吐鲁番洋海墓地植物遗存与古洋海人及环境之间的关系

古民族植物学（Paleoethnobotany）在我国尚属一个比较年轻的学科，其主要研究对象是先民们所栽培或利用过的植物遗存（Plant remains），目的在于揭示古代人们对食物的选择，栽培植物的起源，早期农业的出现以及居址周围的自然与生态环境。吐鲁番地区降水稀少。干燥的环境，使得考古遗址中的植物遗存得以完好的保存。本论文首次对吐鲁番洋海墓地（2500 B. P. ）的包括木材、果实、种子、茎杆、叶片等在内的植物遗存进行了系统的研究，依此分析了当时的植被及环境，并对与当时的土著居民密切相关的植物类群进行了详细研究。 研究表明，吐鲁番洋海墓地植物群包括木材、禾本科粮食作物、杂草及其它植物共18 种。其中我们详细研究了14 种，隶属于7 科14 属，它们分别为禾本科黍属中的黍（Panicum miliaceum），大麦属中的青稞（Hordeum vulgare var. nudum），小麦属中的普通小麦（Triticum aestivum），芦苇属的芦苇（Phragmites australis），虎尾草属的虎尾草（Chloris virgata），小獐毛属的小獐毛（Aeluropus pungens var. pungens），稗属的稗子（Echinochloa crusgali），大麻科大麻属中的大麻（Cannabis sativa），紫草科紫草属中的小花紫草（Lithospermum officinale）， 豆科槐属中的苦豆子（Sophora alopecuroides var. alopecuroides），茄科枸杞属中的黑果枸杞（Lycium ruthenicum），松科云杉属中的云杉属未定种（Picea sp.）， 杨柳科杨属的胡杨（Popules euphratica）及柳属未定种（Salix sp.）。研究表明，这些植物遗存渗透到古洋海人生活的方方面面。其中，粮食作物为可能以黍为主，以普通小麦及青稞为辅;用以作装饰的为小花紫草的小坚果;可能与其原始宗教及医药相关的为大麻;与建筑相关的植物有芦苇、黑果枸杞、云杉（Picea sp.）、胡杨及柳（Salix sp.）等;与当地居民意义不大的杂草有稗子、苦豆子、小獐毛、虎尾草等。其中，大麻及小花紫草遗存的出土意味着当时的土著居民对当地的植物已经有了很高的认识水平;黍、青稞及普通小麦的出土意味着他们可能与东西方文化均有接触，为东西方文明的交融起了桥梁作用;所出土的部份植物如小獐毛、小花紫草、柳、苦豆子，尤其是稗子、芦苇及香蒲属植物等都属于喜湿植物。这说明，在当时的洋海墓地周边环境与今天相似，亦为一块植被丰富的绿洲，其中可能有大面积的湿地。

毛乌素沙地沙生灌木的生理生态学结构与功能

毛乌素沙地处于鄂尔多斯生态过渡带，在生态学研究上具有重要的理论与实践意义。在这样一个典型的半干旱区，水分是影响生态系统功能的最主要的限制因子，在沙基质土壤条件下，灌木得到充分发育，而乔木及草本植物则处于相对次要的地位。由于自然植被的初级生产力主要由灌木形成，故对于灌木在生态系统中的功能的系统研究是十分重要的，但目前又未得到应有重视。在荒漠化防治当中，这一点显得尤其急迫。此外，为了较好地预测该地区生态系统对全球气候变化的响应模式，急需要建立对主要乡土灌木功能型的划分方案。本研究运用植物生理生态学的方法，从植物的结构与功能的统一性出发，探讨了上述若干问题。主要结果与结论如下： 1．讨论了气候及土壤基质作为基本的环境背景，对沙生灌木生态功能的塑造作用，尤其探讨了若干土壤物理特性与植物水分利用的关系问题。 2．光学显微解剖及电子显微镜的观察表明，在自东南至西北横贯毛乌素沙地的水分梯度上生长的灌木当中，存在鲜明的叶片结构与功能特征与水分胁迫程度之间的对应性，在自东南向西北随干旱胁迫强度的增加，灌木的旱生结构也明显增加，甚至于在鄂尔多斯西部可以见到不少超旱生植物。