土地利用历史及管理对内蒙古典型草原群落结构的影响

在内蒙古典型草原农牧交错区多伦县境内，进行了土地利用历史和管理对群落结构演变影响的研究。探讨了模拟降雨和添加N、P对草地群落结构的单因子效应和互作效应。土地利用历史选择了围封禁牧和弃耕两种。弃耕地的弃耕历史为4年，围封禁牧分别为围封1年和围封4年。研究在2005年进行了一年，主要研究结果如下： 1. 在内蒙古典型草原地区，土地利用历史对物种丰富度、植被盖度的影响不大，但对物种分布均度、植被高度影响显著。弃耕地的物种分布均质性较差，但植被高度高于围封草地。弃耕地的物种多样性指数、枯落物覆盖度低于围封草地，围封草地中围封4年的又低于围封1年。 2. 增雨对内蒙古典型草原群落的物种丰富度无显著影响，但利于植被盖度和植被高度的增加。增雨也使得群落的枯落物覆盖度和空地覆盖比例下降。在获得水分的条件下豆科植物的扩张速度快于禾本科植物，表现出了群落结构分异的趋势。 3. 添加N素和P素没有引起群落物种丰富度的明显变化，但添加N素利于物种数目增加。添加N素还使得草地植被盖度增加、枯落物覆盖度和空地覆盖比例下降，但添加P素没有产生类似的效果。添加5g/m2 以上的N就会引起内蒙古典型草原枯落物覆盖度的显著降低。添加N素后，禾本科植物盖度增加，但豆科植物响应不强烈;添加P素后，豆科植物盖度增势明显。因此，豆科植物对P素反应敏感，而对N素渴求不强烈。 4. 水、N、P交互对物种丰富度和植被高度影响都不大，但都有促使植被盖度增加、枯落物覆盖度和空地覆盖比例下降的趋势。水、N、P交互还使得禾本科盖度增加，但除水、P交互外，各交互组合对豆科植物盖度的影响都不大明显。 综上所述，土地利用方式和管理是内蒙古典型草原群落结构演变的重要驱动力。在当今人类活动日益加剧的形势下，天然植被受人为的干扰越来越大。如何保护内蒙古典型草原的植被，是许多研究者共同肩负的重任。

