基于长时间序列landsat数据的科尔沁沙地土地利用演变分析

以科尔沁沙地沙丘-草甸过渡带区域主要土地覆被类型为研究对象，以1987-2017年多时相Landsat TM/OLI遥感影像解译分类为基础，参考生态学植被演替研究方法，系统分析研究区30年来的土地利用/覆被动态演变规律，研究结果表明：（1）决策树法在复杂下垫面不同覆被类型的同步识别效果较好，所有影像分类精度均达到88%以上，分类效果较好，其中2017年分类精度最高为95.24%，达到了分类研究的要求；（2）研究区存在着"半灌丛-草甸地-灌丛"的植被结构特征，且整体表现为"南进北退"的变化趋势。结合土地利用动态度分析结果表明人类活动干涉下，研究区整体上遵循了半干旱区植被条件改善的一般规律，侧面反映该研究区域生态环境的持续不稳定性和脆弱性；（3）研究区覆被类型发生变化的总面积达到2623.59 hm²，总变化强度为63.76%。其中正向演替的比例为52.61%，以半灌丛面积的持续减小与沙地草甸面积的持续扩张为主要变化特征。但同时，半灌丛转为沙地的面积为184.95 hm²，表明以放牧为主的研究区同时发生着局部的逆行演变；（4）质心迁移结果反映了1987-2017年间，除人为影响较大的林地、草地以及耕地向北迁移外，其他植被类型的质心都有很明显的南迁，主要植被类型重心迁移距离依次由大到小为耕地 > 半灌丛 > 灌丛 > 沙地草甸 > 湿地草甸 > 林地。研究通过记录科尔沁沙地连续扩展的时空模式，展示了遥感-生态和时间序列影像在30 m分辨率下跟踪土地利用/覆被变化的潜力，为提高干旱半干旱区土地利用情况的动态监测效率，开展土地利用/覆被动态演变研究提供参考。     

科尔沁沙地典型固沙人工林地土壤水分时空特征及其对环境因子的响应

土壤水分时空动态特征对于干旱地区人工林的可持续经营与管理起着至关重要的作用。以位于科尔沁沙地南缘的樟子松和柠条固沙人工林为对象，于2018年11月-2019年11月连续观测了林地0-200 cm土壤剖面的含水量、温度及微气象因子，系统分析了土壤水分的时空变化特征及其对环境因子的响应。研究期内，两种林地土壤水分的季节变化可分为冻结期、补充期、消耗期和稳定期；依据土壤剖面的水分特征可分为易变层、活跃层和稳定层，但两种林地的分层深度有一定差异。在生长季内（5-10月），土壤含水量对大气降雨的响应随着土层深度的增加而减弱；降雨对樟子松人工林0-20 cm层土壤水分的影响极显著（P<0.01），对柠条人工林0-10 cm层的影响极显著（P<0.01）、20-60 cm层显著（P<0.05）。在土壤冻融周期内（2018年11月-2019年4月），两种林地的土壤均表现为"单向冻结"和"双向融化"的特点；土壤温度是影响冻融期内土壤含水量的关键因素，两者呈极显著的指数函数关系；樟子松和柠条人工林土壤的最大冻结深度分别为170 cm和190 cm，前者10 cm土层解冻时间要比后者晚11 d，可能与乔木树冠的遮阴作用有关。潜在蒸散与柠条林0-60 cm层、樟子松林0-20 cm和200 cm层的土壤水分呈极显著相关（P<0.01），而与樟子松林60 cm和160 cm层呈显著相关（P<0.05），这与树木蒸腾和土壤蒸发等综合作用有关。研究表明，由于两种人工林的树种组成、树冠大小、郁闭程度和根系分布等结构特征不同会导致林地土壤水分时空特征的异质性及其对环境因素响应的差异。     

