静态箱-气相色谱法研究人类活动对内蒙古草原主要温室气体交换通量的影响

本研究全面分析了陆地生态系统主要温室气体N2O、CO2和CH4通量研究的主要方法，系统阐述了改进后的静态箱-气相色谱法观测内蒙古半干旱原N2O、CO2和CH4交换通量的具体应用。就用此观测系统，于1998年5月至2000年2月长期定位观测研究了内蒙古锡林河流域主要人类活动（放牧、家垦）对N2O、CO2和CH4交换通量强度及季节变化的影响，同时对水分、地温等相关因素的影响作了初步探讨。 通过对主要温室气体N2O、CO2和CH4通量观测主要方法的比较分析认为：静态箱-气相色谱法是观测内蒙古半干旱草原N2O、CO2和CH4交换通量行之有效的方法，改进后的观测系统其准确性和再现性基本可以满足研究要求，但箱法的局限性也导致对CO2及不同牧压下草原N2O通量的观测很难得到客观准确的结果。 农垦对内蒙古草甸草原N2O、CO2和CH4通量有着重要的影响：农垦显著增大了草甸草原N2O排放通量，但对N2O排放通量的季节变化无显著影响;在植物生长旺期之前，农垦对草甸草原CO2排放通量无显著影响，在植物生长旺期及之后的小麦成熟期，农垦明显增大了CO2的排放。农垦还使得CO2排放通量的季节变化由单峰型变为双峰型;农垦对CH4通量的强度及季节变化均无显著影响。 连续两年的观测结果表明，研究放牧对内蒙古典型草原CO2和CH4通量的影响应结合水分条件来考虑。不同牧压下冷蒿-小禾草草原CO2排放能量受水分条件的显著影响，水分条件改变了CO2通量的季节变化。丰水年CO2排放强度随着放牧强度的增大而增大，正常年份放牧强度对CO2排放通量强度无显著影响。两年的观测均发现不同的放牧强度对CO2通量的季节变化没有影响;土壤-植被系统吸收CH4的能力在不同放牧强度处理之间没有显著差异，而同一放牧率下年际间CH4通量变化很大，正常年份比丰水年吸收通量大。同时分析了温度与不同放牧强度草原CH4通量的关系，认为影响放牧条件下冷蒿-不禾草草原CH4吸收通量的主要因子是地表以下10cm土壤温度。

内蒙古锡林河流域草原群落土壤呼吸的时空变异及其影响因子研究

　　土壤呼吸是全球碳循环中的一个重要环节，其对全球碳平衡的影响是近年来人们关注的焦点之一。探讨碳素的失汇(missing sink)问题，对陆地生态系统土壤呼吸的研究是必不可少的。环境因子与土壤呼吸之间的关系可以用于将土壤呼吸从“chamber”水平的测量放大到整个生态系统或更大尺度。而温度、水分和植被状况都是对土壤呼吸有重要影响的因子，随着全球气候的变化，这些因子也会发生相应的改变，在这种情况下，它们极有可能与土壤CO2排放之间形成正反馈。温带草原是主要的陆地生态系统类型之一，目前非常缺乏有关土壤呼吸的研究资料。因此，在2001年生长季，我们在内蒙古锡林河流域南部集水区设定了一条东西长约160km、南北宽约30km的样带，从中选择了11个不同的植物群落，采用碱液吸收法周期性地对这些群落的土壤呼吸速率进行同步测定，并对土壤呼吸的时空动态及其与温度、土壤水分和植被状况之间的关系进行了研究。现将主要研究结果概述如下： 　　①锡林河流域南部集水区的土壤呼吸表现出明显的季节变化和空间变异。温度是影响土壤呼吸季节变化的主要因子之一，指数模型能够较好地揭示各群落土壤呼吸对温度变化的响应，但低温时模型的拟合效果更好。各群落土壤呼吸的季节动态与温度变化不完全同步，表明温度并不是影响土壤呼吸的唯一因子 。 　　②土壤呼吸的温度敏感性在各群落之间存在着一定的差异。春小麦群落的Q10值高于草原群落，说明不同的土地利用方式会影响到土壤呼吸对温度变化的敏感程度。水分对土壤呼吸的温度敏感性有重要影响，秩相关分析的结果表明，土壤水分与Q10值之间存在着显著的正相关关系。此外，依据不同土壤层次的温度得出的Q10值各不相同，基于变化幅度大的浅层土壤温度和气温得出的Q10值较小，而根据变化幅度小的深层土壤温度得出的Q10值较大。 　　③水分对各群落的土壤呼吸也有较大影响，但其影响程度有一定的季节差异，生长旺季水分对土壤呼吸的影响显著高于其它季节。从各群落的具体情况来看，水分对土壤呼吸的影响明显受制于群落的水分供应状况。水分供应状况比较好的和水分变化幅度小的群落中，土壤呼吸与水分之间没有显著的函数关系，而水分相对欠缺的群落则存有显著的线性关系。消除温度的影响后，这种线性关系显著增强。土壤水分含量较低的芨芨草群落中，土壤呼吸与表层水分之间的关系也不明显，这与芨芨草根系分布较深，能够利用土壤中较深层次的水分有关。 　　④土壤呼吸季节变化与植被之间的关系与各群落内水分状况以及植被对水分的利用机制有关。所有群落土壤呼吸速率随着绿色活体生物量的增长有上升趋势，且在水分供应充足的群落和植被较为耐旱或能够利用深层土壤水的群落中，这二者之间呈显著或极显著的指数关系，其它群落中相关关系不够显著。由于植被立枯量大小反映了水热的综合状况，所以群落的土壤呼吸速率随立枯量的增长呈下降趋势，二者之间的关系也可以用指数方程来表示。 　　⑤土壤呼吸在锡林河流域南部的空间变异主要受水分和植被状况的影响。总体来看，土壤水分含量高、地上生物量（包括绿色活体生物量）大或地上净第一性生产力高的草地群落，其土壤呼吸速率也较高。基础呼吸速率对于改进土壤呼吸模型在时间和空间上的预测精度有重要意义。我们的研究结果表明，在平均温度低、水分状况好、地上和地下生物量大、地上净第一性生产力高的地方，基础土壤呼吸速率也相应较高。