同时，对灌木水分关系的研究支持了以解剖学观察为基础的认识，即：不同的景观条件下，也存在灌木的抗旱性与其生长的土壤的水分可利用性之间的对应性。这显示了水分因素在灌木的生态功能发挥中所起的主导作用。 3．通过分析沙丘的水分平衡，得到如下认识：(1)沙地条件的蒸发散主要来自植物的蒸腾作用，而土壤蒸发只占10%稍多：(2)沙地凝结水对灌木的水分需求而言微乎其微：(3)对多数沙生灌木而言，适宜的种植密度应为30-40%，即相当于半固定沙丘的覆盖度。 4．在上述三点的基础上，探讨了在不同类型的干旱（气候干旱、基质干旱及生理干旱）影响下，灌木在种类组成及干旱适应对策方面的多样性，将毛乌素沙地的灌木概括为两个功能类型：(1)干旱忍耐者;(2)竞争消费者。上述将极其多样的灌木物种在水分生态功能的相似性这个层面上概括成较少的类别的偿试，可望促使该地区的灌木生态学基础研究走向深入。 5．本研究对个别灌木的生态特性的新认识： ● 关于沙地柏(Sabina vulgaris)：(1)现已知道其蒸腾速率极低，本研究进一步认识到，低的蒸腾速率主要来自于气孔在叶表面上局限性分布：(2)该灌木虽十分抗旱，但过大的密度常引起叶片水分亏缺，在其根系不能利用地下潜水时．叶片水分亏缺更严重。 ● 关于油蒿(Artermisia．ordosica)及籽蒿（Asphaerocephala)：现已广泛地观察到，这两种灌木在沙丘演替不同阶段呈不同的优势分布：籽蒿主要生长于流动性沙丘（这里水分条件往往很好），但随沙丘逐渐被固定，就会被油蒿取代。本研究从叶片结构与功能两方面解释了上述现象，主要依据是(l)籽蒿比油蒿往往有更大的蒸腾速率：(2)籽蒿叶片近轴面1/3以下处有极为密集的气孔分布，而在油蒿却未发现;(3)籽蒿具有极其高的零膨压时的渗透势值(ψлp)。 ● 关于蒙古岩黄芪(Hedysarum mongolicum):该灌木具有独特的 干旱适应方式（如，幼茎 可行光合作用，及叶片富含粘液细胞），但本研究提示，该灌木的抗旱性是较弱的（相比与其它同生境下的灌木而言）。主要依据是：(1)很高的零膨压时的渗透势值;(2)海绵与栅栏组织均有较充分的发育。 ● 关于沙柳(Salix psammophila):在沙基质中有广泛的适应性， 但其适应主要体现在形态上（根茎比）的可塑性，而在生理（尤其是蒸腾作用）方面的调整则不十分显著。生长于丘顶的沙柳具有极其发达的根系，这可减缓土壤水分不足对植物的不利影响;生长于丘间低地的沙柳具有好的水分供给，但在特定的微生境下，其叶片温度比生长лллл于丘顶的沙柳叶片高，尤其是在强的光照条件下，其叶片温度会大幅度升高。这有可能对植物形成不利的影响。

毛乌素沙地优势植物对全球气候变化的响应研究

毛乌素沙地是中国半干旱地区典型沙地，这里的干旱生态系统对全球的水热配合格局的变化具有很灵敏的响应。随着未来全球气候变化，如温度和降水量变化，将给这里的陆地生态系统分布格局和生产力以及水分平衡带来巨大影响。故本文人工控制157. 5mm、315. Omm、472. 5mm和630. Omm4种施水量水平以及25/20℃和28/23℃（白天／晚上）两种温度，来研究与模拟毛乌素沙地优势植物对水分和温度变化的响应。 以沙柳、杨柴和油蒿幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨它们的水分平衡对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，随着施水量的增加，沙地贮水量及其它的变化量、湿度、蒸发量和蒸腾量均逐渐增大。并且157. 