内蒙古草原温度梯度上3个典型群落的能量平衡研究

通量测量点的能量收支总是表现出不平衡，即使在地势平坦、植被分布均一、稀疏植被下垫面的情况下也有约30%的能量失衡状况。能量平衡闭合 (EBC) 问题在验证涡度相关系统质量方面，得到了广泛的关注。实验在内蒙古草原3个地点，通过涡度相关系统附近移动能量平衡系统的测定手段，采用能量平衡余项法和最小二乘 (OLS) 线性回归法，研究了土壤热通量、净辐射及可供能量空间变异对能量平衡闭合的影响。 结果显示，EBC 在三个研究点的平均余项为8~19 W m-2，OLS 斜率为0.83~0.96。EBC 在土壤湿润情况的站点要高于干旱站点。 土壤热通量的空间变异三站点平均为白天48 W m-2 (占同时间 Rn 的13%)，夜间15 W m-2 (34%)，平均29 W m-2 (24%)。通过8个工作站的测量，这个变异会造成9% (从0.93到1.01) 的 OLS 斜率差别。夜间的能量平衡不闭合可以由土壤热通量的空间变异解释。如果在本研究的的三个草原站点上忽略了土壤热通量，则会造成较大的余项 (峰值时110 W m-2) 产生，从而使 OLS 斜率增大23%。特别是通量板埋置在地面以下30 mm处时，上层的土壤热储部分占到全部土壤热通量的50%，这不仅影响到 EBC 的大小，更起到调节土壤热通量与“真实的波形” 相一致的作用。如果该部分热储被忽略掉，EBC 余项会增加60 W m-2，OLS 斜率也会变化 (减少) 9%。用大尺度多点测量与涡度塔附近的小尺度测定相比较，后者表现出稍高的闭合率，即 OLS 斜率增加4%。 相对于土壤热通量，净辐射的空间变异较小，三站点平均为白天17 W m-2 (5%)，夜间7 W m-2 (13%)，平均 12 W m-2 (5%)。可以引起3% (从0.88到0.91) 的 OLS 斜率差异。研究结果还表明，风速校正应该在 Q7.1 净辐射仪中应用，校正后的结果与 CNR1 的结果在白天有吻合较好，但在其它时段仍有较大差异，特别是在夜间，风速校正基本不起作用，使得两种仪器间差异达20 W m-2。比较表明，风速校正可以提高白天 Rn 的6%，仅降低夜间0.3%。因此，无论是用余项法还是用 OLS 线性回归法，在比较使用不同仪器的站点间的闭合状况时 (本研究的结果适用于草地 Q7.1 与 CNR1 间的比较)，可以用9：00-15：00 h 时段的数据进行比较，这样可以避免因使用不同仪器的差异所造成的影响。用该时段的数据进行比较，仪器间的差异余项法小于6 W m-2，OLS 法小于3%。 受可供能量空间变异影响，三个站点平均 EBC 的不确定性为白天66 W m-2 (19%)，夜间23 W m-2 (50%)，平均42 W m-2 (36%);或者改变 OLS 斜率11%。用最大值和最小值来衡量，EBC 最大不确定性，正午时在站点 I、II 和 III 中分别为81，114和91 W m-2。故在探讨能量平衡和能量平衡闭合问题时，必须充分考虑到这种不确定性，否则会产生偏差，或者得出错误结论。 研究还表明，即使考虑到白天所有可供能量的最大不确定性，仍然不能使能量平衡闭合。中午 (12：00 h)，站点 I，II 和 III 仍然有14±15，48±12和47±14 W m-2 的失衡不能够归因于可供能量的空间不确定性。因此，其它影响因素也需进行细致的探讨。 在两站点不同测量深度土壤热通量结果的差异性比较实验中，无论在站点 I 还是 III，均表现出一致的结论，即随通量板布置深度加深，其测量结果会越高，与浅层布置的相比，差别可高达150 W m-2。深层土壤热通量的计算仍是个难题，需进一步研究。 在不同植被结构对净辐射测定影响的实验中发现，随刈割强度增加，一天中大部分时间净辐射均减少。正午依次为413，395和388 W m-2。无论正午还是全天合计，重度刈割地点的净辐射均比不刈割对照处理少6%，而且，在整个生长季也少6%，约合40,000 W m-2。测量高度不同，不同处理间对测定结果影响不同：刈割处理中，由于下垫面较均一，结果相差不显著;而对照则表现出较高的差异，用两配对样本T检验表明差异达到极显著 (P<0.000，9:30-15:00 h data)。当使用不同新旧程度的 domes 时，对净辐射结果会产生明显的影响。新 domes 的测量结果白天明显高，晚上明显低，使用了11个月的旧 domes，峰值时，白天低估25 W m-2，晚上高估10 W m-2。说明该差异在进行能量平衡闭合计算时，不能忽略。而全用新的和全用旧的进行比较，晚上仅有2-3 W m-2差异。 考虑生态系统中非生物因子对干扰条件下生物多样性动态和功能的影响，有助于更精确地阐明生物多样性-稳定性功能的关系。为此，设计了一个单因子刈割实验——内蒙古地区一种广泛存在的土地利用方式。主要目的是研究不同强度刈割影响下，微气候变量特别是能量平衡各分量和群落结构的变化及二者的关系。连续4年刈割，占第一位的优势种明显由低矮半灌木冷蒿 (Artemisia frigida) 取代了高大丛生禾草克氏针茅 (Stipa kylovii)。重度刈割下，针茅的盖度、生物量和丛重，群落叶面积、绿色生物量、凋落物量和群落高度一致低于轻度刈割/不刈割处理。微气候由于群落特征的这些变化也呈规律性变化。与对照相比，重度刈割降低了生长季土壤含水量的47.5%，但中午和日均土壤表面温度分别增加了7.4和1.2 °C，并且增加地表下2 cm土壤温度日较差 (日最高与最低温度之差) 4.2 °C。刈割处理由于凋落物少、反射强而表现出较低的净辐射，但土壤热通量显著提高，表现为土层加热和冷却快。因此，重度刈割处理较对照降低了可供能量8%，约合52,000 W m-2 。不同刈割强度间来看，NPP 或 LAI 与土壤热通量和净辐射的比值 (G/Rn) 以及波文比 (H/LE) 间呈负相关。重度刈割处理感热通量显著提高，但潜热通量在处理间差异不显著，表明未刈割处理虽然冠层伸展大，但是并没有导致更大的水分亏缺。未刈割处理增加了抵抗物种改变的能力，而刈割处理在连续一年一割的第四年显著增加了物种数，可能与因刈割影响而导致的群落结构与微气候的改变有关。本研究表明，未刈割处理可以减轻高温干旱季节的高温和干旱胁迫，表现出对环境变化的高抵抗性。未刈割处理的凋落物层和较高的垂直结构所形成的遮荫，可以形成一个阻挡蒸发的篱笆，这是维持其水分的保证。因此，为了恢复退化草原生态系统功能，需要修复能导致微气候变化的植物群落结构，否则难以成功。 本研究立足于原创性的实验研究，在中国特有的自然草原生态系统上开展，结合不同温度梯度的三地区涡度相关系统进行了能量平衡闭合的移动比较实验，以及结合常用土地利用方式的定点能量平衡实验。在翔实的数据基础上，为涡度相关方法的陆地表面能量平衡失衡问题提供了解释。增加了对两个主要能量流——土壤热通量和净辐射空间变异规律的认识，研究对于能量平衡和湍流通量相关研究是有价值的。在三个代表性地区首次利用多个净辐射仪和土壤热通量板的结果与三个标准的涡度相关系统进行了比较，这类量化失衡原因的相关研究应受到高度重视并进一步拓展，以提高对能量失衡的认识，进而推进水热和碳循环研究向更深层次发展。

