模拟增雨对白刺和油蒿幼苗化学计量特征的影响

降雨是荒漠生态系统过程和功能的最重要限制因子,荒漠植物幼苗对生长季降雨的变化极端敏感。为探讨荒漠植物对未来降雨格局变化的响应,该研究选取乌兰布和沙漠2种典型荒漠植物幼苗(白刺和油蒿)为研究对象,根据生长季内(6～9月)每次降雨量,进行不同梯度的人工模拟增雨试验(CK.自然降雨;A.增雨25%;B.增雨50%;C.增雨75%;D.增雨100%),分析白刺和油蒿幼苗C、N、P含量及化学计量特征对降雨量变化的响应。结果表明:(1)从C、N、P含量在幼苗不同器官分布来看,与CK相比,增雨显著降低了白刺幼苗茎的C含量和根的C、P含量(P0.05),在一定程度上提高了叶的C、P含量和根的N含量;而增雨处理显著增加了油蒿幼苗茎和叶的C含量(P0.05),降低了叶、根的N含量和茎、叶、根的P含量。(2)从化学计量比来看,增雨对白刺幼苗茎、叶、根的N∶P影响无显著差异,比值均大于16,且在增雨的环境下白刺幼苗相对生长率较低,主要受P元素限制;油蒿幼苗根N∶P与增雨量呈极显著负相关关系,随增雨量的增加其相对生长率增大。研究认为,模拟增雨对白刺幼苗和油蒿幼苗化学计量特征均有显著影响,但二者幼苗C、N、P元素在各器官的分配格局有所不同,增雨不利于白刺幼苗的生长,而有利于油蒿幼苗的快速生长。     

长期模拟增雨对荒漠植物形态特征及空间分布格局的影响

研究降雨变化对荒漠优势植物形态特征、空间点格局及空间关联性的影响有助于预测荒漠生态系统对全球气候变化的响应.以乌兰布和沙漠典型荒漠植物唐古特白刺和油蒿为研究对象,进行了连续10年的模拟增雨试验,运用Programita软件,采用Ripley K函数和Monte Carlo随机模拟方法,对长期模拟增雨条件下两种植物形态特征、空间格局及空间关联性进行研究.结果表明: 不同增雨处理下唐古特白刺和油蒿植株的数量、高度、平均冠幅和基径均存在显著差异,增雨处理的唐古特白刺和油蒿植株数量、高度、平均冠幅和基径均显著大于对照,并随着增雨量的增大而增大.当增雨量小于72 mm时,白刺枝条具有明显的聚集分布趋势;当增雨量大于72 mm后,随着增雨量的增大,白刺枝条表现出聚集强度明显降低的趋势.油蒿植株随着增雨量的增加空间分布格局表现为随机分布-聚集分布-随机分布.就空间关联性而言,对照处理下唐古特白刺枝条与油蒿之间表现为负关联,随着增雨量的增加两者呈现无关联或正关联,当增雨量达到144 mm时,空间关联由负关联向正关联转变.未来降雨增加条件下,土壤水分明显改善,两种荒漠植物对水分的竞争减弱,更有利于白刺和油蒿的共存生长.     

干旱荒漠区不同生活型植物生长对降雨量变化的响应

降水是荒漠生态系统过程和功能的最重要限制因子,荒漠生态系统中的植物物种对生长季降雨的变化极端敏感。根据生长季内每次降雨量,进行不同梯度的人工模拟降雨试验(减雨50%、减雨25%、增雨25%、增雨50%、增雨100%),以自然降雨为对照,研究植物生长对降雨量变化的响应。结果表明:生长季降雨量影响植物的生长和初级生产力,不同生活型植物对降雨量变化的响应显著不同;减雨处理减缓了柠条、油蒿新枝生长,但影响不显著;增雨25%未能显著促进柠条、油蒿新枝生长;50%增雨未能促进柠条新枝生长而能促进油蒿的新枝生长;5—7月,增雨100%能显著增加油蒿新枝生长量,仅能增加柠条6—7月生长量;1年生草本植物地上部分生物量随降雨量增加呈线性增加趋势,减雨50%显著降低了草本植物株高,而其他降雨处理对株高影响不显著。     

