温带草原7种针茅植物根系特征及其对环境因子变化的适应

为比较针茅（Stipa）植物适应策略,以大尺度梯度下（>1600 km）温带草原主要针茅植物为对象,系统研究了8个样点7种针茅根系生物量、根冠比、解剖结构和生理调节物质的差异及其对环境因子的适应。在由东北至西南的区域上,随降水量下降针茅植物根系的抗旱特征增强或适应策略趋于复杂,不同针茅植物根系对水分变化（或旱季和雨季）有着不同的适应策略。综合分析表明贝加尔针茅（S. baicalensis）、大针茅（S.grandis）及克氏针茅（S.krylovii）（多伦样点）的生长受干旱制约,对降水高度敏感,雨季降水促进其生物量快速积累。沙生针茅（S.glareosa）、短花针茅（S.breviflora）、戈壁针茅（S.gobica）、本氏针茅（S.bungeana）等通过增大根冠比和渗透调节物质累积等途径提高根系吸水和保水能力,抵御干旱胁迫。偏相关分析显示实验区域针茅植物根系性状与降水量和海拔高度存在显著的相关性。     

内蒙古地带性针茅植物对CO2和气候变化的适应性研究进展

收集了1992—2013年关于模拟CO2浓度升高及气候变化(温度升高、降水变化)对内蒙古地带性草原群落的5个建群种针茅植物(贝加尔针茅、本氏针茅、大针茅、克氏针茅、短花针茅)影响的实验研究结果表明,模拟CO2浓度升高、增温和增雨将提高针茅植物的光合作用和株高生长,但CO2处理时间延长会导致光合适应;温度和降雨变化将改变针茅植物的物候进程,但物种之间反应有差异;CO2浓度升高有助于针茅植物生物量增加,增温和干旱则相反,CO2浓度升高对干旱的影响具有补偿作用;干旱和涝渍胁迫将提高针茅植物植株C/N,CO2浓度升高将加剧水分胁迫下针茅植物植株C/N的增加效应,导致牧草品质下降。由于当前在适应性指标、针茅植物对气候变化协同作用的适应机理及其敏感性研究等方面存在的不足,导致目前无法全面比较各针茅植物对CO2和温度、降水变化的响应差异及其敏感性,因而无法预测未来在全球变化背景下,这几种针茅植物的动态变化及其在地理分布上的迁移替代规律。为科学应对气候变化,未来应加强内蒙古地带性针茅植物的适应性指标、针茅植物对多因子协同作用的适应机理及敏感性研究。     

内蒙古克氏针茅草原植物物候及其与气候因子关系

 植物物候作为气候变化敏感的生物圈指示计, 已经成为全球变化研究的热点。利用1985~2002年地面物候观测数据, 构建了内蒙古克氏针茅(Stipa krylovii)草原植物物候的时间序列谱, 并分析了植物物候的时间变异与气候因子之间的相关关系。结果表明: 1) 从1985~2002年内蒙古克氏针茅草原的气候朝着暖干趋势发展, 主要表现在春、夏气温的显著性增加与秋季(9月)降水的显著性减少; 2) 主要植物物候的变化整体呈返青期推后其它物候期提前趋势; 3) 植物生长盛期(7、8月)对气候变化最敏感; 4) 光照和温度是影响内蒙古克氏针茅草原植物物候格局的主要因素, 年内最寒冷的1月月均温和2、3月的光照对春季返青期具有负效应, 而其它物候期与7、8月的光照则呈显著的负相关关系, 6、7月的降水对发育盛期的花序形成、抽穗与开花具有显著的负效应, 8、9月的降水量能显著推后枯黄期的结束, 从而有利于生长季的延长。     