5mm和315. Omm施水量的植物沙地出现水分亏缺现象。相同施水量下，沙地蓄水量和湿度均杨柴沙地>沙柳沙地>油蒿沙地，而植物蒸腾量却油蒿>沙柳>杨柴。 以沙柳和油蒿幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物气体交换过程对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，施水量的增加显著提高了两种植物的净光合速率、蒸腾速率、气孔导度和光能利用效率，并且显著降低了叶片温度。同时，157. 5mm施水量造成沙柳和油蒿的净光合速率和蒸腾速率具有显著的“午睡”现象，而充足施水却有效的解除或缓解这种“午睡”现象。 以沙柳、杨柴、油蒿和柠条幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物叶绿素荧光对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，不同施水量对这4种植物的初始荧光、最大荧光、可变荧光和PSII光化学效率均具有显著影响。157. 5mm施水量的沙柳、杨柴、油蒿和柠条以及630. Omm施水量的柠条出现明显的光抑制现象。 以沙柳、杨柴、油蒿和柠条幼苗为研究对象，人工控制4种降水量水平来探讨植物生长对全球变化中降水量变化的响应。结果表明，施水量的增加对沙柳、油蒿和杨柴枝叶形态和生物量等都具有显著正效应。而157. 5mm和630. Omrn的施水量对柠条生长具有负作用。另外，沙柳、杨柴和油蒿根冠生物量比随着施水量增加均逐渐减小，而不同施水量的油蒿根冠生物量比之间差异不显著。 以柠条、杨柴和油蒿幼苗为研究对象，人工控制两种温度水平来探讨植物形态、生物量和气候交换特征对增温的响应。结果表明，增温显著提高了柠条和杨柴株高、叶数、叶面积、生物量、净光合速率、蒸腾速率和气孔导度，却显著降低了水分利用效率。增温对油蒿叶数、叶大小、叶面积、生物量、蒸腾速率和气孔导度没有显著影响，却显著提高了油蒿的树高和净光合速率。柠条、杨柴和油蒿之间的种间生长和生理特征均有显著差异。

中国西北地区分布的几种荒漠植物的生理生态学特性研究

白沙蒿(Artemisia sphaerocephala Krasch.)是中国西北部沙漠的流动及固定沙丘上广泛分布的优势种灌木。瘦果小而轻;借助显微镜和扫描电镜对瘦果的形态结构进行了观察，其种子的种皮与果皮愈合，果皮外层为很厚的粘液层，其粘液层在遇湿后迅速吸水膨胀，其重量增至原来的589倍。在自然生境中，粘液物质将沙粒粘附于瘦果的周围，使瘦果的重量发生变化。瘦果能长时间在水上漂浮，粘液物质有助于种子的萌发和苗的发育。白沙蒿产生三种不同颜色的瘦果，其种子具有不同的萌发速率但最终达到相同的萌发率。瘦果的粘液物质对白沙蒿种子的传播与萌发具有重要的生态意义。白沙蒿种子为需光种子，种子在光下萌发而在暗中受到抑制。种子萌发的适宜温度为250 C，在100 C和300 C萌发速率和萌发率都很低，萌发在50 C受到抑制。种子在沙中被埋越深，其萌发速率和萌发率就越低。在沙平面下2厘米或更深层沙土下出苗率为零。但是，当将种子上层沙土移走，只保留0.5厘米沙土覆盖种子，这些种子的萌发率达到原先就位于沙土下0.5厘米的种子的萌发率，但是后者的萌发速率较高。土壤水分含量越高，从1. 7%到14. 7%，其萌发就越快。土壤水分含量从19.4%起，种子的萌发受到了延迟，苗的发育受到了抑制。 梭梭(Haloxylon ammodendron)是我国西北荒漠中分布的多年生植物，属中亚荒漠植被成分。其种子萌发的最适温度为loo C，亚适宜温度为15-20 0C。从200C起，温度越高，萌发比率越低。