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。

浑善达克退化生态系统恢复研究

　　浑善达克沙地是我国四大沙地之一，地处北方干旱半干旱区，为草原区向荒漠区过渡的地带。长期以来，由于人类不合理的生产活动，加上这里脆弱的生态环境，已引起了严重的土地退化问题：流动沙丘面积由1950s年占沙地总面积的2%增加到1990s的近50%。因此浑善达克沙地成为我国研究土地退化、防治沙尘暴的重点地区，本文从自然科学和人文科学相结合的角度出发，对浑善达克沙地草地退化原因、自然恢复潜力、恢复过程、适宜物种选择，以及社区生存、生产等方面进行了综合研究，得出以下主要结论： 　　 1) 浑善达克沙地土壤种子库中含有大量的种子，在退化草地自然恢复中表现出极大的潜力。这些种子在摆脱人和牲畜干扰的前提下，可以萌发、定居并形成植物群落，使退化草地恢复;当地表达到一定程度的植被覆盖，可有效减少沙尘暴的危害。土壤种子库中的植物种类与地上植被有极显著的相似性(P<0.05)，这是地上植被形成稳定群落的基础。种子库中的物种组成影响植被恢复演替的进程;反之，恢复演替也制约着种子库组成和幼苗建立。 　　2)退化沙地草地围封后，对不同恢复阶段草地的群落学调查表明，该地区自然恢复过程大致分为3个阶段：围封2年的恢复早期，流动沙丘向半固定沙丘转变;围封3-5年的恢复中期，半固定沙丘向固定沙丘转变;围封6年后的恢复后期，为固定沙丘稳定发展阶段。根据生活型及植物种类随恢复演替的变化规律，浑善达克沙地植被演替的总体趋势可归纳为：沙米 (Agriophyllum squarrosum)+ 雾冰藜(Bassia dasyphylla)群落→黄柳(Salix gordejevii)+ 冰草(Agropyron cristatum)群落→褐沙蒿(Artemisia intramongolica) + 冰草群落→沙地榆(Ulmus pumila var. sabulosa)疏林+冰草群落。在围封禁牧下，浑善达克退化沙地草地在较短时间内实现自然恢复，因此制约退化草地恢复演替的关键因素主要是人为和牲畜的干扰，只要排除了这种干扰因素，浑善达克大面积的退化沙地草地完全能够借助自然力实现生态恢复。 　　3) 浑善达克沙地3种生境下84种植物叶片渗透势值和含水量，表现出不同功能型上的差异。总体变化趋势为： 深根系 > 浅根系;灌木 > 乔木 > 草本;分布在湿地和丘间低地的植物叶片渗透势和含水量较高，而生长在沙丘上的植物叶片渗透势较低，需要有发达的根系吸收土壤深层的水。不同植物具有独特的水分利用特性，使它们能共存于同一生态系统中。这些不同植物功能型表现出的植物水分生理生态特性，表明浑善达克天然分布的植物群落发育有完善的利用水资源的能力，能够保证在很大降水波动条件下分布有丰富的植物群落和较高的生物生产力，构成该特殊类型生态系统很强的恢复潜力。另外，浑善达克沙地沙丘的存在是该类生态系统恢复弹性较高的另一重要原因。 　　4)本地种与引入种在生理生态上表现出不同的适应能力。在相似的太阳辐射和叶片温度下，引入种旱柳的叶片水势较高，而净光合速率、气孔导度、水分利用效率则较低。这表明它的光合潜能在改变环境中没有正常发挥。同时，引入种较低的最大光化学效率进一步表明它抵抗环境胁迫的能力较低。当土壤水分可利用程度降低而导致水分竞争时，引入种很可能在竞争中被淘汰。因此，在生态恢复中，应尽量避免引入外来种，大量使用本地种。 　　5) 生态恢复不仅是自然科学问题，更重要的是社会经济问题。为了充分认识当地社区的参与对生态恢复的作用，在实验过程中，调查了当地居民自本实验开展以来的思想观念、经济收入和生产效益等变化。在生态恢复中当地社区的积极参与是保证恢复成功与否的关键因素。从发挥“自然力” 和“以人为本”的指导思想出发，在生态恢复中应注重充分利用自然的力量;在管理方面，要以解决社区居民的生产生活实际需求为目标。只有这样，才能保证生态、社会和经济可持续发展。