中国都江堰地区两种林龄森林中外生菌根真菌的多样性

外生菌根是重要的菌根类群，在自然界中分布广泛。外生菌根真菌参与了生物地球化学循环，是森林生态系统中的重要组分。由于外生菌根真菌的宿主植物通常是一些生态系统的优势种和建群种，并且这些真菌还参与了许多森林生态系统的有机和无机元素循环、物种的竞争和共存、生物多样性的维持、生态系统的演替等过程，因而对外生菌根真菌的研究有助于对这些生态系统维持和演替机制的深入理解。作者在中国四川都江堰地区选择了两个不同林龄的森林，应用分子生物学方法，研究了它们的外生菌根真菌群落组成。比较分析了两种年龄亚热带森林下真菌群落的物种组成、密度和多样性的差异，并分析了外生菌根真菌群落与宿主植物群落之间的相互关系，主要研究结果如下： (1) 用分子方法(巢式PCR, RFLP和DNA测序)鉴定了87个土样中的ECM真菌。共检测到70种真菌，属于13目21科30属，其中,子囊菌门5目6科6属8种,担子菌门8目15科24属62种。在担子菌门中，革菌目、红菇目和伞菌目三个目的真菌为常见种。 (2) 成熟林的ECM真菌物种数、密度和物种多样性都显著高于幼林。 (3) 少数几种ECM真菌在群落中占绝对优势，而大多数种类的相对多度和相对频度都较低。重要值（IV）至少在一个样地中大于4.0％的真菌共有12种。成熟林中，IV大于4.0％的ECM真菌有8种，分别是：Russula sp.01，Tomentella sp.01，Tomentella sp.04，Tomentella sp.05，Boletales-01，Lactarius sp.01，Tricholomataceae-01，Leptodontidium sp.01；幼林中IV大于4.0％的真菌有6种，分别是：Lactarius quietus，Russula sp.01，Tomentella sp.01，Tomentella sp.02，Tomentella sp.03， Trechisporales-01。 (4) 成熟林与幼林中的优势属有所不同，成熟林以绵菌属和红菇属最丰富，幼林以乳菇属最丰富，其次是绵菌属和红菇属； (5) ECM真菌群落与乔木群落关系密切，ECM真菌群落物种多样性随着菌根乔木群落物种多样性的增加而增加；ECM群落密度随着非菌根乔木群落密度的增加而降低；ECM群落物种数随着非菌根乔木群落物种数的增加而降低。 (6) ECM真菌群落间的相似性与菌根乔木群落间相似性之间呈显著正相关，即，菌根乔木群落之间越相似，则菌根群落之间也越相似；ECM群落间的相似性与非菌根乔木群落间的相似性之间无相关性。