种子无论在光下和暗中都能萌发，萌发率无显著性差异。浓度低于0.2 molL的NaCl溶液对萌发的影响不大;但从0.8 mol/L起，萌发率随着浓度增高而降低，直至为零。将在盐溶液中处理9d的种子转移至蒸馏水后，原来较高浓度下的种子具有较高的萌发恢复率。不同浓度下的种子的萌发率和萌发恢复率要比蒸馏水中的低，表明NaCl处理后的部分种子永久地失去萌发力。梭梭的种子为短命种子，在自然状态下，种子的含水量为8.5%，寿命约为10个月。将梭梭种子含水量降至2. 5%和1.4%，其耐贮藏力增强。经过500 C下5天和10天的人工加速老化后，超干种子表现出较强的抗老化能力。与对照相比，超干种子萌发率、根长及活力指数等均显著提高。较低的电导率和较高的脱氢酶活性，说明种子在超干处理后表现出了膜系统的完整性和较高的种子生活力。超干处理既能显著提高梭梭种子的耐贮性，也能有效保持种质的稳定性，是梭梭种质资源保护的重要途径之一。 沙柳（Salix psammophila）是毛乌素沙地流动沙丘和固定沙丘上广泛分布的重要固沙植物。沙柳叶片的光合速率呈现出双峰型的日动态变化，在午后14点出现光合午休现象。蒸腾速率呈现出单峰型的日动态变化，蒸腾在午后15点达到最大。水分利用效率在早晨9点后保持在2.5 μmol C02．mmol-l H20左右。叶片水分亏缺也表现出规律性的变化。从早晨开始，叶片水分亏缺逐渐增强，在18时达到最大值。比较生长季节的不同时期环境因子的变化情况表明，春末的光照强度和气温比夏末高，但土壤水分含量则相反。沙柳在春末的光合速率、蒸腾速率分别是夏末的79%和72.4%，表明水分亏缺是影响沙柳生长发育的主要限制因素。

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。

新疆天山中段北坡地区现代孢粉学研究

新疆中部地区位于西北内陆干旱一半干旱区，是欧亚大陆的地理中心，是中纬度内陆干旱区代表性区域，也是全球变化敏感区域之一，基本特点是气候干旱、水资源匮乏、植被稀少、荒漠广布，生态系统脆弱。在研究区域内，天山山脉海拔高度差异5 000 m左右，随海拔梯度下降依次出现高山冰雪带、高山亚高山草甸带、森林带、草原带、荒漠带、沙漠带等明显完整的植被垂直带，是开展现代孢粉学和植被变化研究的理想地点。本报告在立足于该区前人工作的基础上，从表土花粉、空气花粉和现代植被之间的关系入手开展现代孢粉学研究，探讨了花粉与植被的关系。 在研究区内，选择新疆阜康市和吉木萨尔县为研究地点，设计了一条从天山博格达峰附近雪线开始直至古尔班通古特沙漠长约100 km、宽约20 km的样带。沿样带，从高山座垫植被和草甸带开始，经过中海拔地带的云杉林，置到低海拔的荒漠，在山地海拔每下降20～100 m采集一个表土花粉样品，平原每间隔10～20 km采集一个表土花粉样品，同时做现代植被调查，共采集80个表土花粉样品和调查了86个现代植被样方;在天山乌鲁木齐河河源区的大西沟，从一号冰川前缘开始，沿山谷向下直到谷口，按海拔100 m间隔采集了14个表土样品，对表土花粉与植被之间的关系进行了探讨。为了弄清空气花粉传播、散布与气象因子和植被的关系，沿样带从高山到沙漠分别在天池气象站、中国科学院阜康荒漠生态系统定位研究站和北沙窝草炭试验地设置了三个风标式空气花粉收集器，从2001年7月至2002年7月连续收集空气花粉雨，收集了跨2个年度1周年的1 14个空气花粉样品，依据分析结果研究了空气花粉的传播和散布规律以及与表土花粉和植被之间的关系，这在新疆地区乃至全国尚属首次。 