植物根系固岸抗蚀作用研究进展

植物根系对保持滨岸区域土壤岸滩的稳定性具有重要作用。本文从根系固岸机制、根系固岸的评价方法、植物根系与固岸抗蚀关系等几个方面对植物根系的固岸抗蚀作用进行了综述。在这些方面目前已经取得了许多富有价值的成果,但相比之下,西方国家处于领先地位,中国在这些方面的研究还较少,目前仍处于起步阶段。建议未来应加强植物根系季节或年际变化规律与岸滩侵蚀季节或年际变化规律研究的结合,以及植物地上部分管理措施对地下部分特性影响的研究。     

长白山苔原带凋落物生态化学计量特征及其对模拟氮沉降的响应

长白山苔原是我国乃至欧亚大陆东部独有的高山苔原,根据前人调查植被以灌木苔原为主要类型。在全球变暖背景下,近30年来,长白山岳桦林下的草本植物侵入苔原带,原生灌木苔原分化为灌木苔原、灌草苔原和草本苔原,形成了灌木、灌草混合和草本3种不同类型的凋落物,凋落物数量和质量发生显著改变。与此同时长白山苔原氮沉降量也在逐年增加,导致了土壤中氮的累积,势必影响凋落物的分解。凋落物作为连接植物和土壤的纽带,其分解过程中碳（C）、氮（N）、磷（P）等化学组分和化学计量比的变化直接和间接影响着土壤养分有效性和植物养分利用策略。为揭示氮沉降增加对长白山苔原带不同类型凋落物化学组分及生态化学计量特征早期变化的影响,开展了为期8个月的模拟氮沉降室内凋落物分解实验。在苔原带采集灌木优势种牛皮杜鹃和草本优势种小叶章的凋落物带回实验室,模拟灌木牛皮杜鹃群落、灌草混合的牛皮杜鹃-小叶章群落和草本小叶章群落的3种不同类型凋落物,设置三个施氮处理：对照（CK,0 g N m^-2 a^-1）、低氮（LN,10 g N m^-2 a^-1）、高氮（HN,20 g N m^-2 a^-1）。研究表明：（1）不施氮处理时,3种凋落物的C、P均呈释放状态,木质素（Li）呈先累积再略有降解趋势;牛皮杜鹃凋落物的N元素富集而其余两种凋落物N元素呈释放状态;灌草混合和草本凋落物比原生的灌木凋落物C和N元素释放快、Li累积少;而灌木凋落物的P释放略快于灌草和草本凋落物。3种植被类型凋落物的C/N、C/P、Li/N大小表现为：牛皮杜鹃凋落物>牛皮杜鹃-小叶章混生群落凋落物>小叶章凋落物;N/P表现为：小叶章凋落物>牛皮杜鹃凋落物>牛皮杜鹃-小叶章混生群落凋落物。（2）氮沉降促进3种类型凋落物分解过程中C、N和P化学组分的释放,且氮浓度越高促进作用越显著。在牛皮杜鹃凋落物分解过程中,氮素添加到达某一阈值后,其C/N、C/P、N/P、Li/N的降幅最大,后续若再增加氮素,其对化学计量比的影响均会减弱;本实验中的氮素添加量增加促进了小叶章凋落物的C/N、Li/N下降。（3）草本植物入侵引起凋落物类型的变化带来凋落物分解加快,将导致长白山苔原带养分循环的变化;氮沉降增加对小叶章凋落物化学组分的释放及C/N、Li/N的下降更为促进,小叶章凋落物内难分解化合物减少,分解受到促进。高氮沉降加快了小叶章凋落物与土壤、草本植物之间的养分循环。因此,随着未来苔原带氮沉降量的增加,将更有利于小叶章在与牛皮杜鹃的竞争中获胜,使苔原带呈现草甸化趋势。     

植物枝叶与根系耦合固土抗蚀的差异性

以4年生4种内蒙古鄂尔多斯地区常见水土保持植物柠条、沙柳、白沙蒿和沙棘为研究对象,选取反映枝叶防风特性和根系特性的13项指标,即单株防风效能、林带防风效能、群落防风效能、直根抗拉强度、代表根本构特征、代表根弹性模量、侧根分支处抗拉强度、累计根表面积、拉拔摩阻特性、根-土界面摩擦系数、累计根长、根-土复合体粘聚力、根-土复合体内摩擦角,采用层次分析法对春季大风和夏季暴雨2种自然条件下4种植物枝叶与根系耦合固土抗蚀的差异性进行评价.结果表明： 4种植物枝叶与根系耦合固土抗蚀指数为：春季大风条件下为沙柳(0.841)>柠条(0.454)>白沙蒿(-0.466)>沙棘(-0.829);夏季暴雨条件下为柠条(0.841)>沙柳(0.474)>白沙蒿(-0.470)>沙棘(-0.844).沙柳可作为研究区重要的防风抗蚀植物种之一;柠条则可作为研究地区重要的水土保持植物种之一.     