内蒙古典型草原的群落物种组成对割草、施肥、増雨以及加热的响应

随着温室气体的大量排放、土地利用方式的改变以及气温的逐步升高，全球变化对自然生态系统的影响也日益加强，全球变化背景下植物群落物种组成的改变能够引起整个生态系统功能的变化。本论文的研究以内蒙古多伦县十三里滩全球变化多因子实验基地为依托，研究割草、施肥、増雨以及红外加热对内蒙古温带典型草原群落物种组成的影响。本研究采用传统的植物调查方法，比较样方中所有物种和功能型的变化，最终揭示植物群落结构对上述四个处理的响应状况。 研究结果表明：氮素作为中国北方典型草原生产力的重要限制因子，增加了禾草优势物种克氏针茅和冰草的盖度，提高了禾草植物盖度和群落总盖度。施磷提高了群落中豆科植物的盖度。 种群水平上，割草提高了乳白花黄芪、苔草和冷蒿等矮小植物盖度；群落水平上，提高了群落总盖度，增加了群落的物种数。但是仅仅在施氮处理下，割草显著地影响了种群和群落水平的指标。 除了氮以外，土壤水分含量也是草原生态系统的限制因素之一。虽然不同增雨方式之间对群落的影响无显著差异，但是增雨都显著地增加了群落中禾草植物和群落的总盖度。在氮肥处理样地，增雨对禾草植物的正效应更加显著。增雨单独对群落的物种丰富度没有显著的影响。 加热减少了土壤水分含量，降低了群落物种数和群落的总盖度。加热提高了群落中非禾草杂类草的比例，降低了群落中禾草植物的比例。 总之，土壤水分和活性氮含量左右了草原植物群落的物种组成。全球变化的四个主要驱动因子正是通过影响生态系统中水分和氮的有效含量来影响群落结构。施氮和增雨降低了土壤水分和氮含量的限制，割草、加热增强了土壤水分和氮的限制。基于四个驱动因子对草原生态系统相反的作用和影响，有必要进行长期的控制实验，充分了解全球变化下，内蒙古典型草原群落物种组成的变化规律。

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。

火烧、施肥、刈割及其交互作用对草原土壤净氮矿化的影响

我国北方温带草原地处干旱半干旱区，是欧亚大陆草原生物区系的重要组成部分，也是我国重要的畜牧业生产基地。土壤氮素作为陆地植物生长和生态系统初级生产力的主要限制因子之一，了解其矿化和可利用性对各种人为干扰因素的响应，有助于我们充分认识草地退化机理，维持草场生产力并进一步促进畜牧业的可持续发展，为草地恢复、重建和维护提供理论依据。本实验在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的多年围封退化样地，分别实施了火烧、施肥、刈割及其交互作用的人为干扰处理，利用原状土野外培养的方法，在两年时间中，研究不同的人为干扰因素（火烧、施肥、刈割及其交互处理）对土壤净氮矿化作用的影响。 火烧显著影响草原的氮循环过程，季节和年际的气候变化参与调节氮循环对火烧处理的响应。多年围封后的初次人工火烧处理显著降低了第一个生长季（2006 年生长季）和其后冬季的土壤净氮矿化速率，但是，火烧处理仅在冬季对土壤无机氮含量产生显著降低作用；2007 年生长季，火烧处理对土壤净氮矿化速率和土壤无机氮含量没有显著作用，但是在个别月份，不同的火烧频率对土壤净氮矿化速率和无机氮含量的影响表现出差异。2006 年生长季，未火烧样地和火烧样地净氮矿化积累量分别为3.07±0.26 g N m-2 和2.18±0.21 g N m-2；冬季，未火烧样地和火烧样地净氮矿化积累量分别为1.18±0.25 g N m-2 和0.51±0.08 g N m-2；2007 年生长季，未火烧样地（BC）、每年火烧样地（B1）和两年一烧样地（B2）净氮矿化积累量分别为1.32±0.21 g N m-2、0.54±0.30 g N m-2 和 0.77±0.24 g N m-2。较为湿润的2006 年生长季的净氮矿化积累量显著高于较为干旱的2007 年生长季，冬季也存在相当丰富的净氮矿化积累量。我们推论，长时间围封后的单次火烧处理对土壤净氮矿化作用的影响可能是短效的，但是年际间气候变化对土壤净氮矿化作用影响显著。 施肥显著提高了土壤的无机氮含量，并且与施肥梯度呈显著正相关关系。施肥对土壤无机氮含量的影响具有累加效应，第一次施肥和第二次施肥后的首次取样，+N5.25 、+N17.5 、+N28.0 三个施肥梯度的样地土壤无机氮含量比未施肥样地分别高出56%、219%、1054%和514%、891%、1811%。施肥处理在2006 年和2007 年对土壤净氮矿化作用都没有显著影响，仅在2007 年的个别月份有一定效果。以上结果说明，无机氮肥的添加可以明显提高土壤中无机氮的含量，满足植物生长的需求，但对于土壤氮转化过程的影响可能还要受其它环境和生物因子的制约。 刈割对土壤无机氮含量和净硝化速率没有显著作用，对土壤净氮矿化速率仅在个别月份表现显著效果。2007 年生长季，未刈割样地和刈割样地净氮矿化积累量分别为1.32±0.21 g N m-2 和1.08±0.35 g N m-2，不存在显著差异。我们推论，长期围封后的单次刈割处理在短期内对生长季的土壤氮动态仅有微弱影响，并且这种效果还可能受水分因素的制约。 火烧、施肥、刈割的交互处理在2007 年生长季对土壤无机氮含量产生显著作用，但是，对土壤净氮矿化速率和净硝化速率没有显著效果，然而，在不同的取样时间，火烧、施肥、刈割的交互处理对土壤无机氮含量、净氮矿化速率和净硝化速率的影响存在显著差异，说明火烧、施肥、刈割的交互处理对土壤无机氮和净氮矿化作用的影响可能受各种环境因子的制约，尤其是在水分相对缺乏的半干旱内蒙古草原，非生物因子和生物因子可能共同影响着土壤中的氮平衡。 本研究初步分析了长期围封后火烧、施肥、刈割及其交互处理对土壤净氮矿化的影响，初步探究了人为干扰和环境气候变化对土壤可利用性氮的调节作用，为科学地进行禁牧、割草、人工养份添加等草原管理提供了数据支持。

