新一代遥感技术助力生态系统生态学研究

随着气候变化和人类活动的加剧, 生态系统正处于剧烈变化中, 生态学家需要从更大的时空尺度去理解生态系统过程和变化规律, 应对全球变化带来的威胁和挑战。传统地面调查方法主要获取的是样方尺度、离散的数据, 难以满足大尺度生态系统研究对数据时空连续性的要求。相比于传统地面调查方法, 遥感技术具有实时获取、重复监测以及多时空尺度的特点, 弥补了传统地面调查方法空间观测尺度有限的缺点。遥感通过分析电磁波信息从而识别地物属性和特征, 反演生态系统组成、能量流动和物质循环过程中的关键要素, 已逐渐成为生态学研究中必不可少的数据来源。近年来, 随着激光雷达、日光诱导叶绿素荧光等新型遥感技术以及无人机、背包等近地面遥感平台的发展, 个人化、定制化的近地面遥感观测逐渐成熟, 新一代遥感技术正在推动遥感信息“二维向三维”的转变, 为传统样地观测与卫星遥感之间搭建了尺度推绎桥梁, 这也给生态系统生态学带来了新的机遇, 推动生态系统生态学向多尺度、多过程、多学科、多途径发展。因此, 该文从生态系统生态学角度出发, 重点关注陆地生态系统中生物组分, 并分别从生态系统类型、结构、功能和生物多样性等方面, 结合作者在实际研究工作中的主要成果和该领域国际前沿动态, 阐述遥感技术在生态系统生态学中的研究现状并指出我国生态系统遥感监测领域发展方向及亟待解决的问题。     

叶面喷施亚精胺对高温胁迫下番茄叶绿素合成代谢的影响

以设施番茄栽培品种‘金棚朝冠’幼苗为试验材料,研究叶面喷施0.25 mmol·L~(-1)亚精胺(Spd)对高温胁迫下(38℃/28℃,昼/夜)番茄幼苗生长及叶绿素合成过程中前体物质含量、关键酶活性和叶绿素含量的影响,探讨Spd缓解番茄高温胁迫伤害的生理机制。结果表明:(1)高温胁迫显著抑制了番茄幼苗的生长,叶面喷施Spd可有效缓解高温胁迫对番茄幼苗地上部生长的抑制作用,但对于地下部的生长无显著缓解作用。(2)高温胁迫下番茄叶片叶绿素合成前体物质δ-氨基酮戊酸(ALA)和胆色素原(PBG)的含量显著提高,而尿卟啉原Ⅲ(UroⅢ)、原卟啉Ⅸ(ProtoⅨ)、镁-原卟啉Ⅸ(Mg-protoⅨ)和原叶绿素酸(Pchl)的含量显著降低,证明叶绿素前体由PBG向UroⅢ的转化受阻,导致叶绿素a(Chla)、总叶绿素(Chlt)含量和Chla/Chlb显著降低。(3)叶面喷施Spd能增强高温胁迫下胆色素原脱氨酶(PBGD)活性,有效缓解了高温胁迫对PBG到UroⅢ转化的阻碍作用,促进PBG之后叶绿素合成前体物质的合成,Chla含量和Chla/Chlb显著增加。研究发现,高温胁迫显著抑制番茄幼苗的生长,叶面喷施Spd可通过显著增强PBGD活性来缓解由PBG向UroⅢ的受阻程度,促进高温胁迫下番茄叶片的叶绿素前体合成,提高叶绿素含量和番茄植株的生长量,减轻高温胁迫对番茄幼苗生长的伤害。     

一株降解煤油菌株的筛选与鉴定

本文通过从污水处理厂活性污泥中分离得到一株高效降解轻油(煤油)细菌5092-2,通过形态学、16S rRNA鉴定该菌为Mangroveibacter sp.。进一步对其生长条件进行了研究,发现该菌在23℃到38℃、pH为5.0到9.0范围内生长无明显差异。在温度为35℃,pH 7.2~7.4,160 r/min培养7 d,菌株降解煤油的能力达到52.3%,具有进一步研究的价值。     

