全球变化联网控制实验的创新性设计:以我国草地生态系统水热要素联网控制实验为例

全球变化已对陆地生态系统结构和功能产生深远影响,明确生态系统对全球变化的响应和适应机制是实现人类对生态系统服务可持续利用的前提.联网实验是理解区域乃至全球尺度生态系统结构功能对全球变化要素响应和适应的重要手段.科学的顶层设计有利于实现联网数据间融合、比对以及分析,进而支撑普适性生态学理论的发展.本文从全球变化联网控制实...     

藏北高寒草甸群落结构与物种组成对增温与施氮的响应

气候变暖和氮沉降增加作为全球环境问题,将严重影响陆地生态系统的结构与功能.研究发现,近几十年来青藏高原增温显著,其中冬季升温最明显.而已有的研究更多关注全年增温,对冬季增温研究较少.本文基于高寒草甸地区增温和氮素添加影响研究的不足,在青藏高原高寒草甸区开展模拟增温和氮添加试验,研究长期增温与氮添加对高寒草甸群落结构与物种组成的影响.试验布设于2010年7月,地点在西藏当雄高寒草甸区,共有3种增温方式:对照、全年增温、冬季增温;每种增温处理下设置5个氮素添加梯度:0、10、20、40、80 kg N·hm^-2·a^-1,系统研究气候变暖与氮添加对高寒草甸生态系统群落结构与物种组成的影响.结果表明: 2012—2014年,增温与施氮处理均显著影响群落总盖度:全年增温处理降低了群落总盖度;在不施氮处理下,冬季增温降低了群落盖度,但在施氮处理下,随着氮剂量的提高群落盖度逐渐升高.增温与施氮对不同功能群植物的影响不同,增温处理降低了禾草与莎草植物盖度,而施氮提高了禾草植物盖度.相关分析表明,植被群落总盖度与生长旺盛期土壤含水量呈正相关关系,推测在降雨较少的季节增温导致的土壤含水量降低是群落盖度降低的主要原因.半干旱区高寒草甸土壤水分主要受降雨的调控,未来气候变化情景下,降雨时空格局的改变会显著影响植被群落盖度及组成,且大气氮沉降的增加对植被群落的影响也依赖于降雨条件的变化.     

降水量变化对藏北高寒草地养分限制的影响

生态系统净初级生产养分限制的模式是现代生态学关注的重要问题。养分的可利用性是草原生态系统生产力动态变化的关键决定因素, 但土壤养分可利用性与整个生态系统中养分限制之间的关系尚不清楚。该研究通过在藏北降水梯度上4种类型高寒草地(从东到西依次是高寒草甸、高寒草甸草原、高寒草原和高寒荒漠草原)设置氮磷养分添加试验, 系统研究氮磷养分添加对不同类型高寒草地的影响, 并探讨降水梯度上高寒草地的氮磷限制模式。结果表明: (1)氮磷添加对不同高寒草地的影响存在差异: 氮添加显著提高了高寒草甸和高寒草甸草原地上生产力, 而对高寒草原和高寒荒漠草原无影响; 单独磷添加对4种高寒草地均无显著影响, 而氮磷添加对4种高寒草地地上生产力均有促进作用。(2)通过计算氮磷共同限制指数发现: 随着降水量减少, 高寒草地氮限制指数从1.18逐渐降低到0.52-0.64, 养分限制模式从氮限制过渡到氮磷共同限制; 磷限制指数在高寒草甸草原和高寒草原为负值, 说明单独磷添加对高寒草甸的生产力有负向作用, 高寒草甸主要受氮限制; 高寒草甸草原介于氮限制与氮磷限制之间, 受到氮磷共同限制, 单独磷添加有负向作用; 高寒荒漠草原受到氮磷共同限制。研究表明, 高寒草地氮磷限制模式存在环境梯度上的递变规律, 随着降水量减少, 高寒草地养分限制模式从氮限制逐渐过渡到氮磷共同限制。由此推断, 未来气候变化条件下氮沉降增加对不同类型高寒草地的影响可能存在差异。同时, 利用养分添加恢复不同类型退化高寒草地时也应将氮磷限制模式的差异考虑进去。     