降雨格局变化对白刺幼苗根系形态特征的影响

为探讨荒漠植物白刺幼苗根系形态对降雨格局变化的响应特征,设置3个降雨量梯度(W-、W、W+)和2个降雨间隔时间梯度(T、T+)进行人工模拟试验,结果表明,1)降雨量和降雨间隔时间对白刺幼苗根系形态有不同程度的影响,且降雨量的作用效应更大。2)降雨量相同时,延长降雨间隔时间均使白刺幼苗主根长、根系平均直径、根体积和根表面积减小,但总根长和根系生物量和总生物量却增加,在高降雨量条件下(W+)延长降雨间隔时间白刺幼苗比根长和比表面积分别增加了45.09%和20.20%,但差异均不显著。3)降雨间隔时间相同时,降雨量减少30%仅使主根长平均增加12.06%,总根长、根平均直径、根体积和根表面积等根系形态指标均显著减少,比根长和比表面积变化不大;降雨量增加30%仅使比表面积显著增加,其余各形态指标差异均不显著,低降雨量条件下(W-)主根长与根冠比达到最大,其他指标均在高降雨量条件下(W+)达到最大。4)对8个根系形态参数进行主成分分析,根系生物量、总根长、总根表面积、比根长、比表面积和根体积6个根系生态参数受降雨格局影响显著。     

不同模拟增雨下白刺比叶面积和叶干物质含量的比较

以荒漠生态系统典型植物白刺(Nitraria tangutorum)为研究对象,根据内蒙古磴口多年平均降水量和植物生长规律,设计两个增雨时段(生长季前期与生长季后期),每个增雨时段设置两个增雨梯度(72.5mm/a(50%)、145mm/a(100%)),对天然白刺灌丛进行增雨实验,研究了不同模拟增雨处理下2012年与2013年生长季白刺叶片的比叶面积(SLA)与叶干物质含量(LDMC)的变化。结果表明,增雨处理可以增加白刺叶片的SLA及LDMC,同时期增雨100%处理对SLA及LDMC的影响大于50%处理,但同时期增雨的两个处理之间无显著差异;白刺叶片SLA在生长季前期对水分响应明显,LDMC则在生长季后期对水分反应敏感;相同增雨处理,2012年白刺叶片SLA及LDMC的净增加值高于2013年;SLA与LDMC在2012年呈显著负相关,在2013年虽呈负相关,但相关性不显著。在未来降雨增加的背景下,荒漠植物白刺叶片SLA与LDMC对增雨具有较强的协调适应能力,在不同生长季节可以通过改变不同的叶片性状来适应环境变化。     

白刺叶片气孔特征对人工模拟降雨的响应

以荒漠生态系统典型植物白刺(Nitraria tangutorum Bobr)叶片为研究对象,利用数码图像显微镜处理系统,研究了不同人工模拟增雨处理下的白刺叶片气孔密度及形态特征的变化情况。结果表明,荒漠植物固有特征决定了白刺叶片下表皮气孔密度大于上表皮,上表皮、下表皮气孔密度对增雨响应差异不显著(P0.05)。增雨处理上表皮、下表皮气孔密度与对照差异显著(P0.05)。相同增雨季节,50%处理下叶片气孔密度高于100%处理;不同增雨季节,气孔密度对生长季后期增雨响应更明显。白刺叶表皮气孔分布遵循"一细胞间隔(one cell spacing rule)"法则。增雨后叶片上表皮和下表皮气孔长度、宽度均有不同程度的增加,气孔形态特征对100%处理的响应较50%处理更为明显,且生长季后期增雨对叶片气孔形态特征的影响更大。     