农牧交错区不同植物群落的根冠比特征及土壤呼吸日动态的观测研究

本论文对草地群落地上/地下生物量构成、根冠比特征及其影响因子以及土壤呼吸测定方法比较等的国内外研究进展和主要成果进行了综述，在此基础之上对地处我国北方农牧交错带中段的内蒙古多伦县境内的18种草地群落（包括天然草地和人工草地群落）进行了相关内容的研究工作。 在2002年生长季期间，对这18个植物群落中选取的16个进行了群落学调查，测定了其地上、地下生物量，同时测定了土壤含水量、土壤容重、土壤全氮含量和土壤有机质含量。分别分析了地上、地下生物量以及根冠比（root to shoot ratio）与这些立地因子间的相关关系。同期，从18个群落中选定10个代表性群落测定其土壤呼吸速率，测定方法选用了动态红外气体分析法 (Infra red gas analysis， abbreviated as IRGA)和碱液吸收法（Alkali absorption, abbreviated as AA）。对这两种方法的测定结果进行了比较分析，同时分析了不同群落间土壤呼吸变化与土壤水分和养分状况等的相关关系。主要结论如下： ①16种植物群落的地上和地下生物量差异明显，地上生物量变化范围在80~500 g•m-2之间;相比之下，地下生物量的变化范围要大得多，16个群落中地下生物量最小的为猪毛菜群落，最大的为拂子茅群落，分别为533 g•m-2和2590 g•m-2。群落的根冠比在1.5～11.21之间，平均根冠比为 5.69。 ②土壤含水量对地上和地下生物量有着重要的影响，土壤含水量高的样地（羊草样地）较含水量低（小米蒿样地）的样地地上生物量高，反之亦然。但含水量与地下生物量之间的这种关系却不明显，即土壤含水量高的样地其地下生物量并不一定比含水量低的样地地下生物量高;根冠比与土壤含水量之间基本上呈负相关。土壤全氮含量和有机质含量与地上、地下生物量也存在着一定的正相关关系，而土壤容重却与生物量存有负相关关系;根冠比与土壤全氮、有机质和容重的关系正好与此相反，即根冠比与全氮和有机质含量呈负相关，与容重为正相关。 ③10种植物群落土壤呼吸的昼夜变化比较明显，均为单峰型曲线，主要受土壤温度的驱动，但同时也受到当日降水情况和云量、风速等气象因子的较大影响。因此，影响到这些群落土壤呼吸日动态的一致性，使得规律性并不明显。 ④用碱液吸收法和动态密闭气室法测定的10个群落的土壤呼吸速率变化范围分别为394~894mg C•m-2•d-1和313~2043 mg C•m-2•d-1，其中碱液吸收法测定结果平均为动态气室法的67.5%，明显低于动态密闭气室法。 ⑤两种测定方法具有很好的相关性，R2为0.8739。本研究中发现，在土壤呼吸速率低的情况下，两种方法的测定结果十分接近，甚至碱液吸收法的测定结果稍大于动态密闭气室法;而在土壤呼吸速率较高的情况下，动态密闭气室法测定结果则显著高于碱液吸收法。上述结果与国内外同类研究的结果高度一致，从而为校正我们以往采用碱液吸收法在该区域的测定结果提供了可靠依据。 ⑥各个群落间的土壤呼吸变化与立地土壤水分和土壤养分之间存有一定的相关关系，但并不显著，可能与这些群落土壤呼吸测定不是在同一天进行有关。