浑善达克沙地退化生态系统生态恢复的自然保护区途径

本文从种群、群落、景观等水平研究了浑善达克沙地退化状况，发现浑善达克沙地生态系统退化严重。运用“以地养地”模式，建立自然保护地，能恢复浑善达克退化生态系统，同时能实现社区的经济发展。通过对自然保护区恢复潜力和可行性的分析，发现将“以地养地”模式推广到全旗，可实现全旗的可持续发展。运用自然保护区设计理论，对拟建自然保护区进行了设计，并对自然保护区-社区的区域可持续发展能力进行了分析，提出了可持续发展战略。有以下主要内容： 1）浑善达克沙地榆树疏林种群在人为干扰下处于衰退期。本研究表明，浑善达克沙地中部榆树疏林种群是一个数量处于下降的种群。中老龄龄级榆树较多，而年幼龄级榆树较少。种群静态生命表表明，幼苗库严重不足，种群进入中老龄期后，外界干扰(例如直接砍伐等)导致了个体较高的死亡量。按照一次平均推移法预测各龄级在未来20年、40年、60年及100年后的株数，老龄龄级株数将有所增加，而中幼年株数则下降。目前蓝旗榆种群中老年个体仍保持着比较旺盛生殖能力，应该充分利用这一特征，采取适度放牧、严禁超载过牧、严禁滥砍滥伐等措施，促进天然更新。 2）浑善达克沙地沙丘植物群落退化严重。浑善达克沙地中部典型固定沙丘调查表明，阴坡植物群落种类复杂，主要为耐阴乔木半乔木+灌木+柳灌丛类，群落较为稳定。阳坡主要以褐沙蒿、雾冰藜和虫实为主，种类组成较为简单，沙脊为沙蒿+半旱生杂草类，腰地形成木岩黄芪+半灌木半旱生杂草类。落沙地形成虫实+狗尾草优势群落，风蚀坑形成狗尾草+虫实+褐沙蒿优势群落。顶部则形成虫实单优势群落。固定沙丘退化严重，有活化的可能，需要加强保护，控制放牧强度。 3）浑善达克沙地榆树疏林在景观水平上破碎化严重。研究发现榆树疏林斑块在全旗分布不均匀，斑块集中分布于北部苏木。其中有20个嘎查所含疏林斑块面积较多，占该旗疏林斑块总面积的86%，是主要分布区。榆树疏林斑块密度较低，斑块边界割裂严重，斑块之间分离度高，大斑块较少，小斑块数量多。 4）建立保护区可恢复浑善达克退化生态系统。运用以地养地模式，将大部分退化沙地围封保护，进行自然恢复;在小面积土地上建立了高产高效饲料基地，以向上一营养级提供足够的能量。结果表明，牲畜的压力逐步向小范围的土地集中，而大面积的退化草地借助自然力逐步恢复。群落生物量、平均高度和总盖度2年后均显著增加。植被组成方面，优质牧草比例提高。生态恢复不仅使自然生态系统得以恢复，而且带动了社会经济的发展，项目中的正蓝旗巴音胡舒嘎查牧民，在实验示范以后，年人均收入提高了32%。在全旗自然保护区建成后，大量居民将从保护区内迁移到城镇中去，有利于提高城市化水平，有利于调整产业结构，对于当前逐渐发展的二、三产业有促进作用;同时，自然保护区面积扩大有利于城市人口增长，能为城市发展提供消费食物来源、水源保障、环境保障。 5）拟建自然保护区设计。按照景观规划理论、Diamond自然保护区设计原则，选择榆树疏林斑块集中分布区，作为潜在核心区，运用ArcGIS的缓冲区分析功能，设计不同的宽度。同时调查斑块外不同距离样方与疏林斑块的群落相似度。由此而初步确定的核心区分布在正蓝旗23个嘎查，面积1 531 km2，约占全旗总面积的15%。根据核心区边界的生态、经济社会发展等因素，以及保护核心区所需要的最小宽度、当地土地利用所能规划的最大宽度，确定了不同区域的缓冲区宽度。由此而确定的缓冲区面积为1140km2，占保护区总面积的11.2%。其他地区均设置为过渡区，面积为7514km2，占保护区总面积的73.8%。 6）浑善达克自然保护区-社区的可持续发展。按照区域可持续发展理论，对浑善达克自然保护区-社区的各个苏木、镇、牧场、示范区，按照环境、经济、社会三个子系统进行了综合评价。发现可以按照区域可持续发展原则将正蓝旗划分为四个区域、两条畜产品产业带，简称“四区两带”战略：北部景观保护区、西部生态功能恢复区，以自然保护和生态恢复为主;中部社会经济服务区，以经济社会发展为主，集中建设好三个小城镇，发展集约化畜牧业、生态旅游产业;南部低山丘陵农业区，以及沿国道、省道的畜产品产业带。

