羽叶铁线莲杂交起源的初步研究

通过野外观察，发现羽叶铁线莲Clematis pinnata Maxim.在形态上相似于短尾铁线莲C. brevicaudata DC.及大叶铁线莲C. heracleifolia DC.，推测羽叶铁线莲为后二者杂交产生。本文从形态学、解剖学、孢粉学、分子生物学等方面寻找证据，为这一推测寻找证据： 1． 形态学 通过野外观察结合标本馆工作，对这三个种的外部形态性状及其变异进行全面的分析，以探讨羽叶铁线莲C. pinnata在形态上与二假定亲本的异同及其产生原因。发现花、叶、习性等性状，在二假定亲本种种内稳定，但种间差异很大，在羽叶铁线莲中，性状变异的幅度正是处于二假定亲本差异之间。 2．解剖学 在光学显微镜及扫描电镜下，观察了这三种铁线莲的叶表皮特征，结果表明：叶片上表皮均不具有气孔器，下表皮气孔器类型均为无规则型;表皮细胞多为不规则形，仅在短尾铁线莲C. brevicaudata的上表皮中为近多边形;上表皮角质膜均具细条纹，下表皮角质膜均具环状或放射状波状嵴。 在扫描电镜下对瘦果形态及宿存花柱进行观察，结果表明：瘦果均密被长柔毛，并有蜡质颗粒状附属物。 在三个种植物之间叶表皮和瘦果的特征均无明显差别，对解释所讨论的问题意义不大。 3．孢粉学 在扫描电镜下对这三种铁线莲的花粉粒进行观察，结果表明：短尾铁线莲的花粉粒具三沟;大叶铁线莲的杂性株中花粉高度败育，说明其杂性株其实即为雌株;羽叶铁线莲的花粉也高度败育，但本种均为两性株，支持本种为杂交种的推测。 4．等位酶研究 利用莽草酸脱氢酶SKD和苹果酸脱氢酶MDH对采自3个居群的羽叶铁线莲大叶铁线莲和短尾铁线莲进行等位酶试验，结果显示在短尾铁线莲与大叶铁线莲中分别出现种内一致的谱带，而羽叶铁线莲则显示出二者杂合的带型。这一结果有力的支持了羽叶铁线莲是由短尾铁线莲和大叶铁线莲杂交产生的推测。 5．居群遗传结构分析 利用随机扩增多态性DNA标记（RAPD）分别检测三个种的遗传多样性和居群遗传结构。15个随机引物对这三个种共160个个体 （短尾铁线莲C. brevicaudata 五个居群73个个体;大叶铁线莲Clematis heracleifolia五个居群75个个体;羽叶铁线莲Clematis pinnata三个居群12个个体。）进行分析，总共得到123个用于分析的条带。我们对这三个种扩增出的条带按照居群进行了聚类分析，结果表明这三个种在聚类树上能够很好的区分开，但是种内居群间没有表现出地理分布式样方面的信息;个体水平上聚类结果表明，百花山采到的7株无法确定的铁线莲幼苗有6株是短尾铁线莲C. brevicaudata另外一株是羽叶铁线莲Clematis pinnata，这说明在幼苗形态上二者差别不大;我们对这三个种分别进行了居群遗传结构的分析，结果表明：短尾铁线莲C. brevicaudata的多态条带比率为90.65％，遗传变异主要分布在居群内，居群间分化较小，而大叶铁线莲Clematis heracleifolia的多态条带比率为90.76％，居群间遗传变异占30.52％，居群间有明显分化。羽叶铁线莲Clematis pinnata的遗传多样性很低，有可能是由于营养繁殖造成的。 6．DNA序列分析 选取叶绿体基因组的trn L－F序列和核基因组的ITS序列进行了测序分析。发现从三个种十个个体得到的trn L－F序列之间几乎没有差异，在640 bp中只得到了3个信息位点。对ITS测序过程中发现短尾铁线莲可直接用PCR产物测序，而对大叶铁线莲和羽叶铁线莲必须进行克隆测序，由于时间关系，我们得到的序列不足以进行进一步分析。 基于以上研究结果，我们初步认为羽叶铁线莲是通过短尾铁线莲和大叶铁线莲的杂交而起源，并根据我们观察到的变异式样对羽叶铁线莲系的一些种类进行了分类学处理。

山西煤核中辉木植物二个新种的研究--山西枝蕨和山西始莲座蕨

辉木植物是莲座蕨目在晚古生代最重要的成员，广泛分布于当时处于热带－亚热带气候条件下的晚石炭世－二叠纪欧美植物区和华夏植物区。目前欧美植物区晚石炭世的辉木植物已经研究得非常深入和全面，但相对来说二叠纪的辉木植物的研究，尤其是关于其非茎器官的研究要薄弱得多。中国山西太原西山煤田早二叠世早期太原组7号煤层煤核中产有丰富的辉木植物各种器官化石，这就为深入了解二叠纪辉木植物的形态、解剖以及辉木植物的系统发育与演化提供了重要的化石材料。本论文利用国际上研究煤核时广泛采用的揭膜法，深入研究了山西煤核中2种分散保存的辉木植物器官：羽轴－山西枝蕨（新种）和生殖羽片－山西始莲座蕨（新种）。由于目前尚无有关二叠纪具解剖构造的辉木植物羽轴的详细研究的报道，因此，山西枝蕨（新种）是国内外目前为止第一种研究得最详细的二叠纪具解剖构造的辉木植物羽轴，它与欧美植物区枝蕨属已有的几个种（均为晚石炭世）的主要区别在于：前者为背腹扁状，后者则为两侧扁状;前者具较发育的鳞片，后者一般没有;前者的表皮下方有一条含有较大的单宁质细胞的薄壁组织带，后者没有;前者的内维管束呈“C”形，较大，位于正中央，后者的内维管束一般呈“W”形，较小，位于一侧。山西始莲座蕨（新种）是目前为止国内第一种（世界第二种）详细研究的二叠纪具解剖构造的两侧对称形的辉木植物聚合囊，同时也是目前国内发现的时代最早的华夏植物区两侧对称形的莲座蕨目聚合囊（包括印痕－压型化石和具解剖构造的矿化化石），它与欧美植物区始莲座蕨属已有的2个种（均为晚石炭世）的主要区别在于：前者的聚合囊囊托维管化，后者的囊托中无维管组织存在;前者的孢子囊侧壁细胞在近顶端呈明显的径向伸长状，后者的孢子囊侧壁细胞的形状和大小在孢子囊的上下没有很明显的变化;前者的孢子很小，数量多，纹饰简单，后者的孢子大，数量少，纹饰复杂。总的来说，本文所研究的二个新种与欧美植物区同属其它种之间的区别要大于后者彼此之间的区别，这可能是由于处于不同的植物地理区，经过长期地理隔绝和平行演化的结果。本研究成果不仅丰富了我们对二叠纪辉木植物非茎器官解剖构造的认识，而且对今后开展华夏植物区二叠纪辉木植物的分类、系统发育和演化以及整体植物的研究，都具有重要的作用和意义。