CO2浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的影响

自工业革命以来，大气的C02浓度以前所未有的速度增加，已经由280μmol mol-1升高到了360μmol mol-l。据预测，到下个世纪中／末期，C02浓度将为目前的二倍。C02浓度升高及其引起的全球气候变化必将影响到植物的生长发育，进而对整个生态系统产生巨大影响。因此，有关C02浓度升高对各类生态系统的影响的研究引起了广泛关注，成为近年来的研究热点。早期的研究多数集中于考察C02浓度升高对植物个体水平生长发育的影响。然而，高C02对植物的效应严重依赖于具体物种和具体环境条件，使得基于由短期盆栽实验获得的研究结果不能够有效地预测自然生态系统的行为。因此，长期、原位处理实验越来越受到重视。由于原位研究的难度较大，目前这方面的研究还不是很多。有限研究结果显示，由于生境条件和种间关系方面的巨大差异，自然生态系统对C02浓度升高的反应迥异。 草原生态系统由于C02浓度控制上比较容易实现，而且其物质循环相对较快，因而一直是C02富集实验研究最多的一类植被，生态系统水平的研究更是如此。然而涉及的区域和草原类型并不多，不足以进行可靠预测。目前，关于C02升高效应，研究比较系统的草原生态系统主要集中在：美国Kansas的高草草原、美国California的一年生草原、瑞士西北部的石灰质草原、美国Colorado的矮草草原和一些牧场。我国总土地面积的40%为草地，类型丰富，然而相关研究不多，尤其是对自然生态系统的原位研究几乎为空白。 为揭示C02浓度升高对羊草草原生产力和碳平衡的效应，我们在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的永久羊草样地开展了两年的C02倍增实验(2001，2002)。在羊草样地选择相对均匀地段设置12个开顶式气室（直径1.8m），每个气室内分成4个小样方(0.5m×0.5m)，其中6个气室在生长季给予加倍C02处理（约600μmol mol-l），另6个气室不补充C02（约300μmol moI-l）。地上部分用收割法取样，分种记录数量、高度和重量等指标，地下部分取样用环刀法。用Li-cor6400光合系统测定群落光合和呼吸速率。野外实验结束后，统一分析植物和土壤样品中的C、N等元素含量。另外，在内蒙古草原站院内设置了两组桶培实验，一组是取自羊草样地的带苗原状土，一组是取自羊草样地的混匀土，种上冰草(Agropyron cristatum)、紫花苜蓿(Medicago sativa)和无芒雀麦(Bromus inermis)的种子。2组桶培实验分别用两个水分梯度和两个C02梯度处理。水分处理分别为：浇水处理——每4天浇lOOOml水，相当于平均降雨量的160%;干旱处理——持续干旱，适时补水以保持植物不萎蔫，共浇水4000ml水。C02处理和取样方法与样地原位实验相同。主要研究结果和结论如下： 1)两年的C02加倍处理没有使羊草草原的生物量、植物种和功能型组成发生显著改变，桶培实验中，浇水处理显著促进了植物生长，原状土植物、种子苗实验的冰草和无芒雀麦对C02加倍处理同样不敏感，而种子苗实验的豆科植物紫花苜蓿在C02加倍处理下生物量显著提高。以上结果显示，由于水分和养分（特别是N）的限制，以及优势植物对C02的相对不敏感，C02浓度升高对羊草草原地上生物量和结构的效应相对不大。 2)羊草草原的根垂直分布在加倍C02条件下发生显著改变，但根生物量对C02加倍处 理相对不敏感。在4次取样中只有一次对C02加倍处理表现出显著变化，根长的变化与根生物量的变化不完全一致，根的比根长在加倍C02条件下增加。根垂直分布的变化趋势与降雨的时间分布相适应，干旱少雨时期C02使下层根量增加，多雨时期C02则使上层根量增加。以上结果显示，根的空间分布比根生物量对C02加倍处理更敏感。水分是根空间分布变化的驱动因子，加倍C02条件下，根空间分布的变化趋势倾向于优化对水分的充分利用。 3)加倍C02处理使羊草草原的群落光合速率显著提高，群落呼吸速率显著降低，因而使群落碳净输入量增加。土壤碳贮量占羊草草原碳总贮量的70%以上，碳总贮量及其组分（包括地上碳贮量、根碳贮量、土壤碳贮量）在两个C02浓度处理之问均没有显著差异。另外，加倍C02处理使羊草草原群落及其优势植物羊草的c：N比增加。以上结果显示，在加倍C02条件下羊草草原的碳净输入量增加，这意味着在未来高 C02条件F，羊草草原将作为碳汇对大气C02起反馈调节作用。其碳贮量对加倍C02 处理的不敏感与许多以前的研究结果相似，一般认为是由于土壤碳贮量本底太大， 掩盖了C02效应，这还有待于更长期原位实验的证实。羊草草原群落c：N比在高C02 浓度下的变化将影响凋落物降解、N素循环和动植物营养关系等，进而对生态系统 功能产生深远影响。