叶黄素循环和D1蛋白周转在毛竹叶片光保护中的作用

利用叶绿素荧光技术,对强光胁迫下以及叶黄素循环抑制剂-二硫苏糖醇(DTT)和D1蛋白合成抑制剂-硫酸链霉素(SM)处理后毛竹(Phyllostachys edulis (Carr.) Lehaie)的光抑制特征进行研究。结果显示:在夏季中午强光或人为强光胁迫下,毛竹叶片最大光化学效率Fv/Fm均显著降低;在下午光强减弱或黑暗、弱光条件下,Fv/Fm可有效恢复。DTT和SM均可抑制毛竹叶片非光化学淬灭(NPQ),且DTT效果明显优于SM。另外,在强光下,DTT和SM处理均能使毛竹叶片Fv/Fm、实际光化学效率Y(Ⅱ)和光化学淬灭qP等荧光参数下降幅度增大。研究结果表明毛竹叶片具有完善的光破坏防御机制,NPQ与叶黄素循环和D1蛋白周转紧密关联,在叶片光保护机制中具有重要作用。     

一株氯霉素降解细菌的分离鉴定与代谢特性研究

微生物是介导环境中氯霉素降解转化的主要驱动者,但高效降解矿化菌株资源匮乏,氧化反应介导的代谢途径不清。为研究微生物介导下氯霉素的环境归趋过程,为氯霉素污染环境强化修复提供菌株资源,文中以受氯霉素污染的活性污泥为接种源,首先富集获得一个由红球菌Rhodococcus主导 (相对丰度>70%) 的氯霉素高效降解菌群,并从中分离获得一株能够高效降解氯霉素的菌株CAP-2,通过16S rRNA基因分析鉴定为红球菌Rhodococcus sp.。菌株CAP-2能在不同营养条件下高效降解氯霉素。基于菌株CAP-2对检测到的代谢产物对硝基苯甲酸和已报道的代谢产物对硝基苯甲醛和原儿茶酸的生物转化特征,提出其降解途径是由氯霉素侧链氧化断裂生成对硝基苯甲醛,进一步氧化为对硝基苯甲酸的新型氧化降解途径。该菌株对于氯霉素分解代谢的分子机制研究以及受氯霉素污染环境的原位生物修复应用具有巨大潜力。     

植物-固定化菌剂联合修复多环芳烃污染土壤

以火凤凰根际土壤中发现的3种优势菌[分枝杆菌(Ⅰ)、产黄纤维单胞菌(Ⅱ)、少动鞘氨醇单胞菌(Ⅲ)]构建的多菌剂体系为供试菌剂,针对大港油田原油污染土壤,将固定化供试菌剂接种于修复植物火凤凰根际,探讨供试菌剂强化火凤凰修复多环芳烃(PAHs)污染土壤的效果。结果表明: 处理ⅠⅢ(有效活菌数为10⁹ cfu·mL^-1)和ⅠⅡⅢ(有效活菌数为10⁷ cfu·mL^-1)对PAHs的降解有促进作用,PAHs降解率分别为32.2%和41.4%,均显著高于相应对照处理。此外,处理ⅠⅡⅢ对火凤凰的地下生物量有明显促进作用,比对照处理增加了31.2%。表明由3种优势菌构建的多菌剂ⅠⅡⅢ可以作为火凤凰修复PAHs污染土壤的强化手段,为微生物强化植物修复技术提供了新的修复思路及方法。     

C/N驱动优势细菌菌群变化影响堆肥碳氮损失和腐殖质合成

为了探明C/N如何驱动堆肥过程中优势细菌菌群的变化而影响碳氮损失和腐殖质合成,设置3个C/N处理(20∶1、25∶1和30∶1),以羊粪和玉米秸秆为原料进行堆肥试验。结果表明: 与20∶1处理相比,30∶1和25∶1处理堆肥的碳、氮损失分别降低了33.5%、18.9%和23.6%、10.8%。优势细菌菌群、碳氮损失及有机碳组分的冗余分析表明,高C/N提高了堆肥中固氮细菌的种类和丰度,降低了反硝化细菌的种类和丰度,减少了堆肥过程中的碳氮损失;高C/N促进了木质纤维素类降解菌的生长繁殖,促进了富里酸和胡敏素降解而合成更多胡敏酸,提高了堆肥腐殖化程度。可见,C/N可通过影响堆肥中关键优势细菌菌群而影响堆肥过程和堆肥质量,调节堆肥原料C/N可以调控堆肥中碳氮损失和腐殖质的合成,从而提高堆肥质量并减少堆肥的二次环境污染。     