浑善达克沙地榆树树干液流动态研究

本文应用Granier热扩散技术对内蒙古浑善达克沙地榆树疏林林分进行树干液流通量研究，分别选择胸径大小占林分80%以上林木的三种胸径级（15-25cm，25-35cm，35-45cm）榆树样树各三株，应用Granier探针进行每隔15min的树干液流测定，同步测定林分环境因子，包括空气温度、相对湿度、土壤温度、土壤湿度、光合有效辐射、风速等10余个环境因子，在生长季节进行了5个月的测定，详细研究和分析了榆树树杆液流特征，其中包括昼夜变化趋势和规律、不同天气状况下的液流密度变化特点以及在生长季不同时期的液流密度变化规律，阐述了不同胸径级榆树树干液流变化特征。同时利用连续获得的树干液流通量与环境因子数据，分析了树干液流通量与环境因子的关系，阐明不同时期影响树干液流通量变化的主导因素，以及树干液流密度对环境因子的响应规律。并通过钻取样地内的树木生长年轮芯测定了榆树不同径级的边材面积，建立边材和胸径的关系方程，估算了不同胸径林分的边材面积以及冠层蒸腾的季节动态。 在晴朗的白天，不同胸径级榆树的树干液流密度变化曲线均呈单峰曲线，只是峰值持续的时间不同。不同胸径级榆树树干液流密度变化具有明显的昼夜节律性。在生长季结束后液流并不是马上停止，而是有微弱的波动。阴雨天液流密度变化曲线均不规则且液流密度值较小，甚至出现多峰曲线，而且峰值明显;液流密度的变化出现较大的波动性，夜间却有液流发生，而且值较晴天的夜间液流密度稍大。 林分不同胸径级榆树树干大径级木、中径级木和小径级木液流通量特征表现为: 榆树大径级木液流密度的峰值大于中等木，中等木峰值大于小径级木，差异明显;大径级木由于年龄较大，液流密度曲线变化平缓，没有明显的峰值，呈弧形曲线; 而且不同年龄的树木反映差别比较大，但是总体趋势还是受胸径的影响。 随季节推移生长季各月份液流密度均值基本逐渐减小，进入生长季末期(10月)基本处于微弱波动状态。液流通量月平均值最大值一般都出现在6-8月，大径级木、中径级木和小径级木各月液流通量变化差异较大。日液流通量比较分析得出，大径级木日液流通量最大值分别为394.53，中径级木为66.04，小径级木为63.56 kg∙ d-1。综合分析对不同胸径树木影响较大的环境因子为VPD，PAR，Ta; 但是在不同生长季节，对不同类型树木起主要作用的环境因子也不尽相同，但是PAR与VPD是其中基本主要起作用的两个因子。 通过建立边材与胸径的关系方程，得出边材和胸径关系(R2=0.99)。通过经验公式计算得出，林分生长期的蒸腾耗水量相当于2.24mm/day, 低于当地同期降雨量2.78mm/day.

