根瘤菌、铵态氮、光照强度对大豆固氮和光合作用影响的研究

生物固氮和植物光合作用作为全球生态系统的两个基本生物学过程, 在碳氮循环、自然生态系统的维持和演替，以及农业生产中起了重要作用。尽管过去关于共生固氮与光合作用的研究取得了巨大成就，但是，很少将两者直接联系起来。本研究通过比较低光效和高光效大豆接种高效固氮根瘤菌后固氮与光合作用的差异，比较接种根瘤菌和施用铵态氮肥对大豆光合生理的影响或光照强度对大豆光合固氮的影响，以及C4基因转化C3 豆科植物—苜蓿的研究，试图将两者偶联起来。研究获得以下结果： 1．用nifA和dct工程根瘤菌接种低光效和高光效大豆后，与出发菌株比，均提高了大豆的固氮和光合作用。两者相比，nifA工程菌对低光效大豆黑农37号发挥了比较好的作用，大豆的光合作用参数，固氮活性和植物株高、株重等产量参数比dct工程菌好;dct工程菌接种高光效大豆黑农40号后，尽管固氮酶活性与nifA工程菌相比没有明显差异，但是大豆光合作用和产量参数有了比较明显的提高。 2．光照培养条件下，对大豆进行了接种根瘤菌（108细菌/ mL）、低氮（5 mmol/L (NH4)2SO4）和高氮（30 mmol/L (NH4)2SO4）处理。测定的大豆生长状况和光合作用系列参数结果表明：低氮处理的最好，接种根瘤菌的次之，高氮处理的最差。由此说明单纯接种根瘤菌满足不了大豆发育过程中的氮营养要求，其光合作用和生长受到不利影响。但是，高氮处理也并没有提高大豆的光合作用，其生长发育甚至受到抑制。该结果为生产实践中合理施肥提供了光合生理方面的参考。 3．接根瘤菌和不接根瘤菌的大豆在正常光强（150μmol photons m-2s-1）下生长三周后进行遮光（15μmol photons m-2s-1，7天）和复光（正常光强，7天）处理，大豆的光合作用有下降和回复。测定的一系列光合参数、叶绿素荧光参数，以及植物的生长生理参数结果表明：接根瘤菌大豆与不接根瘤菌的大豆对遮光的响应有不同。正常光照下，接种根瘤菌能促进大豆生长与光合作用;遮光处理后，根瘤菌对大豆的促进作用不显著。 4．获得了不同苜蓿品种的愈伤组织及其诱导的再生植株。并作了用小米、甘蔗的PEPC基因转化苜蓿的研究。由于在实验过程中，考虑转基因植物的安全性，着重于用甘露糖筛选转化体系的研究工作，忽略了用抗生素筛选转化体。用PCR法从苜蓿中扩增出甘露糖异构酶基因（pmi），表明苜蓿体内含有自己的甘露糖异构酶基因，使得甘露糖筛选没有成功。

不同生态类型的植物光合生理特性的比较研究

本文对4种不分水分生态型的C3植物，中生种无芒雀麦、旱中生种披碱草、广旱生种羊草和旱生种冰草，在不同降雨条件下，进行了光合、叶片含水量和气孔阻力等生理生态特性测定。分析不同水分条件下，植物生理生态所发生的变化，得出如下结论： 1、从旱生种到中生种的植物系列中，越趋于中生的植物，受外界水分胁迫的影响越严重。 2、从旱生种到中生种的植物系列中，叶中含水量由小到大，气孔阻力水平由低到高。说明不同植物抵御干旱环境的方式不同，旱生植物主要通过降低细胞原生质水势避免蒸腾失水，而中生植物主要是通过加大气孔阻力限制蒸腾失水。 3、从旱生种到中生种的植物系列中，叶片的光合速率是由高到低的。旱生种冰草最高，中生种无芒雀麦最低。披碱草、羊草介乎二者之间。 4、上述三个结论反映出植物的抗旱性能与叶片含水量，气孔阻力水平和叶片光合速率之间有必然的联系，越是旱生的植物，叶片水分含量越小，气孔阻力水平越小，叶片光合速率越高。