增温对苔原土壤和典型植物叶片碳、氮、磷化学计量学特征的影响

为探讨苔原植被对气候变暖的响应模式, 采用开顶箱增温法, 研究了3个生长季增温对长白山苔原3种代表植物——牛皮杜鹃(Rhododendron aureum)、笃斯越桔(Vaccinium uliginosum)和东亚仙女木(Dryas octopetala var. asiatica)的叶片及土壤碳(C)、氮(N)、磷(P)含量及其比值的影响。结果表明: 增温使土壤N和P的含量分别增加5.88%和4.83%, C含量降低13.19%; 增温和对照(不增温)条件下, 植物叶片的C、N、P含量及其比值在生长季有明显的变化。增温使笃斯越桔和东亚仙女木叶片的P含量分别增加10.34%和12.87%, 牛皮杜鹃则降低了16.26%, 增温并没有明显改变3种植物叶片的C、N含量, 但牛皮杜鹃和东亚仙女木叶片的C:N值在增温条件下呈现增加趋势。增温使土壤可利用的N、P含量增加。增温对3种植物的C:N值, 牛皮杜鹃、笃斯越桔的P含量, 以及东亚仙女木的C:P值都产生了显著的影响。结果表明增温增加了长白山苔原P元素对植物生长的限制, 且3种植物叶片的C、N、P化学计量学特性对增温的响应模式和尺度没有表现出一致性。     

氮输入对植物光合固碳的影响研究进展

植物光合固碳(C)是生物固C的重要途径和生态系统C循环中的重要环节。在全球环境变化背景下,研究氮(N)输入对植物光合固C的影响,对于更好的认识C、N循环过程及生态系统对全球变化的响应过程等具有重要意义。N输入是否能够增加植物固C取决于生态系统类型以及生态系统的N饱和度;草原和湿地生态系统N输入的临界负荷值较高,干旱、半干旱荒漠地区较低;N输入可能改变植物光合固C在各器官的分配,主要由植物生理、自身生长节律和环境养分等决定。由于物种和生态系统类型的差异,N输入对植物固C的影响仍具有很大的不确定性,目前缺乏准确、定量表达N输入对生态系统光合和C同化物分配影响的数学表达方法和过程算法。未来应着重加强N输入下C同化物分配的生物地球化学模型和N、P富集下植物光合固C耦合模型研究,并应用同位素标记和分子生物学技术,从生态系统角度综合探讨N输入下植物光合固C的分配和转化特征。     

植物根系吸水机理的研究进展

近年来,植物根系吸水机理在细胞、组织和整体水平上的研究进展非常迅速,对阐明植物抗旱机制及其高效利用有限水资源途径的探讨具有重要意义。本文主要对植物根的复合结构和根系在土壤中的分布、根系中水流性质等方面的最新研究状况进行了概述,特别详细地论述了水通道蛋白的表达及功能与根系中水分运动的关系、以及根系输水的调节和根系吸水过程中的信号传导方面的研究动态,并且评价了根的复合运输模型和根系吸水的数学模型等,最后就其可能生理意义及其应用前景作了评述。     

植物根系吸水机理的研究进展

近年来,植物根系吸水机理在细胞、组织和整体水平上的研究进展非常迅速,对阐明植物抗旱机制及其高效利用有限水资源途径的探讨具有重要意义.本文主要对植物根的复合结构和根系在土壤中的分布、根系中水流性质等方面的最新研究状况进行了概述,特别详细地论述了水通道蛋白的表达及功能与根系中水分运动的关系、以及根系输水的调节和根系吸水过程中的信号传导方面的研究动态,并且评价了根的复合运输模型和根系吸水的数学模型等,最后就其可能生理意义及其应用前景作了评述.     

