植物生态化学计量特征及其主要假说

植物生态化学计量学是生态化学计量学的重要分支, 主要研究植物器官元素含量的计量特征, 以及它们与环境因子、生态系统功能之间的关系。19世纪, 化学家们通过室内实验, 分析了植物器官的元素含量, 开始了对植物化学元素之间关系的探索。如今, 生态学家通过野外采样和控制实验, 探索植物化学元素计量特征的变化规律、对全球变化的响应以及与植物功能属性之间的关系, 促进了植物生态化学计量学的快速发展。该文在概述植物生态化学计量学发展简史的基础上, 综述了19世纪以来该领域的研究进展。首先, 该文将植物生态化学计量学的发展历程概括为思想萌芽期、假说奠基期和理论构建期3个时期, 对各个时期的主要研究进行了简要回顾和梳理。第二, 概述了植物主要器官的化学计量特征, 尤其是陆生植物叶片氮(N)和磷(P)的计量特征。总体上, 全球陆生植物叶片N、P含量和N:P (质量比)的几何平均值分别为18.74 mg∙g^-1、1.21 mg∙g^-1和15.55 (与16:1的Redfield比一致); 在物种或群落水平上, 叶片N和P含量一般呈现随温度升高、降水增加而降低的趋势。不同生活型植物叶片N和P计量特征差异明显, 尤其是草本植物叶片N和P含量高于木本植物, 落叶阔叶木本植物叶片N和P含量高于常绿木本植物。与叶片相比, 细根和其他器官化学计量特征研究较少。第三, 总结了养分添加实验对植物化学元素计量特征的影响。总体上, N添加一般会提高土壤N的可利用性, 使植物器官中N含量和N:P升高, 在一定程度上提高植物生产力; P添加可能会缓解过量N输入导致的N-P失衡问题, 提高植物器官P含量。但是, 长期过量施肥会打破植物器官原有的元素间计量关系, 导致元素计量关系失衡和生产力下降。第四, 梳理总结了植物生态化学计量学的重要理论、观点和假说, 主要包括刻画化学计量特征与植物生长功能关系的功能关联假说、刻画化学计量特征与环境因子关系的环境关联假说或理论以及刻画化学计量特征与植物进化历史关系的进化关联假说。最后, 指出了植物生态化学计量学研究中存在的问题, 展望了10个未来需要重点关注的研究方向。     

植物叶片衰老机理的几种假说

关于植物叶片衰老已有很多工作,对于衰老的机理提出了许多假说。本文汇总、介绍了其中几种主要假说。     

化感——外来入侵植物的“Novel Weapons”

综述了与外来植物入侵相关的理论假说。并主要介绍了从化感角度提出的“N ove lW eapons”假说(NW假说)。某些外来入侵植物能产生一些化学物质。这些物质可以发挥较强的化感作用,或者成为植物和土壤微生物之间相互作用的调节者。由于不同区域的植物群落共同进化的轨迹不同,被入侵群落的植物对这些化学物质缺乏适应性,因此,这些物质成为了外来种入侵的利器。而对外来种发源地的群落来说,由于长期的共存关系,这些物质对其伴生植物的影响相对较小。NW假说为化感作为外来植物入侵的一种机制奠定了理论基础,为外来入侵植物的防治提供了理论依据,但作为一种较新的理论假说,还需要更多的实验研究加以支持。     

树木高生长限制的几个假说

树木生长到一定年龄后高生长停滞, 对这一现象的解释存在很多争议。成熟假说认为树木顶端分生组织分裂活性下降导致树木高生长减慢。营养限制假说认为土壤中营养元素(特别是氮素)在植物活体或枯落物中积累使土壤中可利用的养分含量降低, 细根生物量增加和叶片光合能力下降导致了地上部分生长的减缓。呼吸假说认为边材呼吸消耗随个体发育的增加使投入到高生长的碳减少。水力限制假说认为水分运输阻力随高度增加而增加导致了叶片总光合碳同化下降, 分配到高生长的生物量减少。树木发展假说认为植物用多种调节机制克服随个体发育增加的水力阻力, 包括叶片结构和生理特征的变化, 叶/边材面积比降低, 边材渗透性和树干储水能力的增加等。水力限制假说得到了较多的关注, 对不同高度树木的叶比导率、光合特征和树干生长量等测定结果支持这一假说。但对这一假说 也存在很多的争议, 主要表现在: 水力阻力是否确实随高度的增加而增加, 水力阻力的分布, 补偿机制的作用和生物量分配转变等。本文综述了树木高生长限制的4个假说以及争论的焦点, 并总结了目前研究的热点问题和今后的研究方向。     