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。 　　

浑善达克沙地优势豆科植物 光合生理特性研究

　　氮素是植物光合生产的决定性因素，尤其是在沙地草地生态系统中，氮素贫乏往往限制植物的生长发育。因此，研究沙地植物光合作用与叶片N含量之间的关系，以及不同植物功能型氮素利用效率，有助于理解不同植物资源利用效率的差异。以浑善达克沙地分布的80种植物为研究对象，对不同生境(固定沙丘、丘间低地和湿地)、不同生活型(乔、灌、草)、不同光合途径(C3和C4)以及豆科和非豆科植物等功能型进行研究，结果表明：无论在单位叶面积水平还是单位干重水平上的叶片氮含量，均与光合速率成极显著正相关，但单位氮素的光合利用效率在不同生境以及不同功能型之间差异很大;光合氮素利用效率表现为：湿地植物>沙丘>丘间低地植物;草本植物>灌木>乔木;C4草本>C3草本植物，非豆科植物>豆科植物。 　　为了验证浑善达克沙地豆科植物是否比非豆科植物具有更高的光合潜力，我们比较研究了3种优势豆科植物小叶锦鸡儿(Caragana microphylla)、木岩黄芪(Hedysarum fruticosum var. lignosum)、披针叶黄华(Thermopsis lanceolata)和2种非豆科植物羊草(Leymus chinensis)和黄柳(Salix gordejeviii)，结果表明并非所有豆科植物都比非豆科植物有着显著高的光合速率，仅木岩黄芪表现出较高的光合速率，其它两种豆科植物的光合速率和羊草、黄柳的差异并不显著(P>0.05)，甚至低于后者，这是因为氮素利用效率(PNUE)在其中起关键作用，通过对影响PNUE的几个主要因素进行分析得出：叶绿素对光能的吸收、光化学转换效率和CO2分压并不是构成豆科和非豆科植物PNUE差异的主要因素，而Rubisco羧化效率决定了所实验的5种植物对氮素利用效率的高低。 　　木岩黄芪在浑善达克沙地的沙丘上为优势种，甚至成为流动沙丘的先锋种。除了其显著高的氮含量外，对沙丘胁迫生境的光合适应性是我们关注的另一个重点。通过对木岩黄芪和其伴生种黄柳的光反应曲线以及光合日动态的研究，发现木岩黄芪具有显著高的光合速率、水分利用效率和PSII 光化学效率，其忍受中午强光和高温的能力较强(即“光合午休”现象不明显)。另外，该物种还表现出了显著高的光饱和点和低光补偿点。 对木岩黄芪的模拟降雨试验结果表明：气体交换参数以及叶绿素荧光参数均受到干旱和模拟降雨的影响，其中气孔因素和非气孔因素共同决定了干旱条件下木岩黄芪光合速率的降低;但降雨解除干旱后，气孔导度恢复较快，而PSII 潜在活性和PSII 光能转换效率的恢复却比较缓慢。在0-15mm的降雨量范围内，随降雨量的增加各项生理指标不断升高，但大于15mm的降雨量对木岩黄芪影响不大，因此木岩黄芪可被视为低耗水型植物。 　　对木岩黄芪光合酶的研究结果表明，其C4光合酶的活性很高，磷酸稀醇式丙酮酸羧化酶(PEPcase)、NAD-苹果酸酶(NAD-ME)、NADP-苹果酸酶(NADP-ME)、NAD-苹果酸脱氢酶(NAD-MDH)、NADP-苹果酸脱氢酶(NADP-MDH) 和丙酮酸磷酸双激酶(PPDK)等酶的活性，在整个生育期内为黄柳的5倍以上，但稳定性碳同位素测定结果却表明木岩黄芪为C3植物。因此，我们认为C3豆科植物木岩黄芪体内可能存在着C4光合途径，这种机制使得其对于流动沙丘的胁迫环境有着很强的适应性和很高的资源利用效率。

浑善达克沙地植物功能型多样性

植物随所处环境条件的变化而产生一系列的形态、生理以及其它特性上的相应变化，形成相应的适应对策，表现出一定的功能策略。把在生态系统中扮演着相似角色并且对环境条件表现出相似的响应的一组具有相似特征（形态和生理特征）的植物称为植物功能型（Plant Functional types），这一概念把植物从个体水平和整个生态系统水平上把生理和生活史过程以及策略合理的联系在一起。有了植物功能型的帮助，我们能够将个体种和个体种群的纷繁 复杂过程总结简化为相对简洁的演化模式。近来的研究已经提出在生态系统过程中功能型多样性比物种多样性更重要。 本文以浑善达克沙地植被为研究对象，按照生命期（一年生与多年生），光合途径（C3光合途径与 C4光合途径），繁殖方式（克隆繁殖和非克隆繁殖）以及生长型（禾草与非禾草）来划分浑善达克沙地的植物功能型，调查监测浑善达克沙地植物功能型的分布及其生态特征对沙地环境的响应。 通过对浑善达克沙地五种不同生境的土壤因子和植物功能型分布及其群落特征的分析研究，结果表明在流动沙丘上一年生C4非克隆繁殖的植物功能型首先侵入，半固定沙丘开始有多年生C3植物功能型定居并逐渐成为优势种，当成为固定沙丘时，本研究中所有浑善达克沙地植物功能型都出现了，其植物功能型多样性最高。滩地中的土壤的有机质和养分含量最高，多年生C3植物占据绝对优势。靠近淖尔边缘，盐分含量和水分增加，多年生C3非禾草成为优势种。在浑善达克沙地，一年生C4非克隆非禾草在沙丘生境中全都存在。流动沙丘、半固定沙丘和固定沙丘之间的土壤条件没有显著差异，但植被特征存在差异。因此，只要排除人为影响和牲畜干扰，辅助以一定的人工措施（如飞播），浑善达克沙地退化草地将向着良性的恢复方向发展。 通过对浑善达克沙地退化草地围封后的植物功能型特征变化研究，在四年的植被恢复过程中，功能型多样性最高的群落可能不是最稳定和恢复时间较长的群落，在我们的研究中，功能型多样性在恢复的第一年和第四年较高，而在恢复的第二年和第三年功能型多样性显著低于第一年和第四年。但第二年和第三年的地上生物量却高于第一年和第四年，从生态系统功能的角度考虑，说明恢复过程中群落的稳定性是短暂过渡的类型，群落恢复过程将呈周期性的波动。在四年的恢复时间里，多年生C3光合途径克隆繁殖禾草无论从植株密度、盖度、物种数以及地上生物量都在群落中占有绝对优势，在退化沙地草地自然恢复早期起到关键作用。 基于连续四年在浑善达克沙地围封区内滩地植被记录，分析了（1）滩地植物群落的植物功能型特征，包括密度、物种数、盖度、地上生物量以及相对重要值;（2）各植物功能型特征对植物功能型多样性（Shannon-Wiener index）的贡献以及(3) 群落初级生产力与物种多样性和植物功能型多样性的关系。结果表明，植物功能型特征显著受生命期、光合途径、繁殖方式以及生长型影响。植物功能型多样性与群落物种数显著相关。逐步回归分析结果显示多年生C3 克隆禾草随着退化草地的恢复进程对植物功能型多样性的影响越来越重要。植物功能型多样性与群落初级生产力之间的关系随着恢复进程而呈现不同的线性关系。 为了调查浑善达克沙地主要植物功能型优势物种对沙地环境的适应，研究了多年生根茎克隆繁殖禾草赖草和多年生非克隆繁殖非禾草褐沙蒿对沙埋和风蚀的响应。结果表明，不同的植物功能型对于沙地风沙蚀积表现出不同的适应对策。在一定程度的沙埋和风蚀胁迫下，赖草通过分株间克隆整合来抵御风沙蚀积，通过对根茎生物量的投资，来逃离胁迫环境。而褐沙蒿通过加大对根生物量的投资来抵御风蚀，通过加大对地上部分的生物量投资来抵御沙埋。

