Bioenergy and climate change mitigation: an assessment

Bioenergy deployment offers significant potential for climate change mitigation, but also carries considerable risks. In this review, we bring together perspectives of various communities involved in the research and regulation of bioenergy deployment in the context of climate change mitigation: Land-use and energy experts, land-use and integrated assessment modelers, human geographers, ecosystem researchers, climate scientists and two different strands of life-cycle assessment experts. We summarize technological options, outline the state-of-the-art knowledge on various climate effects, provide an update on estimates of technical resource potential and comprehensively identify sustainability effects. Cellulosic feedstocks, increased end-use efficiency, improved land carbon-stock management and residue use, and, when fully developed, BECCS appear as the most promising options, depending on development costs, implementation, learning, and risk management. Combined heat and power, efficient biomass cookstoves and small-scale power generation for rural areas can help to promote energy access and sustainable development, along with reduced emissions. We estimate the sustainable technical potential as up to 100EJ: high agreement; 100-300EJ: medium agreement; above 300EJ: low agreement. Stabilization scenarios indicate that bioenergy may supply from 10 to 245EJyr(-1) to global primary energy supply by 2050. Models indicate that, if technological and governance preconditions are met, large-scale deployment (>200EJ), together with BECCS, could help to keep global warming below 2 degrees degrees of preindustrial levels; but such high deployment of land-intensive bioenergy feedstocks could also lead to detrimental climate effects, negatively impact ecosystems, biodiversity and livelihoods. The integration of bioenergy systems into agriculture and forest landscapes can improve land and water use efficiency and help address concerns about environmental impacts. We conclude that the high variability in pathways, uncertainties in technological development and ambiguity in political decision render forecasts on deployment levels and climate effects very difficult. However, uncertainty about projections should not preclude pursuing beneficial bioenergy options.

Fingerprinting environmental conditions and related stress using stable isotopic composition of rice (Oryza sativa L.) grain organic matter

Sea level rise (SLR) is a primary factor responsible for inundation of low-lying coastal regions across the world, which in turn governs the agricultural productivity. In this study, rice (Oryza sativa L.) cultivated seasonally in the Kuttanad Wetland, a SLR prone region on the southwest coast of India, were analysed for oxygen, hydrogen and carbon isotopic ratios (delta O-18, delta H-2 and delta C-13) to distinguish the seasonal environmental conditions prevalent during rice cultivation. The region receives high rainfall during the wet season which promotes large supply of fresh water to the local water bodies via the rivers. In contrast, during the dry season reduced river discharge favours sea water incursion which adversely affects the rice cultivation. The water for rice cultivation is derived from regional water bodies that are characterised by seasonal salinity variation which co-varies with the delta O-18 and delta H-2 values. Rice cultivated during the wet and the dry season bears the isotopic imprints of this water. We explored the utility of a mechanistic model to quantify the contribution of two prominent factors, namely relative humidity and source water composition in governing the seasonal variation in oxygen isotopic composition of rice grain OM. delta C-13 values of rice grain OM were used to deduce the stress level by estimating the intrinsic water use efficiency (WUEi) of the crop during the two seasons. 1.3 times higher WUE, was exhibited by the same genotype during the dry season. The approach can be extended to other low lying coastal agro-ecosystems to infer the growth conditions of cultivated crops and can further be utilised for retrieving paleo-environmental information from well preserved archaeological plant remains. (c) 2015 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Effects of international trade of food and feed and human diet shifts on food security and environmental safety: integrating scales

4 p.

Feasibility of adopting aquaculture without detriment to existing farming practices: a case of Bangladesh farming systems

Integrating agriculture aquaculture that would draw inputs from on farm sources is viewed as a viable option to improve the productivity, income and resource use efficiency of existing farms in Bangladesh. To assess the existing resource availability, use pattern and efficiency before introducing new aquaculture technology within the existing farm systems, a survey of 330 pond operating farm households was conducted in six selected unions from two thanas (subdistricts) of Bangladesh.

