基于稳定同位素的SPAC水碳拆分及耦合研究进展

土壤-植被-大气连续体(SPAC)是陆地水文学、生态学和全球变化领域的重要研究对象,其水碳循环过程及耦合机制是前沿性问题.稳定同位素技术示踪、整合和指示的特征有助于评估分析生态系统固碳和耗水情况.本文在简述稳定同位素应用原理和技术的基础上,重点阐释了基于稳定同位素光学技术的SPAC系统水碳交换研究进展,包括:在净碳通量中拆分光合与呼吸量,在蒸散通量中拆分蒸腾与蒸发量,以及在系统尺度上的水碳耦合研究.新兴的技术和方法实现了生态系统尺度上长期高频的同位素观测,但在测量精准度、生态系统呼吸拆分、非稳态模型适应性、尺度转换和水碳耦合机制等方面存在挑战.本文探讨了现有主要研究成果、局限性以及未来研究展望,以期对稳定同位素生态学领域的新研究和技术发展有所帮助.     

季节性干旱地区典型树种长期水分利用特征与模式

在季节性干旱地区,水分是影响植物生长发育的关键核心因子。基于长期连续观测数据探究植物水分利用模式,对于季节性干旱地区植被建设具有重要意义。本研究以北京山区侧柏人工林为对象,利用稳定氢氧同位素技术测定了2012—2017年间土壤、植物枝条和降水同位素组成,通过MixSIAR模型定量分析侧柏对不同土层土壤水分的贡献率。结果表明: 深层(40～100 cm)土壤水较浅层(0～40 cm)土壤水稳定,受蒸发和降水的影响,浅层土壤含水量和水同位素值变化幅度较深层明显;侧柏主要吸收利用稳定的深层土壤水,贡献率为55.7%。在旱季,随着土壤水分含量的降低,植物对土壤水分的吸收深度逐渐向浅层转移;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水的贡献率依次为59.8%、57.9%、54.6%、52.7%。在轻度和中度干旱条件下,雨季侧柏对深层土壤水的依赖程度高于旱季,以维持较大的蒸腾作用;在水量充沛、自然适宜、轻度干旱、中度干旱条件下,深层土壤水贡献率分别为58.9%、57.6%、56.4%、57.1%。侧柏依据土壤水分条件调整吸水深度的自适应特性,对季节性干旱地区生态造林树种的选择和长期管理规划具有重要意义。     

不同森林群落结构与光能利用率的关系

本文在人工落叶松纯林及人工落叶松与水典柳混交林的林冠观测数据的基础上建立了落叶松松和水曲柳的树冠锥体模型。通过对上述两种森林群落结构的太阳辐射的观测,利用电磁波的吸收,反射和透射理论分别对以上两种森林群落的光能利用率进行了计算。结果表明理论计算值与实测结果基本一致;双层次混交林的光能利用率高于单层纯林的光能利用率。     

论生态平衡和林火烈度

 本文探讨林火对森林生态系统的干扰,提出火烈度指标作为衡量标准。建议采用林木蓄积量作为森林生态系统的状态指数。根据林火蔓延过程的物理分析,导出一种模型化的燃烧蔓延方程,并对兴安落叶松(Larix gmelinii)在不同蔓延速度下计算了火烈度。结合火烧迹地调查资料指出在不同火烈度下,林火对森林生态系统的影响及其对策。     