冷蒿和糙隐子草的竞争策略对冷蒿退化草原恢复过程的影响

有很多因子调控植物群落中哪些物种存在或是哪些缺失，评价这些因子中某些因子的重要性因为因子间潜在的交互作用而变得十分复杂。已经有很多人对内蒙古典型草原生态系统的结构和功能进行了研究，这个系统的植物群落易受多种相互交互的因子影响，其中包括干旱、动物粪尿斑、放牧家畜的采食以及物理干扰等。一些研究认为在大气条件一致的区域内，牧压对群落施加的影响可以超越不同地段其它环境因子的影响，成为控制群落特征的主导因子。因而内蒙古典型草原群落的演替主要是由在一定放牧压力维持下不同植物种群的消长来实现的。但是对于在多个因子相互作用下的内蒙古草原的演替机制并没有得到很好的认识。采食伴随着土壤养分的变化交互到一起影响植物群落的结构动态和组成。本论文采用野外和室内可控试验相结合的方法，选取不同演替阶段的优势物种冷蒿（小半灌木、直根系、C3植物，在重度放牧区占统治地位）和糙隐子草（小丛生禾草、须根系、C4植物，中度放牧区的下层优势钟）为研究对象，对内蒙古草原放牧演替的机制进行了探讨。希望这些信息有助于我们理解内蒙古草原退化的机理，并对内蒙古草原潜在的恢复措施提供一些有意义的建议。 本文提出三个假设：第一，退化草原土壤养分亏缺，因此养分利用率高的物种将占优势，并成为优势物种;第二，在轻度刈割或是不刈割条件下，糙隐子草的竞争能力将加强，施肥也将有利于增加糙隐子草的竞争能力;第三，冷蒿高的竞争能力而不是放牧忍耐力决定冷蒿在过度放牧样地占统治地位。 我们得到的结论如下： 通过三年的恢复，在原过牧区并没有发现很低的氮素养分，恰恰相反，土壤的微生物态氮和土壤无机氮含量较高。冷蒿的养分利用效率较低（以每形成100g碳所需的养分量计算），但在退化草原却是优势物种。因此否定了第一个假设。恢复四年后，糙隐子草在群落中所占的比例仍然很低，恢复过程中糙隐子草并没有成为优势种。同样的，温室内模拟放牧试验的结果与野外数据结果相符。即：同冷蒿相比,糙隐子草在各氮水平和各刈割强度下始终是一个弱的竞争者。在分析竞争能力时，施氮和刈割之间有交互作用。刈割对两物种竞争能力的影响不显著，但随着氮肥水平的提高，在所有刈割强度下，冷蒿对糙隐子草的相对竞争力下降。因此部分支持第二个假设。冷蒿高的种间竞争能力（高的生物量、高的氮产量、高的氮素吸收速率以及高的氮素回收率）决定其在退化草原成为优势种。此外，冷蒿能够成为重牧地段的优势物种可能也归因于其很强的空间拓殖能力、避食机制、干旱的忍耐能力、根系的生态位分异、高的种子生产能力以及可能存在的它感作用。而糙隐子草能够较经济的利用养分和具有较好的放牧抗性是它能与冷蒿在一定的放牧压力下共存的原因。因此，我们的研究结果支持第三个假设。

