环境DNA技术在地下生态学中的应用

地下生态过程是生态系统结构、功能和过程研究中最不确定的因素。由于技术和方法的限制,作为"黑箱"的地下生态系统已经成为限制生态学发展的瓶颈,也是未来生态学发展的主要方向。环境DNA技术,是指从土壤等环境样品中直接提取DNA片段,然后通过DNA测序技术来定性或定量化目标生物,以确定目标生物在生态系统中的分布及功能特征。环境DNA技术已成功用于地下生态过程的研究。目前,环境DNA技术在土壤微生物多样性及其功能方面的研究相对成熟,克服了土壤微生物研究中不能培养的问题,可以有效地分析土壤微生物的群落组成、多样性及空间分布,尤其是宏基因组学技术的发展,使得微生物生态功能方面的研究成为可能;而且,环境DNA技术已经在土壤动物生态学的研究中得到了初步应用,可快速分析土壤动物的多样性及其分布特征,更有效地鉴定出未知的或稀少的物种,鉴定土壤动物类群的幅度较宽;部分研究者通过提取分析土壤中DNA片段信息对生态系统植物多样性及植物分类进行了研究,其结果比传统的植物分类及物种多样性测定更精确,改变了以往对植物群落物种多样性模式的理解。同时,环境DNA技术克服传统根系研究方法中需要洗根、分根、只能测定单物种根系的局限,降低根系研究中细根区分的误差,并探索性地用于细根生物量的研究。主要综述了基于环境DNA技术的分子生物学方法在土壤微生物多样性及功能、土壤动物多样性、地下植物多样性及根系生态等地下生态过程研究中的应用进展。环境DNA技术对于以土壤微生物、土壤动物及地下植物根系为主体的地下生态学过程的研究具有革命性意义,并展现出良好的应用前景。可以预期,分子生物学技术与传统的生态学研究相结合将成为未来地下生态学研究的一个发展趋势。     

春季小降雨事件对科尔沁沙地尖头叶藜萌发的影响

通过人工模拟降雨试验研究了科尔沁沙地优势草本植物尖头叶藜萌发和幼苗建成对春季小降雨事件(2、4、8 mm和自然降雨)的响应。结果表明:不同降雨处理对尖头叶藜的萌发和幼苗建成有显著影响(P0.05)。8mm降水量是促使尖头叶藜萌发的最小降雨阈量。不同降雨量处理下尖头叶藜萌发数量大小顺序为:8mm处理对照4 mm处理2mm处理;而高度和冠幅依次是2 mm处理(2.23 cm和7.15 cm2.)对照(2.03 cm和6.21 cm2)4mm处理(1.86 cm和5.01 cm2)8mm处理(1.48cm和4.72 cm2);降雨量为8mm的地上生物量最多(45.26 g/m2),对照为35.49g/m2、4mm处理为26.54g/m2、2mm处理为15.26g/m2。尖头叶藜幼苗的水分利用效率与每次降水量呈显著地正相关关系,随着每次降雨量的增大地上生物量逐渐增大。本试验中各处理的总降雨量一致,但地上生物量不同且差异显著。每次降雨量×降雨次数的分布状况影响了尖头叶藜幼苗的地上生物量。科尔沁沙地尖头叶藜萌发及其幼苗建成在密度、形态和水分利用效率和地上生产力上对不同模式的小降雨做出了积极的响应。     

