青藏苔草和紫花针茅形态结构及其生态适应性

为了研究高原植物对青藏高原特殊环境的适应机制，本文选取青藏高原高寒草原优势物种紫花针茅和青藏苔草作为研究物种，运用数量分析的方法对它们的形态结构及生态适应性进行了研究。试图通过对环境因子和这些形态结构变化之间的关系进行分析以找出这两种植物是如何适应严酷的环境以及这两种具有不同克隆生长方式的植物是否具有不同的适应机制。 2004年8月，我们沿青藏公路设置一条从西大滩到羊八井的样带，并进行取样。样带的生态特征从南到北变化较大：海拔从4586m上升到4901m，生长季降水量从384.0cm下降到202.2cm，生长季月均温从5.1℃下降到1.4℃，生长季月均相对湿度从65%，下降到54%，生长季蒸发量从1242cm下降到798cm，生长季月均风速从2.4m/s增大到4.0m/s。将采集的植物叶片材料制成石蜡切片，采用番红固绿对染，在显微镜下观察测量。同时研究了青藏苔草的根茎特征。数据分析中运用了变异系数比较，多重比较，相关分析和回归分析被用来分析结构变化及其与生态因子的关系。 结果表明，两物种的叶片结构特征在不同环境中的种群间存在显著差异。总体上，青藏苔草的保护组织、光合组织以及综合指标变异系数明显大于紫花针茅的，仅输导组织相关指标的变异系数小于紫花针茅的。这些结果表明，在叶片结构水平上青藏苔草比紫花针茅具有较大的可塑性，也意味着青藏苔草对生态因子变化的潜在适应能力可能较紫花针茅强。 紫花针茅和青藏苔草的大部分叶片结构特征与其生存环境的生态因子间存在着线性回归关系：紫花针茅叶肉细胞大小随土壤有效K含量增高而减小;下表皮厚度和韧皮部面积随生长季云盖度增高而增大;单一导管半径和导管平均面积随生长季月均湿度的增加而增大;青藏苔草上表皮细胞厚度随生长季月均最低温的降低而增厚;泡状细胞厚度随大陆度的增强而增加;上表皮细胞大小随土壤pH的增大而增大;导管总数和韧皮部面积随土壤速效P含量的增高而增加;气腔总面积随土壤有效K含量增高而增大。 青藏苔草分枝方式为典型的合轴分枝。分株间由埋藏在地下的匍匐根状茎连接，其扩展方式不呈直线形。青藏苔草喜沙质土，其根茎一般分布在沙土中10cm以下，在部分通气性能良好的风成沙丘或沙地，深度可超过50cm，间隔子长度依生境的不同而变化很大，短的仅约3cm，而长的可达2m多。 青藏苔草的间隔子长度和节间长度随有效温度的增加而减小，根茎每间隔子节间数随降水的增加而减少，在较低有效温度下和较低水分供给的情况下单位面积分布的克隆分株数量较少，在较高有效温度下和较高水分供给的情况下单位面积的克隆分株数量分布较多。这种变化趋势有助于青藏苔草有效迅速地占领条件适合的生境，充分利用生境内的各种资源，扩大种群;在不利条件下，青藏苔草则减少单位面积内克隆分株的分布，以适应不良生境。