金粟兰花发育相关基因的结构、功能和进化研究

花是被子植物区别于其它植物大类群的最重要的特征，其形态多种多样。花的发育取决于一个复杂的涉及到多个基因和过程的调控体系，因此花的起源和多样化过程实际上可以理解为这个调控体系的进化过程。在被子植物的不同物种中，花发育相关基因的组成并不相同，且经历了不同的进化历史，这意味着这些基因可能以不同的方式调控花的发育。相对于核心真双子叶植物相对稳定的花形态结构而言，基部被子植物的花具有丰富的多样性。因此，对基部被子植物花发育相关基因的研究对于我们理解被子植物花的进化非常重要。 金粟兰科（Chloranthaceae）是基部被子植物的代表类群之一。与研究得比较深入的模式植物相比，花被、雄蕊或雌蕊的缺失，使得该科植物的花比较简单。因此对该科植物中花发育基因的研究不仅有助于揭示花的起源以及花多样性分化的分子机制，还将为认识花部构造简单化的机制提供资料。本文以金粟兰（Chloranthus spicatus）为实验材料，取得了以下研究结果： 1.花发育相关基因的克隆 应用5’/3’RACE的方法，我们从金粟兰不同发育阶段的混合花芽中克隆到了与花发育相关的MADS-box基因：CsPI、CsAG1和CsAG2。 2. 两个A类MADS-box基因表达式样的对比分析 在营养分生组织向生殖分生组织的转变中，花原基的形成，以及随后雄蕊、心皮、花粉、胚珠和胚囊的发育中，CsAP1-1和 CsAP1-2基因均表达。唯一不同之处在于，在花发育成熟期，CsAP1-1在外珠被也有表达，而CsAP1-2在外珠被处没有表达，而只在内珠被处表达。这一结果反映了基因重复事件发生后，两个基因在功能上也有了一些分化。 3. B类基因功能的保守性和多样性 通过转基因实验和蛋白质相互作用研究对B类基因的功能和作用方式进行了研究，得到以下结果：1）金粟兰CsAP3基因的C末端的点突变所造成的paleoAP3基元的部分缺失对该基因的功能没有决定性的影响;2）金粟兰paleoAP3型基因CsAP3所编码蛋白的C末端以及paleoAP3基元，与拟南芥euAP3型基因AtAP3所编码蛋白的C末端以及euAP3基元没有功能上的不同;3）金粟兰paleoAP3型基因CsAP3与拟南芥euAP3型基因AtAP3 的主要功能存在一定差异，前者主要参与雄蕊形成，而后者既参与雄蕊的形成也参与花瓣的形成; 4）CsPI基因所编码的蛋白可以与AP3类蛋白相互作用进而影响花瓣的形成，因此该基因在功能上是保守的。 4. 金粟兰CsAG1基因的序列结构和功能分析 通过序列结构分析发现，CsAG1属于C类基因，具有保守的AG I基元和AG II基元。过量表达实验分析表明CsAG1的功能与A类基因的功能是相拮抗的。 5. 各类MADS-domain蛋白间的相互作用 在前面工作的基础上，我们首次对金粟兰中各类MADS-domain蛋白间的作用方式进行了研究。酵母双杂交结果表明：1）C末端的完整性对于MADS-domain蛋白二聚体的形成没有影响; 2）去掉M区的CsAP3蛋白与CsPI蛋白都能够形成异源二聚体，同时它们又可以各自形成同源二聚体; 3）E类蛋白既可以和A类或C类基因产物相互作用，也可以同AP3和PI型蛋白相互作用，充分体现了E类基因产物作用式样的保守性; 4）金粟兰中，FUL-like型基因所编码的蛋白CsAP1-1与CsSEP3和CsAG1也能形成异源二聚体，这与核心真双子叶植物的euFUL型蛋白在作用式样上是非常相似的。然而，金粟兰CsAP1-1蛋白不能形成同源二聚体。 综合以上结果发现，在无花被的金粟兰中，仍然存在着A、B、C/D、E类花发育相关的基因。这些基因的功能与核心真双子叶植物中同类基因的相比，有些是保守的，比如CsPI基因可以参与花被的形成;但也有一些是不同的，比如CsAP3基因主要参与雄蕊形成而非花被形成过程。由此可以看出被子植物花器官的发育是一个非常复杂的调控过程，不同植物中的调控机理及进化历程可能是不同的。

藻胆体的光谱特性和光能传递的研究

藻胆体在低浓度磷酸缓冲溶液中发生解离，我们通过藻胆体在解离过程中荧光发射光谱的变化研究藻胆体中藻胆蛋白之间的光能传递． 1．发菜(Nostoc flagelliforme)藻胆体在0.9M磷酸缓冲溶液中较稳定，其77K荧光发射光谱中只有一个荧光峰F686，属于别藻蓝蛋白-B的荧光峰。当藻胆体在低浓度缓冲溶液中时，荧光峰除了686nm，还出现F648和F666肩，而且F648先于F666肩出现．这说明C-藻蓝蛋白(F'648)所捕获的光能已不能全部传给别藻蓝蛋白-B，并说明藻蓝蛋白与别藻蓝蛋白之间的断裂先于别藻蓝蛋白与别藻蓝蛋白-B之间的断裂。当进一步解离时，主峰仍位于648nm，次峰位于686nm．而666nm荧光肩消失，说明C-藻蓝蛋白所捕获的光能已不能传给别藻蓝蛋白，但能传给别藻蓝蛋白-B．我们因此提出在该藻胆体中藻胆蛋白之间的光能传递途径如下： C一藻红蛋白一C-藻蓝蛋白一别藻蓝蛋白_-别藻蓝蛋白-B 在藻胆体的结构方面，我们提出一部分C-藻蓝蛋白与别藻蓝蛋白相连接，另一部分与别藻蓝蛋白-B相连接． 2．聚球藻( synechococcus leopoliensis 625)藻胆体在0.6M，0.3M和0.1M磷酸缓冲液中解离时，其77K荧光光谱中只出现别藻蓝蛋白-B(F'684)和C-藻蓝蛋白(F655)的荧光峰消长变化，没有出现别藻蓝蛋白(F666)的荧光，我们为此提出在该藻胆体中光能从C-藻蓝蛋白传给别藻蓝蛋白-B有两条途径：一是直接传给别藻蓝蛋白-B，另一是传递给别藻蓝蛋白和别藻蓝蛋白-B的复合物，此复合物在0.lM到0,6M磷酸缓冲液中比较稳定．即： c-藻红蛋白→c—藻蓝蛋白—①别藻蓝蛋白-别藻蓝蛋白-B复合物、②别藻蓝蛋白-B

固氮酶金属原子簇对其结构和功能的影响

一、 △nifZ MoFe蛋白的纯化、特性及晶体生长 从缺失nifZ的棕色因氮菌突变种DJ194中，经离子交换层析和凝胶过滤提纯得到△nifZ MoFe蛋白，其纯度可达SDS凝胶电泳纯。它的Fe、Mo含量分别为野生型OP MoFe蛋白的56.6%和75.0%左右;C_2H_2、H~+还原活性和△H_2均只有OP MoFe蛋白的14.6%、21.7%和21.7%;其可见吸收光谱、CD及AR谱都与OP MoFe蛋白有较大差异，其中，可以反应P-cluster氧还状态和含量的ε_(450nm)、ε_(700nm)及△ε_(450nm)均要比OP MoFe蛋白低;由紫外CD谱反映的△nifZ MoFe蛋白的构象也与OP MoFe蛋白有所不同。由此我们推测，nifZ可能与固氮酶MoFe蛋白中P-cluster的合成或组装有关。为进一步阐明△nifZ MoFe蛋白的结构和功能特性，我们对△nifZ MoFe蛋白的晶体生长进行了研究，通过对沉淀剂浓度、缓冲体系和pH、蛋白浓度以及温度等条件的不断优化组合，目前我们已获得棕色短斜四棱柱形△nifZ MoFe蛋白的最大晶体为0.15 * 0.09mm。 二、 MoFe(C,O)与含Mo、Mn和Cr重组液重组的比较研究 MoFe(R)经O_2和o-phen共同处理后，成为部分缺失FeMoco和P-cluster的不全蛋白(MoFe(C,O))，其C_2H_2还原活性降至MoFe(R)的40%左右，将其分别与含Mo、Cr和Mn的重组液进行保温重组，其C_2H_2还原活性及光谱学特征都得到明显恢复。通过对不同重组液及与MoFe(C,O)形成的重组蛋白的比较，我们认为：1)MoFe(R)中的Fe和Mo原子可能是逐步被鳌合除去的，且不同蛋白中的Fe和Mo原子的缺失程度不同，因而MoFe(C,O)会以多种状态存在;2)在重组液配制过程中，发生的一系列颜色变化及沉淀反应与其是否具有重组激活能力具有相关性，重组液中可能已合成一些简单的含M(M=Mo或Cr或Mn或V)的铁硫化物，但不可能形成完整的金属原子簇;3)含M(M=Mo或Cr或Mn)的重组液均能使MoFe(C,O)中遭到破坏的FeMoco和P-cluster及其连接部分得以重新组装和修复，进而恢复其底物还原活性和光谱学特征。 三、 含锰固氮酶的初步探索 棕色固氮菌突变种UW_3(nifH~-)不能在含钼的培养中固氮生长，但能在含MnSO_4的无氮培养基中固氮生长。用含MnSO_4的无钼无氮培养基培养该突变种从中纯化得到的固氮酶组分1蛋白，其C_2H_2及H~+还原活性约相当于MoFe(R)的20%左右，Mn元素含量测定表明，其中已经含有Mn元素，Fe/Mn比值比OP MoFe蛋白中的Fe/Mo低。这些结果表明：UW_3突变种在该种条件下可能已表达了不同于已发现的三种固氮酶的新的固氮酶组分1蛋白，并且其中含有Mn元素。

