北方风沙区生态修复的科学原理、工程实践和恢复效果

北方风沙区位于欧亚草原的东部,是我国生态环境最为脆弱的地区之一,其在北方生态安全屏障和丝绸之路经济带建设中具有十分重要的战略地位。在国家一系列生态保育工程的支持下,该地区的生态环境得到明显改善。但是,由于受人类活动和全球气候变化的影响,该地区仍然面临着严峻的环境压力。在中国科学院科技服务网络计划(STS计划)等项目支持下,开展了北方风沙区土地沙化成因及退化土地空间分布研究,集成了北方风沙区重点脆弱区生态恢复的理论和技术体系,以内蒙古中部的阴山北麓地区、内蒙古浑善达克沙地和蒙辽交界的科尔沁沙地为重点研究区域,进行了高效人工草地建植、天然草地恢复和管理、沙化草地治理等相关工程技术的示范,开展生态恢复模式的效果跟踪监测和生态效益评估,确定生态恢复技术和模式的技术参数和指标,明确不同集成技术与模式在北方风沙区的适用区域和范围,为技术模式的推广应用提供科学依据。通过上述研究,可以为中央和地方政府制定生态系统管理和退化生态系统恢复政策、建立我国北方生态安全屏障提供决策依据,为生态修复产业提供技术指南,为相关研究提供全面系统的基础数据支撑。     

表面展示新城疫病毒部分F蛋白的重组干酪乳杆菌的构建及其免疫原性

本研究旨在构建重组干酪乳杆菌pLA-Newcastlediseasevirus (NDV)-F/Lactobacillus casei,获得表达产物,并探讨其免疫效果。利用PCR扩增携带部分主要抗原表位的NDV F基因,与穿梭质粒pLA连接转化至大肠杆菌BL21 (DE3)中,筛选阳性重组质粒,将其电转化至干酪乳杆菌中,构建重组干酪乳杆菌pLA-NDV-F/L. casei,应用PCR鉴定阳性菌株,Western blotting鉴定重组菌反应原性,间接免疫荧光、流式细胞术和激光共聚焦检测蛋白表达情况。试验选用14日龄雏鸡,各组免疫方式为口服+滴鼻。设立pLA-NDV-F/L. casei两次免疫组和三次免疫组、弱毒疫苗组、 pLA/L.casei、未攻毒PBS组和攻毒PBS组。间接ELISA方法检测雏鸡血清IgG、肠道、鼻腔、肺脏中sIgA抗体效价,评价试验组雏鸡攻毒保护率。结果表明,有94.10%的重组菌表达了F蛋白,且高效表达在干酪乳杆菌细胞表面,蛋白大小为62kDa,并能与抗NDV阳性血清特异性结合。各免疫组anti-F IgG和s Ig A抗体水平显著高于对照组,p LA-NDV-F/L. casei三次免疫组抗体持续时间比两次免疫组延长28 d,抗体峰值没有显著差异。免疫pLA-NDV-F/L. casei三次、两次、弱毒疫苗、pLA/L. casei和PBS的攻击保护率分别为80%、80%、90%、0%和0%。因此,利用干酪乳杆菌表达体系成功表达了携带部分抗原表位的NDVF基因,具备良好的反应原性和免疫原性,可诱导机体产生保护性免疫应答。     