树木高生长限制的几个假说

树木生长到一定年龄后高生长停滞,对这一现象的解释存在很多争议.成熟假说认为树木顶端分生组织分裂活性下降导致树木高生长减慢.营养限制假说认为土壤中营养元素(特别是氮素)在植物活体或枯落物中积累使土壤中可利用的养分含量降低,细根生物量增加和叶片光合能力下降导致了地上部分生长的减缓.呼吸假说认为边材呼吸消耗随个体发育的增加使投入到高生长的碳减少.水力限制假说认为水分运输阻力随高度增加而增加导致了叶片总光合碳同化下降,分配到高生长的生物量减少.树木发展假说认为植物用多种调节机制克服随个体发育增加的水力阻力,包括叶片结构和生理特征的变化,叶/边材面积比降低,边材渗透性和树干储水能力的增加等.水力限制假说得到了较多的关注,对不同高度树木的叶比导率、光合特征和树干生长量等测定结果支持这一假说.但对这一假说也存在很多的争议,主要表现在:水力阻力是否确实随高度的增加而增加,水力阻力的分布,补偿机制的作用和生物量分配转变等.本文综述了树木高生长限制的4个假说以及争论的焦点,并总结了目前研究的热点问题和今后的研究方向.     

克隆整合是否有助于空心莲子草抵抗菟丝子的短期寄生?

关于克隆植物通过克隆整合抵御逆境能力影响的研究已有很多,但克隆整合是否能抵御植物寄生的研究还比较缺乏。本文利用匍匐茎克隆植物空心莲子草和1年生寄生植物菟丝子作为研究系统,检验假说"克隆整合有助于克隆植物抵抗寄生植物的寄生胁迫"。在实验中,相连分株分别经历了以下处理:M+-D-(分株对中母株被寄生,子株不被寄生),M--D+(母株不被寄生,子株被寄生),M+-D+(母株、子株均被寄生),M--D-(母株、子株均不被寄生)。研究发现,菟丝子寄生显著影响了空心莲子草的叶绿素相对含量、最大光量子产量等生理指标,以及叶片数、匍匐茎长度、分株数等生长指标,但不同处理间的生物量没有显著差异。本实验的结果没有支持实验假说。这样的结果可能是由于本实验时间较短所引起的,表明克隆整合适应性的表达不是无条件的。进一步实验应该既能够检验短期效应也能够检验长期效应。     

揭开植物开花之谜——成花素的发现

开花现象是绿色开花植物所特有的,对其机理的研究一直是生物学学家极为关注的研究领域。成花素假说认为植物叶片在光的诱导下产生一种叫成花素（Flofigen）的分子,成花素可以运输到植物茎顶端诱导花芽的分化,但是成花素的化学本质一直没有被鉴定。最近发现成花素是一种叫做FT的蛋白分子,该分子广泛存在于植物界参与花器官的诱导,至此,成花素假说不再是假说。回顾了成花素假说形成的历史,介绍成花素发现的最新成果。     

热带森林植物多样性及其维持机制

热带森林具有地球上最丰富的植物多样性。关于热带森林植物多样性的维持机制,虽有众多假说,但均未形成完善的理论体系。不同的学者从不同的角度出发得出了许多结论,但也引起了不少争议。本文主要简述了4种经常被用来解释热带森林高植物多样性的机制：生态位分化、取食压力、生活史负相关和随机竞争,每一种机制都有大量的证据支持。热带森林植物沿微环境梯度的非随机空间分布表明其生态位分化很明显,并对其多样性起重要作用。动物的取食降低母树周围同种幼苗的生长率和存活率,为其他物种存活提供了机会,这就是取食压力假说,这是一个极有前景但仍需大量实验验证的假说。生活史负相关使得热带森林的许多植物能够共存。冠层植物的抑制使得随机性在林下植物的建立过程中起决定作用。     