海藻糖提高酵母拮抗菌生活力和生防效力的作用机制

近年来，利用酵母拮抗菌进行果实采后病害的生物防治已经成为果实采后领域的研究热点。但是，在实际应用中生物拮抗菌制剂的防病效果远不如化学药剂稳定。由于生物拮抗菌是活体，生活力和生防效力易受诸多因素影响。在商品化制剂的剂型加工、销售、以及使用过程中的环境条件往往影响酵母拮抗菌的生活力和抑病能力，成为酵母拮抗菌产业化生产和商品化应用过程中的一个主要障碍。将酵母拮抗菌和其它化学物质配合使用可以提高拮抗菌的生防效力。另外，增加酵母拮抗菌对逆境条件的耐受力也是增加或稳定其防治效果的有效途径。本文研究了海藻糖与酵母拮抗菌生活力和生防效力的关系，通过生理手段提高了酵母拮抗菌内源海藻糖的含量，同时探讨了在多种逆境条件下内源海藻糖含量对酵母拮抗菌生活力和生防效力的影响及其作用机制。主要研究结果如下： 1. 以1 %海藻糖作为碳源培养酵母拮抗菌Cryptococcus laurentii可以提高其内源海藻糖含量。在in vitro试验中，提高内源海藻糖含量可以提高C. laurentii在低温（1 ºC）、气调（1 ºC，5 % O2，5 % CO2）条件下的生活力;在in vivo试验中，提高C. laurentii内源海藻糖含量可以提高其在苹果果实伤口上的种群密度和对苹果青霉病的防治效果。内源海藻糖的积累还能提高C. laurentii冷冻干燥后的生活力，海藻糖对酵母细胞质膜的保护作用可能是一个主要原因。 2. 以1 %海藻糖作为碳源能提高酵母拮抗菌Rhodotorula glutinis的内源海藻糖含量。内源海藻糖含量的增加可以提高C. laurentii和R. glutinis在慢速冷冻处理中的生活力。同时，海藻糖作为外源保护剂可以明显提高两种酵母拮抗菌在冷冻干燥处理后的生活力。在快速冷冻、慢速冷冻和冷冻干燥处理中，提高酵母拮抗菌的内源海藻糖含量并使用海藻糖作为外源保护剂可以获得更高的生活力。同时，这种内、外源保护因子的综合作用也可以提高两种拮抗菌在苹果果实伤口上的种群密度和对苹果青霉病的防治效果。 3. 脱脂牛奶和糖（葡萄糖，半乳糖，蔗糖，海藻糖）作为保护剂可以提高C. laurentii冷冻干燥后在常温（25 ºC）和低温（4 ºC）保存过程中的生活力。脱脂牛奶和糖保护剂的复合使用对C. laurentii的保护效果高于其单独使用的效果。通过对几种常用的碳源进行筛选，发现柠檬酸作为碳源对C. laurentii内源海藻糖的积累有明显的诱导作用。当使用相同的保护剂或保护剂组合时，高内源海藻糖含量的酵母拮抗菌生活力更强。当冷冻干燥前使用半乳糖 + 脱脂牛奶作为保护剂时，高内源海藻糖含量的C. laurentii在4 ºC保存90 天后对苹果青霉病的防治效果和与新鲜培养的酵母拮抗菌相当。 4. 酵母拮抗菌C. laurentii冷冻干燥后在常温(25 ºC)保存期间，细胞生活力下降，细胞膜的完整性降低，胞内活性氧水平增加，同时与抗氧化相关的超氧化物歧化酶（SOD）活性也增加，而过氧化氢酶（CAT）活性则下降。提高内源海藻糖含量和/或使用外源保护剂（5 %脱脂牛奶 + 10 %葡萄糖）可以减缓上述指标下降或上升的速度。内、外源因子的共同作用有利于提高对拮抗菌细胞的保护作用。 5. 利用褐藻酸钠制成的含酵母拮抗菌的胶球在干燥后能有效的保持C. laurentii的生活力。在3种不同粘度的褐藻酸钠中，0.5 % 3500 cp的褐藻酸钠表现出较好的保护效果。内源海藻糖的积累可以提高干胶球中C. laurentii的生活力，作为外源保护剂的4种糖（葡萄糖、半乳糖、蔗糖、海藻糖）中只有海藻糖在低温条件下可以提高C. laurentii的生活力，其它3种糖反而降低了C. laurentii的生活力。

果实成熟衰老与抗病性的调控机制研究

　　果实为开花植物所特有的发育器官，在种子的成熟和传播过程中发挥着重要作用。同时，肉质果实中含有丰富的营养物质，包括纤维素、维生素、抗氧化剂等，成为人们饮食的重要组成部分。由于果实的成熟衰老和抗病性直接影响果品的质量和市场价值，因此，研究果实成熟衰老和抗病性的调控机制具有重要的理论意义和应用前景。本文主要利用蛋白质组学的方法，探讨外源化学物质抑制果实成熟衰老和诱导抗病性的调控机制。 1. 硅对果实的抗病性诱导：用硅酸钠（1%）处理采后的甜樱桃果实，再接种褐腐病原菌（Molinilia fracticola），置于20C下，观测贮藏期间果实的发病率，并分析硅处理后诱导的主要蛋白质及调控机制。研究结果表明：硅酸钠处理可显著抑制贮藏期间褐腐病的发生，其抑病机理与硅诱导PR-蛋白的表达，提高果实的抗氧化水平，减轻由病原菌侵染造成的氧化胁迫相关。同时，硅处理还能保护细胞骨架结构，有利于增强果实对病原菌入侵的抵抗力。 2. 水杨酸对果实的抗病性诱导：用水杨酸（SA，2mM）在果园处理三种成熟度的甜樱桃果实，然后接种青霉病原菌（Penicillium expansum）观察其发病情况，并取样分析参与抗病性应答的主要蛋白质及调控机制。试验结果表明：SA处理能显著降低青霉病的发病率和抑制病斑扩展，而且SA对低成熟度甜樱桃果实的抗性诱导效果更好。在八成熟的果实中，有5个热激蛋白和4个脱氢酶蛋白被SA诱导，这些蛋白参与了糖酵解和三羧酸循环。抗氧化蛋白和PR蛋白主要参与较低成熟度果实的抗性应答，而热激蛋白和脱氢酶在较高成熟度果实的抗性应答中更明显，SA诱导的抗性与代谢途径相关。 　　3. 草酸对果实的抗性诱导：用5mM的草酸处理冬枣果实后，接种青霉菌（P. expansum），观察果实发病情况，测定果实相关的生理指标，分析参与果实抗性应答的主要蛋白质及调控机制。结果表明：草酸能明显延缓冬枣果实的衰老，提高果实对青霉菌的抗性。草酸处理能抑制果实乙烯的释放量和呼吸强度，延缓叶绿素的降解，减少乙醇积累。利用蛋白质组学的研究方法证实了在25个参与了草酸处理应答的蛋白中，胱硫醚-β-合酶结构域包含蛋白（CBB domain-containing protein）和3个与光合作用相关蛋白[二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶（Ribulose bisphosphate carboxylase/oxygenase activase, chloroplast precursor），二磷酸核酮糖羧化酶/加氧酶大亚基结合蛋白（RuBisCO large subunit-binding protein subunit beta, chloroplast precursor），植物光系统Ⅱ放氧复合蛋白2（PSII oxygen-evolving complex protein 2）]的表达量上调，乙醇脱氢酶的表达量出现下调。草酸处理还提高了与乙烯合成前体相关蛋白的表达，抑制了ACC合成酶的活性。草酸提高果实抗病的机制与延缓果实成熟衰老和保持果实抗性有关。 4. 果实衰老的调控机制：采用高氧（100%）和低氧（2-3%）处理苹果果实，观察果实衰老的进程，并基于蛋白质组学的研究方法，探讨苹果果实衰老与线粒体蛋白质组的关系。结果表明，在苹果衰老过程中有22个蛋白的表达量发生变化，这些蛋白主要参与了三羧酸循环，电子传递，碳代谢和胁迫应答。高氧处理能诱导氧化胁迫，加速了果实的衰老。质谱鉴定结果证明：在高氧胁迫下，超氧化物歧化酶（manganese superoxide dismutase，MnSOD）和线粒体外膜通道蛋白（porin) 的表达量降低，MnSOD的活性受到抑制，由此提高了线粒体中超氧阴离子的含量，增加了蛋白质的氧化损伤。 此外，高氧处理改变了porin的功能，导致了线粒体膜的透势发生变化，从而引起外膜损伤。由此阐明了活性氧在果实的成熟衰老调控中的重要作用。

