性生态可塑性调整。 与叶片相比，羊草茎横切面结构特征的变化与各环境因子关系的显著性不是很强，但各样地间的差异是比较显著的，许多结构调整可能与土壤养分条件的变化有一定关系，如茎秆粗度变化、基本薄壁组织厚度和中央空腔（髓腔）直径的变化等，但本研究未能涉及这方面内容，有待于进一步研究。 羊草水分利用效率与降水量和土壤含水量呈显著的负相关关系，即随降水量和土壤含水量增大羊草水分利用效率明显降低，蒸腾耗水增大，这一生理变化与显微结构的调整关系密切，特别是气孔密度与气孔宽度在水分较差生境中明显减小，从而有利于适应干旱环境，减少耗水量。表现比较突出的是非地带性林西样地，其降水量处于10个样地的中等偏低水平，但其δ13C判别值较低，达-26.063‰，与降水量较大的长岭、双辽样地几乎相当，并比相邻的林东和克旗样地明显低，其气孔密度、开张程度及叶脉后生导管直径均较高（大），但其土壤水分状况是最好的样地之一，尽管取样时不幸遇到雨天，但从其群落类型——羊草杂类草草甸，并伴生许多中、湿生种类上看，其生境的湿润程度是毋庸置疑的。这一非地带性样地中羊草结构的变化从另一侧面反映了羊草显微结构调整对水分环境的适应。δ13C判别值是一个非常敏感的参数，在分析植物水分利用效率及其相关领域的研究中应深入利用。 群落植物功能群组成与环境因子及群落初级生产力关系研究结果表明，丛生禾草生长型功能群、旱生和中旱生植物水分生态类型功能群具有明显的地带性变化规律，并与群落生物量变化关系密切，变异性较低，占群落生物量比例较大，可考虑作为植物功能型组合对无牧样地植被变化进行评估和预测。在放牧影响下，C4植物光合类型功能群呈现明显的地带性变化，并在群落中所起的作用明显增强，亦可考虑作为评估和预测植被变化的植物功能型组合。无牧样地与放牧样地研究结果均表明，按Raunkiaer划分的地面芽、地下芽、地上芽和一年生植物生活型功能群，其地带性变化不明显，或变异率高，或占群落生物量比例小，不宜作植物功能群组合对植被变化进行评估和预测。

三峡库区岸边植物水分利用研究

随着三峡大坝建设，在2003年6月三峡库区蓄水到135 m水位，之后人为调节使其在137-139 m范围内波动变化。从2003年7月开始，我们对库区植物的水分关系及其对三峡水位上升的可能反应进行了系统研究。 在库区中残存的次生松栎混交林，我们从江边沿海拔梯度设置了3块样地：Riparian，Mid-hill和Top-hill样地，垂直高度相差约20 m。从2003年7月到2004年7月，我们比较了岸边样地内与高处两样地内植物的木质部水分稳定同位素D和18O值，植物清晨和中午水势，叶片碳稳定同位素值13C，以及2004年7月测定的气体交换。岸边 植物木质部水分同位素值显著高于江水的同位素值，而与高处两样地内植物木质部水分同位素相近。岸边植物与高 处植物具有相近的清晨水势和中午水势，也表明对岸边植物来说，江水并不是它们重要的水分来源。同样，岸边植 物叶片 13C值与高处同种植物的值也不存在显著差异。我们研究的3种植物清晨水势都与土壤含水量正相关，尤 其浅层土壤更为显著。研究结果表明岸边植物几乎没有利用江水，而同高处两样地内植物一样，都是以利用渗入到土壤中的降雨为主。 松栎混交林中，马尾松与槲栎相比，净光合速率和气孔导度，叶片含N量，以及清晨水势低于槲栎，而中午水势，叶片13C值高于槲栎。两种树木叶片13C值与含N量都成正相关关系。槲栎叶片13C值与清晨水势成负相关，而马尾松针叶13C值与清晨水势相关性并不显著。 在岸边的松栎混交幼林与成年林相比，幼树的清晨水势略高于对应的成年树，叶片13C值低于成年树;幼树的光合速率和气孔导度略高于成年树，而瞬时水分利用效率低于成年树，但差异均不显著。马尾松幼苗为实生苗，与成年树相比，更偏向于利用浅层土壤水;而槲栎幼树多为从原来被砍伐的树上萌生的，木质部水分同位素与成年树相近。 从2004年5月到10月，我们又对大坝下游江段岸边植物（马尾松，枫杨和柑桔）的水分关系进行了研究。木质部水分同位素比率表明，岸边植物木质部水分同位素比率与高处植物具相近的值，且显著高于江水同位素值。研究表明岸岸边和高处植物以降雨或靠降雨补充的浅层地下水为主要水分来源，即便岸边植物也几乎不利用江水。岸边植物与高处植物具有相近的清晨水势和中午水势，光合速率和气孔导度，以及叶片C值等，也进一步说明岸边植物与高处植物具有相近的水分生理特征。 叶片13C可以指示植物的一些生理过程，我们对松栎混交林中不同生活型植物的13C值进行了分析，乔木层叶片 13C值比较高，其中常绿针叶的值又高于落叶阔叶树木的值;林下灌木，非禾本科草本，及藤本植物的13C值都明显低于乔木层。 三峡大坝改变河水对植物生理生态过程的影响是一个长期的过程，库区水位上涨是否影响到岸边植物的生理过程及生长等，需要进一步作长期、定位和连续的观测研究。