CO2倍增对紫花苜蓿的生态生理作用及模型

本论文是国家自然科学基金重大项目“中国陆地生态系统对全球变化的反应模式研究”下子项目“对全球变化反应植物生态生理学的基础模型研究”中的重要部分。 本文研究了紫花苜蓿(Medicago Sativa L．)在C02倍增下光合作用、蒸腾作用、气孔导度、叶面积、物候进程、高度、以及生物量的生态生理变化，并在此基础上对苜蓿进行了生态生理模型化的研究。 在倍增(694ppm)和对照(375ppm) C02浓度下，对紫花苜蓿的生态生理学的研究表明，以整个生育期计，倍增组的表观光合作用比对照组可提高18.7%：气孔导度略有下降(2%);蒸腾作用减少了2.7%;水分利用效率提高了30.1%;叶面积增加了48.9%;每株植物白天的净光合总量可提高76.7%，另外，植株高度和整株生物量的测定也显示了C02增加对苜蓿的正效应。 本文还对生理指标的实测数据进行了模型化的研究。对光合作用模型和气孔导度模型中参数的拟合结果表明，C02倍增下，苜蓿的光能转化效率(α)，电子传递速率(Jmax)比对照组都有明显的提高，最大气孔开度(Gsmax)略有下降．

北京山区落叶阔叶林优势种水分生理生态研究

本文研究了北京山区落叶阀叶林优势种一辽东栎、大叶白蜡、北京丁香、核桃楸、山杏和荆条等乔灌木的稳定碳同位素比率，长期水分利用效率、植物蒸腾特性和土壤植物体的水分运动特点，并从植物解剖学的角度研究了这些植物叶片特点和其水分生理生态特性的关系。 对北京山区落叶阔叶林生态系统这几种乔、灌木植物叶片中的碳稳定性同位素比率(δ¹³C值)测定结果显示，这些植物叶片的δ¹³C值受多种因子的影响，具有较大的种间差异及时空异质性。主要表现在不同植物种叶片δ¹³C值不同，其排列顺序为山杏(- 24.75±0.85%。>大叶白蜡(- 25,94±1.52%。)=荆条(- 26.01±1.63%。)=辽东栎(一26.07±1.17%。)=北京丁香(-26.46±0.80c70。)>核桃楸(-28.11±1.52%。);生长初期叶片δ¹³C值较生长末期高，尤以核桃楸和辽东栎表现明显其生长初期和末期的叶片δ¹³C值皆相差达3‰;生境条件，特别是土壤水分含量和土层厚度，对植物叶片的813C值的高低有较大的影响，生长在于旱生境中的植物具有较高的δ¹³C值。另外，即使是同一株植物，叶片δ¹³C值也因其在冠层中所处的位置不同而异，冠层项部叶片的δ¹³C值高于林冠内部的叶片。北京山区落叶阔叶林优势种的长期水分利用效率与种的特点有关，山杏最高(4.950±0．l71mmolC0_2•mol-1H_2O)，核桃楸最低(3.760±0.203mmolC0_2•mol-1H_2O)，大叶白蜡、荆条、辽东栎和北京丁香居中(4.346- 4.530 mmolCO_2•mol-1H_2O)，大部分植物长期水分利用效率在春季（5月）较高，秋季较低，荆条由于物候期的特殊性在其生长季初期较低，而后逐渐增高。核桃楸在不存在水分亏缺情况下，树干液流速率受微气候因子的影响，液流速率的最大值达1600g•hour 左右。树干液流速率的日进程和大气相对湿度、温度的日进程具有相当好的生态学同步性。通过对核桃楸夜晚树干液流的分析可以得出其有根压存在的结论。 植物叶片和枝条中自由水和束缚水含量主要决定于植物种的特性，枝条的年龄、生境特点，特别是土壤水分特点。在落叶阔叶林I(样地2)中植物叶片自由水含量的排列顺序是：北京丁香>核桃楸>大叶白蜡>辽东栎;而杂灌丛（样地1）中植物叶片自由水含量的排列顺序是：核桃楸>大叶白蜡>山杏>荆条>北京丁香>辽东栎，可见群落类型对植物自由水含量影响是很大的，植物束缚水含量与其自由水含量的格局完全相反，荆条、山杏等植物含量高，核桃揪含量低。枝条水分含量有与叶片水分含量相类似的特点。 北京山区落叶阔叶林优势种的水分生理生态学特性和其叶片的特点有很大的关系，首先是植物叶片的特点总是和其种的特性相联系，主要表现在叶的类型、叶片上毛、气孔密度、着生方式等，如荆条叶片上下表面都密被披针形毛，气孔小，核桃楸气孔较大且凸出，大叶白蜡叶片上的气孔凹陷，辽东栎的气孔呈椭圆状，保卫细胞上有许多白色蜡质结晶。有一些种有环状的气孔外缘。生境的变化对叶片的形态特征有影响，在全光照条件下叶片小而犀，而在庇荫条件下叶片大而薄，在扫描电镜下可见全光照条件下北京丁香叶片基本无毛，庇荫条件下则有短微毛，全光条件下荆条叶片上毛有小乳头状凸起，庇荫条件下没有。本文所研究的植物种气孔都着生在叶片的下表面，气孔密度的大小排列顺序是：辽东栎>山杏>北京丁香>核桃楸>大叶白蜡。经方差分析显示种闷气孔密度存在极显著性差异。对所研究植物的气孔导度和环境因子、叶片解剖特点进行线性回归分析，得到了总体的和各个种的回归模型，结果表明光照强度、气孔密度等对气孔导度影响显著，但因种的不同相互之间存在差别。 植物的蒸腾速率受多因子的影响，主要有种的特点、微气候因子（光照强度、大气相对湿度、叶面温度、叶室温度等）和土壤水分特点。植物的蒸腾速率日进程和微气候因子日进程有相当好的生态学同步性。对辽东栎的蒸腾速率和光照强度的研究发现二者有很好的线性关系。这些植物蒸腾速率都表现出一定规律的日进程和季节进程，大多数植物蒸腾速率在一天中有数次波动，最高峰一般出现在中午12时之前;在整个生长季中，6月底至8月初的蒸腾速率高于其他月份。