活性炭对苦荞幼苗根系和叶片生理特性的影响

以山西省主栽苦荞品种‘黑丰1号’温室盆栽幼苗为材料,设置土壤活性炭含量分别为0(CK)、2.5(B2.5)、5.0(B5.0)、7.5(B7.5)、10(B10)g/kg共5个水平,研究土壤中施加活性炭后对苦荞幼苗根系及碳氮代谢、保护酶活性等指标的影响.结果显示:(1)随着活性炭施用比例的增加,苦荞幼苗根系生长指标和根系活力指标均呈先增后减的趋势,根平均直径呈先减后增的趋势,其中B5.0、B7.5处理的幼苗根系总长度、总表面积、总体积、活跃吸收面积、根尖数均显著高于对照,但B10处理的根系发育减弱.(2)随活性炭施用比例的增加,苦荞幼苗叶片蔗糖酶活性变化呈先增后减的趋势,同一处理水平条件下随苦荞的生长而逐渐下降;B2.5、B5.0处理苦荞幼苗叶片蔗糖酶活性和可溶性糖含量均比CK极显著增加,B7.5处理略有提高,B10处理差异不显著.(3)苦荞幼苗叶片谷氨酰胺合成酶(GS)活性随活性炭的增加基本呈上升趋势,而同一处理水平下随苦荞的生长而下降;叶片GS活性在B5.0、B7.5处理时比CK极显著提高,可溶性蛋白质含量在B7.5处理时也显著提高.(4)叶片保护酶SOD、POD、CAT活性随活性炭浓度的升高呈先升后降的变化趋势,而同一处理水平下各时期间变化不大;B2.5处理叶片的SOD、POD和CAT活性比对照显著增强.研究发现,适量施用活性炭(2.5～7.5g/kg)能有效促进苦荞幼苗碳氮代谢和保护酶活性,增强其根系活力.     

空气断根对侧柏实生苗生物量分配和根系生长的影响

为探求林木幼苗生物量分配和根系生长对空气断根的响应,以侧柏(Platycladus Orientalis)实生苗为材料,设置空气断根(T)和不断根(CK)处理,研究了空气断根10、30 d和50 d后对侧柏生物量、根系形态特征及吸收面积的影响。结果表明:(1)T处理的侧柏幼苗地上生物量、根生物量、总生物量、根长、根表面积、根体积及根尖数在断根10、30 d和50 d后均大于CK,且显著扩大了根系总吸收面积和活跃吸收面积。(2)空气断根显著影响了侧柏实生苗的生物量分配格局,其根冠比在整个试验阶段呈先增大后减小的趋势,而CK逐渐减小。(3)两种处理的侧柏幼苗根系直径集中在0-0.5 mm。与CK相比,T处理侧柏随空气断根时间延长,单株根系直径在0-0.5 mm的根数量急剧增多,占总根尖数的79%,根平均长度、根表面积、根体积和根尖数显著增大。(4)生物量参数和根形态参数之间关系密切。根生物量与地上生物量及总生物量呈显著正相关(P0.05)。除根系平均直径外,根生物量、地上生物量和总生物量分别与根长、根表面积、根体积、根尖数呈显著正相关,根冠比与地上生物量呈负相关。因此,空气断根有效改善了侧柏幼苗的根系形态特征,提高了吸收面积,显著促进侧柏实生苗在生长早期快速发育。     

光照强度和氮水平对白三叶幼苗生长与光合生理特性的影响

采用植物生长箱溶液培养方式,对白三叶幼苗进行了不同光强(2个水平)和氮浓度(5个水平)处理,探讨其生长、生物量和光合生理特征对生境变化的响应.结果表明:两种光强下白三叶幼苗茎和叶生物量随氮素浓度呈先升高后降低,而根系生物量和根冠比则随氮素浓度增高而降低.光照强度降低使白三叶幼苗根、茎、叶和整株生物量分别降低67.8%、29.9%、42.5%和45.2%;低光处理使幼苗的根冠比显著下降,而比叶面积(SLA)明显提高.幼苗根系体积随氮素浓度增高而降低,高生长光强根系体积显著高于低生长光强下的白三叶.幼苗根系表面积、根系长度和根系直径随氮素浓度增加呈先增加后降低趋势,两种不同生长光强下幼苗根系长度和根系直径差异显著,而根系表面积差异不明显.白三叶叶片光合速率(Pn)随氮素浓度增加呈先增加后降低趋势,高生长光强白三叶Pn显著高于低生长光强下的白三叶.两种生长光强间叶片气孔导度(Gs),胞间CO2浓度(Ci)和蒸腾速率(Tr)无显著差异,但氮素浓度对叶片Gs、Ci和Tr均有显著影响.光、氮及其交互作用对白三叶幼苗生长发育产生了显著影响,光照不足和氮缺乏都将导致白三叶幼苗生长减弱,但幼苗对这些不利环境具有较强的调节和适应能力.     