植物根系、根区微生物对大气CO2浓度倍增的反应及其生态学意

预测下世纪中叶，大气CO_2浓度将高到目前的两倍（即达到700μ1•1~(-1)）。CO_2倍增对植物地上部的影响已经有了较多的研究，胆是由于方法学上的困难，至今关于倍增CO_2对植物根及根区微生物的研究仍是非常匮乏。本文应用国际上最新的根研究方法，以根系为中心，研究开顶式CO_2C熏蒸培养室中，CO_2倍增条件下根系与地上部，根系与根区微生物[共生的泡囊－丛枝菌根（VAM）真菌，非共生的土壤微生物]的关系。 1. CO_2倍增对根系的影响目前CO_2倍增对根系影响的研究多集中在根生物量的测定，或根／冠比值的测定，而善于其它参数如根长度则很少涉及，而根表面的反应目前还未见文献报道。本实验以幼苗期小麦“青323”（Triticum aestivum）、水稻“中作 29”(Oryza sativa)、大豆“科农4号”（Glycine max）、玉米“农大3138”（Zea mays）、甜高粱“M－81E”（Sorghum saccharatum）为材料，研究CO_2倍增对植物生物量的影响，发现CO_2倍增使C_3植物水稻、大豆的地上部、根系干重均显著增加，使小麦的根系干重显著增加，地上部无显著差异;C_4植物玉米和甜高粱的地上部和根系均没有显著反应。植物干重反应资料表明在光合产物的分配方面，C_3和C_4植物之间存在巨大的差异。 为了解根系获取土壤资源的能力的变化，我们对根系总长度和总表面积进行了分析。用样格交叉法研究根系长度的变化，结果显示，幼苗期的小麦、大豆的根系长度均被显著促进，尤其值得注意的是，尽管玉米根系干重没有显著改变，但是根长度已发生显著变化。同时应用研究根系表面积的最新方法－Na NO_2吸附法，研究发现幼苗期小麦、水稻和大豆的根系表面积在CO_2倍增条件下均显著增加，C_4植物玉米的根表面积亦有显著增加，但甜高粱的根表面积却没有显著反应，这说明即使在C_4植物类型中，根系表面积的反应在不同物种间仍存在很大差异。由于根长度和根表面积增幅大于根干重的增幅，所以推断在CO_2倍增条件下，植物根系细根比例增加，这有利于植物获取更多的养分。由于不同植物之间根系的反应不同，这将改变群落中原有的根系竞争关系，从而影响群落中物种的组成。 2. CO_2倍增对VAM真菌侵染强度和活力的影响本文应用NBT染色法，并结合浸染强度等级和活力等级标准，首次对CO_2倍增条件下，植物VAM真菌的侵染强度和活力的变化进行了检测。对比常规的酸性品红乳酸甘油法和NBT法，发现两者在显示侵染强度时元显著差异，但后者能同时用于侵染活力等级的研究。对幼苗期大豆以及不同生长期的小麦和玉米根系VAM真菌的侵染强度和活力进行观测，结果显示，倍增CO_2对大豆的侵染强度和活力均没有显著效应;使幼苗期玉米的侵染强度显著增加，但侵染活力无显著差异，但随生长期的推移，侵染强度所受的CO_2倍增效应逐渐减小，与14天苗龄（DAP）和35DAP相比，侵染活力在22DAP时所受效应最大;使10DAP小麦的VAM侵染强度和活力均显著增加，而且这种效应在30DAP小麦中的表现与10DAP小麦的相同。说明C_3、C_4植物中，菌根真菌对CO_2倍增反应不同，这也许是C_3、C_4植物对CO_2倍增反应不同的原因之一。倍增CO_2改善了VAM真菌的发育，所以较之于非菌根侵染植物，菌根侵染植物将因为CO_2倍增而获益更多，另一方面不同种植物中，VAM真菌的发育反应不同，这将使植物群落中，根系获取无机营养的竞争能力发生变化，最终影响植物群落的物种丰度和生物多样性以及群落的演替。 3. CO_2倍增对非共生土壤微生物的影响CO_2倍增使生长70天的小麦、垂柳（Salix babylonica）、藜(Chenopodium album)、繁穗苋（Amaranthus cruentus）品种“红苋K112”的地上部和根系的生物量增加。以这些植物所在土壤为材料，用氯仿熏蒸直接提取法研究土壤微生物生物量C（C_(mic)）和生物量N（N_(mic)）的变化，发现CO_2倍增尽管使各类型植物的C_4植物）土壤中C_(mic)的变化趋势不完全相同（小麦和藜所在土壤的C_(mic)下降，垂柳中C_(mic)升高，而在繁穗苋中无显著差异），但N_(mic)在各物种所在土壤中均有不同程度的上升，在繁穗苋中增幅最大。C_(mic):N_(mic)比值在4个物种所在土壤中均明显下降，这意味着CO_2倍增后在植物生长后期，土壤微生物活性提高，分解植物凋落物和土壤中其它有机质的能力加强，从而改善贫瘠土壤中有机质质量。 4.CO_2倍增对植物呼吸和光合作用及C素积累的影响 1）CO_2倍增对植物暗呼吸的影响：以杜仲（Eucommia ulmoides）、紫花苜蓿(Medicago sativa)和玉米等10种植物的离体成熟叶片或整株为材料，研究不同测定温度（15～35 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸的影响。结果表明：在较低温度（15 ℃、20 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸没有显著效应;在较高温度（30 ℃、35 ℃）时，多数被测植物的暗呼吸显著增强。由于植物在不同温度时它们的暗咱吸受CO_2倍增的促进幅度不同，这将导致不同地区（环境温度不同）的植物暗呼吸反应有差异，而且由于不同物种的暗呼吸增幅不同，综合光合效应，它们的生物量的反应也会不同。 2）CO_2倍增对整株植物的CO_2气体交换及植物C素积累的影响：利用自行设计的一套CO_2气体测定装置，首次尝试同步测定CO_2倍增条件下幼苗期小麦地下部和地上部的气体交换在昼夜24小时内的变化及C素的积累。发现CO_2倍增不仅使小麦地上部C素的积累增加，也使地下部释放的C素增加，但整株植物的C素收入仍高于对照两倍多，这从植物与环境的CO_2气体交换角度为CO_2倍增促进植物生物量的增加提供了依据。并首次提出：植物的整体性及植物所在的环境条件（主要是温度和光照强度）决定着植物暗呼吸对CO_2倍增的响应方式：被抑制或无效应。