基于Sentinel-2数据的草地植物功能多样性遥感反演及其与生产力的关系

生物多样性与生态系统功能的关系是当前生态学研究的焦点和难点。植物功能多样性是影响生态系统功能的重要指标, 开展植物功能多样性的研究对了解生物多样性与生态系统功能之间的关系有着重要意义。传统的草地植物功能多样性研究多以实地调查为主, 不仅费时费力, 而且由于受到时空的限制, 很难拓展到大尺度的研究中。遥感技术的发展为评估草地功能多样性提供了一种经济、有效的手段。该研究选取内蒙古自治区锡林郭勒盟乌拉盖管理区草甸草原为研究区, 利用Sentinel-2卫星影像和野外实测数据, 选取了波段及植被指数等46个特征变量, 探讨了逐步回归、偏最小二乘法(PLSR)和随机森林(RFR)等3种不同方法对草地植物功能丰富度(FRic)、功能均匀度(FEve)和功能离散度(FDiv)的反演精度, 并基于PLSR反演草地地上生物量, 进一步分析了研究区功能多样性与生产力的关系。研究结果表明: (1)波段B11、优化型土壤调节植被指数(OSAVI)、水波段指数(WBI)对FRic解释度最高; 波段B6、B10、B12、类胡萝卜素反射指数1 (CRI1)、双峰光学指数(D)、归一化差值指数45 (NDI45)等6个特征变量对FEve解释度最高; 波段B5、B9、B10、B11、加权差分植被指数(WDVI)、凸包面积等对FDiv解释度最高; (2)基于十折重复交叉验证, 利用逐步回归估算的FRic和FEve反演精度远高于其他两种回归方法, R²分别为0.52和0.44; 而利用PLSR方法估算的FDiv反演精度最高(R² = 0.61); (3)群落地上生物量反演精度为R² = 0.61; FRic与地上生产力的关系最好(R² = 0.40), 其次为FDiv (R² = 0.28)和FEve (R² = 0.27)。研究发现, 基于Sentinel-2卫星影像能较好地反演草地功能多样性和生产力, 为下一步能在大尺度上进行草地功能多样性估算及其与生产力关系研究提供了参考和依据。     

氮水添加对放牧背景下荒漠草原生产力的影响

水分与氮素作为干旱和半干旱草原生产力的共同限制性因子在退化草原的生态快速修复过程中备受关注。以不同放牧强度背景下的短花针茅荒漠草原为研究对象,开展围封模拟放牧利用实验,同时添加氮素和水分。通过分析历史放牧强度与年份对生产力的影响,以及添加氮素和水分对不同功能群植物生物量的作用,探讨放牧强度对短花针茅草原生产力的内在作用机制,以及如何实现荒漠草原资源合理开发和可持续利用。研究结果显示,降雨量与放牧强度决定着短花针茅草原的植物群落结构。氮素和水分添加可分别提升11%-29%和12%-32%的群落地上生物量,且二者存在显著的交互作用。不同功能群植物的地上生物量对氮素与水分添加的响应存在差异,多年生丛生禾草对氮素和水分添加响应最敏感。氮素与水分添加可显著提高多年生丛生禾草的地上生物量,但与自然降水量相关。氮素添加对地上生物量的影响在正常降雨和稍旱年份作用显著,而水分添加在干旱年份作用显著。在正常降雨年份,以半灌木植物为优势种的轻度放牧背景以添加水分对提升生产力最宜,以多年生丛生禾草和半灌木为共优种的中度放牧背景和以多年生丛生禾草为优势种的重度放牧以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜;在干旱年份不同放牧强度背景下均以同时添加水分和氮素对提升生产力最为宜。我们的结果表明了养分与资源的改善有利于退化短花针茅草原的快速恢复和可持续生产。     

羊草根茎的贮藏碳水化合物及对氮素添加的响应

 为了研究氮素对羊草(Leymus chinensis)根茎碳水化合物贮藏的影响,在中国科学院内蒙古草原生态系统定位研究站的羊草样地,设计了不同水平和不同时期的氮素添加试验。采用高效液相色谱（High Performance Liquid Chromatography, HPLC）对羊草根茎中的贮藏性碳水化合物进行了测定。结果表明,羊草根茎中的贮藏碳水化合物组分包括果聚糖、甘露糖醇、蔗糖、葡萄糖和果糖。其中果聚糖是最主要贮藏碳水化合物,约占60%;其次是甘露糖醇,约占20%。氮素添加量对羊草根茎中的贮藏碳水化合物有显著影响。在0～17.5 g N·m－2范围内,随着氮素添加量的增加,碳水化合物总量、果聚糖、甘露糖醇的含量均逐渐升高。氮素添加时期对羊草根茎中的贮藏碳水化合物的含量亦有显著影响。在7月初添加氮素比4月份添加氮素更有利于贮藏碳水化合物的积累。 关键词     