放牧对内蒙古草原群落和土壤种子库的影响及两者关系的研究

选取内蒙古草原三种主要草原类型（草甸草原、典型草原和荒漠草原）代表性群落羊草杂类草群落、羊草群落和大针茅群落、小针茅群落，应用样线法沿水分梯度研究放牧对内蒙古草原不同植物群落功能群组成、多样性、生产力以及多样性与生产力关系的影响和放牧对土壤种子库组成、大小以及多样性的影响，在此基础上，研究土壤种子库与地上植被间的关系。主要结论如下： 1 放牧对植物群落的影响 荒漠草原的放牧演替规律为小针茅群落→猪毛菜 + 小针茅群落→猪毛菜群落;典型草原为羊草或大针茅群落→糙隐子草 + 大针茅群落或克氏针茅群落→星毛委陵菜 + 糙隐子草群落;草甸草原为羊草杂类草群落→羊草 + 贝加尔针茅群落，这是不同物种对牧压的不同适应结果造成的。 放牧使4种草原群落生活型功能群组分间发生强烈的生态替代作用，但不同的群落生态替代模式不同：放牧使小针茅群落多年生丛生禾草作用减弱，一二年生草本作用增强;羊草群落和大针茅群落多年生丛生禾草、多年生根茎禾草作用减弱，多年生杂类草作用增强;羊草杂类草群落多年生根茎禾草作用减弱，多年生丛生禾草作用增强。放牧使非旱生和C3植物作用减弱，而旱生、C4植物作用增强。 放牧对4种群落物种和功能群多样性的影响随不同的群落而表现不同：物种丰富度、物种多样性、生活型多样性 和水分生态类型多样性除羊草杂类草群落外随放牧强度的加大而降低，但适度放牧增加了羊草杂类草群落的上述多样性指标。 群落地上现存量一般随放牧强度的增大而下降，但小针茅群落反之，主要与一年生植物猪毛菜的生物量迅速增加有关。除羊草群落外，0~10 cm 地下生物量随放牧强度的变化不显著;除大针茅群落外，放牧显著降低0~30 cm 地下生物量。 放牧影响下内蒙古草原植物群落生物量随水分生态类型多样性的升高而升高，其回归方程为：Y = 809 + 774x （R2=0.84, P<0.001），其中Y代表群落地上现存量和地下生物量之和，x代表群落水分生态类型多样性。 2 放牧对土壤种子库的影响 小针茅群落、大针茅群落、羊草群落和羊草杂类草群落土壤种子库组成中均以多年生杂类草为主，分别占各自群落种子库总物种数的40%、52%、54%和67%。 生活型功能群种子库密度除羊草杂类草群落外，均以一二年生草本占优势。中度放牧升高了除小针茅群落外多年生禾草种子库密度;放牧增大了小针茅群落和羊草杂类草群落一二年生草本种子库密度;除羊草杂类草群落外，放牧对多年生杂类草种子库密度影响不大;总种子库组成中，灌木半灌木和小半灌木种子库密度不大，不随取样时间和牧压而变化。 中度放牧种子库总密度最大，小针茅群落在重度放牧最大，主要是由于猪毛菜种子库密度在重度放牧突增所致。总体上，内蒙古草原4种群落在不同取样时间不同牧压下种子库总密度波动在20.8~3819.2粒/m2。 土壤种子库物种丰富度最大值一般出现在10月份，除羊草杂类草群落外，不放牧群落较放牧群落为高，中度放牧使羊草杂类草群落土壤种子库物种丰富度增加。中度放牧增加了小针茅群落、大针茅群落7月份和羊草杂类草群落各取样时间土壤种子库物种多样性。 3 地上植被与土壤种子库的关系 土壤种子库的优势种在特定时间特定放牧强度下与地上现有植被优势种一致，但一致率仅为三次取样时间不同放牧强度下总体的23.3%。 地上植被与土壤种子库物种组成相似性指数受不同取样时间的影响，一般的10月取样最大。不同放牧强度对二者间的相似性亦有影响，中度放牧提高了小针茅群落、羊草杂类草群落各取样时间和大针茅群落、羊草群落4月份的相似性指数。隔年二次萌发法提高了二者间的相似性水平。总体上相似性指数变动在0.1~0.75之间。 地上植被现存量、总密度与各取样时间土壤种子库总密度之间不存在显著的相关性。 4 对于估计土壤种子库密度、物种组成和确定种子库与地上植被间的关系，隔年二次萌发法对于弥补直接萌发法本身所具有的不足不失为一种有益的尝试。

京北农牧交错区植物功能型研究

植物功能型的研究是全球变化研究当中最重要的创新之一，作为新的研究手段，已经被广泛用来研究全球变化的影响。而关于不同植物功能型对全球变化的生理生态反应、植物功能型对全球变化的适应机制及植物功能型演变在全球变化中的作用等方面的研究报道却很少，相关方面的研究尚处于起步阶段，而这些恰恰是植物功能型研究的基本点和最终目的，尤其对于全球变化预测模型的研究具有深远的意义。因此深入开展区域环境或全球变化下植物功能型的变化和适应机制研究能为最大程度地获得全球变化对未来影响提供重要信息。 　　本研究中我们对京北农牧交错区的植物功能型（光合功能型和形态功能型）进行了研究。利用稳定性同位素判定法对锡林郭勒草原四种不同草地类型植物功能型进行了分析研究，在调查的125种维管植物中有4种C4植物，其中禾本科和藜科各有2种，C4植物约占该地区调查植物总数的3%，C3 植物为94%、CAM植物为3%。研究中发现利用稳定性同位素技术判定CAM类型存在一定的局限性，需要采用辅助实验进行补充。研究结果还表明自东向西，在草甸草原－典型草原－荒漠草原这一系列草原类型中随着降雨量的逐渐降低，植物种类组成逐渐降低，但C4/C3的比例却有升高的趋势，说明植物光合类型的组成与水分梯度相关。在相同的环境梯度下，多年生高禾草和多年生杂类草呈现显著减少的趋势;而一年生杂类草，多年生矮禾草、灌木和鳞茎类植物呈现显著增加的趋势。这些结果为我们预测该地区植物功能型对全球变化影响的响应提供了依据。 　　在北京北部农牧交错区对不同生境类型的植物功能型进行了研究，该区域有C4植物68种。具有C4 植物的科相对集中，主要分布在禾本科（29属43种）、莎草科（4属16种）和藜科（3属5种）。菊科、豆科和蔷薇科这3大科中没有发现C4 植物。C4植物约占该地区调查植物总数的9%，C3 植物为89%、CAM植物为2%。多年生高禾草和多年生杂类草的比例无论从生长条件良好的草地到沙地，还是从草地到弃耕干扰地都呈现显著下降的趋势，而一年生杂类草和一年生禾草的变化却呈相反的变化趋势。C4植物中一年生植物占的比例最大，而且各个生境中C4植物在一年生植物的比例均超过30%，这说明该地区各个生境植被都已有相当程度的退化。上述结果证明植物功能型能在不同生境尺度上反映土地利用的变化。 　　对典型农牧交错区（多伦县）植物功能型研究表明，在该地区调查的11个群落中有4种C4植物（2科3属），其中禾本科3种、藜科1种。 C4 植物约占该地区调查植物总数的4.5%，C3 植物为95%，CAM植物为0.5%。研究结果表明随着土壤水分含量的降低，C4 功能型以及一年生杂草、一年生禾草、多年生矮禾草对群落水分利用的贡献呈现出显著增加的趋势，而多年生杂类草和多年生高禾草则呈现相反的变化趋势。不同植物功能型的水分利用效率是一个相对稳定的指标，可能成为我们进行更大尺度水分变化分析的有力工具。多年生杂类草和多年生高禾草对维持该地区生态系统生产力以及稳定性具有至关重要的作用，随土壤水分的下降，二者的地位和作用均呈现下降趋势，因此可能导致该地区草地生态系统生产力和稳定性的持续下降。在植物功能型鉴定的基础上，分析了多样性与土壤水分和生产力关系，研究发现植物功能型多样性与土壤水分和生产力相关性更为显著。 　　对3个研究地点植物功能型的比较研究发现，就植物光合功能型而言，随降水量减少和温度降低，单子叶C4光合功能型比例呈现显著下降趋势，而双子叶C4光合功能型却呈现显著增加的趋势;植物形态功能型在区域尺度上没有而呈现出明显的变化趋势。研究表明植物光合功能型对于大尺度下环境因子的变化具有敏感的响应，而植物形态功能型可能更适合在中小尺度下研究环境的异质性以及土地利用方式的变化。 　　