中国冬小麦品种对臭氧、二氧化碳和干旱的响应

臭氧属于二次污染物，它是由机动车、工厂等人为源以及天然源排放的氮氧化物(NOx)和挥发性有机物(VOCs)等一次污染物在大气中经过光化学反应形成的。O3 是光化学烟雾的主要成分，可对植物生长产生抑制。近几十年来，全球O3 污染的格局正在发生着巨大改变。由于北美及西欧等经济发达地区采取了有效控制臭氧形成前体物的措施，其空气中的O3 浓度在减少，而亚洲等经济发展中地区的O3 形成前体物的排放却在急剧攀升，导致大气中O3 浓度显著增加。中国经济的快速发展以及汽车保有量的迅猛增加导致O3 前体物的大量排放，许多经济较发达的地区空气中的O3 浓度超过了75ppb。由于O3 污染将导致农作物产量显著降低，因此，亚洲尤其是中国O3 污染对本地区农业生产的影响引起了国内外科学家的广泛关注。然而，在中国开展的关于O3 对植物生长及生产影响的研究相对较少，但已有的几篇研究报道确实指出目前中国部分地区的O3 浓度可导致冬小麦产量大幅下降，并预测到2020 年由O3 污染将引起小麦产量进一步降低。 植物对臭氧的反应或敏感性取决于诸如叶片导度、叶片结构及生化解毒等很多方面。首先，由于高叶片导度将吸收较多的臭氧量，因此，叶片导度通常被认为是决定抗性最为重要的因子。处于湿润条件下的植物，通常具有较高叶片导度，受到臭氧危害的程度一般也较大。其次，植物抗氧化胁迫能力的大小也决定着其对臭氧的敏感性。同一植株的老叶首先表现出伤害症状，这是由于老叶的抗氧化能力差于新叶，体现在抗坏血酸和谷胱甘肽含量及抗坏血酸氧化物酶和谷胱甘肽还原酶活性低于新叶。另外，叶片对臭氧的敏感程度与其叶片结构关系密切，拥有较大的细胞间隙对抗污染特性至关重要，由于叶片上表面的栅栏组织较海绵组织致密，因此通常较早表现出伤害症状。 影响植物对臭氧反应的环境因子很多，诸如光照、水气压亏、温度等。由于臭氧主要通过气孔进入植物体内，因此目前的研究主要集中在能显著调节气孔导度的环境因子，如土壤水分状况和在未来可能会与大气中臭氧浓度同步增加的CO2 浓度。CO2 浓度升高可降低植物的气孔导度，因此，CO2 浓度升高可减少叶片对O3 的吸收量。同时，大气CO2 浓度升高可提高净同化速率，可导致气孔的部分关闭而减少蒸腾，从而显著提高植株的水分利用效率，最终促进作物生长并提高产量。然而，二者对作物产量的交互影响尚不明确。水分胁迫被认为是影响O3 对植株伤害的一个重要环境因子。与正常供水相比，水分胁迫常常伴随着气孔导度的降低，导致进入到植株体内的O3 量相对较少而减轻植株受到的伤害程度。然而水分供应不足本身将导致小麦生长降低及产量下降。因此，水分亏缺可能会保护植株免受O3 伤害，同时也可能会加剧对植株的胁迫。 高浓度臭氧环境下，植物表现出较低的气孔导度。但研究表明，对臭氧敏感性不同的植物其气孔导度对臭氧的反应程度不同。臭氧对气孔的作用将影响植物生产力，同时也将影响植物对其它环境胁迫如干旱等的反应。短时间臭氧熏蒸小麦导致叶片细胞膜系统受损、光合产物输出受阻;而长期受臭氧污染后，小麦叶片的光合速率、光化学效率、叶绿素含量和蔗糖含量均显著降低，并与臭氧剂量的大小和峰值出现的早晚有关。O3 浓度升高将抑制光合作用，减少气孔导度，加强呼吸作用，改变C 同化物分配，加快叶片的衰老。众多研究表明，O3 导致的光合能力下降主要是由Rubisco 最大羧化效率降低导致;而O3 对光合器官捕获光的能力及光合电子传递速率的影响是光合作用下降的另一个原因。 尽管已有不少关于不同物种间对O3 敏感性的种间差异研究，然而育种方法或育种地点对中国不同冬小麦品种的O3 敏感性的影响尚不清楚。因此，我们假设育种年代、育种方法及地点将交互影响冬小麦品种对O3 的生长及生理响应。为进一步明确基因对冬小麦O3 敏感性的控制，研究了普通六倍体冬小麦的近缘体对O3 敏感性的差异。CO2 浓度升高及干旱胁迫对小麦臭氧敏感性的影响也进行了研究。论文主要从生理生化、生长及产量水平上来阐释O3 浓度升高、CO3加倍、干旱对冬小麦生长及生产影响的机理。 