模拟氮沉降对长白山苔原灌草混合群落中植物光合特性的影响

由于草本植物持续上侵长白山灌木苔原,形成了强烈的灌草群落种间竞争。本研究以牛皮杜鹃-小叶章群落（Comm.Rhododendron aureum-Deyeuxia purpurea）为对象,根据小叶章的入侵程度设置4种盖度差异显著的样方（无、轻度、中度、重度入侵）,并设3个施氮水平（自然状态、添加11.8 kgN·hm^-2·a^-1及添加23.6 kgN·hm^-2·a^-1）,进行原位氮沉降模拟实验,监测灌木牛皮杜鹃和草本植物小叶章光合特性的差异和变化趋势,研究小叶章入侵苔原带的内在生理机制。结果显示：（1）小叶章净光合速率大于牛皮杜鹃,小叶章盖度越高、其叶绿素含量越高,而牛皮杜鹃叶绿素含量降低,随着小叶章入侵程度的增加,其净光合速率增强;（2）施氮可以提高牛皮杜鹃和小叶章的叶绿素含量和净光合速率,促进植物生长,但小叶章的增幅更大,从而增强了小叶章的竞争优势;（3）施氮和小叶章入侵具有复合作用,小叶章盖度越大,对其施氮导致小叶章净光合速率与叶绿素含量的增幅越大,而牛皮杜鹃的增幅减小。所以小叶章的成功入侵可能与其具有较高的净光合速率有关,并且施氮有利于提高小叶章的净光合速率,随着氮沉降的继续增加,更有利于小叶章的生长并提高其竞争力。     

长白山高山苔原带雪斑地段牛皮杜鹃群落的土壤氮矿化与净初级生产力

采用土壤温度连续观测和土壤原位培养,研究了长白山高山苔原带雪斑地段牛皮杜鹃群落的土壤温度、土壤氮矿化及净初级生产力.结果表明: 在非生长季的积雪期(10月下旬-5月上旬),土壤养分呈上升趋势,土壤以氮矿化为主,为翌年植物的生长提供了充足的氮素.其中雪斑地段土壤(平均温度-3.0 ℃)的氮矿化能力更强,速效氮增加量为3.88 g·m^-2,非雪斑地段(平均温度-7.5 ℃)为1.21 g·m^-2. 在生长季节(5月中旬-8月下旬),土壤氮素含量下降,以固持为主;秋季植物停止生长后,土壤速效氮又呈上升趋势;到冬季,由于积雪的作用,雪斑地段土壤温度维持在0 ℃左右或略低,促进了土壤氮的矿化,而非雪斑地段土壤温度则处于冻结状态.氮素矿化能力的差异是雪斑地段牛皮杜鹃群落净初级生产力高于非雪斑地段群落的主要原因,也是植被空间分异的重要驱动因子.     

大气NO2影响植物生长与代谢的研究进展

二氧化氮(NO₂)是大气氮氧化物之一,是大气气溶胶颗粒形成的主要成分,降低大气NO₂浓度可减轻空气中的雾霾.大气NO₂通过干沉降和湿沉降两种方式降落到植物叶片.植物吸收NO₂后主要通过两种代谢途径来降低空气中NO₂浓度: 一是主要在细胞质和叶绿体中利用还原酶的氮代谢途径,二是在质外体和细胞质中的歧化反应.植物吸收NO₂干扰了植物正常的生长和生理代谢,包括: 植物营养和生殖生长,植物体内硝酸还原酶(NaR)活性、亚硝酸还原酶(NiR)活性、氮素吸收、光合等生理代谢过程.对目前国内外有关大气NO₂影响植物生长与代谢的研究进展进行了综述,并对植物吸收NO₂的生理及分子机制的未来研究方向进行了展望.     

浅层滑坡多发区典型灌木根系对边坡土体抗剪强度的影响

生态建设是"一带一路"可持续发展的基础,甘肃省陇南市位于"一带一路"核心区域,地处浅层滑坡多发区,地质灾害频发。通过单根抗拉试验和重塑土直接剪切试验对该区域四种典型灌木杠柳、胡枝子、酸枣和石榴的土壤及根系进行研究,探讨灌木根系对土壤物理性质和浅层滑坡的改善效应。结果表明,灌木根系能显著提高土壤含水率,改善孔隙结构;抗拉强度与根径间存在显著幂函数关系(P0.01),根径1 mm的毛细根抗拉强度最强,单根抗拉强度依次为胡枝子石榴酸枣杠柳;重塑土抗剪强度随土壤含水率升高而降低,土壤粘聚力(C)和内摩擦角(φ)均随含水率增加而减小,在10%的最优含水率下,抗剪强度依次为石榴酸枣杠柳胡枝子;随根系密度增加,杠柳和胡枝子的根-土复合体抗剪强度减小,酸枣和石榴在1.5倍天然根系密度下对土壤抗剪强度增强效果最强。通过评价浅层滑坡多发区不同灌木护土固坡效应,为"一带一路"沿线展开生态修复提供理论依据。     