三峡大坝的修建对库区动物的影响

世界上最大的大坝—三峡大坝―于2003年6月正式建成并蓄水，三峡水库的水位由蓄水前的84m上升至蓄水后的139m。三峡大坝的修建与蓄水，已经显著地改变了三峡库区陆地生态系统和水域生态系统的生态环境。三峡大坝的修建将如何影响生活在这一区域（包括陆地和水域）的野生动植物资源，是个亟待解决的问题。 对于陆地生态系统，三峡大坝的修建，使三峡库区的生态环境进一步破碎化（Fragmentation）和岛屿化（Island）。为了了解三峡大坝的修建对三峡库区野生动物所产生的影响，我们选择适应性强且对环境变化敏感的啮齿动物为研究对象，在三峡库区选取两个岛屿（洛碛岛和皇华岛）及其对岸为研究点，在野外调查了啮齿动物的群落组成、种群密度与分布，并用胃容物分析和稳定性同位素分析方法研究了两个研究点优势种啮齿动物的食物来源与组成。结果表明，两个研究点间啮齿动物群落组成有很大差异，这主要是由于啮齿动物分布的地域性差异引起的。在同一个研究点，岛屿上的啮齿动物群落组成与对岸的没有差异，但在岛屿上的啮齿动物种群密度却明显高于其对岸的，这说明随着库区水位的大幅度提升，岛屿的面积急剧减小，使原本栖息在水边的啮齿动物不得不向岛屿的中上部迁移，致使岛屿上的啮齿动物的种群密度迅速增加。啮齿动物的食物来源有四种：C3非豆科植物，C3豆科植物，C4植物及水生生物。不同种啮齿动物的食物种类组成也不同，四川短尾鼩（Anourosorex squamipes）的食物中有水生生物的组成成分，但其它啮齿动物食物中不含水生生物。不同食物来源在啮齿动物的整体食物中所占比例也不同，并呈明显的季节性变化，这种变化与田间的农作物种类密切相关。动物组织的稳定性同位素组成不仅可以示踪动物的食物来源，也反映了动物的生存状况。我们的结果显示：对岸啮齿动物的稳定性同位素组成相对集中，并且不同种啮齿动物间没有重叠。这一方面说明对岸啮齿动物的食物来源相对丰富，啮齿动物可以选择各自喜食食物，在此环境下的啮齿动物种间竞争相对较弱，至少是种间食物竞争较弱。岛屿上啮齿动物的稳定性同位素值分布范围远大于在对岸的，并且种间稳定性同位素组成有明显的重叠部分。稳定性同位素组成的重叠意味着有相似的食物来源，也即栖息生境相似。这说明岛上的啮齿动物种间存在较剧烈的食物竞争关系。在资源限制情况下，多种啮齿动物不得不利用共同的食物来源。换句话说，岛屿化过程将加剧岛屿上啮齿动物的种间竞争。 洛碛岛上的四川短尾鼩因为可以利用水生食物来源，这使得它在岛屿化过程中处于有利地位。随着岛屿化进程的加剧，四川短尾鼩在岛屿上的优势将更加明显。而皇华岛屿上的褐家鼠的食物来源单一，会因岛屿面积的进一步减小，食物来源更加缺乏，它们将不得不改其食物组成或面临消失。而白腹巨鼠的栖息环境靠近江边，将因水位的上升进一步上移，它们的栖息环境与普通田鼠的发生重叠，使得白腹巨鼠与普通田鼠发生栖息地的竞争与食物竞争，并面临更多的人为因素干扰。 对于水域生态系统，长江是我国最大的河流，也是我国淡水鱼类最丰富的区域。三峡大坝的修建已经显著改变了三峡库区的水文特征。为了了解三峡大坝的修建是否会改变三峡库区的有机物组成，并进而影响到三峡库区水生生物的食物来源和组成，我们选择了三个水文特征不同的研究点（洛碛江段、皇华城江段和茅坪江段）调查了三峡库区的常见鱼种类组成，并用稳定性同位素方法研究了三峡库区洪水前后的有机物组成变化与鱼类的食物网模型，用稳定性同位素划分了鱼类食物网结构及鱼类体长与其肌肉δ15N值间的关系。结果表明，三峡大坝的修建，已经显著改变了皇华城和茅坪江段的水文特征，同时也“干扰”了生活在这一区域的鱼类。适应于流水环境的鱼类在库区回水处和大坝附近几乎消失，而喜欢静态环境的其它鱼类却得到极大的发展，例如鲢鱼（H. molitrix）和草鱼（ C. idellus）。 洪水前后，三峡库区的有机物组成成分有明显改变。洪水前，水中有机物主要以河流自身生产力产生的有机物为主（浮游植物、藻类等）;洪水后，水中有机物主要以外来有机物为主（陆地植物、土壤有机物和从上游带来的有机物）。对于三个食物网模型：河流连续体模型（RCC）、脉冲模型（FPC）和河流生产力模型（RPM），河流生产力模型能更好的解释三峡库区的水生生物的食物来源，即三峡库区的水生生物的食物主要来源于河流自身生产力产生的有机物。但外来有机物作为水生生物的一种辅助食物来源，在洪水期间起到不可忽视的作用。 在本研究中，鱼类体长与其δ15N值间的关系与选取鱼的种类有关，比如南方大口鲇（Silurus asotus）的体长与其肌肉的δ15N值呈明显负相关关系（R2≈0.5），而鱖鱼（Siniperca）、铜鱼（Coreius guichenoti）和草鱼（Ctenopharyngodon idellus）的体长与其肌肉的δ15N值却呈正相关关系。 三峡库区常见鱼类主要以杂食性和广普性鱼类为主，食物网结构十分复杂。通过胃容物分析和稳定性同位素分析，三峡库区水生生物营养级间的判别值约为3.1‰。依据鱼类肌肉的δ15N值，三峡库区的常见鱼类可以划分为四个营养级：草食性鱼类（herbivorous fish）、初级杂食性鱼类（1ºomnivorous fish）、次级杂食性鱼类（2ºomnivorous fish）和食鱼性鱼类（piscivorous fish）。营养级间没有明确的分界限，鱼类的营养级从2到4.8，是连续分布的营养级结构，从而更真实的反映了自然界中动物的捕食关系和在食物网中的位置。 自然丰度变化的稳定性同位素(Stable isotope)作为一种天然的示踪物，在动物生态学上已经得到广泛应用。动物的稳定性同位素可以清楚的示踪动物的食物来源、食物组成、栖息地情况和生存状况等多种信息，结合传统的胃容物分析，或其它的粪便分析、储藏物分析等，稳定性同位素技术在动物生态学研究方面必将得到更广泛的应用。