北京山区侧柏水分利用策略

侧柏是北京山区分布范围较广的典型针叶树种,揭示其在不同土壤水分条件下的水分利用策略具有重要意义。通过测定分析生长季内侧柏枝条水、土壤水和地下水的δD和δ~(18)O值,并利用多元混合模型(Iso-source软件)计算侧柏对土壤水或地下水的利用比例,再结合叶片水势(ψ)、气孔导度(Gs)、光合速率(Ps)和蒸腾速率(Tr)等生理生态因子同步观测,了解侧柏在生长季内的水分来源及生理生态适应。结果表明:侧柏的水分利用策略随季节波动,其在不同季节对不同土层水分的利用比例存在差异。在旱季,侧柏对表层0—20cm土壤水的平均利用率介于27.6—31.3%,对深层80—100cm土壤水和地下水的利用率分别介于27.0—33.7%和22.0—28.9%之间;进入雨季,侧柏对表层0—20cm土壤水利用比例增大,介于47.2—60.9%,对深层80—100cm土壤水和地下水的利用比例减小,分别介于10.5—16.2%和15.2—19.8%。旱季的侧柏水分亏缺更为严重,其叶片水势峰值比雨季低44.5%;旱季中的侧柏气孔导度在上午10:00达到峰值,但比雨季峰值低51.67%,其光合速率和蒸腾速率峰值也相应的下降了22.3%和37.0%。侧柏能通过降低气孔导度减少水分损失来获得较高的碳同化速率,维持较高的水分利用效率来适应干旱生境,表现出较强的适应能力。     

北方土石山区典型树种耗水特征及环境影响因子

研究北方土石山区植物耗水特征和环境影响因子对于构建稳定的植被生态系统具有重要意义,能够为当地植被恢复策略提供科学指导。在北京林业大学西山试验林场于2016年7月至10月利用热扩散探针的方法,结合同步观测的土壤含水率和气象因子,对刺槐和油松人工混交林进行蒸腾观测和分析。结果表明:(1)尽管刺槐和油松蒸腾的日变化规律相近,但二者蒸腾的季节变化规律不同;(2)两个树种蒸腾与VPD(饱和水汽压差)成顺时针时滞。刺槐蒸腾与太阳辐射成顺时针时滞,油松则成逆时针时滞;(3)二者与大气环境的耦合程度均较高(Ω0.1),其气孔活动能够有效地控制蒸腾;(4)影响植物蒸腾的主要环境因子为太阳辐射(P0.01)、VPD(P0.01)和风速(P0.01),其中由VPD引起的蒸腾量高于太阳辐射;(5)浅层土壤(0—50cm)的水分条件可能并不是影响植物蒸腾的重要因素。研究表明,在实际管理中可以采取调控气孔导度的手段来减少刺槐和油松人工林的耗水量,来降低水分这一人工林成活的限制因子,从而提高造林成活率。     

张北地区退化杨树防护林的水分利用特征

在张北地区,以杨树为主的防护林出现不同程度的退化现象,水分是干旱区植物生存的主要限制因子,为揭示水分与防护林退化的关系,本文基于稳定氢氧同位素技术,通过对比小叶杨枝条水与潜在水源的同位素值,探究不同退化程度下小叶杨的水分来源及其对各水源的利用比率.结果表明:不同退化程度的杨树林水分来源不同,随退化程度的加深,小叶杨的水分来源从深层逐渐向表层转移.无退化的小叶杨主要利用320~400 cm的土壤水,利用率为25.1%;轻度退化的小叶杨主要利用120~180、180~240和240~320 cm的土壤水,对这3层的利用率总和将近50.0%,而对其他土壤水利用较少;中度退化的小叶杨主要利用20~40、40~60和60~80 cm的土壤水,对这3层土壤水每层利用率在17.5%~20.9%范围,对120 cm及其以下的土壤水利用率均低于10.0%;而重度退化的小叶杨主要利用0~20 cm的表层土壤水分,利用率为30.4%,明显高于其他水源.杨树防护林在衰退过程中的水分来源逐渐变浅,而林地浅层土壤较低的土壤含水量无法满足杨树的正常水分需求,加速了杨树林的退化和死亡.     