西双版纳片段化热带雨林植物水分利用效率的边缘效应

本研究利用稳定性碳同位素法，测定了西双版纳城子片断化季雨林和补蚌沟谷雨林7条样线上70个科226种林下植物叶片δ13C值，并以此为表征研究了片断化雨林植物WUE边缘效应，结果表明： 西双版纳热带雨林林下植物叶片δ13C值与世界范围内其他热带雨林的研究结果相近。补蚌样地的植物叶片δ13C值显著低于城子样地植物叶片δ13C值，说明水分条件是植物水分利用效率的主要决定因素。 常绿植物的δ13C值显著低于落叶植物，由此可推知常绿植物的WUE显著低于落叶植物;乔灌草和藤本植物叶片δ13C值也存在显著差异，表现为：藤本＞灌木，乔木＞草本。 方位对边缘效应的影响不容视。东、西、南、北四个方位相比，边缘的产生对四面影响最大，北面最小。森林边缘对植物WUE的影响深度至少进入林内30m。 侵入物种所占比例在林缘较大，而进入林内锐减。有些植物δ13C值与距离显著负相关，说明这些植物对水分条件敏感（如假海桐，木奶果），若小气候条件继续变干，他们有在林缘消失的危险;有些相关不显著（如冬叶、锡金粗叶木、小叶藤黄），则植物对水分条件不敏感，这些物种在边缘产生后对环境条件变化影响不敏感，不会因森林片断化而迅速灭绝。

北京东灵山地区森林植物养分利用效率研究

本文选择东灵山地区具有代表性的11种植物，研究了植物叶片养分元素动态特征以及各个层次物种、生活型和生境等对植物叶片养分元素再吸收的影响。主要结论如下： 1、不同物种间、以及相同物种在不同森林类型内的叶片C素含量变化程度较小;11个物种之间叶片N素养分浓度差很大，但各种植物叶片的N素含量的季节变化比较一致，大多数情况下表现为单峰型或双峰变化曲线;各种森林类型中11种植物叶片P的最高含量都出现在生长初期，以后开始下降。 2、在物种水平、养分再吸收是一种重要的养分保存机制，N素和P素再吸收率大约为50%，对这两种养分元素而言，相同生境下生长的不同植物种的养分再吸收率不同，存在显著差异，而同一植物种不同生境下养分再吸收率之间也存在差异，而S素的差异则不显著。 3、同一生活型在不同的森林类型中养分再吸收率差异不明显，同一森林类型中不同生活型的养分再吸收率差异也不明显;高养分再吸收率不是低养分环境所选择的优势性状，低养分环境中的物种主要通过延长叶片寿命和加强低养分浓度状况下的物质合成来适应低养分环境。 4、除了土壤pH值外，土壤容重、土壤有机质、土壤全氮、土壤阳离子交换量在三种生境下都表现出一定的差异性。华北落叶松林生境下的土壤养分含量较丰富，其次是落叶阔叶混交林，辽东栎林相对前二种生境其土壤养分相对低一些，但在三种生境之间养分元素再吸收率差异不显著，植物养分再吸收没有或微弱地受控于土壤养分获得的能力。