亚洲小车蝗对内蒙古典型草原3种禾本科植物取食特性研究

通过了解亚洲小车蝗Oedaleus asiaticus的取食特性,为有害生物的防治和草原生态环境的保护提供理论依据。在分析亚洲小车蝗发生与羊草Leymus chinensis、克氏针茅Stipa krylovii及糙隐子草Cleistogenes squarrosa等3种禾本科植物特征参数关系的基础上,通过罩笼试验调查了罩笼内亚洲小车蝗3~5龄蝗蝻的存活率,比较了亚洲小车蝗的取食数量、取食高度及取食率等特性。结果表明,克氏针茅和糙隐子草生态优势度与亚洲小车蝗发生数量显著正相关,亚洲小车蝗喜食克氏针茅和糙隐子草(0.25≤RFN<0.5),少食羊草(0.025≤RFN<0.25)。4龄和5龄蝗蝻对克氏针茅和糙隐子草取食量显著大于羊草。亚洲小车蝗取食高度位于植物中下部(9~10cm),与3种植被高度无关;取食后上部掉落造成损失,特别是对克氏针茅的为害更大;亚洲小车蝗取食克氏针茅和糙隐子草时的存活率显著高于取食羊草时的存活率。结论:以克氏针茅和糙隐子草为优势植物的典型草原更适合亚洲小车蝗的发生与为害,应加强该类草原亚洲小车蝗的监测预警和防控。     

感染内生真菌的羊草对克氏针茅种子萌发的影响

以我国内蒙古草原常见优势种羊草（Leymus chinensis（Trin.) Tzvel.）及克氏针茅（Stipa krylovii Roshev.）为实验材料,在离体器官和整株植物水平上探讨内生真菌感染是否会影响宿主植物羊草对克氏针茅种子萌发的作用。实验结果表明：内生真菌感染能够影响羊草对克氏针茅种子萌发的作用,其影响程度与羊草的作用部位、处理方法以及处理浓度相关。与未染菌羊草相比,染菌羊草绿叶在低浓度处理下显著促进了克氏针茅的萌发,高浓度下显著抑制了克氏针茅的幼根生长;染菌羊草枯叶显著抑制了克氏针茅幼根的生长,而染菌羊草地下部显著促进了克氏针茅的萌发;感染和不感染内生真菌的整株羊草对克氏针茅的发芽率和发芽速度无显著影响。在处理浓度相同的情况下,草粉对克氏针茅种子萌发的抑制作用比浸提液处理更为显著,绿叶比枯叶抑制作用更为显著。     

内蒙古地区短花针茅（Stipa breviflora）种群遗传多样性

短花针茅(Stipa breviflora)属亚洲中部荒漠草原种,分布范围极其广泛,为荒漠草原地带重要的牧草资源.在内蒙古地区,短花针茅群落类型复杂多样,与本氏针茅(S.bungeana)、小针茅(S.klemenzii)和克氏针茅(S.krylovii)均能共同建群,具有很广的生态幅和很强的适应能力.研究以8个不同的短花针茅地理种群为对象,随机采集健康、无锈短花针茅叶片样本,通过RAPD(Random Amplified Polymorphism DNA,RAPD)分析,研究短花针茅种群的遗传多样性,丰富人们对短花针茅生物多样性的认识,也为合理利用短花针茅草原提供依据.结果表明,(1)从102条10碱基随机引物中筛选出28条有效引物,共扩增出308条DNA带,多态性DNA带151条,占49.03%,特异性DNA带45条,占14.61%.(2)遗传多样性较为丰富,多态性位点百分率为49.03%,但低于同种方法获得的大针茅(54.75%)和克氏针茅(74.67%)的遗传多样性.(3)等级聚类、PCA分析和UPGMA聚类3种不同方法都将8个不同地理种群分为同样的两类:暖温性种群和中温性种群,热量差异是主导因素,而且,与种群的空间分布相吻合.(4)经Mantel检验发现,遗传距离与地理距离存在显著相关性(r=0.534,P＜0.05).(5)Pearson相关分析表明,特异性位点百分率与≥10℃积温、干燥度和年平均降水量之间均无显著相关性.     