本研究主要是在温室中的上部开口的生长箱（open-top chamber, OTC）中进行。先后开展了四个盆栽实验研究，主要目的是确定中国不同基因型冬小麦种或品种对臭氧的敏感性及其反应机理;确定CO2 浓度升高及干旱在减轻O3 伤害方面的作用及其机理。实验材料为中国不同年代选育出的小麦品种，即1745年至2004 年间选育出的20 个品种和7 个小麦材料。主要评价指标包括相对生长速率、异速生长系数、叶绿素荧光、抗氧化活性、可溶性蛋白质含量、膜酯过氧化、气体交换、光合能力、叶绿素含量、暗呼吸、生物量及籽粒产量。实验研究得到的主要结果如下： 1) O3 升高显著降低整株及地上和地下部分的相对生长速率，显著降低异速生长系数、可变荧光、最大光化学效率、量子产额、光化学淬灭系数以及电子传递速率，但提高了非光化学淬灭系数。冬小麦不同品种对O3 的敏感性随育种年代的增加而增大，并与对照植株相对生长速率呈正相关。尽管近年来环境中的O3 浓度比过去显著增加，但新近育出的品种对臭氧的抗性却没有表现出协同进化效应。通过杂交选育的品种对臭氧的敏感性大于通过引进的和重选的品种。从生长和光合生理上来看，不同小麦品种对臭氧的敏感性与育种地点没有相关性，表明冬小麦品种对臭氧的适应能力与其生长环境下的臭氧浓度无关。因此，对臭氧相对敏感的冬小麦品种主要是由培育中较高相对生长速率或较高光合能力的杂交育种方式决定的，而与选育地点环境中的臭氧浓度无关。 2) 臭氧显著降低叶片中抗坏血酸（AsA）和可溶性蛋白的含量，但提高了过氧化物酶（POD）的活性和膜酯过氧化物（MDA）的含量。臭氧浓度升高抑制饱和光强下的净光合速率（Asat），降低气孔导度（gs）和总叶绿素含量，而显著提高暗呼吸速率（Rd）和胞间CO2 浓度（Ci）。臭氧导致总生物量降低，但地下部生物量受到的影响大于地上部。不同基因型小麦对臭氧的潜在敏感性与实际观察到的抗臭氧能力存在很大差异。冬小麦品种对臭氧的敏感性与臭氧环境下植株气孔导度和暗呼吸速率相关。臭氧导致Ci 浓度升高以及膜酯过氧化，由此得出臭氧导致的净光合速率主要是由于臭氧降低了叶肉细胞活性及细胞膜的完整性。新品种对臭氧相对敏感，主要是由于其具有较高的气孔导度抗氧化能力下降幅度较大以及较低的暗呼吸速率，从而对蛋白和细胞膜完整性造成较高的氧化伤害。 3) 臭氧对冬小麦光合和生长的影响存在着显著的种间差异。原初栽培种表现出最大的抗性，当代品种次之，而野生种对臭氧最为敏感。在普通冬小麦不同基因组供体中，钩刺山羊草（Aegilops tauschii，DD）对臭氧最敏感，其次为栽培一粒小麦（T. monococcum，AA），而圆锥小麦（Triticum turgidum ssp.Durum，AABB）对臭氧的抗性最大。因此，当代冬小麦品种对臭氧的敏感性可能是与其D 染色体供体-钩刺山羊草对臭氧敏感有关，而与其A、B 染色体供体-圆锥小麦的关系相对较小。 4) CO2 浓度升高提高了老品种和新品种的Asat，最大羧化速率（Vcmax），最大电子传递速率（Jmax）、光和CO2 饱和光合速率（Amax）。与之相反，臭氧显著降低了这些生理参数。虽然两品种对CO2 的响应没有显著性差异，但CO2浓度升高均有效保护了臭氧对它们的伤害。这种效应与CO2 浓度升高引起的气孔导度降低无关，而与代谢活性的提高有关。 5) 水分胁迫和臭氧分别都显著降低了 Asat 和gs。干旱显著降低Vcmax 和羧化效率（CE），而对Jmax 和暗呼吸（R）的影响不显著。臭氧显著降低冬小麦不同基因型的Vcmax，Jmax，R 和CE。二者均降低了生物量的积累及最终籽粒产量。与六倍体小麦相比，四倍体小麦对干旱相对敏感，但对臭氧却表现出较高抗性。干旱降低了气孔导度从而显著减少了植株对臭氧的吸收量，但两基因型的反应截然不同。干旱使臭氧对六倍体小麦产量和收获指数的伤害分别减少了约16%和50%，而干旱对该四倍体小麦的保护效应不大。