鄂尔多斯高原气候变化及典型植物与环境的相互作用

鄂尔多斯高原是一个多层次、复杂的生态地理过渡带，具有复杂多样的环境条件和生态特点。因而，研究该地区植被与环境复杂多变的相互关系有助于我们认识鄂尔多斯高原生态系统的脆弱性和植被对于维持该区生态系统结构和功能过程的重要性。 降水、温度及其组合特点决定了鄂尔多斯高原特殊的生态环境格局，分析其演变趋势有助于理解鄂尔多斯高原生态环境的演变过程。从旬、月、生长季和非生长季及年四个不同的时间分辨率对鄂尔多斯高原八个气象台站近30年的气象资料进行分析。结果表明30年来年平均气温、2、9、12月均温明显增高;年降水未发生显著变化，降水分配模式变化明显。采用与植物生长密切相关的气候因子对整个鄂尔多斯高原的气候特征进行综合分析，将鄂尔多斯高原划分为三个综合气候类型，即：半湿润、低蒸发型，半干旱、半湿润、中等蒸发型和偏干旱、高蒸发型。根据不同的气候类型，确定适宜恢复的植被类型，对目前该区域进行的生态恢复工作具有重要指导意义。 在鄂尔多斯高原从东向西的降水梯度上，选取三个实验点测定柠条的光合、蒸腾和水分利用效率等主要生理生态指标，分析了同种植物对不同环境的反应。鄂托克旗柠条光合速率最高，东胜东部柠条次之，杭锦旗柠条光合速率最低而蒸腾速率最大，东胜东部柠条和鄂托克旗柠条的蒸腾速率相差不大。 植被能够降低其下垫面及其附近的地表温度，从而影响地表蒸发。以鄂尔多斯高原典型植物油蒿和柠条作为研究对象，采用先进的非接触红外测温法，并提出度量植株温度效应的影响指数，对鄂尔多斯高原两种典型植物植株附近地表温度进行了比较分析,结果表明，柠条对地表温度的影响较油蒿明显。

内蒙古锡林河流域主要植物种、功能群和群落水分利用效率的研究

近二十年来，碳同位素技术己被广泛应用于植物生态学，特别是植物“碳一水”关系的研究中。植物的碳同位素组成（δ13C值）是叶片组织合成过程中光合活动的整合，它反映了植物长期的水分利用效率。内蒙古锡林河流域位于我国温带典型草原的核心区域，水分是制约本区植物生产力和群落稳定性的限制因素。因此关于本区植物水分利用效率和水分利用状况的研究，对探讨植物对生境干旱化的适应与响应机制具有十分重要的理论和实践意义。本研究沿土壤水分梯度在锡林河流域选取了沼泽化草甸、盐化草甸、草甸草原、典型草原、退化草地和疏林沙地等8个代表性植物群落，研究主要植物种、功能群和群落的碳同位素组成及叶片含水量、脯氨酸含量等与植物抗旱性相关的生理指标的变化，从植物种、功能群和群落三个层次研究了不同水分条件下植物水分利用效率的变化及其对不同水分生境的响应与适应机制。 　　1）在所调查的8个植物群落中，C3植物占绝对优势;C3植物的δ13C值和水分利用效率越大，其在整个流域中的分布频度越高，生物量也越大;与生长在湿润生境中的植物相比，生长在较干旱生境中的植物能积累更高水平的脯氨酸。以上结果表明，锡林河流域的植物可能通过两种机制适应当地的干旱生境：一是通过调节气孔导度提高植物的水分利用效率;止是通过积累高水平的脯氨酸增强植株的渗透调节能力并维持相对稳定的水分含量。 　　2）依照生活型将锡林河流域主要植物种划分成6个植物功能群：乔木、灌木、半灌木、多年生禾草、多年生杂类草和一年生植物。在较湿润生境，多年生杂类草更加丰富并构成了群落地上生物量的绝大部分;而在较干旱生境下，多年生禾草在群落中起更重要的作用;随着土壤含水量下降，灌木和半灌木逐渐增多，且在退化草地和沙地中其相对生物量迅速增加;多年生禾草别3c值显著高于其它功能群;随着土壤水分可利用性降低，多年生禾草和杂类草的别3c值表现出增加的趋势，而灌木／半灌木则表现出相反的趋势。以上结果进一步证明了，在典型草原区以生活型为基础划分的植物功能群可以用来进行较大尺度植物一水分关系的研究。 　　3）依照植物的水分生态类群，将锡林河流域主要植物种划分为六个植物功能群：旱生植物、中旱生植物、旱中生植物、中生植物、湿中生植物和湿生植物。在较湿润生境中（沼泽化草甸和盐化草甸），湿中生和湿生植物成为优势种并构成地上生物量的主体;在干旱生境中（草甸草原、典型草原和退化草地），旱生和中早生植物占绝对优势并构成群落生物量的90％以上;随着不同水分生态类群所适应的生境从干旱到湿润逐渐转变，植物的δ13C值和水分利用效率显著降低;旱生植物叶片脯氨酸含耸最高，湿中生和湿生植物脯氨酸含量最低，不同水分生态类群脯氨酸含量与其δ13C值和地上生物星．显著正相关关系。 　　4）不同群落类型的平均δ13C值有显著不同，表现为：典型草原＞退化草地＞沙地＞退化恢复草地＞草甸草原之盐化草甸＞沼泽化草甸。C4植物的出现、不同物种δ13C值的差异和同一物种在不同生境下δ13C值的变化是影响群落平均δ13C值的主要因素，而这些因素与土壤水分状况和干扰历史（特别是放牧）密切相关。 　　此外，本文还研究了氮素添加对羊草和大针茅光合和水分利用效率的影响。土壤含氮量的增加可以显著提高羊草叶片光合能力和叭JE，而对大针茅的影响不大。作为锡林河流域两种优势植物，羊草和大针茅通过不同的生理机制来维持较高的WUE适应干旱生境：羊草为高光合、高蒸腾，而大针茅为低光合、低蒸腾。羊草较高的WUE是以降低氮利用效率 （NuE）为代价的;而大针茅在维持较高WUE的同时仍能维持较高的NUE，这一特征使大针茅可以广泛分布于更加干旱和贫瘩的地区。 　　以上研究结果，为深入开展典型草原生态系统植物与水分关系的研究提供了有价值的信息，进一步证实了稳定性碳同位素技术可以有效地指示不同群落类型中主要植物种长期水分利用效率。同时，通过对其它相关生理指标的测定，可以更好地探讨植物对水分限制的适应策略。我们的研究结果从植物种、功能群和群落三个层次进一步揭示了植物对干旱生境的适应机制，并初步阐明了人类干扰特别是过度放牧对草原群落建群种和优势种的生态替代或／和灌丛入侵的影响。这些研究对生物多样性保护、全球变化和区域可持续发展等热点问题的研究都具有重要的意义。在今后的研究中，结合其它稳定性同位素（如2H，18O和15N）技术，将有助于我们进一步深入研究蒙古高原植物对气候变化和过度放牧的适应与响应机制。 　　