生物炭介导植物病害抗性及作用机理

生物炭是生物有机材料在缺氧或限氧条件下经高温热裂解后生成的固体产物,在固碳减排、污染修复、土壤改良等方面具有较大的应用潜力。研究表明,生物炭在植物病害胁迫中也起重要的抗性作用。综述了国内外关于生物炭缓解植物病害的相关研究,重点介绍了生物炭在降低病害和提高植物抗性方面的作用机理。生物炭通过诱导植物增强系统抗性,改良土壤理化特性,改变土壤微生物群落结构,增加土壤有益微生物类群的丰度和活性,吸附病原菌及其产生的有毒物质等来降低病原菌对寄主植物的侵害作用,从而促进植物生长和增强植株抗病性。生物炭对病害的抗病效果与生物炭的原料类型、用量、土壤及病害类型等有关。未来的研究应重点应围绕"生物炭-土壤-植物病害"体系,借助组学手段,深入研究生物炭介导植物病害的分子机理。     

Penetration of very strong soils by seedling roots of different plant species

The abilities of seedling roots of twenty-two plant species to penetrate a strong growth medium were compared under controlled conditions. Seedlings were grown for 10 days in compression chambers filled with siliceous sandy soil at 0.2 kg kg^–1 water content and mean penetrometer resistance of 4.2 MPa. Root elongation and thickening were measured after growth. The results show that soil strength reduced the elongation of roots of all plant species by over 90% and caused the diameters of the roots to increase compared with control plants grown in vermiculite (0 MPa resistance).Differences in both root elongation and root diameter were observed among plant species. Generally, the roots of dicotyledons (with large diameters) penetrated the strong medium more than graminaceous monocotyledons (with smaller diameters). There was a significant positive correlation (r=0.78, p<0.05) between root diameter and elongation over all the species in the stressed plants. The species were ranked according to the relative root elongation and relative root thickening. Based on this ranking, lupin (Lupinus angustifolius), medic (Medicago scutelata) and faba bean (Vicia faba) were the species with the greatest thickening and elongation while wheat (Triticum aestivum), rhodesgrass (Chloris gayana) and barley (Hordeum vulgare) had the least. The weight of the seeds did not seem to influence either the thickening or elongation of the roots.     

一种量化根系抗侵蚀指标的构建及应用:根系构架抗蚀指数

在侵蚀环境下,植被地下部根系系统的相互匹配是植被群落持续发挥抗侵蚀作用的关键。本研究尝试引入Amoeba图形法,从根系形态、数量和空间3个维度建立根系构架抗蚀指数(ERI_rf,%)来量化表征植被群落根系抗侵蚀功效,并分析黄土丘陵区撂荒地、柠条群落和刺槐群落植物根系的生长特征。结果表明:本研究构建的根系构架抗蚀指数的参数包括:根系构架作用系数(α)、根系密度(R_b,kg·m^-3)、根系构架度(S)、土壤容重(ρ,g·cm^-3)和水土保持作用系数(φ),表达式为:■;根系构架抗蚀指数能够较好地表征植被群落土壤抗侵蚀能力,且对数函数能较好地拟合土壤抗侵蚀能力与根系构架抗蚀指数之间的关系。期望本研究结果为抗侵蚀植被群落构建与生态建设评估提供科学参考。     

The traction effect of lateral roots of Pinus yunnanensis on soil reinforcement: a direct in situ test

A traction effect by lateral roots is one way in which roots can contribute to lateral in-plane reinforcement of a shallow soil mass. ln contrast to the effect of vertically-extending roots, whereby soil is reinforced by an increase in its shear strength, the traction effect reinforces the soil by enhancing the tensile strength of the rooted soil zone. To verify whether or not a traction effect exists in the root system of a pine forest (Pinus yunnanensis French) in the Hutiaoxia Gorge, SW China, and to investigate the magnitude of this effect, a direct in situ test was conducted at two sites in the gorge. The results from the two sites showed that, in the topmost soil (020cm), the lateral roots are able to provide a tractive force of up to 421.19561.05 N over a vertical cross-section area of 20×50 cm², or an increase in the pulling resistance of the rooted soil by 33.237.58%.This is equivalent to a tensile strength increase of the shallow rooted soil by 4.25.6 KPa. The test results imply that, together with the pine's vertical roots, which anchor the shallow rooted soil zone to the deep and more stable soil mass, the lateral roots of the pine trees, through their traction effect, are able to mitigate against shallow instability in the forested slopes, such as shallow slide and creep, to a certain degree.     