河西走廊中部两种荒漠植物根系构型特征

在河西走廊中部,采用挖掘法挖取红砂和白刺根系,应用拓扑学与分形理论分析了根系构型的特征.结果表明: 2种荒漠植物根系的拓扑指数均较小,根系分支模式均近似为叉状分支结构.红砂和白刺根系具有较好的分形特征,其分形维数分别为(1.18±0.04)和(1.36±0.06);分形维数、分形丰度与根系平均连接长度均呈显著正相关.2种荒漠植物根系的平均连接长度均较大,以扩大植物的有效营养空间,从而适应干旱贫瘠的土壤环境.2种荒漠植物根系分支前的横截面积等于根系分支后的横截面积之和,验证了Leonardo da Vinci法则.对17个根系构型参数进行主成分分析,根系拓扑指数、根系连接数量、逐步分支率和根系直径4个根系构型参数能很好地表示2种荒漠植物根系构型特征.     

毛乌素沙地降水格局变化对油蒿木质部解剖特征的影响

探究不同降水处理对荒漠植物木质部解剖特征的影响,可以为理解未来降水格局变化下荒漠植物适应性和预测荒漠植被演替趋势提供理论依据。以毛乌素油蒿灌丛植被为对象,通过野外人工控制降水的方法,模拟半干旱气候区降水格局变化趋势,设置3个降水量梯度（减水30%、自然降水、增水30%）以及2个降水间隔梯度（降水间隔5d、降水间隔15d）开展双因素完全随机试验,监测油蒿木质部各个解剖特征参数对不同降水处理的响应。结果表明：（1）随着降水量减少,油蒿的导管数量显著增多,导管密度、导管壁厚度显著增大（P<0.05）。降水间隔时间延长将显著增加油蒿的导管数量、导管密度和平均导管直径（P<0.05）。降水量与降水间隔期对油蒿木质部解剖学特征影响的交互效应不显著。（2）降水量减少和降水间隔时间延长弱化了油蒿潜在最大导水率对导管直径的响应敏感度。（3）在降水量减少和延长降水间隔时间的背景下,油蒿可以通过调整木质部导管参数兼顾水分运输的安全与效率。本研究表明,通过改变木质部解剖学特征参数来适应降水格局改变是油蒿的重要耐旱策略,未来气候变化的大背景下,荒漠植物的水力特征变化需要综合考量降水量和降水间隔的双重影响。     

乌兰布和沙漠天然白刺种群及主要伴生种种间关联性研究

采用2×2列联表,运用方差比率法（VR）、χ²统计量检验、联结系数（AC）和共同出现百分率（PC）等指标,以关联测度指标（OI、DJ、JI）为参考,对内蒙古自治区乌兰布和沙漠天然白刺（Nitraria tangtorum）种群及其伴生种的种间关联性进行分析,结果表明：天然白刺种群内8个主要物种总体关联性表现为无关联。在全部的28个种对中,15个种对表现为正联结,13个种对间表现为负联结。种对中除白刺–沙蒿表现为显著负联结外,其他种对间联结性均不显著。主要物种白刺与草本,草本与草本之间趋向独立分布。通过对天然白刺种群总体以及种间的关联性研究,为构建稳定的沙漠植物群落、恢复重建沙漠地区的植被、改善沙漠地区生态格局提供理论指导。     

两类植物型沙丘上植物群落的异同及其对沙丘形态的响应

为探究相同环境条件下发育的两类植物型沙丘上植物群落的异同点,以及相异点与沙丘形态的关系,对毛乌素沙地南缘盐碱地上相间分布的抛物线形沙丘和白刺灌丛沙丘分别进行形态学、植物群落学及土壤理化性质的调查分析。结果显示:抛物线形沙丘的水平尺度虽为白刺灌丛沙丘的12-23倍,但两类沙丘上物种数相当,其植物分属12科31属39种和12科30属33种,均以菊科、藜科、禾本科、豆科植物为主(占70%以上),其中共有植物17种,群落相似度0.66;两类沙丘上的群落建群种不同,优势种的重叠度较低,抛物线形沙丘的不同部位共统计到7个植物群丛,可分为沙生植物群落和喜湿耐盐碱群落,白刺灌丛沙丘上均以白刺为建群种,油蒿、冰草、雾冰藜、沙蓬、狗尾草为主要优势种;沙丘形态造成其不同部位风沙活动及土壤水分、PH值和全盐含量的差异是两类沙丘上植物群落相异的重要影响因素。     