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。

农牧交错区主要植物的氮素利用效率

Berendse&Aerts (1987)认为氮素利用效率(nitrogen use efficiency，NUE)可以分为两部分的乘积，即：①氮素生产力(nitrogen productivity，NP)，②氮素的平均滞留时间(mean residencetime，MRT)。本文利用这一概念对处于我国北方农牧交错带的内蒙古自治区多伦县典型植物的氮素利用策略进行了研究。研究假设：植物在贫瘠生境上所采取的氮素适应策略主要是提高对所吸收氮素的保持能力(较长的MRT)，而不是提高NUE。 在不同土壤生境上，属于不同生活型的不同物种其NP和MRT之间存在负相关关系。在不同生境、生活型和物种之间，作为NP与MRT乘积的NUE比NP、MRT的变化相对要小，结果表明植物主要通过延长MRT来适应氮素贫瘠的生境。因为NP与MRT相反的方向变化，二者不能同时增加或减少，所以NP与MRT之间存在相互协调(trade-off)的关系。 在群落和生态系统水平上，NP与MRT之间也存在相互协调关系，不同水平上的NUE之间也存在一定的联系。除了在种间存在这种关系外，通过对多伦县和十三里滩两种针茅（大针茅、克氏针茅）的氮素利用特征的研究，发现在种内，NP与MRT之间也存在这种相互协调关系。NUE与土壤供氮能力有关，随着土壤供氮能力的下降，NUE呈上升趋势。植物的NUE不仅与土壤的供氮能力有关，其它因素如土壤水分供应状况也会对植物的NUE产生影响，例如，与生长在河岸上的植物相比，生长在河滩湿地上的植物具有较高的NP，但MRT却较低。在群落中，不同植物个体的NUE及其组成参数NP和MRT也存在较大的差异，较大的植株具有较高的NP和MRT，因而NUE也高于个体较小的植株。本文研究结果表明，植物的NUE与氮素回收转移特性密切相关，植物提高氮素回收效率(nitrogen resorption efficiency，NRE)可以延长MRT，从而提高NUE。