亚热带常绿林不同冠层小枝叶面积-叶生物量关系研究

叶面积与叶生物量的关系对于理解植物叶片的碳收益和投资权衡策略具有重要意义。收益递减假说认为植物的叶面积与叶生物量成显著异速生长关系,其异速生长指数<1.0,但该假说是否适用于不同生活型(常绿与落叶)亚热带木本植物不同冠层高度(上下冠层)当年生小枝的叶片仍不清楚。以江西亚热带常绿阔叶林的69种常绿与落叶木本植物当年生小枝上的叶为研究对象,采用标准化主轴回归估计(standardized major axis estimation, SMA)方法检验不同冠层高度和生活型叶面积与叶生物量的异速生长关系。结果显示:(1)当年生小枝叶生物量在不同冠层高度和生活型的植物中无显著差异(P>0.05),叶面积在常绿和落叶植物中有显著差异(P<0.05),常绿和落叶植物的比叶重存在显著差异(P<0.05),而落叶植物的比叶重在不同冠层高度存在显著差异(P<0.05),同一冠层,常绿植物比叶重显著高于落叶植物(P<0.05);(2)69种植物的叶面积与叶生物量异速生长指数具有物种特异性,60.9%的物种叶面积与叶生物量呈等速生长关系;(3)不同冠层和生活型植物的叶面积与...     

Stoichiometry of leaf carbon,nitrogen, and phosphorus along a geographic,climatic, and soil gradients in temperate desert of Hexi Corridor,northwest China

理解叶片化学计量的区域模式及其贡献变量对于预测植物对全球变化的反应以及对生态系统的生产力和养分通量建模具有重要意义。在本研究中,我们调查了在中国典型干旱地区河西走廊采样的植物叶片化学计量,并试图探究沿地理、气候和土壤梯度对叶片化学计量的贡献变量。2012年8月,对河西走廊的70个站点进行调查。在每个站点的五个等效样地中,对植物叶片和土壤进行采样。测定叶片和土壤的C、N和P含量。与区域和全球尺度上的叶片N和P含量相比,河西走廊的叶片N含量与之接近,为20.19 mg g-1,而叶片P含量则低于其值,为1.33 mg g-1。对于所有样本,河西走廊叶片N:P比值为15.70。就个体分组而言,灌木和草本的叶片N:P比值分别为16.81和14.80。河西走廊所有样本叶片和灌木叶片N:P的比例指数为1.29,高于草本叶片的比例指数（1.08）。灌木和草本的叶化学计量没有显著的纬度和经度格局。同时,其与年均降水量(MAP),年均温(MAT)和土壤元素也没有显著的相关性。但是,草本的叶片化学计量与海拔高度和干旱程度有显著的相关性。这些结果表明,河西走廊的植物可能受N和P的共同限制,灌木主要受土壤P的限制,而草本主要受土壤N的限制。比例指数关系表明,叶片的N:P比值变化是等距的。随海拔的升高,草本叶片C和N含量的二次回归以及叶片P含量的线性回归反映出三种元素对MAT随海拔高度变化的不同响应,可以用植物生理假说和生物地球化学假说解释。随着干旱程度的降低,草本叶片的N和N:P比值显着增加,这表明,草本植物生长受到的P限制逐渐增加,并且随着MAP的增加而增大N有效性。综上所述,不同海拔和干旱模式下的草本和灌木叶片化学计量揭示了河西走廊不同旱生植物的可塑性生存策略。此外,河西走廊中草本叶片的化学计量指标可以作为由干旱引起的环境变化的指标。     

氮磷施肥对拟南芥叶片碳氮磷化学计量特征的影响

研究植物碳(C)氮(N)磷(P)化学计量特征, 有助于了解C、N、P元素的分配规律和确定限制植物生长的元素类型, 理解生长速率调控的内在机制。该研究基于盆栽施肥试验, 测定不同N、P供应水平下拟南芥(Arabidopsis thaliana)叶片的生物量和C、N、P含量, 分析拟南芥的限制元素类型、验证生长速率假说、探讨N、P的内稳性差异和C、N、P元素间的异速生长关系。主要结果如下: 盆栽试验基质中限制元素是P, 施N过多可能引起毒害作用; 拟南芥的生长符合生长速率假说, 即随着叶片N:P和C:P的增加, 比生长速率显著减小; 叶片P含量存在显著的调整系数(3.5), 但叶片N含量与基质N含量之间无显著相关; 叶片N和P含量具有显著的异速生长关系, 但不符合N-P^3/4关系, 施P肥导致表征N、P异速生长关系的幂指数(0.209)显著低于施N肥处理(0.466)。该研究首次基于温室培养实验分析了拟南芥C、N、P的化学计量特征及其对N、P添加的响应, 研究结果将为野外研究不同物种、群落或生态系统的化学计量特征提供参考。     