根据表土花粉分析结果和现代植被样方资料的分析以及天山中段主要植物种类沿海拔高度的分布特征，天山中段北坡垂直植被带谱为：高山座垫植被(>3 400 m)、高山亚高山草甸(3 400-2 700 m)、山地云杉林(2 700-1 720 m)、森林草原过渡带(1 720-1 300 m)、蒿类荒漠(1 300-700 m)和典型荒漠(<700 m)。表土花粉谱基本上反映了相同海拔高度的现代植被带，特别是在云杉林带，表土中雪岭云杉(Picea schrenkiana)花粉占优势;在蒿类荒漠植被带表土中蒿属（Artemisia）植物花粉非常丰富;在典型荒漠植被带的表土中藜科(Chenopodiaceae)植物花粉占绝对优势，因此可依据这些建群种植物花粉含量峰值的位置划分植物群落。 空气花粉样品分析结果表明：空气中花粉主要是现生植物当年生长产出的花粉，盛花期的花粉数量能较好地反映当地的植被状况。空气中的乔木植物花粉主要有云杉(Picea)，其次是柳属（Salix）;灌木草本植物花粉主要是藜科和蒿属，其次是菊科(Compositae)、禾本科(Gramineae)、柽柳科(Tamaricaceae)和麻黄属(Ephedra);空气中的花粉数量与植物的花期相对应，云杉等乔木植物盛花期在夏季5月末至7月初，灌木草本植物盛花期在夏秋季节。气温、降水、风速和风向等气象条件对空气中花粉数量有很大影响，其中风速和风向影响最大。从空气花粉和表土花粉的分析结果与现生植被对比，新疆中部地区的山谷上升气流是导致花粉“爬坡”现象的主要动力，在一定条件下，上升气流搬运花粉的数量和能力是十分可观的。 空气中的花粉是现生植物当年生长产出的花粉，表土中的花粉是多年花粉落地沉积的积累，植物盖度大，该植物的花粉在空气中和表土中数量相对就大。在新疆中部地区，空气花粉能反映当地和附近周边方圆约50 km的植被状况，其花粉组合特征与表土花粉和当地现生植被分布的对比研究，可以较好地寻找花粉与植被的关系。本研究报告的研究成果不仅为新疆地区的孢粉学研究增添新的内容，而且将有助于合理解释新疆地层中、尤其是第四纪以来的地层孢粉，较客观地恢复过去的植被景观，同时可为本地区的大气环境检测提供有重要价值的参考资料。

新疆天山中段北部空中花粉数量的时空变化及其气候与植被指示意义

空中花粉是植被类型、气候状况与大气环境质量的指示物之一。空中花粉雨的取样实验对化石花粉谱的解释和古植被的恢复具有指导意义，因此空中花粉分析成为第四纪孢粉学和古生态学研究的有效辅助手段。本研究在新疆天山中段北坡进行了短期的空中花粉监测（2001年7月~2006年7月），目的是获得局域性和区域性植被所散发的花粉类型及其数量信息，并探讨花粉数量的植被与气候指示意义、花粉传播以及受环境条件影响的程度，同时分析和检测花粉浓度受气候条件的影响情况。空中花粉的收集使用Cour-type捕捉器，分别在3个不同海拔梯度进行5年连续的空中花粉收集（夏秋季节每周一个样品，冬春季节每两周一个样品）。取样地点分别是新疆天山中段北部的天池气象观测站（43°53'58.38"N, 88°07'15.75"E , 海拔1942.5m）、中科院阜康荒漠生态系统定位站（44°17'27.41"N, 87°55'52.65"E, 海拔477m）和准噶尔盆地古尔班通古特沙漠南缘的北沙窝试验站(44°22'40.74"N, 87°55'9.74"E, 海拔443m），取样点的植被带跨度天山北坡的森林草原到低海拔的典型荒漠。 光学显微镜鉴定的空中花粉主要有43种类型（24科30属），而蕨类、苔藓与真菌孢子数量较少。孢粉类型多样性指数为2.45（Shannon Index）。显然，从样品中所鉴定的空中花粉种类与所观察的植物种类有很大的差距。花粉类型与数量在三个不同海拔梯度的取样点上也有明显差异。