亚热带山地景观尺度植被-环境关系的空间格局分析-以三峡大老岭地区为例

本文主要通过大量的植物群落学调查和植被、环境状况的数量分析，分别从植物区系、森林群落及其主要木本物种、干扰和物种多样性五个方面分析了三峡大老岭地区山地植被景观的空间格局及其与环境因子的关系，结果表明： 1） 植物区系：科的分布区类型以热带性质为主;属一级温带性质明显，北温带、东亚和泛热带诸分布类型突出;区系上属于华中植物区系地区的东部。 2） 在垂直梯度上：种子植物属热带分布诸类的比例自海拔400至800米（～1100米）之间呈上升趋势，然后下降;温带分布的第8、9、10、11类随海拔而上升;地中海－中亚中心分布的第12、13类只见于比较干热的河谷地带;东亚分布和中国特有属在海拔900～1100m和1600～1800m段取得小的峰值;世界分布属的比例随海拔而上升，蕨类植物属则相反。 分别用种子植物属的分布型比列构成，和全部521个属的种类数量，对15个海拔段作聚类分析：前者首先反应了海拔1100～1200m处的划分，与植被干扰状况的垂直分布差异一致;后者强调了海拔900/1000m和1800/1900m 处的分异，可能反映了地带性常绿阔叶林基带／常绿落叶阔叶混交林带，和常绿落叶阔叶林带／落叶阔叶林带的分异。 3） 对本地区森林植被的数量分类结果表明：基本上可以分为中低海拔次生落叶 针阔混交林和中高海拔山地常绿落叶阔混交林两大群。第一群主要包括栓皮栎林－杉木林－马尾松林组（低海拔段）和短柄抱栎林－锥栗林组（中低海拔段）。第二群包括中低海拔沟谷常绿阔叶林组、中海拔段常绿落叶阔叶混交林组和高海拔段米心水青冈林－茅栗林组。 DCCA排序区分了11个群落类型或群落组。采用的7个地貌因子变量中效果显著的可归纳为三组：①海拔，主要反映热量和降水梯度;②坡度和坡位，可能主要反映土壤厚度及其水分和养分状况;③坡向及坡位，反映光照条件。其中植被格局的海拔梯度效应最显著。沿海拔梯度分段分析上述诸因子对植被格局差异影响的垂直分布，表明海拔因子的局部效应在海拔600－800m和1500－1700m段最显著;坡向的效应在海拔1600m以上最突出;坡面、坡位、坡形、坡度等因子的作用在海拔中部最大。对植被格局影响因子的贡献进行定量分离，表明地形对对大老岭森林格局具有强烈的控制作用。 4） 对大老岭森林植被275个主要的木本种类进行TWINSPAN分类，得到16个种组;DCCA排序结果将上述16组合并为8群，两方面都主要反映了沿海拔和坡位＋坡向的分化;海拔中部的局部地形差异导致物种组的分化比两端更细致和强烈。 根据物种生活型及其在植物群落中的地位，分6个种组进行排序和环境解释，表明：①尽管低海拔地段受到强烈人为干扰，常绿种类仍显示了数量和性质沿海拔梯度的变化;②珍稀物种在海拔梯度上形成两个相对集中的区段，大致对应于山地常绿落叶阔叶混交林带的上下边缘;③先锋树种在中低海拔的中上坡位富集;④在中、高海拔的中低坡位，落叶的乔木伴生种显示了极大的多样性;⑤为数不多的针叶树种在海拔和局部地形梯度上也有明确分异;⑥它们和落叶的栎（Quercus）、栗（Castanea）、水青冈（Fagus）、鹅耳枥（Carpinus）属物种在大老岭地区不同地形部位的植被中起着主要的建群作用。 具体统计海拔梯度上，常绿和落叶的乔、灌木4类物种分布的种数变化表明：海拔1100m以下人为活动干扰与木本物种多样性呈一致的负相关;海拔1100m以上常绿种减少与与落叶种的增加形成对照;1100～1700m之间是落叶乔木种最丰富的地段，海拔1700m以上四类物种数量急剧下降，与山顶脊附近生境多样性降低、植物群落类型趋同有关。另外，典型亚热带的棕榈和蕉只见于海拔1000m以下;针叶树种以海拔1150m左右为界分成两组。前述4类物种的分布边界在海拔850～1050m和海拔1650～1750m之间形成比较明显的峰值，基本对应着山地常绿落叶阔叶混交林带的上下边缘。 根据海拔分布范围，将样方中出现的558种木本植物按常绿乔／灌种和落叶乔／灌种分别分成5个热量生态类群。统计各自的面分比表明：a. 落叶灌木种的多样性分布重心在海拔梯度上的位置比落叶乔木种高，常绿种则相反，因此灌木和类的分布特征能更好的反映次生环境中的植被－气候关系;b. 在海拔850～1850m的木本物种形成巨大的多样性，仅出现于这一段的物种也很可观;亲缘物种的分化和替代突出，反映其对生物多样性发生和维持的意义重大;c. 亚热带中山地带对落叶种生物多样性的意义远大于常绿种。 5）统计全部群落样方内枯立木、倒伏木、断头木和伐桩四类受干扰木的大小、数量、物种以反映地形对干扰的影响：①枯立木以2～15cm径级个体为主，小径级的树种选择性不强，主要分布在山南坡口上坡位，海拔1800m以上尤多，在陡峭的坡地中部减少;其大径级个体的物种构成和分布格局反映了与生境干旱有关干扰的存在。②倒伏木主要分布在海拔1200～1800m之间坡面中部和顶脊两侧，发生频率与坡度成正比;坡地中部以中、小径级阳性树种为主，山坡顶脊两侧的倒伏木则多为大径级的群落优势种。③断头木主要分布在海拔1200～1700m，和海拔1900m以上。小径级的断头木分布格局接近于枯立木，较大径级的断头木则多与倒伏木的分布相关，断头木中少有典型的阳性树种，主要由林下荫耐种构成。④人为砍伐的伐桩主要为中大径级的植被建群种或优势种个体，在海拔1000m以下，1100-1200m和1600-1800m形成三个峰值，其分布主要与人口密度、生产方式、林木种类以及交通运输便捷程度有关，通常沟谷和山脊线上的伐桩密度较大。大老岭地区人为干扰主要反映在海拔1100m以下，自然干扰的格局在海拔1100m以上才得到反映。 6）在不同取样尺度上，对大老岭地区森林群落各层次α多样性和β多样性的空间格局分析表明：i. 乔木层α多样性在海拔1200-1800m之间取值较高，灌木、草本层α多样性的垂直梯度不显著，但在海拔1200-1800m之间的波动变化较为剧烈，南坡面有最丰富的灌木层多样性而西坡乔木层的物种最丰;从植被整体上，海拔1000m以下物种丰富度较低，1000-1700m之间变化剧烈，1700m以上丰富度水平较高。ii. 海拔1000-2000m之间94个样方中，乔、灌、草三层多种生物多样性指数变化影响因子的大小顺序是：坡位>海拔>坡向>坡面>坡度>坡形。乔、灌、草各层几种多样性指数在多维的地形因子梯度上形成各异的分布格局，反映了山地物种多样性格局控制因子的多样性和多尺度，及局部地形因子对景观尺度上生物多样性空间格局的强烈影响。iii.对海拔1050m和1670m处植被α多样性的变尺度分析表明：随取样尺度增大，低海拔乔木、灌木层α多样性增长速率比高海拔大;后者草本层的多样性增长比较快。海拔1050m处群落各层的α多样性在800m~2尺度上渐近稳定;海拔1670m处，400m~2尺度上各层α多样性指数已基本稳定。 南、北、西坡面β多样性沿海拔梯度大致减少，在海拔1600m以上更明显，在海拔梯度中部变化剧烈。反映不同坡面上群落间异质性水平是：西坡>北坡>南坡。 在对植被、环境上述各个方面的格局特征分析基础上，对三峡地区侵入岩山地类型建立了一个综合的植被景观格局模式。 文章最后就两个景观尺度植被－环境的综合性问题进行了讨论：1）气候、植物区系、植被和物种分布等对老岭以至于三峡地区和亚热带山地常绿落叶阔叶混交林带的位置、宽度的反映;和气候、地形、干扰等因子对这一生态过渡带格局和动态的影响;2）三峡地区生物多样性垂直分布的特征、维持和变化的现代机制，以及保护的重点和策略