玉米新老品种生理生态特征与竞争力差异研究

本文以中国不同年代主要的玉米品种为试验材料，深入研究了玉米品种更替过程中新老品种的生理生态特征和竞争力差异，分析了差异形成的原因并进行了理论探讨。 玉米新老品种竞争力差异的研究采用了单作和混作两种方式，设高低两个密度。生长过程中全面测量了生物量、形态、生理和群体指标，运用了生长分析的方法来研究竞争，整合了各水平参数来解释竞争结果，并用本研究数据检验了生长冗余理论。 玉米新老品种对比研究发现新品种的生理生态特征普遍优于老品种。这些优势不仅体现在较高的生物量积累、较大的籽粒库容和较强的再分配能力上，而且体现在高的叶面积指数、衰老过程中仍维持较高的叶绿素含量、可溶性蛋白含量和光合效率上，同时新品种的群体特性还具有更低的感病率和更少的无效分蘖。玉米新老品种竞争结果表明在混作条件下，相对总产量这一指标反映出新老品种间明显的互利效应，且这种效应随发育阶段而降低。新品种对老品种的相对竞争力则随着发育阶段波动，并且密度和发育阶段两因子对品种竞争力的影响有明显的相互作用。相对于新品种，老品种的确存在叶片和根系的生长冗余部分，但老品种并没有在混作竞争中获得明显的竞争优势，即玉米品种选育并不完全符合生长冗余理论，因此在理解植物竞争力方面仍需要其他层面更深入的探讨。 同时，玉米品种选育不完全符合生长冗余理论的结论在农学实践上并非毫无价值。因为新品种总生物量的提高，不仅增加了籽粒产量，而且增加了秸秆产量，提供了更多可利用的生物质资源。相对于仅仅关注粮食产量，综合利用中国农村巨大的生物质资源具有更重要的生态意义。

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。

内蒙古多伦典型草原几种植物叶片性状与生物量及降雨量关系的初步研究

植物性状是植物与环境长期互作过程中表现出的内在或外部的特征。目前植物生态学界关于植物性状的研究，主要包括以下三个方面的研究内容：植物性状与环境因子间的关系，反映植物性状对环境变化的响应或适应机制；植物性状与生态系统功能的关系，以更好地揭示生态系统功能的内在驱动机制；植物性状间的相关关系和消长对策，反映植物性状的协同进化机制。 本试验所在地区内蒙古多伦十三里滩为典型克氏针茅草原，水分为当地生态系统的主要限制因素。我们在当地的围封样地内，采用人工模拟生长季降雨变化梯度的方法，研究了内蒙古典型草原几种常见植物叶片功能性状对模拟降雨量梯度的响应、性状之间的协变关系以及植物性状与地上部分生物量间的关系。研究工作在2005-2006年期间进行。观测的叶片性状包括叶片干物质含量(LDMC)，比叶面积(SLA)和叶片氮含量(LNCmass, LNCarea)，以地上部分生物量作为年净初级生产力(ANPP)估计，降雨量梯度模拟了两个水平，即对照(接收正常降雨)和增雨。主要结论如下：1) 叶片性状在降雨量梯度上的变化趋势在物种水平上表现出多样化的特点，性状的变化趋势是否有显著的格局取决于物种或特定性状。2) 叶片性状对水分梯度的响应在功能群水平上表现出各自的特点，Grass功能群对水分梯度的响应敏感性较低，Forb居中，Legume表现出较强的敏感性，表明Grass功能群对水分的耐受性比较强，这在一定程度上解释了当地克氏针茅草原上目前以禾草类为主的现状，对物种之间的替代有一定的指示性。而群落水平上探讨性状在环境梯度上的变异趋势，研究结论存在较大的不确定性，主要是难以区分环境和系统发育背景对植物性状的影响。3)叶片功能性状间的协变关系，不同物种因其自身发生背景不同，在不同环境背景下总体表现出一致的变化规律，但也存在例外。相对而言，对功能性状间协变关系的研究在物种水平或功能群水平上更有意义，而在群落水平上所得结论，可能会掩盖了群落内部不同物种或不同功能群间的信息。4)叶片功能性状与草原地上部生物量的关系在功能群水平上呈显著正相关关系，再次验证了土壤含水量的变化同土壤氮元素的动态，共同影响了植物的氮利用策略，进一步影响了初级生产力等和氮元素直接相关植物性状参数。在群落水平上叶片功能性状与生物量的之间并没有表现出可遵循的规律性，说明叶片功能性状对生物量的作用更多地局限在群落内部的组织层次上发挥作用。5)本研究的虽然从不同的组织层次上探讨了叶片功能性状对环境、性状之间的协变关系以及与地上部分生物量间的关系，由于植物性状变化幅度可能与环境梯度密切相关，如果模拟环境梯度不够大，可能会影响结论的普遍性。此外，本次野外控制试验时间较短，数据量偏少，本文的结论尚需要进一步验证。