环境变化对内蒙古草原小叶锦鸡儿和羊草土壤氮素转化的影响

氮素是影响内蒙古温带典型草原植物生长和初级生产力的主要因素之一，土壤氮素的可利用性及其对全球环境变化的响应对于预测生态系统碳氮平衡显得尤为重要。空气中的游离氮和土壤中的有机氮必须通过固氮作用和矿化作用，转化为无机氮才能被绝大多数高等植物直接利用，氮素转化决定土壤氮素有效性。因此，研究环境变化对草原灌丛豆科固氮植物小叶锦鸡儿和草原优势植物种羊草土壤氮素转化重要生物过程的影响，对于进一步了解草原氮库变化及其对环境变化的可能响应有重要意义。 在中国科学院内蒙古草原生态系统定位站，利用开顶式生长室（Open-top chamber，OTC）控制实验模拟环境变化，经过三年的实验处理，研究氮素、水分和CO2浓度变化对小叶锦鸡儿根瘤生长和共生固氮、小叶锦鸡儿和羊草土壤净氮矿化速率的影响。观察小叶锦鸡儿根瘤形态和数量、测定根瘤长度和生物量以及固氮酶活性、测定土壤净氮矿化速率和土壤酶活性，探讨小叶锦鸡儿和羊草土壤氮素转化对环境变化响应机理。 结果表明，三年生桶培小叶锦鸡儿根瘤多着生于侧根，以浅黄色的小型球状根瘤为主，其次是棕褐色的棒状和纺锤状根瘤，较大型的褐色Y状根瘤相对较少。添加氮素极显著地抑制根瘤生长发育及其固氮酶活性，这种抑制效应随着水分增加和CO2浓度升高有所减缓。随着水分的增加，根瘤形态多样，根瘤着生部位由主根渐向侧根再向须根发展，根瘤数量和重量也显著增加。水分和CO2浓度升高，固氮酶活性增加但是未达到显著水平。小叶锦鸡儿根瘤生长及其固氮酶活性在加水条件下最好，水分可能是限制内蒙古半干旱草原小叶锦鸡儿固氮能力的关键因素。 环境变化影响小叶锦鸡儿土壤无机氮库。添加氮素处理，土壤无机氮库显著增加。添加氮素后，土壤脲酶活性显著降低，铵态氮和无机氮都出现明显的氮固持，但硝化速率增加，可能是由于添加氮素后土壤化学性质改变更利于硝化细菌进行硝化活动。随着水分和CO2浓度的升高，由于植物生长需求更多氮素的供应，土壤无机氮库显著降低。水分和CO2浓度处理对小叶锦鸡儿土壤脲酶活性和净氮矿化速率没有显著影响，但是能一定程度上减缓了氮素的负效应，促使无机氮的转化，使土壤微生物对铵态氮和无机氮的固持减少。但是蛋白酶活性和硝酸还原酶活性对三种环境因子响应均不敏感，脲酶对环境因子的变化最为敏感。小叶锦鸡儿土壤氮素转化与土壤理化性质密切相关，环境因子通过影响土壤脲酶活性以及土壤酸碱度等影响土壤矿化速率，进而影响土壤无机氮浓度和植物可利用氮。 羊草土壤无机氮库与小叶锦鸡儿土壤无机氮库对环境变化的响应较为一致，添加氮素羊草土壤无机氮含量显著增加，水分增加土壤无机氮含量显著降低。添加氮素使硝化速率显著增大，氨化速率和净氮矿化速率降低，但是未达到显著水平，铵态氮和无机氮出现固持现象。水分的增加降低土壤无机氮库，刺激脲酶活性，微生物对铵态氮的矿化作用增加，但是硝态氮的矿化作用受抑制，对净氮矿化没有影响。CO2浓度升高对羊草土壤无机氮库和土壤氮素矿化都没有显著地影响，但是CO2浓度升高在适宜水分下通过刺激土壤微生物活性，促进脲酶活性和无机氮的转化。羊草土壤酶活性对氮素和CO2浓度的响应与小叶锦鸡儿土壤酶活性的响应一致。 综上，不同环境因子对氮素转化过程影响不同，氮素添加抑制小叶锦鸡儿根瘤及其固氮酶活性，降低小叶锦鸡儿和羊草土壤净氮矿化速率。水分和CO2浓度升高一定程度上缓解了氮素对固氮酶活性以及土壤净氮素矿化速率的抑制作用，有利于土壤氮素转化。

Effects of unconditioned and conditioned aversive stimuli in an intense fear conditioning paradigm on synaptic plasticity in the hippocampal CA1 area in vivo

Repeated vivid recalls or flashbacks of traumatic memories and memory deficits are the cardinal features of post-traumatic stress disorder (PTSD). The underlying mechanisms are not fully understood yet. Here, we examined the effects of very strong fear conditioning (20 pairings of a light with a 1.5-mA, 0.5-s foot shock) and subsequent reexposure to the conditioning context (chamber A), a similar context (chamber B), and/or to the fear conditioned stimulus (CS) (a light) on synaptic plasticity in the hippocampal CA1 area in anesthetized Sprague-Dawley rats. The conditioning procedure resulted in very strong conditioned fear, as reflected by high levels of persistent freezing, to both the contexts and to the CS, 24 h after fear conditioning. The induction of long-term potentiation ON was blocked immediately after fear conditioning. It was still markedly impaired 24 h after fear conditioning; reexposure to the conditioning chamber A (CA) or to a similar chamber 13 (CB) did not affect the impairment. However, presentation of the CS in the CA exacerbated the impairment of LTP, whereas the CS presentation in a CB ameliorated the impairment so that LTP induction did not differ from that of control groups. The induction of long-term depression (LTD) was facilitated immediately, but not 24 h, after fear conditioning. Only reexposure to the CS in the CA, but not reexposure to either chamber A or B alone, or the CS in chamber B, 24 h after conditioning, reinstated the facilitation of LTD induction. These data demonstrate that unconditioned and conditioned aversive stimuli in an intense fear conditioning paradigm can have profound effects on hippocampal synaptic plasticity, which may aid to understand the mechanisms underlying impairments of hippocampus-dependent memory by stress or in PTSD. (c) 2005 Wiley-Liss, Inc.