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。

内蒙古典型草原群落和主要植物种对氮素添加和刈割干扰的响应

自然界中资源的异质性是普遍存在的，既有自然因素导致的，也有人类干扰导致的。在内蒙古草原，植物经常处在地上部异质性的干扰生境和地下异质性的养分生境中。植物的生物量生产反映了植物对不同生境的适应能力，而资源的分配策略是链接进化生态学和功能生态学的纽带。在变化的生境中植物可以通过改变资源分配的格局而适应环境的变化，获得较高的生物产量。但是，关于草原植物在生物量生产和资源分配上如何对异质性的生境做出响应迄今研究尚少。为此在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的长期围封样地（1983年围封），设计了氮素添加和刈割处理的小区实验，使植物处于不同的养分和干扰生境中。我们选择羊草（Leymus chinensis ，根茎禾草，群落优势种）、大针茅（Stipa grandis ，丛生禾草，群落优势种）、糙隐子草（Cleistogenes squarrosa ， C4 植物，群落常见伴生种）、木地肤（Kochia prostrate ，藜科半灌木，群落常见伴生种）、猪毛菜（Salsola collina，藜科一年生植物，群落常见伴生种）为对象对这一问题进行了研究。同时，以1979 年围封的羊草样地为对照，选择了比邻的刈割草场，就草原植物对长期刈割干扰的响应策略进行了研究。结果显示： 1. 氮素添加使植物群落生物量显著提高，而且高氮生境下群落生物量增加的幅度最大。从季节动态看，植物群落生物量对氮素添加的响应存在滞后现象，在植物进入快速生长期后，氮素添加的效应日趋明显。 2. 不同植物种群对氮素添加的响应不同，按照植物种群生物量的变化可以分为三种类型：极其敏感型 、敏感型和不敏感型。极其敏感型代表植物是羊草，氮素添加后其种群生物量显著增加。敏感型代表植物是糙隐子草和猪毛菜，前者种群生物量在中氮生境下显著增加，后者种群生物量在低氮生境下显著增加。不敏感型代表植物是大针茅和木地肤，氮素添加后，二者的种群生物量均无显著变化。 3．从生物量向地上和地下器官的分配来看，添加氮素后，一年生植物猪毛菜向地上器官分配的生物量的比例均显著增加；多年生草本植物羊草、大针茅和糙隐子草向地上器官分配的比例均没有发生变化；多年生灌木木地肤在中氮生境下向地上器官的分配比例增加。从生殖分配来看，多年生的C3植物羊草和大针茅和一年生的C4植物猪毛菜的生殖分配格局相对稳定，均未因氮素的添加而发生显著改变。多年生C4植物糙隐子草和木地肤在低氮生境中生殖分配比例显著增加。 4. 不同时间刈割对草原群落生物量影响不同。在牧草快速生长期刈割，群落生物量显著降低，当季能恢复，但影响翌年群落水平的生物量生产；而在牧草生物量最大期刈割，当季难恢复，但对第二年的植物的生长影响较小。 5. 刈割对不同植物的影响存在显著差异：C4植物＜C3植物，一年生植物＜多年生植物，牧草快速生长期刈割＜牧草生物量最大期刈割。 6. 面对不同时间的刈割干扰，草原植物的响应不同。在生物量向地上器官和地下器官分配方面：C3植物大针茅、羊草面对刈割干扰生物量分配分配格局相对稳定，变异较小；而C4植物的资源分配对刈割干扰响应敏感，因不同刈割时间其生物量分配格局不同。在生物量生殖分配方面：多年生植物（如羊草、大针茅、糙隐子草、木地肤）资源分配格局相对稳定，面对刈割干扰其生物量生殖分配格局无显著变化，而一年生植物猪毛菜对刈割干扰敏感，因刈割时间不同其生殖分配格局将随之发生变化。 7.长期刈割干扰下大针茅的种群生物量维持不变；而糙隐子草的种群生物量表现为显著增长的趋势。由于大针茅的株丛生物量显著降低，糙隐子草无显著变化，长期刈割干扰下两种植物种群生物量的维持或增加都是因为密度的显著提高。因此，密度调节是两种植物实现种群调节的重要机制。 8. 长期刈割干扰下大针茅的丛面积和单株分蘖数均无显著变化，表明大针茅非生殖株丛密度的增加不是以降低单个非生殖株丛的大小为代价的，而是通过减少生殖株丛的密度来实现的。而糙隐子草丛面积降低，但是单株分蘖数无显著变化，说明糙隐子草密度增加的过程中，单个株丛占据的营养面积减少了，但株丛的生长状况没有受到显著影响。 9．面对长期刈割干扰，两种植物对无性繁殖和有性繁殖过程采取了截然相反的调整策略。大针茅显著提高了非生殖株丛的密度和相对密度，显著降低了生殖株丛的相对密度，而且降低了对有性生殖过程的生物量分配的比例。糙隐子草显著增加了生殖株丛的密度和相对密度，而且增加了对有性生殖过程的生物量分配的比例。面对刈割干扰两个植物种在繁殖策略上的逆向调节，可能是它们在刈割干扰梯度上能够相互取代的重要原因。