沙冬青AmNAC3转录因子基因在抗旱性和抗寒性中的功能鉴定

为了研究强抗逆植物沙冬青Am NAC3转录因子基因在抗旱性和抗寒性中的功能,首先利用半定量RT-PCR方法对该基因进行了表达分析。结果表明,在室内培养的沙冬青幼苗中,Am NAC3有一定量的基础表达,在干旱胁迫下其转录水平明显上调,而在低温胁迫下其表达上调较弱。然后利用5'RACE技术获得该基因的5'端序列及全长cDNA序列,并利用RT-PCR方法克隆到其全长编码区(846bp)。将编码区片段构建到植物表达载体上,利用农杆菌介导法获得转基因拟南芥。进一步分析表明,转基因拟南芥对于干旱和低温胁迫的抗性表型与野生型无明显差异,但其离体叶片的失水率和气孔开度均大于野生型。此外,转基因幼苗中气孔开闭相关基因ABI1和ABI2的表达量降低。这些结果表明,Am NAC3可能主要在响应干旱胁迫和调节气孔开闭及叶片保水性中发挥功能,而在抵抗低温胁迫中无明显作用。     

引进马铃薯种质资源抗旱性评价

马铃薯属于干旱敏感型作物,当前生产上的马铃薯品种多数不耐旱,中国马铃薯抗旱育种进程又受到遗传背景狭窄的制约。引进外来种质资源,拓宽我国马铃薯遗传背景,加快选育抗旱品种是马铃薯应对干旱的关键策略。2016年和2017年,在常规滴灌和雨养条件下,利用增广设计方法,以生产上常用的5个马铃薯品种为对照,对来自国际马铃薯中心的315份高代品系和中国已有的3个品种进行抗旱性评价。通过AMMI模型和GGE模型分析基因型、环境及二者互作对产量的影响,并结合抗旱指数筛选抗旱性稳定且产量高的材料。从整体上看,在雨养条件下,两年马铃薯平均产量差异较小,但是变异系数较大,常规滴灌条件下正好相反。马铃薯产量受基因型、环境及其交互作用的显著影响,其变异平方和分别占总处理平方和的43.39%、39.36%和17.26%;C93和YS902两年的抗旱指数均高于对照品种,稳产性好,C48虽然抗旱指数相对较低,但是高产和稳产性高于所有材料。筛选出来的材料不仅可以作为抗旱育种亲本,还可以通过进一步研究其抗旱机制,为抗旱育种提供理论支持。     

红花尔基不同龄级天然樟子松外生菌根真菌群落结构特征

红花尔基被誉为樟子松Pinus sylvestris var. mongolica的故乡,樟子松是我国北方主要的造林树种之一,也是典型的菌根依赖型树种。研究樟子松根围外生菌根真菌（ectomycorrhizal fungi,ECMF）群落结构特征对红花尔基沙地樟子松生态系统的保护具有重要意义。本研究以红花尔基天然樟子松根围土壤为研究对象,采用Illumina MiSeq测序技术研究了4个龄级（<10、11-20、21-30和31-40年,分别称作Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ龄级）天然樟子松根围土壤ECMF群落结构特征。结果表明：（1）测序共获得87 516条ECMF序列,划分为177个OTUs（operational taxonomic units,OTU）,隶属于2个门,4个纲,12个目,26个科,43个属。（2）Ⅳ龄级中Ace丰富度指数和Shannon-Wiener多样性指数均显著高于Ⅰ龄级（P<0.05）。（3）不同龄级根围ECMF优势属占比不同,Ⅰ龄级中占比最大的为Inocybe（42.55%）;Ⅱ和Ⅲ龄级中占比最大的均为Tricholoma,分别为31.64%和27.69%;Ⅳ龄级中占比最大的为Cortinarius（28.80%）。（4）冗余分析表明,土壤pH值对ECMF的影响程度最大,其次为速效钾和碱解氮;同时,不同理化因子对群落中优势属的影响也存在差异。     