内蒙古中东部草原贝加尔针茅、大针茅和克氏针茅的染色体核型分析

以内蒙古草原3种针茅属植物为材料,常规压片法制片后观察记录染色体数,并进行核型分析。实验结果表明: 贝加尔针茅、大针茅和克氏针茅细胞染色体数均为2n=44,属于2A核型,为二倍体。在3种针茅的染色体中,中部着丝粒染色体占大多数平均为62.1%,其次近中部着丝粒染色体平均为28.9%,近端部着丝粒染色体较少约为9.0%。在3种针茅的第五号染色体上均有随体,表明起源于同一祖先。虽然染色体核型均属于较对称型,但是染色体不对称系数随着3种针茅分布生境的干旱程度的增加而逐渐增加,可能是长期适应与进化的结果。     

放牧对短花针茅荒漠草原建群种与优势种空间分布关系的影响

采用多种分析方法探讨放牧对短花针茅荒漠草原建群种与优势种无芒隐子草、碱韭的种群空间分布关系的影响.结果表明: 短花针茅+无芒隐子草+碱韭群落的景观特征主要由草原的土壤理化性质和种群的固有属性决定.自由放牧导致的空间分布的变异程度为碱韭>无芒隐子草>短花针茅.自由放牧对短花针茅和碱韭密度的影响显著,但对无芒隐子草影响不大.随着无芒隐子草密度的增加,自由放牧区短花针茅密度呈现增大趋势,而围封区短花针茅种群密度呈现先增大后减小的趋势;自由放牧区和围封区内短花针茅密度均随碱韭密度的增加而减小.表明植物种群种间关系存在密度效应,在受到外界干扰的情况下,密度效应可能消失;因植物种对或干扰条件不同,植物种间关系可以有多种表现形式.     

内蒙古典型草原克氏针茅与冰草的生存策略

在内蒙古自治区多伦县中科院植物所生态恢复试验站,选择优势种克氏针茅(Stipa krylovii) 和冰草（Agropyron cristatum）,使用Li-6400便携式光合测定系统观测光合生理生态特征的生长季变化(DOY155-265)。结果表明：水分是本区域植物生长的最重要的限制因子。冰草与针茅受5cm和20cm表层土壤含水率的影响较大。水分是本区域植物生长的最重要的限制因子。冰草与针茅受5cm和20cm表层土壤含水率的影响较大。植物的光合速率和蒸腾速率受自身的气孔导度限制,光合速率和蒸腾速率随气孔导度的增大而增大,冰草这一特征较为明显,即冰草对环境响应更为敏感。作为优势种冰草和针茅的生态适应策略并不相同,针对当地现有环境条件,针茅更具生存优势。随着全球环境变化,干旱胁迫对草原生态系统产生了重大影响,使得这些地区成为响应环境变化的敏感区域,通过对半干旱温带草原优势种克氏针茅和冰草对光、水等环境资源的利用及之间的关系研究,有助于我们对全球环境变化提出本区域合适的应对策略。     

放牧对荒漠草原克氏针茅种群和土壤生态化学计量特征的影响

该研究选取内蒙古荒漠草原,设计无牧区(NG)、中度放牧(MG)、重度放牧(HG)3个处理,测定分析不同放牧强度处理5年后,优势植物克氏针茅以及土壤的C、N、P营养元素的化学计量特征及其协同关系,以揭示放牧生态系统养分循环的影响机制,为区域草地的利用以及修复提供理论依据。结果表明:(1)轻度放牧下荒漠草原的物种多样性均显著高于中度和重度放牧条件(P<0.05)。(2)土壤中C、N含量以及C∶N、N∶P、C∶P,均随着放牧强度的增加呈先升高后降低的变化趋势,土壤P含量随放牧强度的增加而升高。(3)随放牧强度增加,克氏针茅地上部分C含量降低,N、P含量以及N∶P先升高后降低,C∶P则先减少后升高;克氏针茅地下部分的C、N含量以及N∶P一直呈增加的趋势,P含量先减少后升高,而C∶N、C∶P则是与P含量规律相反。(4)与地上部分各元素含量相比,克氏针茅地下部分各元素含量及其比值与土壤中各元素含量的相关性更高,说明放牧条件下荒漠草原优势植物的根系与其所处的土壤环境具有一定的协同变化能力。     