Characteristics of the microbial communities in the integrated vertical-flow constructed wetlands

Microorganisms play an important role in removing pollutants from constructed wetlands. We investigated the microbial characteristics in a novel integrated vertical-flow constructed wetland (IVCW), which has been in operation in Wuhan, China since 1998. We used phospholipid fatty acid (PLFA) and amoA gene to analyze the structure and diversity of the microbial community within the IVCW. PLFA results suggested that the amount of bacterial PLFA was significantly higher than that of fungal PLFA, but the total microbial biomass represented by PLFA index was low in the system. Microbial spatial distribution showed significantly higher bacterial (both G(+) and G(-)) and fungal biomass in the surface than in the subsurface layers. The ratios of monounsaturated to branched PLFA demonstrated that an anaerobic layer sandwiched by two aerobic layers existed in the IVCW, consistent with the redox potential results. Analysis of the amoA revealed the presence of Nitrosomonas-like sequences in the surface substrate of the downflow chamber and apparent diversities of ammonia-oxidizing bacteria in the system. These results suggest that microorganisms, despite their relatively low biomass, have inhabited the IVCW, and the results will offer some valuable information on microbe to system designers and managers.

Effects of constructed wetland system on the removal of dibutyl phthalate (DBP)

Phthalic acid esters (PAEs) have become widely diffused in the environment via the manufacturing process. Numerous experiments have shown that the bioaccumulation of PAEs occurred in the aquatic and terrestrial food chain; meanwhile, it was found that some of PAEs were considered as potential carcinogens, teratogens and mutagens. In this research, two vertical/reverse-vertical flow constructed wetland systems were set up to study its removal efficiency of dibutyl, phthalate (DBP) pollution. The results showed that the constructed wetland system could remove DBP effectively, and the removal rates reached nearly 100%. Substrate microorganism and enzymatic activities probably played key roles during DBP removal, and the removal of DBP probably mainly took place in the upper layer of chamber A in the constructed wetland systems. (C) 2007 Elsevier GmbH. All rights reserved.

A redescription of Piguetiella denticulata Liang and, Xie (Oligochaeta, Tubificidae, Naidinae) from China, with a key to the genus Piguetiella

Piguetiella denticulata Liang & Xie, 1997 is redescribed based on the type series collected from the type locality, Songtao River, and streams of the Zhangjiajie Mountain in southwestern China, and specimens from several tributaries of the Yangtze River. This species is characterized by a large body size, the absence of eyespots and dorsal hair chaetae, the same size and shape of dorsal and ventral chaetae, the presence of 3-4 intermediate teeth on both ventral and dorsal chaetae, and an intestinal dilation in IX-X segments. The essential characteristics used to diagnose the genus are discussed and a key to the genus is provided.

Triplophysa lixianensis, a new nemacheiline loach species (Pisces : Balitoridae) from the upper Yangtze River drainage in Sichuan Province, South China

Triplophysa lixianensis, a new nemacheiline loach species, is described from the Min Jiang of the upper Yangtze River drainage in Sichuan Province, South China. It can be separated from all other species of Triplophysa by having a unique combination of the following characters: posterior chamber of gas bladder greatly reduced or absent; caudal peduncle columnar with a roughly round cross- section at its beginning; anterior edge of lower jaw completely exposed or uncovered by lower lip; intestine short, forming a zigzag loop below stomach; dorsal- fin origin closer to caudal- fin base than to snout tip; pelvic fin inserted anterior to dorsal- fin origin; snout length 50.6 - 57.5 % of head length; eye diameter 12.3 15.4 % of head length; caudal peduncle length 25.1 - 27.1 % of standard length; anal fin with five branched rays; lower lip greatly furrowed with two thick lateral lobes; and body smooth or scaleless.

Performance and mechanism of phosphorus removal in an integrated vertical flow constructed wetland treating eutrophic lake water

Phosphorus removal performance and a possible mechanism for the phosphorus removal from an eutrophic lake water were investigated using a medium-scale integrated vertical constructed wetland (combined vertical and reverse-vertical systems) from April, 11, 2001 to September, 28, 2004. Environmental factors affecting phosphorus removal and release profiles were monitored simultaneously under hydraulic loads from 400 to 2000 mm per day. The phosphorus removal rate varied with the environmental conditions. The removal rate for acidic influent water was superior to that for alkaline influent water. The substrate in the wetland chamber acted as a buffer to regulate the pH value of the water sample. As regards the water temperature, no significant differences were observed for the removal rate of total phosphorus (TP) and soluble reactive phosphorus (SRP) between low (lower than 15 degrees C) medium (16-25 degrees C) and high temperature (higher than 26 degrees C) conditions. Under a hydraulic load of 400 mm per day, the removal rate reached over 70%, the highest value achieved in this work. In addition, the highest hydraulic load of 2000 mm/d did not result in the lowest removal rate, as had been expected. After a two-year high hydraulic load test, the removal rate decreased significantly. Phosphorous release from the substrate was examined using a spatial sampling method. Depth profiles of total phosphorus and different states of phosphorus present in the substrate were recorded. This further study demonstrated that binding of phosphorus by iron and calcium might be another major factor in the removal and release of TP and SRP in this wetland system. The distribution of the speciated phosphorus showed that the amount of phosphorus captured in the substrate of the down-flow chamber was significantly higher than that captured in the up-flow chamber, suggesting that the up-flow chamber was the main source of phosphorus release in this constructed wetland.