锡林河流域一个放牧草原群落土壤呼吸及其影响因子的研究

本文综述了草原群落土壤呼吸研究的理论、方法、最新进展和主要成果。从2001年6月5日到10月15日，在内蒙古锡林河流域的一个典型草原群落放牧地段用气相色谱法对土壤呼吸进行了测定，并同期观测相应的环境因子，分析了它们之间的相互关系，并根据根系生物量和土壤呼吸的相关性外推出根系呼吸占土壤总呼吸的比例。同时，采用碱液吸收法对该草原群落和一个沼泽化草甸群落的土壤呼吸进行了比对测定，比较在不同生境下土壤呼吸速率的差异。另外，重点比较了两种常用的土壤呼吸测量方法——碱液吸收法和气相色谱法对典型草原群落土壤呼吸的测量效果。主要研究成果如下： 1．在草原群落，生物量（包括地上和地下生物量）、温度（包括气温和土壤温度）和水分及土壤呼吸的季节变化均呈不规则的波动曲线;土壤呼吸与土壤湿度高度相关，与温度尤其是土壤温度以及地下生物量之间存在着一定的相关性，但和地上生物量及绿色生物量之间几乎没有关系。 2．草原群落和草甸群落土壤呼吸的季节动态基本一致，均出现了两个峰值，分别出现在6月底和7月底，它们的变化范围分别为312.8~1738.9 mg C﹒m-2﹒d-1 和 354.6 ~2235.6 mg C﹒m-2﹒d-1，日平均土壤呼吸速率分别为785.9 mg C﹒m-2﹒d-1 和1349.6 mg C﹒m-2﹒d-1，草甸群落的土壤呼吸速率明显高于草原群落; 3．土壤水分是草原群落土壤呼吸的主要限制因子，但对草甸群落的土壤呼吸变化却基本没有影响;草甸群落中，地上总生物量与土壤呼吸速率间没有显著的相关关系，但地上部分绿色生物量与土壤呼吸间存在着显著的幂函数关系，而在草原群落中，土壤呼吸速率与地上活生物量或地上总生物量的相关关系均很弱。 4．在草原群落，根系呼吸占土壤总呼吸的比例为60.7% - 93.3%，平均为82%; 5．碱液吸收法和气相色谱法的测定结果具有很高的相关性（R2=0.7563），它们的季节动态基本一致，变化范围分别为从249.3~1795.1 mg C﹒m-2﹒d-1和从312.8~1738.9 mg C﹒m-2﹒d-1，平均值分别为634.2 mg C﹒m-2﹒d-1和802.7 mg C﹒m-2﹒d-1，碱液吸收法的测量值是气相色谱法的约1.4倍。

开垦和放牧对内蒙古草原土壤碳库和温室气体通量的影响

本文采用野外观测和室内测定相结合的方法，研究了内蒙古草原两种主要的土地利用方式（开垦和放牧）对土壤碳库和温室气体通量的影响，结果如下： 1．内蒙古草甸草原开垦后30年后，与天然草原相比，在休闲年份0～20 cm土壤有机碳和土壤微生物量碳含量均没有显著下降，但开垦导致土壤易分解碳下降了24%。土壤易氧化碳受季节性水热因子的驱动，表现出明显的季节变化动态。因此，土壤易分解碳的较土壤碳库的其他组分对开垦更敏感，是表征土壤管理措施引起有机质变化的一个重要指标。 草原开垦后，土壤-植物系统氧化大气甲烷的能力明显提高，农田和天然草原CH4平均吸收通量分别是48.9 和 29.0 μg C m-2 h-1，开垦后增加了1.7倍。开垦没有改变CH4吸收通量 “夏季高秋季低” 的季节变化规律（由降水决定）;开垦使N2O的平均释放通量增加了47%，农田和天然草原N2O平均吸收通量分别是56.6 和 38.6 ugN m-2 h-1;开垦同时也增大了通量的变异幅度;但没有改变N2O季节变化规律，只是出现高峰的时间较天然草原推后约10天左右。 2．开垦后的农田土壤在模拟添加厩肥后，刺激了土壤微生物的呼吸代谢，使CO2的释放量增加了5-7倍。试验期间总体排放的CO2中，约60%来源于羊粪，40% 来源于土壤。两种土壤即羊草顶级草原土壤（高碳高氮）和冷蒿－小禾草退化草原土壤（低碳低氮），在CO2的释放总量和释放比例上都没有显著性差异。添加厩肥均造成两种土壤碳库的净碳损失，并且退化草原土壤（7.0%）的土壤净碳损失要大于羊草草原（2.6%）。说明与开垦后的高C土壤相比，在已经退化草原的低C土壤上施厩肥将趋向于土壤更大的净碳损失。 3．自由放牧22年后，羊草草原0～10 cm土壤有机碳、微生物量碳和易分解碳分别下降了14.1%、27.9%和22.0%;大针茅草原0～5 cm土壤有机碳和微生物量碳分别下降了27.6%和38.2%。两类草原土壤碳组分的季节变化受水热因子的驱动，大针茅草原季节波动出现高峰的时间较羊草草原迟。土壤微生物量碳在表征羊草草原和大针茅草原土壤碳素的动态变化时，要敏感于土壤总有机碳。放牧对冷蒿-小禾草草原土壤各碳素组分影响不明显。在表征放牧对冷蒿-小禾草草原土壤的影响指示上，MB-C/ Org-C和Lab-C/ Org-C要比MB-C和Lab-C更加敏感。这说明在研究放牧对草原土壤碳库影响时，不同的草原类型应使用不同的指标来表征其变化。 内蒙古羊草草原是大气CH4的汇，自由放牧增加土壤对CH4的吸收。CH4平均吸收通量增加了27%，但CH4吸收的季节变化形式没有改变;放牧使。自由放牧还增大了N2O的排放通量，将原来N2O源、汇的双重功能改变为单一的源功能;放牧使N2O平均释放通量增加了1倍;放牧显著增加了羊草草原向大气排放CO2的量（p<0.05），并且年度排放量范围也有所增大。 4．草原羊尿斑土壤的pH和NH4+浓度在施后显著升高，但土壤微生物C和N没有明显变化，尿斑N素会发生大量的流失。粪斑和厩肥斑中各有46%和27%的N素分解后转移到植物中。羊草种群斑块上粪尿斑引起CO2和N2O通量的变化，要大于星毛委陵菜种群斑块。与植被类型的影响相比，羊粪尿斑尤其是尿斑对温室气体通量的影响更大。尿斑既降低了土壤对CH4的吸收，又增加了CO2和N2O的释放，使粪尿斑上相当于CO2的净排放量比对照土壤增加了15%。 在内蒙古草原中等放牧条件下，家畜粪尿斑在放牧草地上的覆盖面积约只有2%，与未被家畜排泄物覆盖的草原土壤 相比，粪尿斑对内蒙古草原温室气体总体收支产生的影响可以忽略不计。因此内蒙古草原地区温室气体减排措施的重点，应放在家畜的食性食量对温室气体的影响以及厩肥的科学利用上。但随放牧强度的加大，家畜排泄物覆盖草地的面积将大大增加，加之放牧生态系统中家畜瘤胃代谢产生的的大量温室气体，其对草原温室气体的核算将会产生的影响也是不容忽视的。