天山林区六种灌木生物量的建模及其器官分配的适应性

灌木全株生物量估算模型的构建仍存在一定困难,对灌木生物量在器官分配上所体现的适应性研究也不够充分。以天山林区6种常见灌木为研究对象,在天山的东段、中段、西段林区分别设置样地进行群落调查,由此以全株收获法取得6种常见灌木若干标准株的全株、根、枝、叶及各径级根的生物量,将D~2H(地径平方与高度的乘积)与V(冠幅面积与高度的乘积)分别选为估测模型的自变量,通过回归分析法建立了各种灌木全株生物量的最优估算模型,然后比较了此6种灌木全株生物量在营养器官上分配差异以及根系生物量在径级上的分配差异。结果表明:(1)天山林区6种常见灌木中,小檗(Berberis heteropoda Schrenk)、忍冬(Lonicera hispida Pall.ex Roem.et Schuet.)、栒子(Cotoneaster melanocarpus Lodd.)的全株生物量约为8.48—9.01 kg,蔷薇(Rosa spinosissima L.)、绣线菊(Spiraea hypericifolia L.)、方枝柏(Juniperus pseudosabina Fisch.et Mey.)的全株生物量约为2.71—3.20 kg;(2)蔷薇、绣线菊、栒子的全株生物量最优估测模型是以V为自变量的函数,小檗、忍冬、方枝柏的全株生物量最优估测模型是以D~2H为自变量的函数,各模型R~2值均在0.850以上,且在P0.05水平上达到显著,模型模拟结果达到了较高的准确度;(3)6种灌木全株生物量在根、枝上的分配比重差异不显著,仅在叶上的分配比重有差异(P0.05);根系生物量在径级上的分配均呈现随根系径级下降而减少的规律,6种灌木在径级大于2 mm根上的分配比重存在差异(P0.05,径级大于20 mm根为P0.01水平);(4)6种灌木全株生物量在营养器官上的分配差异以及根系生物量在径级上的分配差异均体现了各物种对其生境选择的适应策略。     

春玉米根系生育特征与冠层关系的研究

以农田实际观测资料为依据,分析了春玉米根系生育特征及其与冠层生长的关系,并提出了定量描述方程;较详细地阐述了水分条件对根系生长的影响,指出利用根系伸展深度确定灌溉计划湿润深度和进行根冠调控,以指导农田优化灌溉的可行性。     

生物扰动对红树林沉积物中AVS和重金属迁移转化的影响

红树林湿地是我国南方沿海地区极为重要的海岸生态环境系统之一,国内目前针对红树林湿地的研究主要集中于其生态系统功能,沉积物中重金属离子的生物可利用性等,却少有研究关注红树林生态系统中重要的生境改造者植物和蟹类对沉积物的生物扰动效应。从红树林湿地生态系统的植物根系和蟹类两方面,总结归纳了生物扰动对沉积物理化性质、AVS和重金属迁移转化行为的影响。具体包括生物扰动对沉积物的结构、含氧量、有机质、AVS、重金属和硫/铁离子的地化行为的影响效应等。在分析植物根系、蟹类行为对沉积物中重金属的重要结合态——AVS的影响效应的基础上,探讨了这些研究领域之间的相互联系,从而为进一步开展红树林沉积物中生物扰动、AVS及重金属地化行为的科学研究提供理论参考。     

损伤冷蒿挥发性有机化合物(VOCs)成分分析及其对牧草根系生长发育的影响

采用GC-MS测定损伤冷蒿VOCs的主要成分,并通过生物测定的方法研究损伤冷蒿VOCs对牧草幼苗根系生长发育的影响。结果表明:损伤冷蒿释放30种VOCs,包含萜烯类、醇类、酯类、醛类和酮类等5类化合物,其中相对含量高于1%的化合物共占VOCs总量的97.37%,桉树脑含量最高(22.43%)。损伤冷蒿释放的VOCs极显著(P0.01)的抑制草木樨、苏丹草、披碱草和冰草幼根的伸长,以及苏丹草侧根与冰草须根的发育,抑制率分别为51.55%、55.34%、37.57%、48.68%、93.04%和25.00%;同时也极显著抑制4种牧草幼根生物量的积累(P0.01)。损伤冷蒿VOCs影响牧草根部中柱组织结构的分化,使草木樨中柱内木质部、韧皮部与形成层不能正常分化;苏丹草、披碱草和冰草的凯氏带发育不完整。由此可见,损伤冷蒿VOCs对牧草根系生长发育具有明显的抑制作用。     

伊犁河谷不同生境苦豆子根系生态化学计量特征及其与土壤理化因子的关系

苦豆子(Sophora alopecuroides)为中旱生且耐盐碱,多生长于荒漠、半荒漠地带中的植物,属于新疆伊犁河谷山地草原典型毒害草之一,其强大的根系是吸收土壤养分的重要器官.本研究以伊犁河谷4种不同生境(林下、荒地、路边、农田)的苦豆子根系及其根际土壤为对象,分析苦豆子根系的化学计量学特征,结合冗余分析探讨苦豆...     