放牧对鄂尔多斯高原油蒿草场生物量及植被-土壤碳密度的影响

以围封保护和自由放牧油蒿草场为研究对象,通过野外调查与室内分析,研究了围封和放牧条件下沙地草场生物量和植被-土壤碳密度。结果表明:(1)自由放牧使油蒿群落中植物种类增加,但降低了植物群落盖度。自由放牧不仅导致油蒿草场地上、地下总生物量降低,也使得油蒿地上、地下生物量占群落地上、地下总生物量的比例减小。生长季自由放牧样地凋落物生物量显著大于围封保护样地(P0.05);(2)围封保护样地植被碳密度大于自由放牧样地,土壤碳密度却小于自由放牧样地,但两个样地间差异不显著(P0.05);(3)油蒿草场90%以上的碳储存于土壤中,围封保护样地和自由放牧样地油蒿草场土壤碳密度占植被-土壤系统碳密度的91%、93%;(4)围封保护油蒿草场碳密度为2.29 kg/m2,自由放牧油蒿草场碳密度为2.68 kg/m2,两个样地间差异不显著,自由放牧对油蒿草场碳密度影响不大。     

不同载畜率下短花针茅分蘖数量对内源激素浓度的响应

放牧是荒漠草原最主要的利用方式之一,载畜率的变化严重影响着植物的生长发育;而内源植物激素是调节植物生长发育的开关,且植物在不同的生长发育阶段具有不同的生理要求和环境适应能力。通过测定放牧条件下短花针茅(Stipa breviflora)分蘖叶内源激素的变化,研究短花针茅分蘖生长对放牧的响应,并分析了分蘖数量受内源激素影响的机制。结果表明,(1)内源激素与载畜率之间存在显著二次相关关系,说明放牧能够显著增加内源激素的浓度(P0.05),但这种相关只存在于中、小株丛的短花针茅中。(2)其次,放牧能够在一定程度上影响短花针茅植株个体分蘖的数量(P0.05),重度放牧是增加短花针茅植株个体分蘖数量最显著的载畜率。(3)过高浓度的生长素(IAA)会抑制短花针茅的分蘖数量(P0.01)。而细胞分裂素(CTK)与短花针茅的分蘖数量之间尚未发现相关关系。     

本氏针茅根际土提取物对本氏针茅及其优势种种子萌发的影响

以本氏针茅及其优势种大针茅和百里香种子为受体,采用生物检测的方法研究了0(对照)、0.1、0.2和0.5g/mL本氏针茅根际土甲醇浸提液和水浸提液对3种受体种子萌发的影响,以探究草地演替过程中物种间的生态关系和化感作用的表现形式。结果显示:(1)甲醇浸提液对3种受体种子的发芽均有抑制作用;水浸提液对本氏针茅发芽有促进作用,对百里香有部分促进作用,而对大针茅有抑制作用。(2)甲醇浸提液对本氏针茅和大针茅胚根和胚芽生长无显著影响,而抑制百里香胚根和胚芽的生长;水浸提液对本氏针茅胚根生长无显著影响,对本氏针茅胚芽生长具有显著促进作用,而对其它两种受体胚根和胚芽均无显著影响。(3)各种浓度甲醇浸提液对大针茅和百里香生长表现出了化感综合抑制效应,对本氏针茅生长于0.2g/mL时表现出化感综合抑制效应,其它2种浓度(0.1、0.5g/mL)表现为化感综合促进效应;水浸提液对本氏针茅和百里香表现为化感综合促进效应,而对大针茅表现为化感综合抑制效应。研究表明,本氏针茅根际土甲醇浸提液和水浸提液的化感物质存在差异;不同受体对同一浸提液反应不同,同一受体对不同浸提液的反应也不同。     