土地利用方式对内蒙古农牧交错区草地生态系统的影响

陆地生态系统是人类赖以生存与持续发展的基础。由于其巨大的碳储存能力陆地生态系统在全球碳循环过程中发挥着重要作用，尤其是在延缓因大气中CO2浓度升高所引起的气候变化方面作用更为突出。作为世界上最广布的植被类型之一，草地生态系统是陆地生态系统的重要组成部分，其面积占到全球陆地面积的五分之一。中国有着世界第二大的草地生态系统，面积为3.55×108 hm2，约占世界草地面积的6％～8％，其碳储量为世界总碳储量的9％～16％。以内蒙古高原为主体的北方草地，面积约占国土总面积的40％左右，是一种重要的可再生的农牧业资源;作为一种重要的绿色生态屏障，北方草地在调节气候，涵养水源，防风固沙，净化空气和美化环境等方面起着重要作用。由于人口的增长和经济发展的需求，许多土地利用方式呈现在北方农牧交错区。地处内蒙古高原南麓的多伦县属于典型的农牧交错区，良好的气候条件和复杂的人文环境决定了多种土地利用方式在这一地区的并存，为开展不 同土地利用方式对草地生态系统影响的研究提供了天然的研究场所。 本研究选择了多伦县境内的6种土地利用方式作为研究对象，即围封禁牧样地、刈割禁牧样地、自由放牧样地、人工（紫花苜蓿）草地、农田（青贮玉米）和弃耕地，主要研究在这几种不同的土地利用方式影响下，土壤碳氮储量、草地生态系统功能（生产力等）和群落结构的变化。通过对土壤碳氮储量变化的研究发现： (1) 不同土地利用方式因其地上净初级生产力的不同而影响了土壤的碳氮储量，但是高的地上初级生产力并不一定能提高土壤的碳氮储量，如青贮玉米地。这主要是因为土壤碳氮储量与根系和凋落的输入相关。 (2) 不同土地利用方式对植被的浅层（0-20 cm）根系影响较大，继而影响了土壤的碳氮储量。这是因为大约80％的根系碳氮和50％的土壤碳氮储量都集中分布在这一层次。而土壤潜在库容的进一步扩大则要依靠深层根系生物量的增加，以提高深层土壤的碳氮含量，如人工（苜蓿）草地。 (3) 在合理利用方式或者科学管理措施下，草地土壤有机碳储量处于8 kg C m-2到10 kg C m-2之间，比过度退化草地的有机碳储量提高了50％。 (4) 经过短期恢复，土壤的库容量会很快增加，表现出较强的储存功能。因此，通过合理的土地利用方式和管理措施，中国北方农牧交错区可以转变成一个巨大的碳汇。 通过对不同利用方式下草地生态系统的功能、群落结构和物种多样性恢复的研究，得到如下实验结果： (1) 与自由放牧相比，短期（5年）禁牧（围封和刈割）提高了草地的地上净初级生产力和物种数目。围封禁牧和刈割禁牧草地的地上净初级生产力分别比自由放牧草地高出107.3％和50％;而物种数目则分别比自由放牧草地增加了14.8％和25.9％。 (2) 围封和刈割禁牧，尤其是后者，主要增加了非禾本科草本植物在群落中所占的比例;而在自由放牧草地，灌木和半灌木种群在群落中占有绝对优势。 (3) 物种多样性和生产力间的关系因外部干扰程度的不同而变化。在轻度干扰（围封禁牧）和中度干扰（刈割禁牧）下，生产力和物种多样性间呈指数正相关关系;而在重度干扰（自由放牧）下，群落地上净初级生产力随着物种多样性的增加呈指数递减的趋势。 通过对不同土地利用（或干扰）方式下，草地生态系统小尺度上的空间属性进行分析后，得到以下研究结果： (1) 群落和物种的地上生物量以及土壤养分均表现出显著的小尺度空间结构特征，并且在不同利用方式影响下，这种空间属性表现出较大的差异。 (2) 禁牧（围封和刈割）草地的土壤有机碳和氮含量比较高。土壤有机碳的变程较小，变化范围为0.83～1.40 m，其在三种类型土地利用的变异系数都维持在18.0％左右;土壤全氮的空间自相关尺度为0.46～14.69m，变异系数为12.10％～30.86％。 (3) 群落地上生物量以禁牧（围封和刈割）草地较高。在围封禁牧和刈割禁牧草地内的变异系数分别为26.48％和19.94％，在自由放牧草地的变异系数为67.47％;其空间自相关尺度为0.74～3.9m。在不同的土地利用方式下，物种、功能群以及多样性指数都表现出显著的空间异质性，并且其空间属性变化各异。 (4) 土壤养分和植被的空间分布相互影响，互为因果关系。这种小尺度的空间格局差异是群落演替的驱动力，而不同的土地利用方式正是通过改变群落内小尺度的空间属性来影响了群落的演替方向。 在不同土地利用方式影响下，草地生态系统不仅在宏观功能，如生态系统生产力、群落结构和土壤的碳氮储量等方面表现出较大的差异，而且在微观结构上，如土壤养分和物种的空间属性等方面也发生了明显了变化，并且宏观和微观上的变化相互促进相互影响，它们的相互作用在很大程度上决定了群落的演替方向和草地生态系统全球变化过程中的具体作用。

内蒙古毛乌素沙地不同生境油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)灌丛地碳动态研究

油蒿(Artemisia ordosica Krasch.)是内蒙古鄂尔多斯高原特有的半灌木，构成该地区沙地优势植被类型。主要分布在固定、半固定沙丘，同时在流动沙丘也有少量分布。它在当地经济价值、防风固沙环保方面均处于无以取代的地位。在毛乌素沙地沙漠化日益扩大的严峻态势下,研究其群落地上、地下过程对生境变化的响应不仅对维持干旱、半干旱区生态系统稳定的管理措施上有所帮助，而且也有助于了解全球变化背景下物种对环境条件的长期变化适应策略。 为此，本项研究以毛乌素沙地为研究区域，利用异速生长关系确立不同生境油蒿生物量最佳回归方程，并调查、比较了毛乌素沙地固定沙丘、半固定沙丘和流动沙丘三个生境油蒿灌丛地的生物量、土壤和植被的碳储量、生产力和细根周转、土壤微生物生物量碳、氮和土壤呼吸。具体结果如下： 1. 建立并比较了油蒿枝、株两个水平上各部分（不含细根）生物量异速生长关系式，其中枝形态指标（枝直径BD、枝长BL、叶枝长LBL）与油蒿叶、枝、果各部分生物量的异速关系最好;株水平上冠层面积CA与其叶、枝干、果、粗根各部分生物量的回归效果较好。不同生境生物量与其生长变量的异速生长关系存在差异。2004年调查的油蒿灌丛生物量从固定沙丘、半固定沙丘到流动沙丘分别是354.8，178.3和30.4 g m-2;各部分（叶、枝干、果、粗根、不同径级细根的)生物量都呈递减趋势。地下根与总生物量比值排序为固定>半固定>流动沙丘。不同生境细根生物量垂直分布存在差异，在固定沙丘根可至100 cm，半固定沙丘达90 cm，而在流动沙丘仅为60 cm，这些结果有助于使了解不同生境中的相同物种如何通过自身形态及其生物量调整来适应生境的差异。 2. 不同生境油蒿灌丛地植被碳储量和土壤碳储量在P < 0.05水平上差异显著，其中固定沙丘植被碳储量和土壤碳储量分别为224.04和7521 g C m-2，半固定沙丘是119.27和3029 g C m-2，流动沙丘是16.83和2300 g C m-2。可见沙区土壤有机碳远大于植被碳量。 3. 利用最大值减最小值方法、标准取样法和内生长土芯法研究了不同生境油蒿灌丛地的地上、粗根生产力和地下细根生产力。发现各生境生产力、细根周转都随着植被盖度增加而增加，地下根生产力与总生产力之比随着植被盖度增加而减少;不同生境油蒿灌丛地生产力在P < 0.05水平上存在显著差异，2005年总生产力范围在18.23-293.82 g m-2 yr-1之间;细根总周转率在0.16-0.54 yr-1之间。 4. 利用异速生产关系确立不同生境不同水平上油蒿叶面积的最佳回归关系式并对不同生境的比叶面积（SLA）进行了比较，其中枝水平上各生境叶面积与枝直径、枝叶长、枝长相关关系在P < 0.001水平上显著;株水平上各生境叶面积与株高、冠层面积相关关系在P < 0.001水平显著;从固定沙丘、半固定沙丘到流动沙丘SLA由大变小，这可能与生境养分差异有关。 5. 不同生境油蒿灌丛地土壤微生物碳、氮和土壤呼吸范围分别在117.99-153.99 mg kg-1、1.49-3.31mg kg-1和0.54-1.96 μmol m-2 s-1之间，它们从固定沙丘、半固定沙丘到流动沙丘依次下降。