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。

补充灌溉及氮磷配施对黄土塬区冬小麦水分利用及产量的影响

采用裂区试验设计,对黄土塬区补充灌溉及氮磷配施条件下麦田土壤水分动态、作物产量及水分利用效率等进行研究。结果表明:1)冬小麦对土壤水分的利用深度随小麦生长发育逐渐加深,在越冬前期和孕穗期分别达1.2和2.2 m土层以下,不同处理土壤含水量在小麦生育前期差异不明显,孕穗后氮磷配施处理的土壤含水量显著低于不施肥处理;2)试验条件下,补充灌溉后同样施肥处理的作物产量与雨养相比,虽有增加但不显著;不论是雨养水平,还是补充灌溉水平,氮磷配施均表现出显著的增产效果,从低氮低磷到高氮高磷,增产幅度在134%到240%之间;3)氮磷配施能显著提高冬小麦水分利用效率,而补充灌溉后水分利用效率降低3%~30%,但未达显著水平;4)不同氮磷配施的增产效应高于补充灌溉,补充灌溉与高氮高磷处理有显著的水肥协同效应,能显著提高作物产量并保持较高的水分利用效率。

不同灌溉制度对玉米根系生长及水分利用效率的影响

为了探讨不同灌溉制度对玉米根系生长和水分利用效率的影响及基因型间差异,在大型活动防雨棚和棚外田间条件下,利用一组玉米遗传材料杂交种户单四号、父本803和母本天四进行了研究。结果发现玉米杂交种在根系生长、分布和水分利用效率上表现出显著的杂种优势。在充分灌溉条件下,玉米杂交种在浅层的根长密度大于亲本,但在水分亏缺条件下,玉米杂交种根长密度在整个剖面上都显著大于亲本;同一玉米基因型在不同的灌溉制度下根长密度在土壤剖面的分布也不同,拔节期不灌溉条件下玉米根系在深层土壤中的分布较充分灌溉条件下大,保证了玉米对深层土壤水分的充分吸收,而后期灌水延缓了表层根系生长的衰退,产生明显的补偿效应;拔节期干旱而抽雄期和灌浆期灌水显著提高了3种基因型玉米的水分利用效率。通过合理灌溉优化玉米根系分布特性以提高玉米吸水能力和水分利用效率,是节水栽培上的可行途径。