基于SEM解析科尔沁沙地生境条件对植物群落的直接和间接影响

由于生态系统的复杂多样性,量化生境条件对植物群落形成及演替的影响是生态学研究中的难点。本文以位于西辽河流域东南位置的科尔沁沙地为研究对象,收集55个湿草甸斑块样品和278个沙丘斑块样品,在湿草甸-沙丘组合斑块和单一的沙丘斑块两种不同研究尺度下,利用混合型结构方程构建了能反映生境条件对植被群落直接和间接影响关系的模型,并采用偏最小二乘法对结构方程进行分析。结果表明:在湿草甸-沙丘组合斑块中,对于显著影响植被群落的直接因素,影响效果由大到小依次是土壤结构性能、土壤含水量和地下水位埋深,路径系数分别为0.607、0.230和-0.224;在单一的沙丘斑块中,对于显著影响植被群落的直接因素,影响效果由大到小依次是土壤结构性能、土壤含水量和土壤有机质(SOM)含量,路径系数分别为0.399、0.224和0.206;对比两种尺度的模拟结果可看出,当地下水位埋深对植物群落的直接效应显著时,会使SOM含量对植物群的直接影响效应变得不显著,但仍然可以通过影响土壤结构间接影响植物群落;坡度和高程对土壤质量的直接影响效应在两种尺度下是相反的,坡向的影响效果不显著;通过在结构方程模型中构建一个区域植被群落格局的形成型潜变量可以推断该区域植被演替的动态过程。     

基于Shuttleworth-Wallace模型的科尔沁沙地流动半流动沙丘蒸散发模拟

陆面蒸散发在气候调节和维持区域水量平衡中起关键作用.量化蒸散发及其各组分项,对深刻揭示干旱半干旱地区的生态水文过程具有重要意义.本研究基于科尔沁沙地流动半流动沙丘2017年生长季气象监测系统的原位监测数据,利用Shuttleworth-Wallace(S-W)模型对沙丘蒸散发进行模拟,在此基础上,对蒸散各组分进行拆分,并利用涡度相关对模拟蒸散发值进行验证.结果表明: 整个生长季模型模拟蒸散发值为308 mm,涡度相关实测值为296 mm,偏差较小,证明S-W模型适用于该地区的蒸散发模拟.蒸散发整体呈生长旺盛期>生长后期>生长初期,分别为192、71和45 mm,分别占总量的62.3%、23.1%和14.6%.日尺度上模型模拟值与实测蒸散发值一致性较高,模型模拟精度大体表现为: 晴天>阴天>雨天,且阴雨天模型模拟值较涡度相关实测值偏低.经拆分,土壤蒸发和植被蒸腾分别为176和132 mm,分别占总量的57.1%和42.9%,表明沙地水分利用效率较低.持续干旱和降水后,蒸散发规律明显不同,且土壤蒸发对降水的敏感性强于植被蒸腾.     

深畦栽培对干旱胁迫下葡萄叶幕微气候和光合作用的影响

试验以‘京亚’和‘红地球’葡萄品种2年生苗木为材料,在田间遮雨棚内考察了自然干旱胁迫下深畦栽植和平畦栽植葡萄根际土壤湿度、叶幕微气候因子、光合作用参数变化特征,探讨根际土壤湿度与叶幕气候互作对葡萄光合作用的影响。结果显示:(1)在干旱逆境下,葡萄根际土壤湿度和叶幕微气候因子交互作用能通过影响水分条件来影响葡萄的光合作用;土壤湿度阀值是葡萄进行光合作用时水分利用最有效的土壤湿度点值,土壤湿度阀值存在“阀值漂移”现象,与叶幕空气湿度呈明显负相关关系,维持较高的叶幕空气湿度有利于实现在较低的土壤湿度下达到更高的光合效率。(2)在干旱逆境下,与平畦栽植相比,深畦栽植在改善葡萄根际土壤水分和叶幕微气候方面具有明显的优势,在该模式下葡萄具有更强的保水能力和更高的水分利用效率,从而具有更强的光合效率。(3)采用深畦栽植模式时,根际土壤相对含水量30%~50%是显著影响葡萄光合作用的土壤湿度区间;根际土壤相对含水量分别在43.32%~50.00%和40.19%~50.00%是‘京亚’和‘红地球’光合作用适宜的土壤湿度范围,在43.32%和40.19%时分别为2种葡萄光合作用水分利用效率达到最高的最适土壤湿度。研究发现,干旱逆境条件下,葡萄根际土壤湿度和叶幕微气候因子交互作用能改善葡萄的光合作用效率;深畦栽植葡萄光合作用对土壤湿度的需求较低,在相对较低的土壤湿度即可达到相对较高的光合能力;深畦栽植模式可以协调葡萄光合作用和水分消耗之间的关系,具有较高的水分利用效率和光合能力,是干旱地区进行葡萄抗旱节水生产的理想模式。     