民勤荒漠区主要植物群落的稳定性及生态效应

以民勤荒漠区5种主要植物群落10个样方12年的定位观测资料为基础,运用植被盖度和投影盖度2个指标对荒漠区植物群落的稳定性及其生态效应进行分析,以期阐释随着全球变暖荒漠植物群落的稳定性和生态效应的变化规律。观测结果表明,沙蒿(Artemisia arenaria)的植被盖度和麻黄(Ephedra przewalskii)的植被盖度以及沙蒿的投影盖度和梭梭(Haloxylon ammodendron)人工林的投影盖度显著下降,白刺(Nitraria tangutorum)的植被盖度亦下降。分析结果表明:(1)植被盖度相对较低的群落的稳定性较强,而植被盖度相对较高的群落的稳定性相对较差。(2)当年降水量是决定植被盖度及其投影盖度的关键因子。(3)单位面积的白刺的生态功能最大,其次是麻黄,再次是白刺+梭梭,单位面积的沙蒿的生态功能最低。荒漠区植被稀疏,植株枝条分布极不规则,以冠幅计算所得的植被盖度不能反映植被实际覆盖地表的状况。     

Responses of dominant desert species <Emphasis Type="Italic">Artemisia ordosica</Emphasis> and <Emphasis Type="Italic">Salix psammophila</Emphasis> to water stress

Morphology, biomass accumulation and allocation, gas exchange, and chlorophyll fluorescence were compared for one-year-old seedlings of Salix psammophila and Artemisia ordosica, two dominant desert species, in response to two water supplies (equivalent to 315.0 mm for present precipitation in growing season and to 157.5 mm for future decreasing precipitation) during 105 d. For both species, photochemical efficiency of photosystem 2 (F_v/F_m), net photosynthetic rate, transpiration rate, stomatal conductance, biomass accumulation in different organs, tree height, number of leaves, and leaf area were reduced in response to the decrease in water supply. For both species, instantaneous water use efficiency was not affected by the water deficit. However, diurnal patterns of gas exchange and biomass allocation were affected in different ways for the two species, with notably a decrease in specific leaf area and an increase in root : shoot ratio for S. psammophila only. Overall, S. psammophila was more responsive to the decreasing precipitation than A. ordosica.     

白刺沙包浅层土壤水分动态及其对不同降雨量的响应

以乌兰布和沙漠典型白刺沙包为研究对象,使用EC-5土壤水分传感器对其浅层(0—50 cm)土壤水分进行长期连续监测,分析了白刺沙包不同深度土层对不同降雨量的响应及整个生长季的土壤水分动态特征。结果表明:降雨是乌兰布和沙漠白刺沙包土壤水分的最重要补给源,降雨量大小是影响浅层土壤水分补给深度的决定因素。小于10 mm的降雨完全被表层(0—10 cm)土壤吸收,无法补给10 cm以下土壤水分;10—20 mm的降雨对土壤水分的补给深度达到20 cm;20—30 mm的降雨对土壤水分的补给深度达到40 cm,大于30 mm的降雨补给深度可达到50 cm,甚至更深土层。在研究区降雨量以小于20 mm降雨为主的情况下,20 cm以下土层土壤水分逐步恶化,久之将有利于浅根系草本植物的生长,不利于白刺的生长繁殖。因此,这种降雨格局将对浅层土壤水分及植被演替产生重要影响。     

Effects of Elevated Temperature on Growth and Gas Exchange in Dominant Plant Species from Maowusu Sandland,China

We compared the effect of elevated temperature on morphological development, biomass accumulation and allocation, and gas exchange of three dominant plants (Caragana intermedia Kuanget H.C. Fu, Hedysarum mongolicum Turcz., and Artemisia ordosica Krasch.) growing in Chinese Maowusu sandland. Plants were grown in two temperature chambers (25/20, 28/23 °C, day/night) during 60 d. Tree height, number of leaves, and leaf area were increased in C. intermedia and H. mongolicum seedlings, while in A. ordosica temperature only affected tree height. Elevated temperature increased biomass and reduced the root : shoot ratio in C. intermedia and H. mongolicum seedlings, but not in A. ordosica seedlings. The net photosynthetic rate (P _N) and transpiration rate (E) were increased at days 40 and 60 in C. intermedia and H. mongolicum seedlings, while in A. ordosica seedlings no significant effects on E were observed, and P _N was increased only at day 60. Water use efficiency (WUE) was reduced at days 40 and 60 in H. mongolicum seedlings, and at day 60 in C. intermedia seedlings. No temperature effect on WUE was observed in A. ordosica seedlings. These different responses indicate that climate change could alter plant communities in Maowusu sandland.