土壤病毒生态学研究方法

病毒是地球上最丰富的生物实体,每克土壤中可包含数以亿计的病毒,它不仅影响土壤中其它微生物的群落组成、土壤元素的生物地球化学循环,还会影响土壤微生物的物种进化,甚至影响植物、动物和人体健康。目前人们对土壤中病毒的种类及丰度、分布特征以及功能引起的生态环境效应还知之甚少。在概述病毒生态学研究方法的基础上,对土壤病毒的提取、纯化、定量及分子生态学方法等基本流程进行了比较分析,以期建立一套快速简便、高效稳定的适用于土壤病毒研究的方法,并用于研究土壤病毒的多样性及分布特征,探讨病毒在环境中的生存和传播机制,为土壤病毒的防控及开发利用提供支撑。     

长白山针阔混交林不同演替阶段群落系统发育和功能性状结构

群落构建一直是生态学研究的热点,基于系统发育和功能性状量化生境过滤、竞争排斥以及随机过程在群落构建中的作用,能够深入理解群落构建机制。本研究以长白山针阔混交林不同演替阶段的3个5.2 hm~2样地(次生杨桦林、次生针阔混交林、原始椴树红松林)为平台,基于被子植物分类系统Ⅲ(Angiosperm Classification System,APGⅢ)构建的系统发育树和7个关键功能性状(叶面积、比叶面积、叶片厚度、叶片氮含量、叶片磷含量、氮磷比、最大树高),结合环境数据,分析不同演替阶段群落系统发育和功能性状结构。研究表明:(1)各演替阶段7个植物功能性状都表现出显著的系统发育信号,表明植物功能性状受系统发育历史影响;(2)系统发育和功能性状结构在不同演替阶段和不同径级均为非随机状态。随着演替的推进群落系统发育和功能性状结构由聚集走向发散;随着径级的增加,系统发育和功能性状结构的聚集程度减小,表明随着演替阶段的进行和径级增大,竞争性排斥的作用逐渐明显;(3)各演替阶段系统发育和功能性状的周转都为非随机且不同因子对两者的解释力度存在差异。演替早期空间距离的解释力度小于环境距离,说明生境过滤在群落构建中的重要性,而在演替后期空间距离的解释力度大于环境距离,验证了扩散限制在群落构建中的重要性。     

豫东平原聚落景观格局变化

中国的快速城镇化必然导致聚落景观格局的变化,但目前相关研究对平原地区关注相对较少。文中选取豫东平原地区的开封、商丘、周口市,运用GIS空间分析方法和ENVI遥感影像处理技术,对该地区1972、2015年市域中观尺度上的聚落规模、聚落景观空间变化特征进行分析。结果显示:(1)在聚落发展过程中,1972—2015年聚落斑块数量有所减少,聚落规模逐渐扩张,市域内最大聚落斑块扩张相对更为明显;对聚落斑块扩张强度的分析发现,城市市辖区及周边乡镇聚落扩张强度相对较高。(2)地区内聚落斑块空间分布表现出聚集分布特征,但该时期聚集程度有所减弱;两个年份聚落核密度分布格局大致相似,局部地区存在多核扩散现象,市域尺度上的核密度分布存在地区差异。(3)对斑块形状指数的分析发现,研究区狭长或曲折聚落斑块在空间上分散布局,整体上区域内聚落形状趋于规则。(4)随着距河流、道路距离的增加,聚落斑块总面积和数量有所减少,且道路对聚落分布仅在一定范围内存在较大影响,距中心城市0—6km范围内聚落受中心城区发展辐射影响较大。本文的分析可为平原地区聚落景观的优化布局和聚落用地的集约化发展提供一定的参考。     

中国西北干旱区蒸散发时空动态特征

利用MODIS ET数据集中2000—2014年的地表实际蒸散发量产品,运用变异系数、Theil-Sen median趋势分析与MannKendall检验和Hurst指数法,研究了中国西北干旱区蒸散发的空间格局、不同维度的空间异质性和时间变化特征及未来趋势预测。结果表明:(1)2000—2014年全区蒸散发量总体较小,蒸散发量小于200 mm的区域占总面积的38.329%。在空间上ET自山区向两侧平原减少,不同土地覆盖的ET大小为:林地农用地草地稀疏植被。受降水和土地覆盖的综合影响,ET的高值区(400 mm)主要在降水丰富的山区林地和草地,而低值区(200 mm)主要在降水较少的平原稀疏植被区和草地。(2)近15年全区蒸散发变异程度不明显,以相对较低的波动变化为主。各亚区内波动较低区域的比例为:北疆天山祁连山内蒙西部河西走廊南疆。(3)15年间全区年均蒸散发量呈波动变化,总体有微弱的减小趋势,变化率为-0.9348 mm/a。基于像元尺度的分析也表明全区ET以减小的变化趋势为主,但各亚区的减小程度各异:天山内蒙西部河西走廊北疆祁连山,仅南疆有增加趋势。(4)全区ET的Hurst指数均值为0.689,Hurst指数大于0.5的范围所占比例为80.033%,未来全区蒸散发的变化趋势以持续性减小为主。其中22.003%区域的变化趋势无法确定。未来各亚区ET的减少趋势为:内蒙西部天山河西走廊北疆祁连山南疆。     