阿尔山不同时期落叶松根际土壤固氮菌的多样性研究

利用传统的细菌分离培养,结合16S rDNA序列分析等方法,对阿尔山地区不同时期落叶松根际可培养固氮菌群落的多样性进行分析,以揭示落叶松根际固氮菌的多样性及群落结构的季节变化规律,为森林生态系统的可持续发展提供理论依据。结果显示:(1)从阿尔山落叶松根际土壤中共计分离纯化细菌菌株112株,分属于14属41种,包括假单胞菌属、伯克氏菌属、根瘤菌属、叶杆菌属、节杆菌属、类芽孢杆菌属、沙雷菌属、欧文菌属、短小杆菌属、芽孢杆菌属、肠杆菌属、不动杆菌属、柄杆菌属、红球菌属;其中优势菌群为假单胞菌属,次优势菌群为叶杆菌属、伯克氏菌属和节杆菌属。(2)季节变化对落叶松固氮菌群的变化有显著影响,表现为4月份和10月份最优势类群为γ-变形菌纲(γ-proteobacteria)中的假单胞菌属,6月份和8月份的最优势类群相同,但组成有所差别,其中6月份优势菌群包括假单胞菌属、短小杆菌属、红球菌属、节杆菌属,8月份的优势菌群为假单胞菌属、不动杆菌属、肠杆菌属、短小杆菌属、红球菌属和节杆菌属。(3)不同时期的物种均匀度指数(McIntosh index)差异显著,8月份最大,4月份最小,变化范围在0.83～1.164之间;物种丰富度指数(Shannon-Wiener index) 6月份和8月份显著高于4月份和10月份;优势度指数(Simpson index) 4月份和10月份显著高于6月份和8月份。研究表明,阿尔山地区落叶松根际微生物的多样性较高,群落相对复杂,分离的14个菌属多为根际促生菌,且不同时期固氮菌的群落组成受季节的影响明显。     

发酵麸皮多糖酶辅助提取工艺优化及其生物活性研究

通过响应面法优化提取发酵麸皮多糖的工艺,并评价其体外益生和抗氧化活性。以发酵麸皮多糖的得率为响应值,采用纤维素酶酶解与水浴浸提相结合的方法提取发酵麸皮多糖,以纤维素酶添加量、料液比、水浴浸提温度、水浴浸提时间为试验因素建立数学模型,筛选最佳提取工艺条件。通过测定还原力、DPPH和·OH自由基的清除能力对比发酵和未发酵麸皮多糖的体外抗氧化活性,并通过测定嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌、两歧双歧杆菌的生长对比发酵和未发酵麸皮多糖的体外益生活性。结果表明,发酵麸皮多糖最佳提取工艺为:料液比1∶16(w/v),酶添加量1 000 U/g,水浴浸提温度90℃,水浴浸提时间60 min,在此条件下发酵麸皮多糖的得率实测值为73. 35%。发酵麸皮多糖具有较强的DPPH和·OH自由基的清除能力,可促进嗜酸乳杆菌、植物乳杆菌和两歧双歧杆菌的生长。