内蒙古农牧交错区典型草地和农田生态系统碳通量的研究

涡度相关技术是唯一能直接测定大气与植被间CO2通量的标准方法。随着全球变化研究的深入，人类活动干扰下陆地生态系统碳通量研究越来越受到关注，对草地生态系统的研究更是备受关注。本研究选择位于内蒙古典型的农牧交错区——多伦县的典型克氏针茅草地和被开垦的农田为研究对象，利用涡度相关技术，结合各环境因子，在不同时间尺度上探讨了控制内蒙古草地生态系统碳通量可能的生理机制。利用一年多净生态系统CO2气体交换（NEE）通量的观测，量化了这个地区草地生态系统的碳储备量，并进一步阐明了开垦对该区域生态系统物质能量流动的影响。我们还利用Keeling同位素曲线与微气象技术相结合的方法把生态系统夜间呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸;同时利用同化箱式法，把草地生态系统白天群落呼吸进行了区分，进一步了解了不同生态过程对净碳通量的贡献。 结果表明，控制该地区生态系统碳通量主要的环境因子是土壤含水量（VWC）和温度。两个生态系统的植被叶面积指数（LAI）和生物量在非干旱季都要高于干旱季，因而两个生态系统在非干旱季不同环境因子的不同梯度下的NEEmax都比干旱季的要高。两个生态系统NEE的最大日变幅和日最大值在非旱季与旱季十分接近，说明即使土壤水分有所改善，但由于这个地区贫瘠的土壤限制了生态系统的净碳交换量而使这两个生态系统的固碳能力依旧不高。无论是旱季还是非旱季，草地生态系统呼吸的温度敏感系数Q10都随土壤含水量的增加而增加，这除了水分的促进作用外，另外就是生长旺季根生物量的增加。而在两个生长季里农田生态系统的Q10都随土壤含水量的变化不是很规则，这主要是因为农作改变了植被类型和土壤的物理结构从而引起生态系统微环境、微生物活性以及根生物量的改变，结果影响生态系统呼吸对温度的敏感性。 在连续两个生长季里，两个生态系统碳通量随季节的变化都有明显的日变化，7月份的日变化最大，而且农田生态系统的NEE日变幅大于草地生态系统NEE的日变幅。两个生态系统每个月NEE的日最大值都出现在上午8~9点左右，而生态系统的呼吸（RE）的日最大值都发生在下午14~16点左右。冬季两个生态系统各组分碳通量的日进程几乎都没有差异，系统基本处于碳平衡状态。进入春季，幼小的植被限制了生态系统的碳同化。期间的耕作促进了土壤CO2的大量释放，同时较频繁的降雨不仅影响植被吸收光以进行光合固定碳，同时也进一步加大了农田CO2的释放，结果农田生态系统释放的CO2比草地生态系统多。夏季，两个生态系统都是吸收碳的库，农田生态系统因较高的LAI和较低的生态系统呼吸温度敏感性使其NEP远高于草地生态系统的NEP，是一个较强的碳库。秋末，草地生态系统几乎处于碳平衡的状态。农作物的收割，使得大量含不溶性物质较低枯叶和秸秆残留在地里，农田生态系统呼吸释放的碳量显著高于同期草地释放的碳量。通过2005～2006年对两个生态系统碳通量进行一整年的观测，发现两个生态系统年净固碳量相当，草地净固定71.3 g C m-2，农田净固定64.4 g C m-2。但秋季的收获使农田生态系统近70%的生物量被收走，降低了该系统的固碳能力。 为进一步了解不同生态过程对净碳通量的贡献量，我们利用浓度梯度-同位素法与微气象技术相结合的方法，初步将生态系统呼吸区分为自养呼吸和异养呼吸。草地生态系统在生长旺季自养呼吸占总呼吸80%以上，而农田生态系统在生长季阶段异养呼吸所占整个生态呼吸的比例从60%上升至作物成熟时的80%以上。降雨不仅显著增加草地生态系统呼吸的释放量，而且主要是显著增加了异养呼吸的释放量。此外，我们还利用同化箱式法对草地生态系统的群落呼吸进行区分，结果显示群落总呼吸（Re）有明显的季节变化，最高值在生长季中期。凋落物分解、土壤有机质呼吸、根呼吸和地上植被呼吸在整个生长季平均分别占总生态系统呼吸的19.4%、37.8%、9.8%和32.9%。构建各组分呼吸通量与温度的指数关系，结果显示根呼吸的温度敏感系数最大，土壤有机质的温度敏感性最低。降雨后首先促进了异养呼吸，随后植物的呼吸也开始变大，群落呼吸释放的最高峰出现在雨后第二天。 本研究初步分析了控制内蒙古农牧交错区草地生态系统碳通量的主要因子，量化了该区域草地生态系统的碳储备量，并进一步阐述了开垦对该区域生态系统碳通量的影响。同时尝试不同方法对生态系统碳通量进行了区分，得出了一些具有生态学意义的结果，为进一步探讨控制生态系统碳通量的生理机制提供了可能。

