电子封装中的不流动芯下材料力学性能和封装可靠性的研究

可控坍塌芯片互连（C4）技术可以实现高速、高密度、小外形的封装，因此日渐得到关注和发展。本文针对发展新一代c4技术所面临的不流动芯下材料的机械性能问题，采用具有不同填充颗粒含量的不流动芯下材料，通过对材料的机械性能的测试和分析以及有限元模拟，初步揭示了不流动芯下材料变形行为的特点，填充颗粒含量对芯下材料机械性能的影响，以及芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的颗粒沉积对封装可靠性的影响。首先在差示扫描量热仪（DSC）、热一力学分析仪（TMA）上对材料的固条件、热膨胀系数、玻璃化转变温度进行了测试，接着又在六轴微型试验机上对材料在不同温度和应变率下的应力一应变行为进行了测试。测试结果表明，所用材料的固化条件和玻璃化转变温度可以满足不流动芯下材料的性能要求，材料的热膨胀系数高于芯下材料理想的热膨胀系数值，材料中填充颗粒含量、温度、应变率等对材料的应力一应变行为有重要的影响。为了解芯下材料中填充颗粒含量对机械性能的影响，对不同颗粒含量材料在各测试温度和应变率下的杨氏模量、屈服强度和流动应力进行了对比和分析。结果表明，在各测试条件下，芯下材料的杨氏模量基本随着颗粒含量的增加而升高；温度较低时，材料的屈服强度随颗粒含量的增加而升高，但是，较高温度时，材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量的增加呈现先升高后降低再升高的变化趋势。为理解芯下材料的屈服强度和流动应力随着颗粒含量非单调变化的行为，采用广义Eshelby等效夹杂法对含颗粒试样在单轴拉伸时试样内的应力分布进行了分析，并用纳米硬度计对材料纳米尺度的性能进行了测量。应力分析的结果表明，不流动芯下材料的SiO2填充颗粒的加入会在基体里引起应力集中，应力集中系数随着颗粒含量的增加先升高后降低，试样内的应力集中有使材料屈服强度降低的趋势。纳米硬度计的测试结果表明，芯～卜材料内形成了性能介于颗粒Z基体之间的界面相，界面相的形成有使芯下材料屈服强度提高的趋势。芯下材料屈服强度随着填充颗粒含量的非单调的变化是应力集中和界面效应藕合作用的结果。温度和应变率是影响芯下材料机械性能的重要因素。为刻画温度和应变率的效应，采用Pe化yna模型描述材料的应力一应变行为。结果表明，Per叮na模型可以拟合材料应变率相关的应力一应变行为，描述不流动芯下材料应力一应变曲线的基本趋势，对材料在测试范围外的行为给出较合理的预测，并且Perzyna模型可以很方便地用于ABAQUS中，这将易于工业应用。最后，采用商用有限元程序AB AQus分析了芯下材料机械性能和芯下材料工艺导致的填充颗粒沉积对C4封装可靠性的影响。结果表明，在芯片／基板的缝隙中填入芯下材料可以显著延长可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命，提高封装可靠性，可控坍塌倒装封装焊点的热疲劳寿命随着芯下材料中填充颗粒含量的增加而增长；芯下材料中填充颗粒在C4封装基板侧的沉积将导致封装焊点的热疲劳寿命缩短，而颗粒在芯片侧的沉积则可使焊点的热疲劳寿命稍稍延长。

Pure Coulomb explosions of highly charged methane clusters investigated by a simple electrostatic model

The pure Coulomb explosions of the methane clusters (CA(4))(n), (light atom A = H or D) have been investigated by a simplified electrostatic model for both a single cluster and an ensemble of clusters with a given cluster size distribution. The dependence of the energy of ions produced from the explosions on cluster size and the charge state of the carbon ions has been analysed. It is found that, unlike the average proton energy which increases with the charge q of the carbon ions, the average deuteron energy tends to saturate as q becomes larger than 4. This implies that when the laser intensity is sufficiently high for the (CD4)(n) to be ionized to a charge state of (C4+D4+)(n), the neutron yield from a table-top laser-driven Coulomb explosion of deuterated methane clusters (CD4)(n) could be increased significantly by increasing the interaction volume rather than by increasing the laser intensity to produce the higher charge state (C6+D4+)(n). The flight-time spectra of the carbon ions and the light ions have also been studied.