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。     

沙蒿(Artemisia ordosica)水浸提液对4种伴生草本植物的化感作用

以生长在我国荒漠和半荒漠地区的特有植物沙蒿为供体植物,沙米、虫实、草木樨状黄芪、狗尾草为受体植物,研究了沙蒿根、茎、叶、种子水浸提液对受体植物种子发芽、幼苗生长以及根对NH~+_4和K~+吸收的化感效应的差异,为沙区植被恢复中伴生杂草种类的选择提供理论依据。结果表明:沙蒿水浸提液对4种受体植物种子发芽和幼苗生长均具有显著的化感效应,沙米、虫实、草木樨状黄芪表现为抑制作用,狗尾草表现为促进作用。不同部位沙蒿浸提液的化感作用不同,根浸提液对沙米、虫实、狗尾草的化感效应最强,茎浸提液对草木樨状黄芪的抑制最强。不同植物种及植物的不同发育时期对化感作用的敏感性也不同,在4种受体植物中,沙米受抑制最强,其次为虫实、草木樨状黄芪,且随浸提液浓度增加而显著增强,而狗尾草具有一定的耐受力,表现为促进作用。沙蒿浸提液对受体植物根长的影响最强,其次是种子发芽、苗高和幼苗干质量。浸提液显著降低沙米、虫实、草木樨状黄芪根对NH~+_4和K~+的吸收,增加狗尾草根对NH~+_4和K~+的吸收。研究结果表明雨水淋溶是沙蒿向环境中释放化感物质的途径之一,化感作用在增强沙蒿生存竞争力,扩大种群过程中起着不容忽视的作用,可能是沙蒿单优势种群落形成的原因之一。     

青海高原紫花针茅草原群落数量分类与排序

紫花针茅草原是青藏高原高寒草原中分布面积最大、最重要的群落类型。该文选择青海高原典型紫花针茅草原为研究对象,在大量群落学调查的基础上,采用双向指示种分析(TWINSPAN)和典范对应分析(CCA)等多元数量分析方法研究了青海高原紫花针茅草原群落的数量分类。结果显示:(1)所调查的紫花针茅草原是物种组成相对较简单、菊科和禾本科植物最多、北温带分布的属为主体的草原群落。(2)青海高原紫花针茅草原的90条样带可划分为8个群丛类型:紫花针茅+川青早熟禾群丛、紫花针茅+矮嵩草群丛、紫花针茅+多枝黄芪群丛、紫花针茅+高山嵩草群丛、紫花针茅+二裂委陵菜群丛、紫花针茅+沙生凤毛菊群丛、紫花针茅+弱小火绒草群丛、紫花针茅+梭罗草群丛。(3)影响青海高原紫花针茅草原群丛分布的主要环境因子是空间因子(海拔、经度、纬度)和热量因子(温度),其次是湿润度、降雨量等水分因子。(4)对于紫花针茅草原群落内部的群丛划分,CCA可以补充矫正TWINSPAN等级分划,使分类结果更符合实际生态意义,更清晰地反映群丛类型与环境梯度之间的关系。     

Plant species effect on the spatial patterns of soil properties in the Mu-us desert ecosystem,Inner Mongolia,China

Although Artemisia ordosica Krasch. and Sabina vulgaris Ant. are the dominant shrub species in the Mu-us desert ecosystem, they differ in their botanical traits. We investigated the spatial patterns of soil properties using geostatistical analysis to examine the effect of plant species on these spatial patterns. Comparison among three microsite types (under A. ordosica, under S. vulgaris, and the opening between vegetation) showed that A. ordosica generally had less effect than S. vulgaris on local soil properties. The long life-span, prostrate life-form, and evergreen leaf-habit of S. vulgaris may lead to a higher accumulation of organic and fine materials under S. vulgaris. The range of spatial autocorrelation found in the mass of organic matter on the soil surface was smaller than that of the coverage of S. vulgaris (11.5 m) which corresponded to the canopy patch size of this species, and was longer than the canopy patch size of A. ordosica. The ranges of total C and N, and pH (11.7–15.6 m) were similar to that of S. vulgaris. The range of available P (106.3 m) was comparable to that of the coverage of A. ordosica (86.2 m) considered to be the scale of the distribution of this species. The ranges of silt+clay and exchangeable K, Ca, and Mg (31.0–46.7 m) were not related to plant presence, and were similar to that of topography (43.1 m).     