北京土石山区典型植物水分来源

在季节性干旱区,水分是限制植物生长的关键因子.为了分析比较北京山区群落植物的水分利用特征,本文利用稳定同位素(D/H、¹⁸O/¹⁶O)技术,探讨典型群落植物侧柏、荆条、构树和胡枝子的水分来源及其对各水源的利用比率.结果表明: 群落内4种植物的水分来源不同,侧柏主要吸收利用40～60、60～80和80～100 cm深度的土壤水,对这3层的利用率在23.3%～25.9%,对表层0～20和20～40 cm的利用率分别为12.3%和13.0%;荆条主要吸收利用60～80和80～100 cm深度的土壤水,利用率分别为51.9%和25.2%,对其他土壤水利用较少;构树主要吸收利用表层0～20 cm和20～40 cm土壤水,利用率分别为47.5%和36.8%;胡枝子对5个水源层水分均有利用,对0～20、20～40和40～60 cm深度土壤水的利用率在21.4%～22.8%,对60～80和80～100 cm深度土壤水的利用率分别为15.2%和18.3%.侧柏和胡枝子的水分利用深度相似,两个树种混交可能会造成较大的水分竞争;荆条和构树的水分利用深度恰好互补,适宜混交.研究结果可为恢复受损生态环境的最佳植物种组合方式提供参考.     

北京山区侧柏人工林内CO2浓度及其δ13C值变化特征和影响因子

本研究采用离轴积分腔输出光谱技术对北京山区侧柏人工林进行了大气CO₂浓度及其δ¹³C值的原位观测,在半小时尺度上对比了林内不同高度处大气CO₂浓度及其δ¹³C值的差异,并探究其对气象因子的响应.结果表明: 林内CO₂浓度自日出后经历先降低后升高的变化趋势,最低值出现在16:00—16:30,浓度为352.5 μmol·mol^-1,最大值出现在5:00左右,达到402.0 μmol·mol^-1,其δ¹³C值变化趋势微弱且较为复杂,呈现出近地层先降低后升高、林冠层先升高后降低的趋势;研究日期内,林内CO₂浓度随高度的升高而降低,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为386.5、369.9、368.2、367.8、367.9和367.9 μmol·mol^-1,δ¹³C值呈现出随高度升高而升高的趋势,林内0、2、5、8、12.5和18 m处的日均值为-16.0‰、-13.7‰、-13.5‰、-13.5‰、-13.1‰和-13.3‰;逐步回归分析表明,温度和湿度是影响林内大气CO₂浓度及δ¹³C值的主要因子,饱和蒸汽压差(VPD)可以影响林内CO₂浓度变化,风速可以影响林冠层CO₂浓度变化,而土壤含水率、电导率和地面净辐射则是影响近地层CO₂浓度及δ¹³C值的环境因子.这些环境因子通过增强或减弱生态系统内光合作用和呼吸作用来影响林内CO₂浓度及其δ¹³C值的变化.     

一株耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌噬菌体的分离鉴定和临床应用

【背景】耐药菌感染是人类生命健康的重要威胁,寻找抗生素替代或辅助疗法迫在眉睫,噬菌体是细菌的天敌,有很大的开发潜力。【目的】分离针对耐碳青霉烯类鲍曼不动杆菌(carbapenem-resistant Acinetobacter baumannii, CRAB)的烈性噬菌体,治疗患者CRAB肺部感染,为噬菌体疗法的推广积累经验。【方法】用CRAB临床菌株NAB11B做宿主菌,从医院污水中分离新噬菌体,进行生物学特征和基因组特点的表征、分析后制备成高纯度的噬菌体制剂,通过雾化吸入的方式治疗肺部CRAB感染,评估噬菌体疗法的有效性和安全性。【结果】分离到一株新噬菌体,命名为AB＿SZL4,其潜伏期短、增殖速度快、抑菌能力强、生物学稳定性高且不携带有害基因。在临床应用中,噬菌体鸡尾酒联合抗生素疗法能快速清除肺部病原菌,且未见明显噬菌体相关不良反应。【结论】AB＿SZL4是一株有极大临床应用潜力的烈性噬菌体。