Forecasting Daily Chlorophyll a Concentration during the Spring Phytoplankton Bloom Period in Xiangxi Bay of the Three-Gorges Reservoir by Means of a Recurrent Artificial Neural Network

A recurrent artificial neural network was used for 0-and 7-days-ahead forecasting of daily spring phytoplankton bloom dynamics in Xiangxi Bay of Three-Gorges Reservoir with meteorological, hydrological, and limnological parameters as input variables. Daily data from the depth of 0.5 m was used to train the model, and data from the depth of 2.0 m was used to validate the calibrated model. The trained model achieved reasonable accuracy in predicting the daily dynamics of chlorophyll a both in 0-and 7-days-ahead forecasting. In 0-day-ahead forecasting, the R-2 values of observed and predicted data were 0.85 for training and 0.89 for validating. In 7-days-ahead forecasting, the R-2 values of training and validating were 0.68 and 0.66, respectively. Sensitivity analysis indicated that most ecological relationships between chlorophyll a and input environmental variables in 0-and 7-days-ahead models were reasonable. In the 0-day model, Secchi depth, water temperature, and dissolved silicate were the most important factors influencing the daily dynamics of chlorophyll a. And in 7-days-ahead predicting model, chlorophyll a was sensitive to most environmental variables except water level, DO, and NH3N.