Nitrogen addition affects plant biomass allocation but not allometric relationships among different organs across the globe

全球尺度上氮添加影响植物生物量分配但不影响不同器官间的异速生长关系 生物量在不同器官间的分配是植物对环境变化响应的一个关键生态生理学过程。然而,在全球尺度上有关不同陆地生态系统植物生物量分配对氮沉降响应的认识还比较欠缺。本文通过整合分析333篇已发表文章的5474个观测值,基于“最优分配假说”和“异速分配假说”,评估了全球尺度上氮添加对植物生物量及其在不同器官间分配的影响。结果表明：(1)氮添加显著增加了整株植物或不同器官的生物量,降低了根冠比和根质量分数,但对叶质量分数和茎质量分数无显著影响;(2)氮添加对不同器官质量分数的影响受实验条件、植物功能性状、纬度、氮添加率等因子单独或交互作用的调控;(3)氮添加对生物量在不同器官间的异速分配率无显著影响,表明氮添加导致的根冠比和根质量分数减少是在异速分配模式下由整株植物生物量增加而致。虽然氮添加改变了地上和地下部分的质量分数,但不同器官生物量间异速分配模式的稳定性表明“异速分配假说”能更好地描述植物生物量分配对氮添加的响应规律。该研究结果将有助于深入认识氮沉降环境下植物生物量的分配规律,同时表明将生物量分配纳入有关氮沉降对陆地生态系统影响的预测模型中的重要性。     

森林生态系统中植食性昆虫与寄主的互作机制、假说与证据

围绕"多样性稳定性"假说、"联合抗性假说"、"生长势假说"、"胁迫假说"、以及下调、上调和推拉等机制与假说提出的背景与实验验证的证据,力图辨析其概念以及它们之间的相互关系。作者认为,多样性-稳定性机制关注森林生态系统的功能,是基于群落甚至景观层次。多样性条件下的联合抗性机制和联合易感性应属于稳定性中的抵抗力范畴。联合抗性机制的主要基础是基于资源集中假说和天敌假说,这些观点在种群层次上更易理解;上调力和下调力机制是以食物网底部的资源与顶端的天敌来探讨这种互作关系。因此,资源集中与上调力有着对应关系,而天敌假说只是下调力机制中的一个层面而已。植物生长势假说和植物胁迫假说力图从植物个体或种的群体的生长状态出发解析植食性动物的对寄主的选择趋势。上述有关植食性昆虫与寄主互作的机制、假说与证据是基于不同的层面提出的,因而在解析研究目标时,由于基本面的差异有可能会得出不同的结论。以近年来的研究进展和研究成果为依据有针对性地阐述这些理论对森林有害生物生态调控技术的指导作用,其中,联合抗性和联合易感性理论对指导森林有害生物生态控制具有更直接的指导作用。进一步提出了相应的亟待解决的科学问题。     

探究非绿叶植物的光合作用

光合作用是高中生物学中重要的一部分,现行各个版本的高中教材均将绿叶中色素的提取作为一个重要的实验。自然界中非绿叶植物虽然只占很小的比例,但是由于叶片的颜色与常见的绿色叶片不同,使其光合作用很容易引起学生的注意,作为学生课外探究实验非常具有可行性。本实验通过提取、分离非绿叶植物叶片中的色素及测定其色素的作用光谱来探究非绿叶植物的光合作用,并以此为契机引入探究实验的一般模式．引导学生掌握科学探究的过程。     

生长素与植物叶片衰老调控

作为植物叶片发育的最后一个阶段,叶片衰老的启动和进程由遗传程序严格控制,并受到内外源不同因子的协同调控.多种植物激素对叶片的衰老发挥重要的调控作用,目前认为乙烯、脱落酸、水杨酸、茉莉酸和油菜素甾醇等激素促进植物叶片衰老,而细胞分裂素和赤霉素则抑制植物叶片衰老.传统观念曾认为生长素对植物叶片衰老起负调节作用,但近年来越来越多的实验证据表明生长素是叶片衰老的正调节因子.本文旨在对生长素在叶片衰老调控中的功能和研究历程进行简要综述,为进一步理解植物叶片衰老调控中的激素功能奠定基础.     