玉米高产优质生产中若干生理生态问题的研究

玉米（Zea mays L.）是我国十分重要粮食、饲料和工业原料作物，种植区域覆盖我国大部分农业区。随着玉米品种改良和新栽培技术的应用，我国玉米产量大幅度增加。自1950s以来，我国玉米产量递增幅度为126kg/hm2/yr。在玉米产量提高过程中，单叶光合作用与产量之间存在什么样的关系？当代玉米品种的品质和养分利用效率如何？高密度种植条件下是否存在“根系拥挤”及如何调控等。为探讨上述科学问题，本研究选择中国北方常见的大田玉米品种，在高肥力自然光照条件下，探讨玉米高产优质栽培过程中生理生态特征的变化趋势，以指导科学育种和栽培。主要研究结果如下： 　　1）光合与产量的演变我国 1950s、1970s、1990s等不同年代推广的玉米品种中，当代品种叶片光合速率高且高值持续期长，光合色素叶绿素a、叶绿素b、类胡萝卜素等的含量高且持续时间长，与光合有关的蒸腾速率（E.）、细胞间隙CO2浓度（Ci.）、气孔导度（gs）等也有较大改良，中下部叶片尤其明显;在生育后期，当代品种具有更高的光合优势。老品种饱和光合速率(Psat)在灌浆期下降，并非RuBPCase 和PEPCase的活性降低，而是由于叶绿素含量和可溶性蛋白含量的降低。在花后期间，由于PS2功能的下降，造成了光合能力下降，而现代品种的PS2 功能在衰老前一致保持旺盛状态。 　　老品种光合特征对缺氮的反应表现更敏感。花后缺氮光合作用下降是非气孔限制的，因为气孔导度和胞间CO2浓度没有发生明显的变化。其主要原因是缺素造成老品种叶片早衰，叶绿素含量、可溶性蛋白含量、PEP羧化酶活性下降。现代品种表现较强的抗衰老能力，其N素利用效用高于老品种。我国玉米产量的大幅度提高在很大程度上应归功于叶片光合性能的改良。 　　随玉米品种更替，群体光合速率增强，群体光合衰减率降低，呼吸消耗所占总光合的百分率下降。灌浆期当代品种中下部叶片的群体光合速率明显高于老品种。种植密度是影响玉米群体光合速率的主要因素，在高中低三种密度条件下，当代品种均有较高的群体光合速率，表现出耐密性强、适应性广、源足库大、产量高的特点。 　　2）高油玉米的产量受到叶源大小和叶源活力的双重限制在 1.5 株/m2密度下，与普通玉米相比较，高油玉米单株籽粒产量显著低于普通玉米，产量构成中穗粒数差异不显著，千粒重较低（P＜0.01）;两类型玉米的单株库容量相当，高油玉米籽粒灌浆速率小，籽粒充实度低，单粒重对叶源相对减少（剪叶）或相对增多（疏库）的反应比普通玉米更为敏感，其产量受到同化产物供应（叶源）相对不足的限制。高油玉米授粉后的叶面积、叶面积持续期小，叶片含氮量和光合速率较低，说明高油玉米的产量受到叶源活力（光合速率）小和叶源数量少的双重限制。 　　3）我国北方玉米品种的个体产量潜力、氮素利用效率及籽粒与秸秆粗蛋白质含量在充分发挥个体生产潜力的低密度条件下，我国北方1990s 以来大面积种植的50个玉米主栽品种中，个体产量潜力和氮素利用效率高度正相关(P=0.01)，而子粒千粒重与NUE 呈显著性负相关(P=0.002)。对玉米产量和氮素利用效率进行分层聚类，可将北方玉米品种划分为高产高NUE 型、低产低NUE 型和中间型，高产高NUE 型玉米品种相对较少，仅占24%。籽粒粗蛋白质含量（CPC）与秸秆CPC 相关性不显著（P＞0.05）。对籽粒和秸秆的CPC 进行分层聚类，将北方玉米品种划分为籽粒高秸秆低型、籽粒与秸秆双低型和籽粒与秸秆双高型，CPC 双高型品种相对较少，仅占20%。 　　4）玉米根系拥挤效应对产量影响的生理生态机制及其调控随玉米品种更替根系的空间分布呈“横向紧缩，纵向延伸”的特点。当代三类型玉米根系分布特性与株型、穗型相关。紧凑型品种根系分布深，下层根系所占比率大，适合密植，群体产量潜力大;平展大穗型品种根量多，分布较浅，在低密度下可获得较高的个体生产力，但不适合密植，群体产量潜力小。 　　“根系拥挤”显著影响玉米产量，减小根系横向伸展空间，下层土壤中的根系分配比率增多。在地上部充分生长条件下，紧凑型品种横向空间为30-50cm即可满足要求，平展型品种大于50cm;紧凑型品种对纵向空间受限制的反应更为敏感，平展型品种对横向空间受限制的反应更为敏感。“根系拥挤”影响根系活性、分布、氮素吸收利用和花后光合与14C同化物的分配。 　　在根系受限制条件下，增施肥料产量提高，根系总重增加，增加了根系在深层土壤（60-100cm）中的根系比率，显著增加了根系的TTC 还原量、SOD、CAT、POD活性。土壤加沙，根量减少，但根系TTC 还原量增加、产量提高，提高幅度以大穗型品种更为显著。 　　随种植密度增加耕层根系密度与群体产量同步增大，各类品种均在最高根系密度下获得最高产量。根系负荷的籽粒产量潜力三类型品种存在极大差异，在一定范围内增大种植密度，根系伸展空间减小，群体产量提高，紧凑大穗型品种产量最高，品种的耐密性是限制根系负荷籽粒产量潜力的主导因素。因此，培育株型紧凑、耐密性强、大穗玉米良种，采取有效的调控措施是玉米进一步高产的主攻方向。 　　5）我国夏玉米高产田的培创理论研究与实践相结合，2005 年在我国华北地区的山东莱州培创出籽粒实产21 042.9kg/hm2 （ 14% 含水量， 实收面积=45.7m×15.9m=726.63m2）的夏玉米高产纪录。主要采用以增加密度为保障的“群体结构性挖潜”和以提高整齐度为保障的“个体功能性挖潜”途径，生理生态指标包括：选用紧凑抗倒耐密植品种DH3719，种植密度102 030 株/hm2，收获密度98 610 株/hm2，花后具有较长的叶面积高值持续期，达60d以上，叶面积指数最大为6.53，收获2.59。上部叶片光合值对外界光强度变化敏感，其光合峰值出现时间提前，而后迅速衰减;中部叶片光合值的降低较慢，下部叶片变幅最小，可能是长期处于争光环境表现出的生态适应性。粒叶比0.32，经济系数0.542，单株产量216g，千粒重375.1g。