光合作用与环境的研究

该成果收集了近10年来我们对光合作用与环境方面研究的主要文章共57篇，概括为6个方面的内容，其中原始论文52篇，技术方法5篇。主要的新进展与特色为：a)阐 明CAM植物代谢与PEPCK的调节特殊性。鉴别菠萝和芦荟为CAM-PEPCK亚型，PEPCK是其光下C4酸的脱羧酶。首次证明PEPCK受底物和碳代谢中间产物的调控，纯化酶的负效应剂G6P、FBP、PEP及正效应剂Mn2+的作用在于改变酶蛋白的构象。b)首先指出PEPC也是活性氧攻击的靶蛋白，其失活原因在于酶蛋白氧化降解和构象改变。不同光合途径植物对光氧化的敏感性有别。光氧化条件下C3与C4植物产生.O2- 速率、耗散激发能和PSII稳定性有一定差异。脂氧合酶（LOX）抑制光合电子传递的位点在PSII氧化侧和Q和PQ上。c)指出较强的抗氧化能力（清除自由基能力）、抗UV-B能力（积累较多的UV-B吸收物质），提高叶片吸收的光能中非光化学耗散的比例，增高光合电子流向光呼吸、O2和NO2-光还原等电子传递支路的传递速率和比例是森林植物适应于自然光环境的强光的重要保护策略。d)从马尾松年轮的δ13C分析追踪了前80年来亚热带自然林区CO2浓度的上升速率（0.7~2.3μl/L/年）。对森林中不同人类活动干扰地点大气CO2、NOX和SO2浓度的现场检测和主要树种的生理、生化变化研究，证明其与人类干扰活动的形式和强度有关，为全球变化及其后效应提供了有力的证据。通过电脑调控水稻生长大棚的CO2浓度发现不同品种间对高CO2浓度适应性的显著差别，明确了适应性较强的4个品种，并从多种指标证明高CO2浓度对水稻的光氧化损伤具有缓解或防护效应。e)盐藻细胞中甘油和蛋白质受介质盐浓度调控，固定化培养提高甘油分泌量。改进和发展了利用对有机自由基DPPH. 的清除比例与数量来评价植物抗氧化性的简易可行的分光光度法。

热带亚热带农作物和森林植物光合作用生态生理研究

该成果研究热带亚热带主要植物的光合作用途径和水分关系、光合作用对环境因子变化的响应及具有400多年历史的南亚热带自然林群落植物的主要生态生理特征。首次在国内应用稳定性碳同位素比技术对热带和亚热带植物以及广东鼎湖山片段保护区森林165种植物进行了光合途径的研究和鉴定，新发现36种C4植物和1种CMA植物，提出稳定碳同位素比值与植物生长习性、林地与冠层不同条件有关，可作为叶片受光状况的指标。具有多层次结构的森林中叶片形态结构、光合能力、氮和矿质元素含量、叶片水势和气孔运动的昼夜和季节变化等皆与群落微气候、植物生活型及其在冠层中的位置不同而异。受人类活动干扰的林地中，植物的这些生态生理特性发生了改变。在国内率先建立现代生理生态学整套方法，研究热带和亚热带植物个体和群体、群落结构和功能、植物光合作用与水分关系以及外界环境与植物适应性等关系。这些系统研究居国际先进水平。

CO2倍增对禾本科植物幼苗形态结构的影响

本论文为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”的部分研究内容。 本文对C02正常浓度(350ppm)和C02倍增(700ppm)条件下，小麦（Triticum, aestivum）、半野生小麦(Triticum aestivum spp．tibeticumShao)、大麦（Hordeum vulgare）、野大麦（Hordeum brevisubulalum）、水稻（Oryza sativa,）、野生稻（Or7za sativa ssp．）、谷子（Setaria italica）、狗尾草（Setaria viridis）、高粱（Sorghum vulgare）、玉米（Zea mays）、旱雀麦（Bromus tectorum）、旱麦草（Eremopyrum triticeum）等12种禾本科植物幼苗的叶片厚度、叶肉细胞密度、维管束鞘细胞中的叶绿体数、叶肉细胞中的叶绿体数、表皮细胞密度、气孔密度、气孔指数、气孔长度、气孔阻抗及平均株高、鲜重、茎秆直径、根的直径、种子的萌发率及叶绿体超微结构等进行了比较研究。 结果表明，C02倍增使不同种类、不同测试项目反应不一。总体上看，CO2浓度倍增，使10种禾本科植物（野大麦、玉米外）的吐片厚度普遍增加。除个别种类外，C4种类的平均株高、鲜重、根直径倍增组比对照组减小;气孔平均密度增加，而C3种类则呈相反趋势o C4种类比C3种类的叶片气孔开度对C02倍增反应更为敏感。在高浓度C02条件下，C4种类的叶绿体超微结构变化较明显，淀粉粒显著增加。野生种类的表皮细胞密度，叶肉细胞密度，维管束鞘细胞中的叶绿体数及茎秆直径，C02倍增组比对照组减少，栽培种类则显著增加。气孔密度与气孔指数基本呈正相关;而气孔长度与气孔密度则大体上呈负相关。 文中对高浓度C02条件下，供试植物形态结构的变化和规律，及全球大气变化对未来农业可能产生的影响进行了讨论。