24-表油菜素内酯对干旱胁迫下辣椒叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线的影响

以辣椒品种“超辣九号”为试材,采用15%的PEG6000模拟干旱,研究了0.1μmol·L^-1外源24-表油菜素内酯(EBR)处理对干旱胁迫下辣椒叶片快速叶绿素荧光诱导动力学曲线(OJIP)的影响。结果表明:干旱胁迫降低了辣椒叶片的光化学效率和光合性能,导致干旱光抑制的发生。干旱胁迫既损伤了辣椒叶片PSⅡ供体侧放氧复合体(OEC),同时也对PSⅡ反应中心和受体侧造成伤害,阻碍了光合电子传递;干旱胁迫还导致单位叶面积有活性反应中心数目(RC/CS)的下降,并降低了单位叶面积吸收的光能(ABS/CS)、捕获的光能(TRo/CS)和进行电子传递的能量(ETo/CS),同时诱导了单位叶面积热耗散(DIo/CS)的增加。这说明辣椒遭受干旱胁迫后启动了相应的防御机制,一方面通过PSⅡ的可逆失活减少光能吸收与传递,另一方面通过促进热耗散减少过剩激发能的积累。EBR处理改善了干旱胁迫下辣椒叶片PSⅡ受体侧的电子传递,缓解了单位叶面积有活性反应中心数目的减少,优化了光合电子传递的进行,并维持相对较高的热耗散能力,从而减轻了干旱光抑制程度,对干旱胁迫下辣椒叶片光合机构和光合性能起到保护作用。     

基于日光诱导叶绿素荧光的北半球森林物候研究

植被物候是反映植被生长规律的重要指标, 对气候的反馈具有重要意义。日光诱导叶绿素荧光(SIF)通过复杂的能量耗散机制与光合作用相关联, 提供了从空间直接探测大范围植被物候的可能性。为了探究气候变化背景下SIF反演不同森林类型物候的适用性, 该文以北半球35个全球通量网(FLUXNET)森林站点为研究对象, 利用2007-2014年SIF值和总初级生产力(GPP)通过双逻辑生长模型和动态阈值法来估算3种典型森林类型的物候, 并采用相关性分析等方法评价SIF在估算不同森林类型物候时的差异性。主要结果为: 1) SIF对生长季开始时间(SOS)的估算精度高于生长季结束时间(EOS); 2) SIF能够更准确地估算混交林(MF)的SOS, 但是不能精确追踪落叶阔叶林(DBF)和常绿针叶林(ENF)的SOS; 3)春季季前短波辐射是驱动SOS的主要气候因素。综上, 建议在将来的研究中将SIF数据与其他遥感指数整合, 应用于不同植物类型的物候监测。     

不同海拔短肋羽藓叶绿素含量与光合效率研究

以云南高黎贡山百花岭不同海拔梯度(1500～3100 m)的短肋羽藓(Thuidium kanedae)为材料,通过测定其叶绿素含量和实际光合量子产量,研究其光合特性随海拔梯度变化的规律。结果表明,短肋羽藓的实际光合量子产量Y(Ⅱ)与叶绿素总量、叶绿素a、叶绿素b含量及叶绿素a/b比值之间都呈负相关关系。随着海拔升高,其叶绿素总含量、叶绿素a及叶绿素b含量都呈先升高而后下降的“单峰”分布模式,但随着海拔进一步升高,叶绿素总含量及叶绿素a含量变化不明显,而叶绿素b含量呈现明显上升趋势。叶绿素a/b比值随着海拔升高先呈现“单峰”分布模式,然后随着海拔继续升高呈现缓慢下降的趋势。实际光合量子产量Y(Ⅱ)整体表现出随海拔升高而增加的趋势,并在高海拔处出现急剧上升的趋势。本研究为揭示苔藓植物在不同海拔梯度下适应生态环境的生理机制提供参考。