三峡库区岸边植物水分利用研究

随着三峡大坝建设，在2003年6月三峡库区蓄水到135 m水位，之后人为调节使其在137-139 m范围内波动变化。从2003年7月开始，我们对库区植物的水分关系及其对三峡水位上升的可能反应进行了系统研究。 在库区中残存的次生松栎混交林，我们从江边沿海拔梯度设置了3块样地：Riparian，Mid-hill和Top-hill样地，垂直高度相差约20 m。从2003年7月到2004年7月，我们比较了岸边样地内与高处两样地内植物的木质部水分稳定同位素D和18O值，植物清晨和中午水势，叶片碳稳定同位素值13C，以及2004年7月测定的气体交换。岸边 植物木质部水分同位素值显著高于江水的同位素值，而与高处两样地内植物木质部水分同位素相近。岸边植物与高 处植物具有相近的清晨水势和中午水势，也表明对岸边植物来说，江水并不是它们重要的水分来源。同样，岸边植 物叶片 13C值与高处同种植物的值也不存在显著差异。我们研究的3种植物清晨水势都与土壤含水量正相关，尤 其浅层土壤更为显著。研究结果表明岸边植物几乎没有利用江水，而同高处两样地内植物一样，都是以利用渗入到土壤中的降雨为主。 松栎混交林中，马尾松与槲栎相比，净光合速率和气孔导度，叶片含N量，以及清晨水势低于槲栎，而中午水势，叶片13C值高于槲栎。两种树木叶片13C值与含N量都成正相关关系。槲栎叶片13C值与清晨水势成负相关，而马尾松针叶13C值与清晨水势相关性并不显著。 在岸边的松栎混交幼林与成年林相比，幼树的清晨水势略高于对应的成年树，叶片13C值低于成年树;幼树的光合速率和气孔导度略高于成年树，而瞬时水分利用效率低于成年树，但差异均不显著。马尾松幼苗为实生苗，与成年树相比，更偏向于利用浅层土壤水;而槲栎幼树多为从原来被砍伐的树上萌生的，木质部水分同位素与成年树相近。 从2004年5月到10月，我们又对大坝下游江段岸边植物（马尾松，枫杨和柑桔）的水分关系进行了研究。木质部水分同位素比率表明，岸边植物木质部水分同位素比率与高处植物具相近的值，且显著高于江水同位素值。研究表明岸岸边和高处植物以降雨或靠降雨补充的浅层地下水为主要水分来源，即便岸边植物也几乎不利用江水。岸边植物与高处植物具有相近的清晨水势和中午水势，光合速率和气孔导度，以及叶片C值等，也进一步说明岸边植物与高处植物具有相近的水分生理特征。 叶片13C可以指示植物的一些生理过程，我们对松栎混交林中不同生活型植物的13C值进行了分析，乔木层叶片 13C值比较高，其中常绿针叶的值又高于落叶阔叶树木的值;林下灌木，非禾本科草本，及藤本植物的13C值都明显低于乔木层。 三峡大坝改变河水对植物生理生态过程的影响是一个长期的过程，库区水位上涨是否影响到岸边植物的生理过程及生长等，需要进一步作长期、定位和连续的观测研究。