典型草原优势植物养分回收特性对养分和水分梯度变化的响应

养分回收是植物衰老时，养分从衰老组织向活的组织体转移的一种过程。该过程延长了养分在植物体内的滞留时间，提高了植物保持养分的能力，因此是植物适应养分贫瘠生境的策略之一。全球气候变化，包括降水格局改变和氮（N）沉降增加，改变了生态系统正常的生物地球化学循环，因此可能会对植物的养分回收特性产生影响。研究不同N、磷（P）、水梯度上，植物物种养分回收特性的响应格局，对于预测N沉降增加和降水格局改变对物种养分利用策略的潜在影响，具有一定的理论与实践意义。本研究以中国科学院植物研究所多伦恢复生态学实验站长期施N肥实验（0，1，2，4，8，16，32，64 g N m-2 yr-1等8个水平）为研究平台研究了克氏针茅（Stipa krylovii）群落中优势植物养分回收随N素添加梯度的变化，同时结合三个盆栽控制实验（施N肥实验：0，0.5，1，2，4，8，16，32，64，128 g N m-2等10个水平;施P肥实验：梯度同施N肥实验;控水实验：3600，4000，4500，5143，6000，7200，9000，12000，18000，36000 mL pot-1等10个水平），主要探讨了羊草（Leymus chinensis）养分回收效率（从衰老组织中回收转移的养分百分数，RE）和养分回收度（以枯叶中养分浓度衡量，RP）以及其它叶片养分特性(绿叶养分浓度和比叶面积SLA)对环境因子改变的响应格局。同时，我们还调查了枯叶C:N比和C:P比等参数，研究环境因子改变对凋落物分解的影响。 1）连续4年施N肥显著降低了五个物种叶片N素回收度（NRP），对P素回收度（PRP）的影响在各物种间差异较大，但低N提高了多数物种的PRP;物种间，冷蒿（Artemisia frigida）RP（枯叶N和P浓度分别为14.3±2.0 mg g-1和0.68±0.09 mg g-1）最低，砂韭（Allium bidentatum）（N：5.2±0.2 mg g-1，P：0.12±0.01 mg g-1）最高。沿施N梯度，N素回收效率（NRE）的变化趋势在物种间差异较小但在方法间（叶干重水平，叶面积水平和单株水平）差异较大，而P素回收效率（PRE）的变化在物种间和方法间差别都较大。叶干重水平和叶面积水平上，NRE在四个物种中表现出显著降低的趋势，PRE只在糙隐子草（Cleistogenes squarrosa）和星毛委陵菜（Potentilla acaulis）中显著降低，其它三个物种变化不显著。单株水平上，所有物种NRE（除了克氏针茅）和PRE均与施N量梯度无显著性关系。物种间，砂韭的RE最高（＞80.0%），冷蒿和星毛委陵菜最低（＜60.0%）。方法间，叶片水平上的RE均高于单株水平上。沿施N肥梯度，两个禾本科物种SLA无显著变化规律，而其它三个物种SLA表现出先增加后变化不大的趋势。物种间，最高和最低的SLA分别表现在冷蒿和克氏针茅。沿施N肥梯度，五个物种C:N比呈先显著降低后缓慢降低的趋势。物种间，最大和最小的C:N比分别出现在砂韭和冷蒿。 2）盆栽施N肥实验中，一定范围内，施N肥显著提高了羊草地上地下生物量、SLA和绿叶N浓度，显著降低了C:N比、NRP、NRE和PRE，但对绿叶P浓度、叶片PRP和C:P比无明显影响。平均枯叶N浓度和枯叶P浓度分别为16.2 mg g-1和1.01 mg g-1，平均NRE和PRE分别为46.1﹪和58.1﹪。10月时，地下生物量和养分积累均高于地上部分。 3）盆栽施P肥实验中，一定范围内，施P肥显著地提高了羊草地上地下生物量、SLA、绿叶N浓度和绿叶P浓度，显著降低了C:N比、C:P比、NRP、PRP和PRE，但对NRE无显著影响。平均枯叶N浓度和枯叶P浓度分别为9.9 mg g-1和7.43 mg g-1，平均NRE和PRE分别为58.2﹪，平均PRE为56.1﹪。10月时地下部分生物量和N库积累均高于地上部分，而P库在两个部分间差别不大。 4）盆栽控水实验中，一定范围内，供水量增加显著增加了羊草地上地下生物量、SLA、NRP、PRP、PRE、C:N比和C:P比，显著降低了绿叶N浓度，但对绿叶P浓度和NRE无显著性影响。平均枯叶N浓度和枯叶P浓度分别为10.4 mg g-1和0.32 mg g-1，平均NRE和PRE分别为54.4﹪和76.8﹪。10月时，地下部分生物量和养分积累均高于地上部分。 以上结果表明，N、P和水分因子的改变影响了植物生物量和养分分配、叶片养分特性、养分回收能力以及枯叶分解质量等，且不同梯度影响程度也不同。因此，未来全球变化包括N沉降增加和降水格局改变可能影响植物养分利用策略和凋落物分解特性，进而可能对植被-土壤系统养分循环产生影响。

增温与土地利用变化对青藏高原高寒草甸生态系统温室气体通量影响的研究

随着青藏高原气候变暖进程及放牧压力与开垦面积的逐年加大，非常有必要评价青藏高原高寒草甸生态系统温室气体通量对气候变暖、放牧（包括粪尿斑）和开垦的响应和反馈。与此同时，我们进行了粪尿斑及开垦对土壤理化性质影响研究。本研究对于青藏高原高寒草甸C、N循环关键过程对全球变化响应的认识具有重要意义。 本文通过2年（2006-2007）增温（白天+1.2℃，晚上+1.7℃）与放牧耦合试验，在生长季观测了增温与放牧对高寒草甸生态系统温室气体通量的影响。研究初步表明，增温试验显著增加10 cm土壤温度1℃左右；在放牧频度相对较高的2007年，放牧也显著增加了土壤温度1℃左右。总体上，增温对土壤湿度的影响不显著。 增温可以促进土壤对CH4的吸收，而放牧对CH4通量影响不大或起到一定程度抑制作用。在较低放牧频度的2006年，放牧显著降低了植物-土壤系统CO2总释放量，增温促进了CO2的释放。而在放牧频度相对较高的2007年生长季，没有发现增温及放牧对土壤-植被系统CO2释放显著的影响。2006年放牧后，增温促进了高寒草甸土壤N2O的释放；2007年，增温不放牧小区N2O总通量较对照增加了24.6%，同时放牧处理也促进了N2O释放。基于土壤温度和土壤湿度的线性回归模型可以解释55%-89%的CH4通量变异，而土壤湿度较土壤温度对CH4通量影响更大。土壤温度是影响CO2和N2O通量的主要因子，通过拟合的指数型曲线，土壤温度可以分别解释43%-63%CO2通量变异与65%-81%N2O通量变异。 在2005年与2006年夏季放牧期间，对牦牛粪尿斑处理对高寒草甸CH4、CO2和N2O通量进行了观测。牛粪小区2年观测期内CH4平均通量为687 μg m-2 h-1，而尿斑和对照土壤吸收CH4（平均通量分别为-34 μg m-2 h-1和-39 μg m-2 h-1）。牛粪小区CO2在2005年和2006年观测期内累积释放量较对照分别增加了35.8%和49.7%，而牛尿小区与对照累积释放量差异不显著。牛尿与牛粪小区N2O累积释放量显著高于对照，在2005年牛尿与牛粪小区N2O累积释放量较对照分别增加了3.7和3.5倍，而在2006年分别增加了2.1和1.8倍。因此，在估算放牧高寒草甸生态系统N2O释放时，来自牛粪斑释放量是不能被忽略的。但在中等放牧强度下（1.45头ha-1 y-1），有粪尿斑覆盖的高寒草甸在观测期内全球变暖潜势较相同面积没有粪尿斑覆盖的草甸仅增加了1%。土壤水分孔隙度（WFPS）可以解释牛尿小区35%和对照小区36%CH4通量变异。土壤温度是控制CO2释放的主要因子之一，它可以解释所有处理40-75% CO2的变异。牛尿处理（34%）、牛粪处理（48%）及对照（56%）N2O时间变异则同时受土壤温度和WFPS的驱动。在观测期内，牛尿可以显著提高土壤的pH值。粪尿斑对土壤微生物量碳氮没有产生显著性影响，但在一定时段内能显著增加土壤无机氮含量。 通过在青藏高原高寒草甸开展的人工草地试验，初步探讨了不同土地利用方式（种植燕麦、开垦后闲置及自然恢复）对CO2、CH4和N2O通量，以及土壤无机氮和微生物量氮的影响。燕麦地、自然恢复草地及开垦闲置地与天然草地相比，吸收CH4的能力均表现为增强（CH4的吸收总量分别增加了31.9%、57.2%和71.0%）。由于燕麦地生物量低于天然草地与恢复草地，造成了燕麦地土壤-植被CO2释放量低于天然草地和恢复草地。而闲置地几乎没有植被覆盖，其CO2释放量显著低于天然草地。草地恢复8年后，CO2释放基本恢复到天然草地的水平。闲置地N2O总通量显著高于天然草地，较天然草地增加了60.5%。观测期内燕麦地与天然草地相比，N2O总通量增加了24.3%，但没有达到显著性水平。开垦及种植燕麦，增加了土壤硝态氮的含量，而自然恢复地、燕麦地、天然草地和闲置地在观测期内土壤铵态氮平均含量没有观察到显著性差异。燕麦地土壤微生物量氮平均含量最低（119.7 mg N kg-1），而自然恢复草地、天然草地和闲置地土壤微生物量氮差异不大。