天池取样点的花粉类型较丰富，与天山北坡垂直带植被分布以及丰富的植被成分相对应，花粉的优势种类为雪岭云杉(Picea schrenkiana)、蒿属(Artemisia)、藜科(Chenopodiaceae)、柽柳科(Tamaricaceae)和麻黄属(Ephedra)，高代表性的外源荒漠花粉类型“削弱了”本地花粉类型的代表性;阜康与北沙窝取样点的花粉类型主要来自荒漠成分的藜科、蒿属、麻黄属、蒺藜科(Zygophyllaceae, 白刺属Nitraria为主）、柽柳科（柽柳属为主）、蓼科(Polygonaceae, 沙拐枣属Calligonum为主）等耐旱植物。花粉数量与植被数量并非简单的线性关系。空中和表土花粉的数量分析表明，藜科、蒿属、麻黄属花粉具有超代表性;雪岭云杉花粉的代表性适中;禾本科(Gramineae)、榆属(Ulmus)、白刺属、柽柳科、沙拐枣属花粉代表性较差。 5年平均花粉浓度大小依次是阜康（81.668 grains/100m3）>天池（51.726 grains/100m3）>北沙窝（45.7685 grains/100m3）。蒿属花粉的峰值出现在秋季，并且出现双峰现象（可能与不同蒿类花期分布不均有关），而其它木本和草本类植物花粉浓度的峰值为单峰，具有明显的季节性，春夏之交开花的桦木属、榆属等类型较为明显。藜科花粉的峰值出现在夏季，麻黄和柽柳的峰值出现在盛夏，桦木属、柳属Salix、雪岭云杉等花粉浓度峰值出现在初夏，与其花期物候相对应。木本植物花粉以雪岭云杉为主，其次为桦木属(Betula)、榆属、柳属、胡颓子科(Elaeagnaceae)花粉，柳属花粉百分比在三个取样点分配比较均匀，桦木属花粉在空间分布上差异明显，与植物分布数量相关。胡颓子科的花粉出现时间短，数量也较少。榆属花粉出现的季节性明显，代表性也较差。因此解释地层中出现类似的低代表性和高代表性的花粉类型时，需要注意其百分比数量的适当校正。木本植物花粉百分比随海拔高度变化成正比关系，对植被的指示性较好。雪岭云杉的年平均花粉浓度在天池取样点明显高于其它两个取样点，5年的平均花粉浓度和百分比与海拔高度呈正比。天池取样点的百分比最高为28.85%，平均为21.15%，而北沙窝与阜康两地5年平均百分比含量分别为0.69%和1.57%，这种时空变化规律与植被数量的关系密切。藜科花粉百分比在阜康和北沙窝取样点占绝对优势，5年的平均花粉浓度与海拔高度呈反比。蒿属花粉年平均浓度与海拔高度关系微弱（R2=0.04，p =0.46），而花粉百分比与海拔高度有显著的线性正比关系（R2=0.72，p<0.0001）。但在低海拔的两个取样点之间差异不明显。 年平均花粉百分比和花粉浓度随海拔梯度而变化，主要花粉类型的变化规律存在差异。暗针叶林雪岭云杉花粉的年平均百分比在低海拔的阜康和北沙窝地区低于3%，在盛花期的6月初，低海拔的取样点也未见超过5%，雪岭云杉花粉的传播在研究区范围内数量分布变化较大，再次表明该类型的花粉在原地沉积效率很高。空中花粉数量能够较好地指示主要的植被带，盛花期内50%以上的雪岭云杉花粉含量则指示了雪岭云杉森林植被带，而高含量的蒿属植物花粉指示了天山山前冲积平原上的蒿类荒漠，相反，高含量的藜科花粉代表了低海拔地区的荒漠。雪岭云杉花粉百分比与浓度均与海拔高度呈显著的线性正比关系，表明雪岭云杉花粉传播的局限性。主要的非木本植物藜科花粉的浓度与海拔高度成反比，蒿属则相反，表明藜科与蒿属花粉在研究区具有很好的植被与气候指示意义。 花粉绝对数量、百分比、浓度具有明显的年际变化，其原因与气候状况的变化有关，年平均花粉浓度、主要类型的花粉浓度与气候参数（降水量、平均温度、最高和最低温度、相对湿度等）的相关分析表明，降水量和湿度与花粉浓度呈负相关程度较高，与其它气候参数则呈显著的正相关。