小麦实时控制灌溉的土壤水分含量探头合理埋设深度研究

利用室内控制试验研究了根据不同深度土壤水分传感器灌溉处理对冬小麦生物学性状及水分利用率等的影响。结果显示,以10 cm探头控制灌溉最为省水,同时冬小麦生物学性状及水分利用率等最佳。由于试验冬小麦处于生育前期,随着小麦生育期延伸,当根系超过30 cm深度时,根系吸水的深度增加,探头的埋设深度需要田间试验进行更详细的研究。

氮施用量对夏玉米土壤水氮动态及水肥利用效率的影响

采用田间小区试验,监测夏玉米不同生长期土壤水分和硝态氮剖面含量变化,研究不同施氮量对其时空变化及籽粒产量、水肥利用效率的影响,探讨氮肥对水肥资源高效利用的调节作用。结果表明:不同施氮处理,土壤剖面水分和硝态氮随土壤深度的变化趋势基本一致,即表层50 cm土壤水分和硝态氮含量较高且呈降低态,50~110 cm相对较低且波动较小,灌浆期二者均达到最低值;各生长期表层50 cm土壤含水量呈不施氮处理均高于施氮处理,50~110 cm土层则相反;施氮能提高土壤硝态氮含量,土壤硝态氮运移受土壤水分状况和含量的影响,含量越高,向下移动越深;施氮能显著提高水分利用效率及籽粒产量,增产效果明显(增产28.52%~37.86%),二者均以施氮240 kg/hm2处理最高;随施氮量的增加籽粒产量及籽粒吸氮量和水分利用效率增幅均表现为先升高后降低之趋势,当施氮量超过240 kg/hm2后,籽粒产量和水分利用效率提高并不显著;不施氮与施氮处理氮素生产力、氮肥利用率之间均存在极显著差异。在本试验条件下,从控制土壤硝态氮积累及取得较高的产量和氮素利用率综合考虑,夏玉米的适宜施氮量范围应控制在120~240 kg/hm2较好。

无压灌溉日光温室番茄作物-皿系数研究

以-25 kPa作为土壤水势临界值,将作物—皿系数(Kcp)设为0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2六个处理,研究了不同灌溉水量时的番茄产量、品质和灌溉水利用效率。通过经济效益评价,研究了杨凌地区无压灌溉温室番茄获得最高经济效益时的作物—皿系数。通过张力计读数变化规律,研究了利用张力计测量无压灌溉湿润体内土壤水势的特点。研究结果表明,Kcp为0.2~0.8时,灌溉水量的增加对番茄产量影响不大;Kcp为1.0~1.2时,灌溉水量的增加能显著提高番茄产量和果实大小;Kcp为0.2时的灌溉水量能极显著提高番茄的灌溉水利用效率。在综合考虑了杨凌地区水价、番茄使用目的和市场价格波动规律后,Kcp取值1.2能获得最高的经济效益。作物—皿系数法计算灌溉水量时的滞后性特点和张力计埋设位置,是判断利用张力计监测土壤水势临界值方法有效性的两个重要因素。

氮磷肥配施对夏玉米土壤含水量及水分利用效率的影响

随土壤剖面深度的增加,土壤含水量逐渐降低,上层土壤含水量变幅大于下层。在同一氮肥水平下,夏玉米各生长期内0~50 cm土层含水量呈施磷处理高于不施磷处理,50~110 cm土层则反之。苗期—拔节—灌浆—收获期0~110 cm土壤蓄水量呈升高—降低—升高趋势;苗期呈氮磷配施处理高于单施氮肥处理,其它生长期氮肥与磷肥水平为120 kg/hm2配施处理最高;表层50 cm土层蓄水量均呈现氮磷配施处理高于单施氮肥处理,50~110 cm土层则反之。氮磷配施能显著提高产量及水分利用效率,二者均以配施磷肥120 kg/hm2处理最高;当施磷量超过120 kg/hm2后,产量和水分利用效率反而有下降趋势。