Productivity and species richness in an arid ecosystem: a long-term perspective

To examine the different effects of rain pulse size on uptake of summer rains by three dominant desert plants in field conditions of desertified grasslands on the Ordos Plateau of northwestern China, we studied relationships between precipitation event size and rainwater uptake using stable isotopes of hydrogen in plant and soil water. Four natural precipitation events that represented precipitation sizes of 5.3, 8.3, 13.3, and 65.3 mm in the summer were chosen for the experiment. The perennial grass Stipa bungeana, the shrub Artemisia ordosia, and the herb Cynanchum komarovii – the dominant species in the communities – were compared for their use of summer rains with different pulse sizes based on the changes in the hydrogen isotope ratios (δD) of their stem water 7 days following each natural rain event. We found that S. bungeana and C. komarovii took advantage of shallow water sources derived from small (< 10 mm) rain events, A. ordosia took advantage of deeper soil water recharged by large (> 65 mm) rain events, and C. komarovii relied primarily on rain events of intermediate (10–20 mm) size. These different responses to rain pulses among species suggested that more frequent small rain events will promote the dominance of S. bungeana and C. komarovii, medium-sized events will facilitate development of C. komarovii, and large events will advance A. ordosia in this community. The rainwater utilization patterns of the three species would allow the coexistence of S. bungeana and A. ordosia or the coexistence of A. ordosia and C. komorovii in various successional serals following the disturbances. With an increase in variability of summer rain pulse size as predicted by climate change models, we expect that the structure of this community will undergo significant change in the future. Altered precipitation regimes, especially in combination with anthropogenic-related disturbances such as over-grazing, are likely to accelerate rates of degradation in northwestern China.     

Interactive effects of elevated CO2 and precipitation change on leaf nitrogen of dominant Stipa L. species

Nitrogen (N) serves as an important mineral element affecting plant productivity and nutritional quality. However, few studies have addressed the interactive effects of elevated CO₂ and precipitation change on leaf N of dominant grassland genera such as Stipa L. This has restricted our understanding of the responses of grassland to climate change. We simulated the interactive effects of elevated CO₂ concentration and varied precipitation on leaf N concentration (N_mass) of four Stipa species (Stipa baicalensis, Stipa bungeana, Stipa grandis, and Stipa breviflora; the most dominant species in arid and semiarid grassland) using open-top chambers (OTCs). The relationship between the N_mass of these four Stipa species and precipitation well fits a logarithmic function. The sensitivity of these four species to precipitation change was ranked as follows: S. bungeana > S. breviflora > S. baicalensis > S. grandis. The N_mass of S. bungeana was the most sensitive to precipitation change, while S. grandis was the least sensitive among these Stipa species. Elevated CO₂ exacerbated the effect of precipitation on N_mass. N_mass decreased under elevated CO₂ due to growth dilution and a direct negative effect on N assimilation. Elevated CO₂ reduced N_mass only in a certain precipitation range for S. baicalensis (163–343 mm), S. bungeana (164–355 mm), S. grandis (148–286 mm), and S. breviflora (130–316 mm); severe drought or excessive rainfall would be expected to result in a reduced impact of elevated CO₂. Elevated CO₂ affected the N_mass of S. grandis only in a narrow precipitation range. The effect of elevated CO₂ reached a maximum when the amount of precipitation was 253, 260, 217, and 222 mm for S. baicalensis, S. bungeana, S. grandis, and S. breviflora, respectively. The N_mass of S. grandis was the least sensitive to elevated CO₂. The N_mass of S. breviflora was more sensitive to elevated CO₂ under a drought condition compared with the other Stipa species.