干旱指数、花粉比值、花粉百分比（AP，NAP）与七月份平均气温，年平均降水量的相关系数（Pearson correlation），Ar/Ch与七月平均温度在0.01水平上呈显著的正相关（R2=0.894）, 与年平均降水量在0.01水平上呈显著的负相关（R2=0.874）。AP花粉百分比与七月份平均温度呈显著的负相关（R2=0.71, p<0.0001），与年降水量呈正相关（R2=0.43, p=0.01），而NAP花粉正相反。利用短期监测的空中花粉雨数据计算得到的花粉比值以及干旱指数在研究区具有明确的指示意义，尤其是干旱指数、Ar/Ch、Ar/Ep，这些都可为表土花粉、植被与气候关系模型的建立提供重要的参考信息。 气候参数在很大程度上影响大气花粉的浓度，而风速和风向对空中花粉的传播、散布影响较大，花粉的来源与传播受风向和风速的控制。不同取样点的空中花粉数量差异受地形条件影响很明显，这种差异也可利用地形空气动力学特征的差异来解释，天池监测站因“逆坡”（upslope）的气流促进了低海拔的花粉流向高海拔传播。 研究区的空中花粉数量信息是研究表土花粉、植被和气候关系以及第四纪古生态学的重要基础。本研究提高了对研究区空中孢粉的类型及其传播规律的认识和理解，增加了解空中花粉受环境影响的主要因素及其影响程度，对地层孢粉类型鉴定和花粉数据的解释提出指导性建议，对本地区的古植被与古环境研究增加现代孢粉学的参考依据和信息，并可为建立区域性的现代孢粉－植被－气候关系模型提供可靠依据。 同时，本报告也讨论了存在问题和不足，并提出了今后工作的可能完善方案。

植物根系、根区微生物对大气CO2浓度倍增的反应及其生态学意

预测下世纪中叶，大气CO_2浓度将高到目前的两倍（即达到700μ1•1~(-1)）。CO_2倍增对植物地上部的影响已经有了较多的研究，胆是由于方法学上的困难，至今关于倍增CO_2对植物根及根区微生物的研究仍是非常匮乏。本文应用国际上最新的根研究方法，以根系为中心，研究开顶式CO_2C熏蒸培养室中，CO_2倍增条件下根系与地上部，根系与根区微生物[共生的泡囊－丛枝菌根（VAM）真菌，非共生的土壤微生物]的关系。 1. CO_2倍增对根系的影响目前CO_2倍增对根系影响的研究多集中在根生物量的测定，或根／冠比值的测定，而善于其它参数如根长度则很少涉及，而根表面的反应目前还未见文献报道。本实验以幼苗期小麦“青323”（Triticum aestivum）、水稻“中作 29”(Oryza sativa)、大豆“科农4号”（Glycine max）、玉米“农大3138”（Zea mays）、甜高粱“M－81E”（Sorghum saccharatum）为材料，研究CO_2倍增对植物生物量的影响，发现CO_2倍增使C_3植物水稻、大豆的地上部、根系干重均显著增加，使小麦的根系干重显著增加，地上部无显著差异;C_4植物玉米和甜高粱的地上部和根系均没有显著反应。植物干重反应资料表明在光合产物的分配方面，C_3和C_4植物之间存在巨大的差异。 为了解根系获取土壤资源的能力的变化，我们对根系总长度和总表面积进行了分析。用样格交叉法研究根系长度的变化，结果显示，幼苗期的小麦、大豆的根系长度均被显著促进，尤其值得注意的是，尽管玉米根系干重没有显著改变，但是根长度已发生显著变化。同时应用研究根系表面积的最新方法－Na NO_2吸附法，研究发现幼苗期小麦、水稻和大豆的根系表面积在CO_2倍增条件下均显著增加，C_4植物玉米的根表面积亦有显著增加，但甜高粱的根表面积却没有显著反应，这说明即使在C_4植物类型中，根系表面积的反应在不同物种间仍存在很大差异。由于根长度和根表面积增幅大于根干重的增幅，所以推断在CO_2倍增条件下，植物根系细根比例增加，这有利于植物获取更多的养分。由于不同植物之间根系的反应不同，这将改变群落中原有的根系竞争关系，从而影响群落中物种的组成。 