I.小麦非叶器官碳酸酐酶活性与定位分析II.镉毒害导致芦苇胚性细胞死亡的激素调控研究

第一部分： 通过生理测定和化学染色分析了冬小麦品种小堰54和京411的叶片和非叶片组织的碳酸酐 酶活性。叶片碳酸酐酶活性(CA)在挑旗时期达到最大值，之后减少到最小，而在饱粒期又呈 增加趋势。从灌浆期到饱粒期，颖片和内稃的CA活性均减少，而外稃和种皮的CA活性均增加。在饱粒期，小堰54的叶片、颖片、外稃和种皮CA活性均高于京411。组织化学染色表明，CA主要分布在旗叶的叶肉细胞叶绿体中，也分布在非叶片组织颖片、外稃和内稃的叶肉和维管束鞘细胞的胞质中。这些结果表明，小麦非叶组织叶肉和维管束鞘细胞的胞质中的CA可能对饱粒期冬小麦的C4光合途径起作用。饱粒期小堰54的C02传递到Rubisco酶速率和抗旱性较京411高。 第二部分： 以继代培养的芦苇胚性细胞为材料，利用台盼兰拒染法检测了悬浮细胞死亡过程，并利用石蜡切片法及苏木精染色法观察了不同浓度镉对芦苇细胞的毒害作用。1000μM的CdCl2迅速导致芦苇悬浮细胞死亡，200μM的CdClz在接种后第5天引起悬浮细胞死亡，100μM的CdCl2在接种后第7天引起悬浮细胞死亡，≤50μM的CdClz在接种后7天不引起悬浮细胞死亡。同时对不同浓度镉处理的芦苇胚性细胞的内源植物激素和可溶性蛋白质进行分析，≤50μM的镉浓度显著地降低胚性细胞内IAA、ZR、GA3和GA4的含量，却提高ABA的含量，抑制可溶性蛋白质的合成：≥100μM的镉浓度显著地提高IAA、ZR、GA3和GA4的含量，却降低ABA的含量，促进可溶性蛋白质的合成。这些结果表明，镉的毒害至少包括镉浓度决定的两种细胞死亡机制，高浓度的镉(1000μM)引起的细胞死亡应当为坏死，而100μM的镉引起植物悬浮细胞发生程序性死亡。在较高浓度(≥100μM)的镉处理下，芦苇细胞内内源IAA、ZR、GA3和GA4的浓度较高，可能调控可溶性蛋白质的合成而促进细胞发生程序化死亡。