氮磷配施对藏北退化高寒草甸群落结构和生产力的影响

Fertilization is an effective management measure for recovery of degraded grasslands. To better understand the effects of fertilization on community structure and productivity of lightly and severely degraded alpine meadows, we conducted a fertilization experiment in northern Tibet since 2008. The treatments were addition of nitrogen (N) alone (50 kg N·hm^-2·a^-1, LN; 100 kg N·hm^-2·a^-1, HN) or addition of both phosphorus (P) and N (50 kg N·hm^-2·a^-1+50 kg P·hm^-2·a^-1, LN+P; 100 kg N·hm^-2·a^-1+50 kg P·hm^-2·a ^-1, HN+P) in each of the two types of degraded alpine meadows. N addition alone significantly affected plant community co-verage or productivity in neither the slightly nor the severely degraded alpine meadow, while addition of both N and P significantly increased plant community coverage, aboveground and belowground biomass of the alpine meadows. This suggested that productivity of this alpine meadow is co-limited by N and P. HN and HN+P significantly decreased species richness and evenness in the lightly degraded grassland, indicating that HN was not beneficial for the lightly degraded grassland to maintain species diversity and community stability. N addition significantly reduced the root to shoot ratio in the severely degraded meadow. In the lightly degraded meadow, N addition alone, especially with a high amount (HN), enhanced the importance values (IV) and biomass of grasses, while fertilization with both N and P increased those of sedges. In the severely degraded meadow, fertilization had little effect on IV of grasses or sedges, but improved biomass of forbs. The results suggested that LN+P could be employed in recovery of lightly degraded alpine meadows, but other management measures such as fencing and reseeding may be needed for recovery of severely degraded alpine meadows.     

2000—2015年青藏高原草地归一化植被指数对降水变化的响应

降水变化是造成青藏高原草地植被生长年际变异的重要因素,降水量、分配方式及发生时间是降水变化的重要特征.利用2000—2015年青藏高原及附近区域145个气象站点的降水资料,以年降水量表征降水整体状况,以改进的降水集度(PCI)表征年内降水的分配状况,以定义的降水重心(PC)表征降水的集中时期,分析青藏高原降水变化的时空特征;并进一步以归一化植被指数最大值(NDVI_max)表征植被生长状况,探讨了青藏高原草地对降水年际变化的响应.结果表明: 青藏高原年降水量和PCI存在明显的梯度特征,PC在西藏南部形成中心.青藏高原灌丛草地NDVI_max年际变化对PCI变化响应敏感,降水越均匀越有利于NDVI_max的增加,但受到降水量的限制;高寒草甸对降水特征没有表现出显著的相关关系;草原植被NDVI_max的年际变化同时受PCI和PC的控制;高寒荒漠植被NDVI_max的年际变化主要受降水量的控制.在研究降水变化对青藏高原不同类型植被的影响时,除降水量之外,还需进一步考虑降水的分配格局等特征.     

陕南寒武系底部宽川铺组微体化石人工智能识别

我国陕南寒武纪初期的宽川铺组(距今大约535百万年)以盛产磷酸盐化的微体小壳化石和球状动物胚胎化石而闻名于世,是探索早期动物门类起源和寒武纪生命大爆发研究中的一个非常重要的窗口。在宽川铺组中寻找微体化石新类型主要依赖显微镜下人工挑选的传统方法日趋低效,迫切需要新的技术手段来解决这些问题。而微体化石数量庞大,大小接近,形态简单,非常适合于采用机器学习的手段进行人工智能分类。我们在宽川铺组微体化石中尝试使用机器学习的手段来进行化石图像识别和机器分拣。采用方向梯度直方图来提取化石图像的主要向量特征,并设计了二叉树型多分类识别器进行化石数字分类。目前处理了5 000多张微体化石照片的人工智能识别,已经取得了较高的准确率。     

降水变化对藏北高寒草原化草甸降水利用效率及地上生产力的影响

降水总量、分配方式及其发生时间共同决定了青藏高原植被生长的水分条件,而降水利用效率(PUE,地上生产力与降水量的比值)是评估降水与植被生产力关系的有效指标.本研究以藏北当雄高寒草原化草甸为研究对象,利用多年生物量采样数据与同期遥感EVI植被指数建立线性模型,反演了2000-2016年地上净初级生产力(ANPP),结合同时期气象数据,以生长季降水量(GSP)表征降水总体状况,改进的降水集度指标(PCI)表征生长季降水分配,降水重心(PC)表征降水集中时间,并结合生长季均温(GST),利用结构方程分析了气候因子对当雄草地降水利用效率和地上生产力的影响.结果表明: 当雄草地ANPP主要受生长季降水影响,GSP与ANPP呈显著正相关,而GST与PUE、ANPP无显著相关关系;PCI与PUE呈显著正相关,表明降水集中分布有利于PUE增加;PCI与ANPP相关的间接系数大于直接系数,表明PCI通过PUE影响ANPP;降水集中时间(PC)变化则对PUE和ANPP没有显著影响.在青藏高原显著的气候变暖背景下,降水量和降水集度的变化都将会对藏北高寒草地的地上生产力产生重要影响.     