2. CO_2倍增对VAM真菌侵染强度和活力的影响本文应用NBT染色法，并结合浸染强度等级和活力等级标准，首次对CO_2倍增条件下，植物VAM真菌的侵染强度和活力的变化进行了检测。对比常规的酸性品红乳酸甘油法和NBT法，发现两者在显示侵染强度时元显著差异，但后者能同时用于侵染活力等级的研究。对幼苗期大豆以及不同生长期的小麦和玉米根系VAM真菌的侵染强度和活力进行观测，结果显示，倍增CO_2对大豆的侵染强度和活力均没有显著效应;使幼苗期玉米的侵染强度显著增加，但侵染活力无显著差异，但随生长期的推移，侵染强度所受的CO_2倍增效应逐渐减小，与14天苗龄（DAP）和35DAP相比，侵染活力在22DAP时所受效应最大;使10DAP小麦的VAM侵染强度和活力均显著增加，而且这种效应在30DAP小麦中的表现与10DAP小麦的相同。说明C_3、C_4植物中，菌根真菌对CO_2倍增反应不同，这也许是C_3、C_4植物对CO_2倍增反应不同的原因之一。倍增CO_2改善了VAM真菌的发育，所以较之于非菌根侵染植物，菌根侵染植物将因为CO_2倍增而获益更多，另一方面不同种植物中，VAM真菌的发育反应不同，这将使植物群落中，根系获取无机营养的竞争能力发生变化，最终影响植物群落的物种丰度和生物多样性以及群落的演替。 3. CO_2倍增对非共生土壤微生物的影响CO_2倍增使生长70天的小麦、垂柳（Salix babylonica）、藜(Chenopodium album)、繁穗苋（Amaranthus cruentus）品种“红苋K112”的地上部和根系的生物量增加。以这些植物所在土壤为材料，用氯仿熏蒸直接提取法研究土壤微生物生物量C（C_(mic)）和生物量N（N_(mic)）的变化，发现CO_2倍增尽管使各类型植物的C_4植物）土壤中C_(mic)的变化趋势不完全相同（小麦和藜所在土壤的C_(mic)下降，垂柳中C_(mic)升高，而在繁穗苋中无显著差异），但N_(mic)在各物种所在土壤中均有不同程度的上升，在繁穗苋中增幅最大。C_(mic):N_(mic)比值在4个物种所在土壤中均明显下降，这意味着CO_2倍增后在植物生长后期，土壤微生物活性提高，分解植物凋落物和土壤中其它有机质的能力加强，从而改善贫瘠土壤中有机质质量。 4.CO_2倍增对植物呼吸和光合作用及C素积累的影响 1）CO_2倍增对植物暗呼吸的影响：以杜仲（Eucommia ulmoides）、紫花苜蓿(Medicago sativa)和玉米等10种植物的离体成熟叶片或整株为材料，研究不同测定温度（15～35 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸的影响。结果表明：在较低温度（15 ℃、20 ℃）下，CO_2倍增对植物暗呼吸没有显著效应;在较高温度（30 ℃、35 ℃）时，多数被测植物的暗呼吸显著增强。由于植物在不同温度时它们的暗咱吸受CO_2倍增的促进幅度不同，这将导致不同地区（环境温度不同）的植物暗呼吸反应有差异，而且由于不同物种的暗呼吸增幅不同，综合光合效应，它们的生物量的反应也会不同。 2）CO_2倍增对整株植物的CO_2气体交换及植物C素积累的影响：利用自行设计的一套CO_2气体测定装置，首次尝试同步测定CO_2倍增条件下幼苗期小麦地下部和地上部的气体交换在昼夜24小时内的变化及C素的积累。发现CO_2倍增不仅使小麦地上部C素的积累增加，也使地下部释放的C素增加，但整株植物的C素收入仍高于对照两倍多，这从植物与环境的CO_2气体交换角度为CO_2倍增促进植物生物量的增加提供了依据。并首次提出：植物的整体性及植物所在的环境条件（主要是温度和光照强度）决定着植物暗呼吸对CO_2倍增的响应方式：被抑制或无效应。