遥感反演植被含氮量研究进展

植被含氮量表征植被氮素状态。它作为植被生长状况的重要指标,在生态系统健康状况检测、生态系统生产估测、精准农业、生态系统干扰评估等方面均有重要意义。遥感监测植被含氮量主要基于高光谱和多光谱数据,采用的算法包括经验方法(波谱指数与回归分析)及物理方法(辐射传输模型法)。但受数据源和研究方法的局限,目前植被氮含量遥感监测局限于区域范围较小且内部植被类型与环境条件(气候、地形等)基本一致的情形,而对复杂生态系统的监测能力不足。未来的研究需针对氮沉降和人类活动的生态系统响应这一重大研究需求,发展和改进现有植被含氮量遥感反演方法。可考虑开展对不同环境条件下、不同类型植被光谱曲线进行标准化的研究,以形成普适的植被含氮量反演方法。并考虑综合运用多种数据(如微波遥感、无人机遥感),形成多尺度同步监测,以提高遥感对区域乃至全球范围内植被氮含量常规监测的能力。     

采用稳定碳同位素法分析白羊草在不同干旱胁迫下的水分利用效率

本研究以黄土高原乡土草种白羊草(Bothriochloa ischaemum(L.)Keng.)为研究对象,采用盆栽控制实验,比较白羊草在3个水分处理(CK80%FC、MS60%FC和SS 40%FC)下的生物量积累和分配模式、瞬时水分利用效率(WUE)、不同部位(新叶、老叶、茎、细根、粗根)的稳定碳同位素组成(δ~(13)C)和碳同位素分辨率(Δ~(13)C)及其相互关系,以及干旱胁迫下影响水分利用效率的主导环境因子。结果表明:1)重度干旱胁迫显著降低植物整体生物量,显著增加根冠比和细根生物量比例;2)随着干旱胁迫加剧,白羊草各器官的δ~(13)C均呈上升趋势,Δ~(13)C呈减小趋势,SS处理不同器官δ~(13)C和Δ~(13)C没有显著差异,CK和MS处理的各器官δ~(13)C均值表现分别为细根粗根老叶新叶茎、细根新叶老叶粗根茎,CK和MS处理Δ~(13)C的值总体呈根叶茎。3)新叶的δ~(13)CNL和Δ~(13)CNL与WUE的相关系数均最大,说明利用稳定碳同位素方法测定白羊草水分利用效率具有可行性。4)不同水分处理的WUE的主导影响因子不同,CK、MS、SS水分处理WUE分别受到叶面温度、大气水汽压亏缺和空气温度的影响最大。为采用稳定碳同位素方法指示白羊草水分利用效率可行性及阐明植物的胁迫响应机制提供理论依据。     

松嫩平原苏打盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异

在松嫩平原西部吉林省大安市乐胜乡,于2013年4月20日选择盐碱程度不均一的典型盐渍化旱田地块,面积为4.8 hm~2作为研究样地。利用EM38大地电导率仪测定结合田间定点采样,并通过经典统计和地统计相结合的方法研究了盐渍化旱田土壤表观电导率空间变异特征,分析了土壤表观电导率与土壤盐碱指标之间的关系。结果表明,盐渍化旱田土壤水平方向表观电导率(EC_h)经对数转换后具有强空间自相关,其变异特征主要是与地形地貌和水文状况等结构性因素有关。垂直方向表观电导率(EC_v)经对数转换后具有中等空间自相关性,其变异特征受结构性因素和随机因素共同作用。EC_h和EC_v半方差模拟的最优模型分别为球状模型和指数模型。Pearson分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标EC_(1∶5)、pH_(1∶5)、SAR、SC、Na~+、CO_3~(2-)、HCO_3~-呈正相关关系(P0.05),EC_h与土壤盐碱指标相关系数均大于EC_v。在实际应用中可以用EC_h来指示土壤的盐碱程度。回归分析表明土壤表观电导率(EC_h和EC_v)与土壤盐碱指标呈线性相关,且EC_h回归模型的决定系数均大于EC_v回归模型的决定系数,可用水平方向土壤表观电导率(EC_h)来计算土壤盐碱指标,进行土壤盐渍化的快速评估。     

