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。

内蒙古高原成熟和退化羊草草原群落物种功能特性与土壤微生物量C、N、P对氮素添加响应

氮素是大多数陆地生态系统初级生产力的主要限制因子。由于人类的工业和农业生产活动不断加剧，导致全球性氮沉降增加，使大多数生态系统氮素的可获得性增强。从而降低或消除了氮素对生态系统的限制作用，加速了生态系统生物地球化学过程，对物种多样性和生态系统结构与功能产生了显著的影响。但由于成土母质、气候条件、地形地貌、植被组成等的差异，不同生态系统类型对氮素增加的响应也不尽相同。欧洲和北美一些发达国家地区对于草地生态系统对于全球性氮沉降增加响应进行了较全面的研究，对于分布广泛的欧亚大陆草原研究相对不足。 本文研究选择对于欧亚大陆草原较具代表性的成熟羊草草原群落及该群落的退化类型为研究对象，从1999年开始，在这两类群落中选取地形相对平缓均一，植被组成一致的地段设置了施肥小区并进行持续氮素添加实验。本文研究了成熟和退化羊草草原群落物种功能特性与土壤微生物量C、N、P对氮素添加响应。 羊草群落中6种主要植物的地上生物量、种群密度、比叶面积、叶氮和叶绿素含量对于氮素添加响应以及各指标之间相关关系的分析表明：比叶面积、基于质量的叶片含氮量和叶绿素含量、叶绿素a和叶绿素b的比值等叶片水平上物种功能特性间的相互作用，共同影响和决定了种群密度和地上生物量对氮素添加的响应。羊草通过提高比叶面积、叶片叶绿素含量和含氮量、种群密度及个体生物量等多重调节功能对氮素添加做出响应。西伯利亚羽茅主要通过提高比叶面积、单位质量叶片的叶绿素含量和含氮量，以及株丛生物量，使其在群落占据优势。大针茅和冰草在提高比叶面积、叶片叶绿素含量和含氮量的调节能力相对较低，种群密度沿氮素添加梯度显著降低。黄囊苔草只能通过提高叶片叶绿素含量和含氮量对氮素添加做出响应，其叶绿素a与叶绿素b的比值沿氮素添加梯度逐渐降低，种群密度和地上生物量也显著降低。糙隐子草的叶绿素a与叶绿素b比值沿氮素添加梯度显著降低，但由于糙隐子草具有较高的SLA，且对叶绿素、叶片含氮量的调节能力较强，氮素添加处理没有对其种群密度和地上生物量产生显著的影响。上述结果支持Tilman的光资源竞争假说和Knops等的物种替代假说。 成熟和退化羊草群落土壤微生物量、土壤有机碳、全氮、全磷、速效氮、pH以及凋落物碳、氮、磷含量的测定结果表明：（1）成熟羊草群落表层土壤微生物量碳、氮、磷含量均随氮素添加量的增加而降低;退化羊草群落表层土壤微生物量碳、氮、磷含量沿氮素梯度表现出先增加而后降低的趋势;相关分析的结果显示各群落土壤微生物量碳、氮、磷均与土壤pH呈显著的正相关。（2）微生物量碳、氮、磷含量均随土层深度的增加而下将;而对照的微生物量碳、氮、磷含量则与土壤有机质含量呈显著正相关。（3）年度间降水量差异对土壤微生物量碳、氮、磷具有较大影响。综合上述研究结果，我们认为成熟羊草群落土壤微生物生长不受氮素限制，但退化群落不同;氮素添加导致的土壤酸化作用可能是两类群落表层土壤微生物量下降的主要因素，且这种影响主要集中在0-10cm的表层土壤;表层土壤微生物量碳、氮、磷对氮素添加的响应可能还受到其它因子（如生长季降水量）的影响;深层土壤微生物量较低主要是由于土壤有机质含量较低的缘故。