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。

苏铁叶绿体的超微结构和功能及对CO2浓度倍增的响应

本研究首次揭示了七种苏铁类植物叶绿体的超微结构。即苏铁科(Cycadaceae)的攀枝花苏铁(C. panzhihuaensis).苏铁(C. revoluta)、叉叶苏铁(C.micholitzii)、 刺叶苏铁(C.rumphii和多歧苏铁(C.multipinnata)，蕨铁科(Stangeriaceae)的蕨铁(Stangeria eriopus)和泽米科(Zamiaceae)的米德尔堡大苏铁(Encephalortos middelburgensis).根据它们叶绿体内膜结构的不同将其大体分为两种类型：1、阴生型叶绿体：多歧苏铁和刺叶苏铁为此类型，它们的叶绿体类囊体垛叠程度高，基粒垛较宽，单个基粒中类囊体的数量很多，有的甚至上百;2、阳生型叶绿体：攀枝花苏铁、米德尔堡大苏铁、苏铁、蕨铁和刺叶苏铁以及外类群的凤尾蕨(Pteris vittata)的叶绿体均有阳生型叶绿体的特征：类囊体膜垛叠程度低，基粒较小。根据它们叶绿体的结构特征，又将其分为两组： ( 1)攀枝花苏铁，米德尔堡大苏铁和叉叶苏铁叶绿体中均有类囊体膜膨大的现象： (2)苏铁和蕨铁在苏铁类中是比较原始的种类，它们的叶绿体与在系统进化上较苏铁类低等的凤尾蕨的叶绿体中都有几个基粒聚集成簇的现象，说明苏铁类在进化的同时一些较原始的性状仍保留了下来。这些苏铁都在温室相同的条件下生长了两年多，但它们的叶绿体结构仍然能够反应原产地生境特点，说明在长期进化中，叶绿体对环境的适应方式已在基因水平上稳定下来，苏铁类植物不同叶绿体结构的形成有其遗传基础。 多歧苏铁，攀枝花苏铁，叉叶苏铁的叶绿体膜垛叠程度依次降低，与此相应，它们的chla/b和F730/F684依次升高，反应了结构与功能的一致性。 选用具有阳生型叶绿体的攀枝花苏铁和有阴生型叶绿体的多歧苏铁用不同的C02浓度（350 umol mol-l和700umol mol-l）处理后观察其叶绿体结构的变化，结果发现C02浓度倍增对它们的叶绿体影响甚微，而作为对照的无论是C3植物小麦(Triticum italica)还是C4植物谷子(Setaria italica)在C02倍增的条件下叶绿体内均有大量淀粉粒积累，并有膜结构改变。这说明苏铁的叶绿体结构有保守性，这有可能是苏铁类能历经亿万年的沧桑而生存下来的结构基础之一。

三种萝藦科植物中C21甾类成分的研究

　　本实验对三种萝藦科植物通光散(Marsdenia tenacissima)、黑水藤（Biondia insignis Tsiang）和徐长卿（Cynanchum Paniculatum）中的C21甾体化合物进行了研究。从通光散藤茎乙酸乙酯提取物的水解产物中，分离得到两类八个C21甾类甙元。经光谱鉴定，它们的结构分别为11α-O-(2-甲基)-丁酰基-12β-O-顺芷酰通光藤甙元乙（1），11α-O-乙酰基-12β-O-乙酰基通光藤甙元乙（2），11α-O-（2-甲基）-丁酰基-12β-O-乙酰基通光藤甙元乙(3), 11α-O-苯甲酰基-12β-O-乙酰基通光藤甙元乙(4)， 11α-O-顺芷酰基-12β-O-乙酰基通光藤甙元乙（5）11α-O-顺芷酰基-12β-O-顺芷酰基通光藤甙元乙（6），12β-O-乙酰基通光藤甙元甲（7）和12β-O-顺芷酰基通光藤甙元甲（8）。其中，化合物2和8为新化合物。从黑水藤乙醇提取物的水解产物中，分离得到了两个C21甾体化合物。经1D、2D NMR技术鉴定，分别为（3β，14β，15β，17β）-3, 14-二羟基-15，16-裂-孕甾-5-烯-15-醛-16-半缩醛-20-酮（1）和白前甙元C（2）。其中1为15，16-裂环的新骨架类型的C21甾体化合物，命名为黑水藤甙元甲。从采购于昆明、浙江、湖南三地药材市场的徐长卿的根及根茎中，分离得到了18个化合物（其中昆明徐长卿6个，浙江徐长卿9个，湖南徐长卿3个）。经光谱数据分析，这些化合物被鉴定为：cynapanoside-C (1), cynapanoside-A (2), 白前甙元B 3-O-β-D-磁嘛吡喃糖甙(3)，白前甙元C 3-O-β-D-葡萄吡喃糖基-(1 → 4)-α-L-2-脱氧洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-夹竹吡喃糖甙（4），白前甙元C3-O-β-D-葡萄吡喃糖基-(1 → 4)-α-D-夹竹桃吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-洋地黄吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-夹竹桃吡喃糖甙（5），白前甙元C 3-O-β-D-葡萄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-葡萄吡喃糖基-（1 → 4）-α-D-夹竹桃吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-夹竹桃吡喃糖甙（6），cynatratoside-B (7)，cynatratoside-C (8);glaucoside A(9)，新白薇甙元B 3-O-β-L-磁嘛吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-洋黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-夹竹桃吡喃糖甙（10），白前甙元 A 3-O-α-L-磁嘛吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-磁嘛吡喃糖甙（11），白前甙元 B 3-O-α-L-磁糖基吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-磁嘛吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-磁嘛吡喃糖甙(12)，白前甙元D 3-O-α-L-磁嘛吡喃糖基（1 → 4）-β-D-洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-磁嘛吡喃糖甙（13），白前甙元 C 3-O-β-D-葡萄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-葡萄吡喃糖基-（1 → 4）-α-L-2-脱氧洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-磁嘛吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-夹竹桃吡喃糖甙（14），白前甙元 C 3-O-β-D-葡萄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-葡萄吡喃糖基-（1 → 4）-α-L-磁嘛吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-夹竹桃吡喃糖甙（15），白前甙元 B 3-O-α-D-夹竹桃吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-洋地黄吡喃糖基-（1 → 4）-β-D-磁嘛吡喃糖甙（16），白前甙元 D 3-O-α-D-夹竹桃吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-洋地黄吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-磁嘛吡喃糖甙(17)，白前甙元月B 3-O-α-L-磁嘛吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-洋地黄吡喃糖基-(1 → 4)-β-D-磁嘛吡喃糖甙（18）。其中，化合物3-6，10-18为新化合物，10的甙元为一个新甙元，命名为新白薇甙无B。