放牧对草原群落主要植物种和功能群水分来源与水分利用效率的影响

水分是半干旱草原生态系统植物多样性和初级生产力的限制因素。近年来由于人为干扰和气候干旱，特别是过度放牧，导致半干旱地区草原严重退化，草地生产利用和生态服务功能日益衰减，自然灾害频繁发生。草原退化演替主要表现为不同植物种的消长和替代过程。在内蒙古草原，过度放牧导致多年生根茎禾草和丛生禾草被豆科灌木或具根茎和不定根的杂类草替代，丰富的多年生杂类草被一、二年生植物替代。目前，对于上述功能群之间的替代机制，以及草原退化的机理尚不十分清楚。本研究在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站选取了79年围封的大针茅(Stipa grandis)样地、其外围的自由放牧样地及中德合作项目“ Matter Fluxes in grassland of Inner Mongolia as influenced by stocking rate (MAGIM) ”的传统平地放牧处理小区为研究对象，从植物-水分关系的角度，利用氢和碳稳定性同位素技术，研究主要植物种和功能群水分来源和水分利用效率对放牧的响应，进而揭示放牧干扰下草原退化的机理。本研究取得了如下主要研究结果和结论： 1. 在干旱年份，雨水仅湿润了大针茅草原0-20cm的表层土壤。土壤中保存的冬季降水贡献了植物可利用水分的30%，而在正常年份只有10%。干旱季节羊草(Leymus chinensis)和大针茅能够利用土壤60cm以下保存的多年降水，而糙隐子草(Cleistogenes squarrosa)和冰草(Agropyron cristatum)只能利用生长季的雨水。长期过度放牧使冰草和糙隐子草的相对生物量和相对多度均显著增加，而羊草的相对生物量和相对多度显著降低。这种由放牧引起的群落结构与组成的改变，降低了植被对冬季降水的利用，加剧了干旱对生态系统的影响。 2. 依据羊草草原群落植物的生活型和光合类型划分为：C4禾草、C4杂类草、C4灌木、C3禾草、C3杂类草、C3鳞茎类植物和C3灌木七个功能群，各功能群间的水分利用效率差异显著。不同功能群植物在对土壤水分的利用上存在着明显的生态位分离。C4禾草和C3鳞茎类植物主要利用表层水分，而C4灌木则利用深层土壤水分，C3其它功能群介于二者之间。在无放牧和低载畜率下，各功能群植物均主要吸收浅层土壤水分，功能群间竞争相对强烈。在较高载畜率下，C3禾草转为利用深层土壤水分，功能群间出现水分生态位的分离，部分地缓解了植物对土壤表层水分的竞争。沿着载畜率梯度，群落对浅层土壤水分的利用呈现出先增加，尔后下降的趋势。 3. 在放牧干扰下，羊草草原群落中主要植物种稳定性碳同位素值的变化范围为-13.100/00~-27.590/00。不同功能群植物间的水分利用效率有着显著的差异：C4禾草> C4杂类草> C4灌木> C3禾草、C3杂类草> C3鳞茎类植物> C3灌木。C3鳞茎类植物和C4杂类草的水分利用效率随载畜率增加而降低。C3和C4禾草的水分利用效率随载畜率的增加表现为先增加，尔后下降的趋势。群落水平的水分利用效率主要由占生物量90%的禾草的水分利用效率决定。随着载畜率增加，群落水分利用效率有逐渐降低的趋势。