氮素添加对内蒙古羊草草原净氮矿化的影响

为了更好地了解天然草原氮素矿化对全球氮沉降背景和草原施肥管理模式的响应, 从2000年起对内蒙古典型草原羊草 (Leymu schinensis) 群落开展了长期的氮素添加实验, 分别设置对照 (N0), 添加5gNH4NO3·m-2 (N1.75) 、30gNH4NO3·m-2 (N10.5) 和80gNH4NO3·m-2 (N28) 4个氮素添加梯度。2002年, 从相邻的同时进行施肥的两个生态系统类型, 即1979年围封的样地A和1999年围封的样地B进行土壤取样, 在最佳温度 (25℃) 和最适土壤湿度 (即60%田间持水量) 下进行5周的室内培养, 并用阶段性淋溶方法研究了氮素添加对土壤氮矿化动态的影响。在A和B两个样地内, 氮素添加都显著改变了土壤的累积氮矿化量。最高氮素处理N28对应于最低的累积氮矿化量, 而低氮素处理N1.75使得累积氮矿化量达到最高。在N0和N1.75处理中, 硝态氮的含量高于铵态氮;在N28处理中, 却表现出相反的趋势。氮素添加显著降低了土壤的pH值, 但累积氮矿化量与土壤pH值、有机碳和全氮均没有显著的相关性。大多数氮素添加处理水平在样地A具有比样地B更高的土壤累积氮矿化量。     

凋落物去除和添加处理对典型草原生态系统碳通量的影响

为揭示凋落物去除和添加处理对草原生态系统碳通量的影响, 2013和2014年连续两年在成熟群落围封样地进行凋落物去除实验、在退化群落放牧样地进行凋落物添加实验, 并运用静态箱法探讨碳通量变化规律并分析其主要影响因子。结果表明: 两种群落的净生态系统CO₂交换(NEE)有明显的季节性变化。对成熟群落而言, 去除50%凋落物显著增加了NEE, 去除100%凋落物显著降低了NEE, 而对生态系统总初级生产力(GEP)和生态系统呼吸(ER)均无显著影响; 对退化群落而言, 凋落物添加显著增加了GEP和NEE, 而对ER无显著影响。两种群落的GEP与10 cm土壤温度显著正相关, 但NEE和GEP的变化规律与土壤温度相反, 与10 cm土壤湿度相同。由此可见, 凋落物去除和添加处理对生态系统碳通量的影响主要是改变土壤湿度和地上生物量,而不是改变土壤温度。该研究为合理利用凋落物改善草地生态系统管理和促进草地恢复提供了理论依据。     

中国草地生态系统固碳现状、速率和潜力研究

正中国草地面积约4亿hm~2,占国土总面积的41.7%。作为中国面积最大的陆地生态系统类型,草地不仅每年为畜牧业生产提供了3–4亿t优质饲草,而且在防风固沙、水土保持、水源涵养、生物多样性保育和生态系统碳固持等方面具有极其重要的生态功能(白永飞等,2014;沈海花等,2016)。草地是个巨大的碳库,全球草地总碳储量约为308 Pg,其中约92%储存在土壤中(Schuman et al.,2002)。中国草     

锡林河流域一个原生草原群落的碳素平衡研究

野外调查与历史资料相结合,对内蒙古锡林河流域一个永久试验样地内的羊草( Leymus chinensis (Trin.) Tzvel.)草原群落(原生草原群落)的碳素贮量、主要流量和周转速度等进行了估计.结果表明:1)该群落中地上部净初级生产的碳素固定量的多年平均值为79.8 g C*m-2*a-1,根系碳素输入量的多年平均值为311.9 g C*m-2*a-1,碳素输入总量为391.7 g C*m-2*a-1; 2)土壤净呼吸量为346.9 g C*m-2*a-1,动物(昆虫)采食量14.7 g C*m-2*a-1,地上立枯阶段的淋溶与光化学分解损失为3.2 g C*m-2*a-1,碳素输出总量为364.8 g C*m-2*a-1; 3)该群落中碳素输入略大于输出,净积累速率为26.9 g C*m-2*a-1,0-30 cm土壤中的碳素周转速率为6.2%,周转时间为16年.