玉米幼苗根系分泌物对芘污染的响应

根际袋土培试验研究了玉米幼苗根系分泌物中的可溶性糖、低分子量有机酸和氨基酸对不同芘污染水平(50、200、800mgkg-1,记为T1、T2、T3)的响应差异,探讨芘胁迫下植物根系的生理生态效应。结果表明,较低浓度芘可适当地刺激玉米的生长,高浓度芘处理抑制了玉米的生长,并且抑制作用随芘处理浓度的提高而增强;芘对玉米根系的影响要大于对茎叶的影响。芘胁迫下促进了根系分泌可溶性糖、低分子量有机酸和氨基酸增多。T1、T2和T3处理根系分泌物中可溶性糖、低分子量有机酸、氨基酸含量分别是T0处理的1.14、1.81、1.35倍,1.24、4.31、2.94倍,1.58、5.56、5.40倍。不同芘污染水平下,乙酸分泌量表现为T2T3T1,酒石酸和柠檬酸分泌量表现为T3T2T1,草酸分泌量表现为T3≈T2T1。芘处理对根系分泌氨基酸种类的影响不大,而对各氨基酸分泌量的变化幅度影响较大;芘胁迫处理对于18种常见氨基酸组分的分泌量的影响各不相同。不同芘污染水平下,天门冬氨酸、丝氨酸和丙氨酸分泌量表现为T3T2T1,苏氨酸、谷氨酸、脯氨酸、甘氨酸、胱氨酸、缬氨酸、甲硫氨酸、异亮氨酸、亮氨酸、酪氨酸、苯丙氨酸、赖氨酸、组氨酸、γ-氨基丁酸、鸟氨酸分泌量表现为T2T3T1。     

人工控制有限供水对冬小麦根系生长及土壤水分利用的影响

试验在中国气象局固城农业气象试验基地的大型人工控制农田水分试验场进行。在底墒充足的条件下采用3种供水处理：拔节期一次性供水75mm(I1);返青供水37．5mm和拔节期供水37．5mm(I2);返青后生长期内无水分供给(Ick)。全生育期内用电动防雨棚遮去自然降水。试验结果表明,表层土壤(0～30cm)水多根多,根系反应敏感。上层干旱促使根系向深层发育,利用下层水量较多。I1处理减少表土层(0～30cm)的根量和根长密度,促进根系下扎,较多地利用深层土壤水分,并减少无效分蘖。虽然总穗数减少,但同I2、Ick相比籽粒数和籽粒重有较大幅度增加,提高了产量和水分利用率。根系吸水效率随土层深度增加呈下降趋势,I1在30cm以下其根系吸水效率超过了I2处理,并在100～200cm土层表现最为明显。Ick除0～30cm土层外,其余土层有效底墒供水率均较低;I1和I2两处理30～100cm有效底墒供水率均在84％以上,1～2m土层内I。大于I2。Ick由于土壤水分不足并未造成千粒重的明显下降,相反,3个处理中最高;土壤水分不足导致穗数、穗粒重、籽粒重和籽粒数的显著降低,从而造成了最终产量的降低。产量水平上的水分利用效率I1比其余处理提高了将近14％,其次为Ick,最低的是I2。在灌溉效率上,I1比I2提高了将近19％;在相同灌溉量的前提下,蒸腾效率I1比I2提高约7％。I1水分利用效率高于I2和Ick处理。可以认为：配合充足底墒,前期控水,有限的一定量的水分拔节期(关键期)一次供给比在返青和拔节分别供给,更为有效科学。     

南方型杨树人工林土壤呼吸及其组分分析

采用开沟隔离法,利用LI-8100型土壤呼吸测定系统,对15年生的南方型杨树(Populus deltoides)人工林土壤呼吸进行了研究,并试图区分根系呼吸和土壤微生物呼吸。结果表明,开沟隔离处理后的10个月内,由于土壤中被截断根系具有自养呼吸和分解作用,土壤呼吸中的根系呼吸与微生物呼吸尚难以区分。尽管如此,研究表明15年生杨树人工林的土壤总呼吸通量为9.74 tC.hm-.2a-1,其中,枯枝落叶等土壤表层凋落物分解所释放的碳通量是2.63 tC.hm-.2a-1,占总量的27.0%;林木根系呼吸与土壤微生物呼吸通量的和为7.11 tC.hm-.2a-1,占总量的73.0%。土壤各组分呼吸速率与10 cm深处的土壤温度之间存在着显著的指数函数关系。不同直径的杨树根系被截断后的活力变化有所不同,根系越粗,存活时间越长。