Temporal and Spatial Distributions of Rotifers in Xiangxi Bay of the Three Gorges Reservoir, China

From July 2003 to June 2005, investigations of rotifer temporal and spatial distributions were carried out in a bay of the Three Gorges Reservoir, Xiangxi Bay, which is the downstream segment of the Xiangxi River and the nearest bay to the Three Gorges Reservoir dam in Hubei Province, China. Thirteen sampling sites were selected. The results revealed a high species diversity, with 76 species, and 14 dominant species; i.e., Polyarthra vulgaris, Keratella cochlearis, Keratella valga, Synchaeta tremula, Synchaeta stylata, Trichocerca lophoessa, Trichocerca pusilla, Brachionus angularis, Brachionus calyciflorus, Brachionus forficula forficula, Ascomorpha ovalis, Conochilus unicornis, Ploesoma truncatum and Anuraeopsis fissa. After the first year of the reservoir impoundment, the rotifer community was dominated by ten species; one year later it was dominated by eight species. The community in 2003/2004 was dissimilar to that in 2004/2005, which resulted from the succession of the dominant species. The rotifer community exhibited a patchy distribution, with significant heterogeneity observed along the longitudinal axis. All rotifer communities could be divided into three groups, corresponding to the riverine, the transition and the lacustrine zone, respectively.

Spring Diatom Blooming Phases in a Representative Eutrophic Bay of the Three-Gorges Reservoir, China

We investigated dynamics of the phytoplankton community and abiotic factors in Xiangxi Bay of the Three-Gorge Reservoir, China, by daily sampling, a specific site during a spring algal bloom (February 23-April 28, 2005). Among the 76 taxa observed, Asterionella formosa and Cyclotella spp. were the dominants, accounting for 47.2% and 29.9% of the total abundance, respectively. We determined the five distinct developing phases of the bloom by analyzing the dissimilarity of physicochemical parameters. Simultaneously, six phytoplankton community groups were distinguished by TWINSPAN classifications. The pattern for algal community succession was similar to that for the bloom phase shift, and the structural complexity of communities significantly decreased over time. Water temperature and silicate were the main factors that related to the development of the bloom and the shifts of the phytoplankton community.

Microcystin-RR induces physiological stress and cell death in the cyanobacterium Aphanizomenon sp DC01 isolated from Lake Dianchi, China

The phytoplankton community in Lake Dianchi (Yunnan Province, Southwestern China) is dominated in April by a bloom of Aphanizomenon, that disappears Suddenly and is displaced by a Microcystis bloom in May. The reasons for the rapid bloom disappearance phenomenon and the temporal variability in the composition of phytoplankton assemblages are poorly understood. Cell growth, ultrastructure and physiological changes were examined in cultures of Aphanizomenon sp. DC01 isolated from Lake Dianchi exposed to different closes of rnicrocystin-RR (MC-RR) produced by the Microcystis bloom. MC-RR concentrations above 100 mu g L-1 markedly inhibited the pigment (chlorophyll-a, phycocyanin) synthesis and caused an increase of soluble carbohydrate and protein contents and nitrate reductase activity of toxin-treated blue-green algae. A drastic. reduction in photochemical efficiency of PSII (Fv/Fm) was also found. Morphological examinationn showed that the Aphanizomenon filaments disintegrated and file cells lysed gradually after 48 h Of toxin exposure. Transmission electron microscopy revealed that cellular inclusions of stressed cells almost leaked out completely and the cell membranes were grossly damaged. These findings demonstrate the allelopathic activity of Microcystis aeruginosa inducing physiological stress and cell death of Aphanizomenon sp. DC01 Although the active concentrations of microcystin were rather high, we propose that microcystin may function as allelopathic Substance due to inhomogeneous toxin concentrations close to Microcystis cells. Hence, it may play a role in species Succession of Aphanizomenon and Microcystis in Lake Dianchi.

In situ studies on physiological and biochemical responses of four fishes with different trophic levels to toxic cyanobacterial blooms in a large Chinese lake

Physiological and biochemical responses of four fishes with different trophic levels to toxic cyanobacterial blooms were studied in a large net cage in Meiliang Bay, a hypereutrophic region of Lake Taihu. We sampled four fishes: the phytoplanktivorous Hypophthalmichthys molitrix and Aristichthys nobilis, the omnivorous Carassius auratus, and the carnivorous Culter ilishaeformis. Alterations of the antioxidant (GSH) and the major antioxidant enzymes (CAT, SOD, GPx, GST) in livers were monitored monthly, and the ultrastructures of livers were compared between the bloom and post-bloom periods. During the cyanobacterial blooms, the phytoplanktivorous fishes displayed only slight ultrastructural changes in liver, while the carnivorous fish presented the most serious injury as swollen endomembrane system and morphologically altered nuclei in hepatocytes. Biochemically, the phytoplanktivorous fishes possessed higher basal GSH concentrations and better correlations between the major antioxidant enzymes in liver, which might be responsible for their powerful resistance to MCs. This article provided physiological and toxicological evidences for the possible succession of fish communities following occurrence of toxic cyanobacterial blooms and also for the applicability of using phytoplanktivorous fish to counteract toxic cyanobacterial blooms in natural waters. (C) 2007 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Modeling phytoplankton dynamics in the River Darling (Australia) using the radial basis function neural network