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。

植物个体的生理生态动力学模型

GCTE（全球变化和陆地生态系统），作为IGBP的核心计划之一，其目的是研究陆地生态系统与全球气候变化及人类社会经济和土地利用改变之间相互作用的耦合机理关系，预测生态系统结构、功能的未来变化。其中，植物个体水平的生理生态学模型研究是GCTE中必不可少的重要环节，它不仅可以揭示植物在个体水平上对全球变化的动态响应机制，而且可通过揭示大尺度响应所隐含的微观生物学机理，为大尺度研究提供重要的生理学参数和规律，在全球变化各尺度研究中发挥着不可替代的作用。本文主要围绕植物个体的生理生态学模型开展了如下研究：在开顶式气室CO2倍增大豆生长实验基础上，建立描述植物主要生理过程的生理生态模型，分析植物个体的光合作用、气孔传导度、蒸腾作用以及水分利用效率在全球场变化下的动态响应机制;在此基础上，建立起以统计性天气模型驱动的植物个体生长发育系统动力学模型，通过敏感度分析探讨植物个体的生理生态特性，如光合、呼吸、绿色及非绿色生物量等，对全球变化，特别是对CO2增加，气温升高及降水改变共同作用的响应机制;针对固氮植物的特点，将前一模型发展成为基于共生固氮和同化过程相互作用机制的植物个体生理生态系统动力学模型，模拟不同CO2浓度、气候变化以及固氮与不固氮条件下植物个体生物量的动态响应，并分析CO2浓度、气候条件和是否具固氮能力在对植物生长发育影响方面的相互作用;以中间锦鸡儿为研究材料进行水分控制实验，观测水分对植物同化物分配等过程的影响;将水分利用效率模型应用到NECT样带的主要植物种，得出各植物种的描述其水分利用效率特性的参数，结合样带上各植被类型的结构特征，得到沿样带各植被类型在植物种类组成方面的水分利用效率参数;应用系统聚类分析、因子分析等多元统计方法对样带上锡林河流域122种植物的化学成分与植物类群和所处生境的关系进行了定量分析。结果表明： 1）CO2倍增情况下，净光合速率提高45%，其中光量子效率显著增加，而CO2传导系数略有下降;气孔传导度、蒸腾速率下降约30%;水分利用效率随CO2浓度增加几乎呈线性增长，倍增后提高近一倍。（当气温，水分适宜，光合有效辐射为1000μmol photons m-2 s-1); 2）在北京地区仅CO2倍增而气候条件维持现状的情况下可导致大豆总生物量峰值提高70%，绿色部分提高56%，其中，全生育期内总净光合量增加，而单位干重的暗呼吸速率下降;由于受同化物分配中物候因素的影响，绿色生物量比总生物量提前10日左右到达其峰值。 3）CO2浓度增加和具固氮能力在模拟范围内对植物生长均产生正效应;而在水分为植物生长限制因子的干旱半干旱地区，降水增加对植物生长产生正效应，气温升高则具负效应; 4）随着C供给条件的好转，具固氮能力对植物生长的影响增强;反之随植物吸收N能力的提高，C供给对植物生长的作用加剧。 5）气温、降水在对植物生长发育影响方面，随着一方条件的好转，另一方对植物生长产生的效应增强; 6）具固氮能力对植物生长的正效应随气候条件的好转而增强，气候变化对植物生长的影响随植物具备了固氮能力而加剧; 7）气候条件越恶劣，如在此半干旱区变得更为干旱，CO2浓度增加对植物生长的正效应越加显著;且随CO2浓度的增加，气候因子的效应逐渐减弱。这主要是因CO2增加提高了植物个体的水分利用效率，从而使得CO2的正效应在水分胁迫下更为明显;同时由于水分利用效率的提高，使得植物个体抵御和适应外界环境变化，特别是由气温、降水改变导致的水分条件变化，的能力得到增强。 8）锦鸡儿水分生理生态实验的初步结果表明，土壤水分状况影响着植物的同化物分配，随着水分胁迫的加剧，同化物分配向根部集中，植物的根冠比增加。 9）沿样带水分递减梯度，植被类型在植物种类组成方面的反映水分利用效率特性的参数kv逐渐增加，从而显示出随着水分条件的不足，植被类型中耐旱品种，尤其是C4种增加;人为活动干扰，主要是对草场等的过度利用而导致的盐渍化、沙化，使得退化了的植被类型中k_v值显著提高，表明原有的植物种逐渐被耐旱、耐盐碱的品种，特别是C4植物所代替;在样带动上，这种由于人为活动干扰所引起的植被类型在植物种类组成方面反映水分利用效率特性的参数kv的变化明显大于因样带水分梯度改变而带来的变化。 10）锡林河流域草原植物化学成分一方面与植物类群有关，受自身历史演化的决定，另一方面更受到所处生境条件的极度大影响和制约。其中，禾本科、豆科植物分别具有明显的化学成分特征;撂荒地群落与自然群落中植物、沙质与非沙质生境中植物化学成分差异较显著;因子分析中认为存在大量元素与微量元素两个公共因子，豆科与禾本科相比，豆科植物因其固氮能力，所含大量元素水平较高，而禾本科植物因细胞壁硅质化，含微量元素稍高;沙质生境因其养分贫瘠，植物的大量与微量元素均较非沙质生境中的低;特别是本区地带性土壤-栗钙土与特异性生境沙带中的疏林沙土相比，疏林沙土上植物大量与微量元素含量较栗钙土区植物明显偏低。

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。

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。