隧道工程对喀斯特槽谷区坡面产流及土壤侵蚀的影响

隧道工程导致地下水系统被破坏,但由此可能带来的土壤侵蚀却很少被涉猎。在重庆观音峡背斜隧道密集影响区和非隧道影响区的两个相邻小流域建立径流小区,基于高分辨率水文数据结合δD-H₂O、δ¹⁸O-H₂O同位素,对比两径流小区坡面、壤中产流规律和地表侵蚀产沙特征。结果表明,观测年内隧道影响区坡面产流对降雨响应更快,地表径流系数0.027,侵蚀模数16.68 t km^-2 a^-1;非隧道影响区地表径流系数0.013,侵蚀模数7.73 t km^-2 a^-1。相反,隧道影响区产生的壤中流产流系数仅为非隧道影响区的31%。对一场强降雨监测发现,两径流小区坡面流中δD-H₂O、δ¹⁸O-H₂O相似,但壤中流中却差异较大。用氢氧同位素混合模型分析得出隧道影响区坡面流、壤中流中降雨贡献率均大于非隧道影响区,侵蚀能力更强。这与土壤含水率减小和土壤结构的差异有关：隧道影响区土壤中粘粒的含量高于非隧道影响区,且出现上粘下松的异常土壤结构,使土壤下渗能力降低,地表径流增加。较小的土壤含水率与土壤粒径也有利于土壤搬运。研究为隧道工程导致的喀斯特区水土流失研究提供了基础数据,为喀斯特区水土流失防治和石漠化治理研究提供了新视角。     

红壤坡地不同土地利用方式土壤侵蚀的时空分布规律研究

应用定位土芯Eu(Europium)示踪新方法 ,研究红壤坡地不同土地利用方式下土壤侵蚀的时空分布规律 .结果表明 ,新方法对以片蚀和细沟侵蚀为主的红壤坡地是适用的 ;土壤侵蚀的时间分布与降雨量的年时间分布相一致 ,过程性暴雨期表现为全年土壤侵蚀的高峰期 ;在复合坡面 ,随坡面的陡、缓、凹 ,土壤侵蚀表现强、弱、沉积 ;相同坡度和坡长条件下 ,幼龄板栗园的土壤侵蚀速率 >雷竹园 >稀疏马尾松林地 >茶园 .     

Root strength,growth, and rates of decay: root reinforcement changes of two tree species and their contribution to slope stability

Information on live root-wood strength, rates of root decay and root growth of both radiata pine (Pinus radiata D. Don) and kanuka (Kunzea ericoides (A. Rich.) Joy Thomps. var. ericoides) are combined to form a generalized conceptual model of changes in nett root reinforcement. The model provides an initial opportunity to rank the plant species having specific below-ground rooting habits that can be used to control erosion, and when linked with extreme flood probability can be used to indicate the risk of a storm likely to cause slope instability in the period between clear-felling and regrowth. Erosion-susceptible slopes planted 1 year after clearfelling in radiata pine at 1250 stems ha^-1 regain root site-occupancy in 4.7 years, an interval during which there is an 80% chance of experiencing an extreme flood. Similarly for radiata planted at 800 and 400 stems ha^-1, root site-occupancy is regained in 5.6 and 7.5 years, and the probability of occurrence of an extreme event within these periods is 85 and 90%, respectively. For erosion-susceptible slopes on which kanuka has become established, the probability of a significant event within the 2.8 years prior to root site-occupancy is 60%. Slopes felled of radiata pine are potentially more vulnerable to the stresses promoting slope instability, at least in the earlier years. This revised version was published online in June 2006 with corrections to the Cover Date.     

Effects of plant hedgerows on soil erosion and soil fertility on sloping farmland in the purple soil area

Effect of using plant hedgerows on controlling soil and water losses has received wide recognition and this technology has been applied in many areas in the world. Yet, studies on the effect of using plant hedgerows on soil fertility on sloping lands are rare. Carrying out an eight-year fixed field experiment, the authors investigated the effect of two different hedgerows against the control treatment on soil fertility. Results showed that clay particles tended to accumulate in front of the plant hedgerows and began to erode downward below the hedgerows along the contour lines across the field. Distribution of soil organic matter and all plant nutrients except potassium (K) showed the same pattern as the clay particles. Potassium, however, was evenly distributed in the field without any noticeable influence from the hedgerows. Since the fixed experiment started, soil phosphorus (P) kept accumulating, while soil organic matter and K were in depletion. The results accordingly suggested better nutrient management practices on the sloping lands by using properly reduced rates of P and increased rates of farm manure and K. Taking the sloping field as a whole, special attention in nutrient management should be given to the soil strips —the portions below the plant hedgerows suffering from more serious soil erosion.