The co-evolutionary relationship between bitterling fishes and freshwater mussels: insights from interspecific comparisons

Hypothesis: In parasites that use hosts for offspring development, adults may base oviposition decisions on a range of host traits related either to host quality or the co-evolutionary relationship between parasite and host. We examined whether host quality or co-evolutionary dynamics drive the use of hosts in the bitterling-mussel relationship. Organisms: Six species of bitterling fish (Acheilognathinae) and eight species of freshwater mussels (Unionidae, Corbiculidae) that are used by bitterling for oviposition. Site of experiments: Experimental tanks in Wuhan, China, at the site of the natural distribution of the studied species. Methods: Three experiments that controlled for host accessibility and interspecific interactions were conducted to identify host preferences among bitterling fishes and their mussel hosts. We started with a broad interspecific comparison. We then tested bitterling behavioural choices, their temporal stability, and mussel host ejection behaviour of the eggs of generalist and specialist bitterling species. Finally, we measured host mussel quality based on respiration rate and used published studies on mussel gill structure to infer mussel suitability as hosts for bitterling eggs. Results: We found significant interspecific differences among bitterling species in their use of mussel hosts. Bitterling species varied in their level of host specificity and identity of preferred hosts. Host preferences were flexible even among apparently specialized species and fishes switched their preferences adaptively when the quality of individuals of preferred host species declined. Mussels varied considerably in their response to oviposition through egg ejections. Host preference by a generalist bitterling species correlated positively with host quality measured as the efficiency of the mussel gills to extract oxygen from inhaled water. Host ability to eject bitterling eggs correlated positively with their relative respiration rate, probably due to a higher velocity of water circulating in the mussel gill chamber.

Methane and carbon dioxide fluxes from a shallow hypereutrophic subtropical Lake in China

Up to now, there have been few studies in the annual fluxes of greenhouse gases in lakes of subtropical regions. The fluxes of methane (CH4) and carbon dioxide (CO2) across air-water interface were measured in a shallow, hypereutrophic, subtropical Lake Donghu (China) over a year cycle, using a static chamber technique. During the year, Lake Donghu emitted CH4 and CO2; the average flux of CH4 and CO2 was 23.3 +/- 18.6 and 332.3 +/- 160.1 mg m(-2) d(-1), respectively. The fluxes of CH4 and CO2 showed strong seasonal dynamics: CH4 emission rate was highest in summer, remaining low in other seasons, whereas CO2 was adsorbed from the atmosphere in spring and summer, but exhibited a large emission in winter. Annual carbon (C) budget across air-water interface in Lake Donghu was estimated to be 7.52 +/- 4.07 x 10(8) g. CH4 emission was correlated positively with net primary production (NPP) and temperature, whereas CO2 flux correlated negatively with NPP and temperature; however, there were no significant relationships between the fluxes of CH4 and CO2 and dissolved organic carbon, a significant difference from boreal lakes, indicating that phytoplankton rather than allochthonous matter regulated C dynamics across air-water interface of subtropical lake enriched nutrient content. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Enzymatic activities in constructed wetlands and di-n-butyl phthalate (DBP) biodegradation

The bioaccumulation of phthalate acid esters (PAEs) from industrial products and their mutagenic action has been suggested to be a potential threat to human health. The effects of the most frequently identified PAE, Di-n-butyl phthalate (DBP), and its biodegradation, were examined by comparison of two small scale plots (SSP) of integrated vertical-flow constructed wetlands. The influent DBP concentration was 9.84 mg l(-1) in the treatment plot and the control plot received no DBP. Soil enzymatic activities of dehydrogenase, catalase, protease, phosphatase, urease, cellulase, beta-glucosidase, were measured in the two SSP after DBP application for 1 month and 2 months, and 1 month after the final application. Both treatment and control had significantly higher enzyme activity in the surface soil than in the subsurface soil (P < 0.001) and greater enzyme activity in the down-flow chamber than in the up-flow chamber (P < 0.05). In the constructed wetlands, DBP enhanced the activities of dehydrogenase, catalase, protease, phosphatase and inhibited the activities of urease, cellulase and beta-glucosidase. However, urease, cellulase, beta-glucosidase activities were restored 1 month following the final DBP addition. Degradation of DBP was greater in the surface soil and was reduced in sterile soil, indicating that this process may be mediated by aerobic microorgansims. DBP degradation fitted a first-order model, and the kinetic equation showed that the rate constant was 0.50 and 0.17 d(-1), the half-life was 1.39 and 4.02 d, and the r(2) was 0.99 and 0.98, in surface and subsurface soil, respectively. These results indicate that constructed wetlands are able to biodegrade organic PA-Es such as DBP. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.