孔雀河下游断流河道的环境特征及物种间关系

基于孔雀河下游断流河道的环境因子和植被样地数据,采用聚类与CCA排序法,分析了生境的退化特征以及物种间的相互关系,结果表明:1)断流河道退化生境分为绿洲-荒漠过渡类型、轻度荒漠化类型和盐土荒漠化类型。绿洲-荒漠过渡类型地下水位低、盐分含量相对较低,植被盖度相对较高,土壤维持着原砂质壤土,为潜在退化型;轻度荒漠化类型地下水位、土壤质地与含盐量与前者基本相同,土壤未明显退化,但植被盖度低于10%,植物种类与个体数目都较低,属于轻度退化型;盐土荒漠化类型地下水位高、盐分含量高,土壤机械组成中砂粒比重较大、无建群种幸存,属于重度退化型。2)绿洲-荒漠过渡类型总体联结性为显著正联结,正负联结比小于1,生态系统表现为建群种维系物种关系的不稳定状态;轻度荒漠化类型总体联结性为不显著负联结,正负联结比小于1,表现出生态系统进入退化演替的阶段;盐土荒漠化类型总体联结性为显著正联结,正负联结比大于1,表现出重度退化群落的种间平衡状态,物种间以达到稳定共存,其中,真盐生植物对这种平衡的维持起着重要的作用。3)CCA排序表明,绿洲-荒漠过渡类型形成以胡杨为中心的种间正联结,幸存于盐分适中、水分养分相对较高的生境;轻度荒漠化类型,形成以多枝柽柳与刚毛柽柳相互依存的不显著负联结,幸存于土壤养分、水分相对较低的生境;盐土荒漠化类型形成以盐爪爪、盐节木、盐穗木等真盐生植物维系的显著正联结,幸存于土壤贫瘠、地下水位浅、盐分含量高、沙化严重的生境。     

Diffusion of extracellular K+ can synchronize bursting oscillations in a model islet of Langerhans.

Electrical bursting oscillations of mammalian pancreatic beta-cells are synchronous among cells within an islet. While electrical coupling among cells via gap junctions has been demonstrated, its extent and topology are unclear. The beta-cells also share an extracellular compartment in which oscillations of K+ concentration have been measured (Perez-Armendariz and Atwater, 1985). These oscillations (1-2 mM) are synchronous with the burst pattern, and apparently are caused by the oscillating voltage-dependent membrane currents: Extracellular K+ concentration (Ke) rises during the depolarized active (spiking) phase and falls during the hyperpolarized silent phase. Because raising Ke depolarizes the cell membrane by increasing the potassium reversal potential (VK), any cell in the active phase should recruit nonspiking cells into the active phase. The opposite is predicted for the silent phase. This positive feedback system might couple the cells' electrical activity and synchronize bursting. We have explored this possibility using a theoretical model for bursting of beta-cells (Sherman et al., 1988) and K+ diffusion in the extracellular space of an islet. Computer simulations demonstrate that the bursts synchronize very quickly (within one burst) without gap junctional coupling among the cells. The shape and amplitude of computed Ke oscillations resemble those seen in experiments for certain parameter ranges. The model cells synchronize with exterior cells leading, though incorporating heterogeneous cell properties can allow interior cells to lead. The model islet can also be forced to oscillate at both faster and slower frequencies using periodic pulses of higher K+ in the medium surrounding the islet. Phase plane analysis was used to understand the synchronization mechanism. The results of our model suggest that diffusion of extracellular K+ may contribute to coupling and synchronization of electrical oscillations in beta-cells within an islet.     

Mechanistic studies on aromatase and related C---C bond cleaving P-450 enzymes

Some P-450 systems, notably aromatase and 14-demethylase catalyse not only the hydroxylate reaction but also the oxidation of an alcohol into a carbonyl compound as well as a C---C bond cleavage process. All these reactions occur at the same active site. A somewhat analogous situation is noted with 17-hydroxylase-17,20-lyase that participates in hydroxylation as well as C---C bond cleavage process. The C---C bond cleavage reactions catalysed by the above enzymes conform to the general equation:

Full-size image

It is argued that all three types of reaction catalyzed by these enzymes may be viewed as variations on a common theme. In P-450 dependent hydroxylation the initially formed Fe^III---O---O^. species is converted into Fe^III---O---OH and the heterolysis of the oxygen—oxygen bond of the latter then gives the oxo-derivative for which a number of canonical structures are possible; for example Fe^V = O ↔ (+^.)Fe^IV = O ↔ Fe^IV---O^.. One of these, Fe^IV---O^. behaves like an alkoxyl radical and participates in hydrogen abstraction from C---H bond to produce Fe^IV---OH and carbon radical. The latter is then quenched by the delivery of hydroxyl radical from Fe^IV---OH. The latter species may thus be regarded as a carrier of hydroxyl radical. We have proposed that the C---C bond cleavage reaction occurs through the participation of the Fe^III---O---OH species that is trapped by the electrophilic property of the carbonyl compound giving a peroxide adduct that fragments to produce an acyl—carbon cleavage. Scientific developments leading up to this conclusion are considered. In the first author's views,

“The study of mechanisms is not a scientific but a cultural activity. Mechanisms do not aim at an absolute truth but are intended to be a “running” commentary on the status of knowledge in a field. As the structural knowledge in a field advances Mechanisms evolve to take note of the new findings. Just as a constructive “running” commentary provides the stimulus for higher standards of performance, so Mechanisms call for better and firmer structural information from their practitioners”.