A radial basis function neural network was employed to model the abundance of cyanobacteria. The trained network could predict the populations of two bloom forming algal taxa with high accuracy, Nostocales spp. and Anabaena spp., in the River Darling, Australia. To elucidate the population dynamics for both Nostocales spp. and Anabaena spp., sensitivity analysis was performed with the following results. Total Kjeldahl nitrogen had a very strong influence on the abundance of the two algal taxa, electrical conductivity had a very strong negative relationship with the population of the two algal species, and flow was identified as one dominant factor influencing algal blooms after a scatter plot revealed that high flow could significantly reduce the algal biomass for both Nostocales spp. and Anabaena spp. Other variables such as turbidity, color, and pH were less important in determining the abundance and succession of the algal blooms.

Biological mechanisms driving the seasonal changes in the internal loading of phosphorus in shallow lakes

Because of the obvious importance of P as a nutrient that often accelerates growth of phytoplankton (including toxic cyanobacteria) and therefore worsens water quality, much interest has been devoted to P exchange across the sediment-water interface. Generally, the release mode of P from the sediment differed greatly between shallow and deep lakes, and much of the effort has been focused on iron and oxygen, and also on the relevant environmental factors, for example, turbulence and decomposition, but a large part of the P variation in shallow lakes remains unexplained. This paper reviews experimental and field studies on the mechanisms of P release from the sediment in the shallow temperate (in Europe) and subtropical (in the middle and lower reaches of the Yangtze River in China) lakes, and it is suggested that pH rather than DO might be more important in driving the seasonal dynamics of internal P loading in these shallow lakes, i.e., intense photosynthesis of phytoplankton increases pH of the lake water and thus may increase pH of the surface sediment, leading to enhanced release of P (especially iron-bound P) from the sediment. Based on the selective pump of P (but not N) from the sediment by algal blooms, it is concluded that photosynthesis which is closely related to eutrophication level is the driving force for the seasonal variation of internal P loading in shallow lakes. This is a new finding. Additionally, the selective pump of P from the sediment by algal blooms not only explains satisfactorily why both TP and PO4-P in the hypereutrophic Lake Donghu declined significantly since the mid-1980s when heavy cyanobacterial blooms were eliminated by the nontraditional biomanipulation (massive stocking of the filter-feeding silver and bighead carps), but also explains why TP in European lakes decreased remarkably in the spring clear-water phase with less phytoplankton during the seasonal succession of aquatic communities or when phytoplankton biomass was decreased by traditional biomanipulation. Compared with deep lakes, wax and wane of phytoplankton due to alternations in the ecosystem structure is also able to exert significant influences on the P exchange at the sediment-water interface in shallow lakes. In other words, biological activities are also able to drive P release from sediments, and such a static P release process is especially more prominent in eutrophic shallow lakes with dense phytoplankton.

Benthic algae of the Xiangxi River, China

From June 2000 to June 2002, four sites on the mainstem of the Xiangxi River and one site on each of its major tributaries were sampled 16 times each for benthic algae. All total, 223 taxa (most to species and variety levels) were found (193 Bacillariophyta, 20 Chlorophyta, nine Cyanophyta and one Xanthophyta). The diatoms Cocconeis placentula, Achnanthes linearis, and Diatoma vulgare dominated the system, with relative abundance of 33.3%, 18.8%, and 6.4%, respectively. The abundances of all the other taxa were under 5%, and 210 taxa collectively contributed less than 1% of the total abundance. Taxa diversity peaked in winter and reached a minimum in summer. Species richness varied considerably but was not significantly different over time. Maximum algal density occurred in later winter/spring (1.4 x 10(9) ind./m(2)) but was not significantly different from the minimum density, which occurred in August. Chlorophyll a showed similar seasonal fluctuation but also was not significantly different over time. Canonical correspondence analysis demonstrated that water hardness, depth, conductivity, and alkalinity had important influences on variation of epilithic algae in the Xiangxi River system.