农田生态系统植物多样性对害虫种群数量的影响

着重分析植物多样性影响害虫发生为害及种群数量的生态学机制,综合评述了关于这种机制的两种主要假说,即天敌假说和资源集中假说．同时总结了植物多样性增大和减少对害虫控制的有利和不利因素．研究表明农田生态系统中植物多样性的增大在多数情况下能导致某些害虫种群数量的下降,但是目前很难就不同栖境中所有类型的害虫形成一般性的结论     

植物叶片延迟发光的光谱特性

采用生物超微弱发光探测技术,对绿宝石喜林芋成熟叶片在特定波长下的延迟发光特性进行了测量和分析,得到在400 nm~640 nm波长范围内其延迟发光衰减参数"1/P"随波长变化的光谱特性。实验结果表明:叶片在各个特定波长下"1/P光谱"特性不同;植物叶片延迟发光主要集中在大于500 nm的长波波段,在这个波段内延迟发光强度最大;衰减参数1/P随波长的增加而上升,当波长大于500 nm时,衰减参数1/P相对稳定,在这个波段条件下衰减参数1/P最大。     

甘南高寒草甸植物元素含量与土壤因子对坡向梯度的响应

通过测定甘南高寒草甸不同坡向条件下25科86种植物叶片氮(N)、磷(P)、钾(K)含量、有机碳(C)含量、叶片含水量和相对叶绿素(SPAD)值,以及不同坡向的土壤含水量、有机碳、全氮、全磷含量等土壤指标,分析了不同坡向植物叶片元素含量与土壤环境因子之间的关系。研究结果表明,在南坡-北坡梯度上,随着土壤含水量的增加,植物叶片P含量、叶K含量和叶片含水量显著增加,而相对叶绿素显著降低。土壤养分含量与植物叶片P、叶K含量和叶含水量显著正相关,与叶片相对叶绿素显著负相关。说明不同坡向条件下叶片养分含量受土壤因子的影响显著,土壤的水分及养分状况对植物叶片元素含量的贡献不同。土壤含水量是坡向梯度上影响植物叶片特征的最主要因子。坡向梯度上土壤含水量对植物叶片各种元素含量的影响和植物叶片含水量对不同土壤因子的响应模式支持了生长在南坡的植物能以提高水分和养分利用效率而适应南坡较为干旱和贫瘠的生境。     

2002年生物奥赛冬令营实验试题(续)

(三)植物学实验题(100分)(四)动物学实验题(一). 观察指定的几种植物叶片的切片,描述它们的解剖学特征.根据这些特征指明它们属于哪一类型的植物(旱生植物、湿生植物、中生植物、沉水植物、浮水植物和挺水植物)的叶片,并说明你的依据.其中第一号切片中,有两个同一植物的不同叶片的切片,但结构上有差异.说出它们的区别是什么,并说出形成这种差异的原因。(40分)(二). 根据你所掌握的植物学知识,设计下列几个实验(设计要具体,如所需要的实验材料、仪器设备、试剂药品的浓度和配制方法以及操作方法等),用文字详细说明.(每小题各15分)A.观察植物…     

利用延迟荧光研究DCMU对植物光合的影响

敌草隆（DCMU）阻断植物光合器官类囊体膜上的电子从QA到QB的传递。延迟荧光（DF）是光系统Ⅱ（PSⅡ）反应中心电荷分离效率的内在探针。本文以菠菜叶片作为实验材料,从DF衰减动力学及其总强度的变化研究了DCMU对植物光合作用的影响。DCMU作用后叶片DF衰减动力学曲线表明在快相部分有明显上升趋势,而慢相部分出现下降。不同DCMU浓度处理叶片后延迟荧光强度与叶片光合速率的变化表现出很好的相关性。研究结果表明,植物延迟荧光能很好的表征植物叶片DCMU处理后光合速率的变化。