副溶血性弧菌分泌系统在致病力中作用的研究进展

致病菌借助分泌系统将特异蛋白直接注入宿主细胞内,破坏宿主细胞内的多种信号通路,是导致细菌定殖和感染的有效途径。作为一种重要的食源性致病菌,副溶血性弧菌(Vibrio parahaemolyticus)的Ⅲ型分泌系统(Type Ⅲ secretion system,T3SS)和Ⅵ型分泌系统(Type Ⅵ secretion system,T6SS)是其对宿主细胞产生致病性的重要因素。本文综述了副溶血性弧菌T3SS和T6SS效应物在致病力中的具体作用,以及相关调控机理,为进一步了解由副溶血性弧菌导致的病症,研究其致病机理以及寻找致病性靶标提供参考。     

封育年限对高寒草甸群落组分和物种多样性的影响

高寒草甸在青藏高原畜牧业发展中占有重要地位,然而气候和人为活动的干扰对原本脆弱的生态系统产生了深刻影响。虽然封育是被广泛采用的草地恢复有效措施之一,但封育年限对群落组分和多样性的影响一直是受关注的核心问题,探明这一问题对高寒草甸的可持续发展具有重要意义。研究了封育2、7、17a的高寒矮嵩草(Kobresia humilis)草甸的群落组分和物种多样性变化特征,并探讨了不同封育年限影响物种多样性的可能原因。结果表明:1)随封育年限延长,群落上层禾本科植物的总体重要值明显增加,其中异针茅(Stipa aliena)最为显著,其重要值封育2a(13.87%)封育7a(21.76%)封育17a(23.95%),而豆科植物总体重要值显著降低,莎草科和杂类草植物变化不明显;2)α多样性:随封育年限延长,高寒草甸群落物种丰富度指数(Patrick和Margalef指数)没有发生显著变化,然而物种多样性指数(Simpson、Shannon-Wiener和种间相遇机率指数)及均匀度指数(Alatalo和Pielou指数)均表现为封育2a封育7a封育17a,且封育2a与封育7、17a呈显著性差异(P0.05);3)β多样性:Cody指数和Morisita-Horn相似指数的变化表明,封育2a与封育7、17a之间的物种差异较大,而封育7a和17a之间的物种差异较小;4)封育后凋落物的覆盖时间及其分解引起的土壤养分变化是导致物种多样性降低的重要原因之一,土壤碳氮比(C/N)与物种均匀度指数(Alatalo指数)和多样性指数(Simpson指数和种间相遇机率指数)均呈显著性负相关关系(P0.05),说明土壤养分元素之间的耦合效应对物种多样性变化具有重要影响。本研究说明,虽然物种丰富度指数随封育年限的延长没有变化,但物种均匀度和多样性指数均降低,且封育前期对物种多样性的影响大于后期,就物种多样性而言,该高寒草甸不宜进行长期封育。该研究以期为高寒草甸生物多样性的保护和可持续利用及管理提供科学依据。     

君主绢蝶的生物学及生境需求

在甘肃省永靖县境内通过野外设点观察、样线调查及室内饲养等方法研究了君主绢蝶的生物学特性及其生境需求,分析了其种群趋势及波动的原因,提出了保护措施。(1)君主绢蝶是中国特有种,在甘肃永靖县1年1代,以卵越冬,卵多产于寄主植物灰绿黄堇Corydalis adunca(也是中国特有种)附近的岩石壁上,翌年3月中旬卵孵化。幼虫4龄,平均历期为52d,3下旬至6月下旬都可见到幼虫。蛹期平均为47d。5月初始见其成虫,成虫飞翔迅速,7月中旬至8月中旬为成虫高峰期,至9月下旬仍可见成虫活动。卵期一般为8个月。(2)君主绢蝶在永靖县牙沟生境内是一个优势种群,成虫喜欢飞翔于有裸露岩石的沟谷,其幼虫则生存于阳光充足、气候干燥、有大量寄主植物的阳坡及半阳坡。君主绢蝶与其寄主植物灰绿黄堇的分布范围在中国相一致,二者之间有紧密的协同进化关系。(3)在永靖县和甘南合作市分布的君主绢蝶是两个亚种,在永靖县牙沟地区发生的是君主绢蝶兰州亚种Parnassiusimperator gigas Kotsch,在合作市发生的是君主绢蝶祁连亚种P.imperator regulus(Bryk et Eisner)。(4)极端的异常气候(强降温、霜冻、降雪)是影响君主绢蝶种群数量下降的主要因子,人类活动的干扰是另一个影响君主绢蝶生存的主要威胁。(5)保护措施建议:保护生境和减少人为干扰是两个最主要的促进绢蝶种群恢复的方法;强调对绢蝶种群进行长期监测,并开展生境丧失、气候变化等对绢蝶的影响研究。