毛乌素沙地中间锦鸡儿根瘤菌遗传多样性对柠条生态系统功能的影响

生物多样性科学（BiodiversityScience）的国际规划提出生物多样性对生态系统功能的影响是整个研究计划五大核心的核心.生物多样性包括遗传、物种和生态系统三个水平,其中遗传多样性是其它两个水平多样性的基础和最终来源.该文在实验室多年研究毛乌素沙地柠条遗传多样性的基础上,分别从表型（生理生化）、蛋白质、同工酶以及遗传型（rDNA）水平探讨中间锦鸡儿根瘤菌的遗传多样性,并模拟沙地生境,建立人工共生体系,以期发现最有效的共生伙伴关系,这不仅有得提高毛乌素地区农牧业产量,更重要的是在当今沙尘暴肆虐的情况下,发挥柠条防风固沙的能力具有现实意义. 1.毛乌素沙地中间锦鸡儿根瘤菌遗传多样性(1)全细胞可溶性蛋白质谱将供试中间锦鸡儿根瘤菌菌株分为两大类群，其中硬梁覆沙地菌株GH72不同于来自沙丘顶部和底部的菌株，而且中间锦鸡儿根瘤菌独立于参比菌株。酯酶同工酶谱分析表明，中间锦鸡儿根瘤菌与参比菌株仅存在一个等位酶位点差异，其余等位点与参菌株共享，因此，酯酶同工酶反映出中间锦鸡儿根瘤菌的异质性。(2)16SrDNA部分序列与16S-23S rDNA IGS结果表明，所有供试菌株扩增产物均较前人报道的分子量偏高。经16S rDNA PCR-RFLP分析，中间锦鸡儿根瘤菌共形成12种基因型，表现出丰富的遗传多样性，其中属于基因型2的菌株占42.4%。代表菌株GH33 16S rDNA全序列结果显示，与已知的快生型根瘤菌同源性在95%以上。(3）中间锦鸡儿根瘤菌生理生化反应特性B．T．B实验证明所有中间锦鸡儿根瘤菌均产酸，符合快生型根瘤菌的特征．唯一碳源测试显示，95%中间锦鸡儿根瘤菌不利用淀粉，33%菌株不利用乳糖，对其他测试碳源不具有选择性。检洲在不同盐离子浓度、不同酸性梯度以及不同温度条件下菌株生长状况，发现毛乌素沙地中间锦鸡儿根瘤菌具极强的耐盐性．53.8%的菌株可以在9%NaCl的YMA培养基生长．75%的菌株在pH4．O和pHl0,0 环境中仍能生长，66.7%菌株在60℃处理1 0min后仍具有生活力。体现出对于干旱沙地的适应。 2．不同实验共生系统中植物和根瘤菌对生态系统功能的影响14株根瘤菌分与三个柠条种（小叶锦鸡儿，中间锦鸡儿和柠条锦鸡儿）回接，用土壤上覆沙模拟毛乌索沙地景观生态条件，以多石砾贫瘠土壤为对照，比较不同基因型柠条与根瘤菌人工共生体的长和结瘤与生境的关系，初步证明根瘤菌很可能是该生态系统的关键种。寄主植物与共生根瘤菌的遗传多样性对生态系统功能的影响与生态环境有关。实验还表明，选择适当的共生组合对于防治沙漠化有很大潜力。3．银染变性聚丙烯酰胺凝胶电泳检测RAPD遗传模式以85株小钻杨F2代为材料，用本实验室改良的银染变性聚丙烯酰胺凝胶电泳法检测RAPD遗传模式。结果表明，仅用9个引物共扩增到399个位点，其中98个位点表现为多态性，卡方测验显示，79个多态位点符合经典的孟德尔遗传(3：1)，占多态位点80.6%。这种改良的检测RAPD标记的方法必将推动RAPD标汜构建连锁图谱的进程。

内蒙古毛乌素沙地景观生态类型初步研究

本文利用等级式的划分方法对内蒙古毛乌素沙地景观生态类型进行了研究。在分析了毛乌素沙地的景观生态过程特点的基础之上选取了景观分类研究的指标，借用了植被科学最先进的分类方法二元指示种分析（TWINSPAN）划分出了10种内蒙古毛乌素沙地的景观生态类型。并对景观生态类型进行了排序分析，采用的方法为无倾向对应分析（DCA）。TWINSPAN与DCA算法的相似性使得二者的合成分析成为可能。通过逐步回归与回归分析，指出内蒙古毛乌素沙地景观生态的主导因子为地下水位、覆沙厚度、基质、地形等。 最后本文分析了各种景观生态类型的生态特性，并在上述分析的基础之上讨论了内蒙古毛乌素沙地的持续利用问题。