光合放氧结构与机理的理论探索

光合放氧研究近十年来已有重要进展，但在该领域仍有很多重要问题待研究。本论文工作主要是对光系统氧化侧与光合放氧密切相关的组分的结构和性能进行理论和模拟研究，工作可概括如下： (一)、放氧中心结构和性能的探索。 1、对放氧中心Mn202单元与配体组氨酸、H2O和Cl等结合方式的理论研究显示：(a)、组氨酸和H20分子均可能与Mn202平面垂直，彼此保持较大的距离，且结合在不同的Mn离子上;(b)、2个H2O分子可能结合在不同Mn202单元上。 2、对Mn簇核心骨架的理论研究显示有必要引入新的Ca、Cl结合方式，以防止因两个Mn202单元线性化而导致2个H2O分子结合位点远离。 (二)、次级电子给体Tyr_z和Tyr_D的结构与功能。 对次级电子给体Tyr_z和Tyr_D进行精确量子化学研究显示：(a)、在中性条件下，Tyr_D和Tyr_z均只与组氨酸通过氢键作用;(b)、当失去电子后，结构发生明显变化，导致正电荷主要集中在组氨酸上，自由基主要集中在Tyr上;(c)、第三组分(H_20分子或羧基等)的引入使中性体系不容易给出电子;(d)、结合最新文献报导，推测Tyr_D~+和Tyr_z~+除与组氨酸作用外还可能分别与水和羧基作用。 (三)、原初电子给体的理论和模拟研究。 1、对紫细菌原初电子给体P_(870)的理论研究显示：(a)、双分子结构比单分子结构稳定;(b)、电荷分离之后，原初电子给体原有的空间结构不再是稳定的构型，它会向能量和化学活性均更低的构型转变。在光合细菌的原初电子给体P870中，这种转变可通过C3位的乙酰基旋转使其氧原子与另一个细菌叶绿素分子的镁原子相互作用使P870+•的总能量和化学活性明显降低。推测这种构型转变对于防止原初反应过程中的电荷重组、维持光能的高效转化有重要意义。提出了原初反应过程中结构动态变化的新观点，利用这一观点可对光合细菌原初反应动力学研究所观测到的慢过程及蛋白质微环境对原初电子给体和原初反应都有重要影响等实验现象给予较好的解释。 2、对光系统II原初电子给体P680的结构进行理论探讨，提出了两个叶绿素a分子平面间夹角为50.0±2.5°时能量最低的夹角模型。 3、采用N-甲基咪唑(C4H6N2)模拟生物体内的组氨酸，通过观测CCL4中的Chla与C4H6N2反应的吸收、CD和MCD光谱得到以下结论：(a)、在纯CCL4中，每个Chla处于5配位状态，Chla形成不对称的双聚体，彼此之间存在较强的偶合作用。提出两个Chla通过不等价的2个Mg-O配位键(O分别来自于C131位的酮基和C17位酯基的C=O)连接为紧密双体结构;(b)、当C4H6N2／Chla = 0.5和1时，其吸收、CD和MCD光谱均发生明显变化，两个Chla之间的偶合作用明显减弱，但此时仍为双聚体。推测C4H6N2首先取代原紧密双体结构中Mg-O酯键，进而取代Mg-O酮键，最后两个Chla分子通过两个Mg…O弱相互作用连接为松弛的双体结构，该模型与理论获得的P_(680)的结构相似。 在上述研究的基础上，提出了包括放氧中心外围配体和TyrZ在内的放氧中心结构新模型。在新结构模型中，2个H2O分子不对称地结合于“C”形结构开口端两个低价的Mn1II和Mn4III上，并保持较大距离;两个组氨酸的咪唑环通过N原子与两个高价的Mn2IV、Mn3IV结合;Cl结合于MB4TM，并与Ca相连;Ca通过O桥和COO-相连使两个Mn202单元保持特定空间构型。TyrZ通过组氨酸(D1-His190)与Mn簇作用。此外，新模型尝试着在O桥上引入质子。放氧中心结构及其邻近环境(包括TyrZ和TyrD)整体处于中性状态。 同时还提出了新的放氧机理，认为电子和质子的释放非同步进行，并首次明确提出两个水分子的不对称氧化和结构动态变化等观点。认为Ca在维持放氧中心的结构方面担负重要作用，C1与Mn离子之间的亲核作用变化是放氧中心结构变化的关键。