温性典型草原羊草光合特性对模拟放牧因素分解的响应

放牧是一种复合胁迫，包括采食、践踏、粪尿返还等因素。为明晰放牧对草原影响的过程与机制，通过刈割、人工模拟踩踏、人工粪尿添加来模拟家畜放牧过程，以羊草为例，研究了株高、盖度、干重以及羊草叶片的光合特性对放牧分解因子的响应。结果表明，采食及包含采食因子的处理显著降低了羊草的盖度、高度及干重，但提升了羊草叶片的净光合速率（P_n）、蒸腾速率（T_r）、气孔导度（G_s）、胞间CO₂浓度（C_i），降低了羊草叶片的水分利用效率（WUE）。羊草株高与羊草叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO₂浓度、蒸腾速率显著负相关，与水分利用效率显著正相关；土壤含水量与气孔导度、胞间CO₂浓度、蒸腾速率显著正相关。相对而言，践踏和粪便以及它们的交互作用对羊草的影响比采食弱。综合可得，家畜的采食是放牧对温性典型草原羊草光合特性影响的主要因子。     

两种土壤类型对羊草生物学特征的影响

研究两种土壤类型对羊草个体和群落生物学特征的影响。结果表明,在碱化草甸土,羊草的叶宽、净光合速率和气孔导度均低于风沙土型,而单株重则高于后者,而叶长、蒸腾速率和水分利用效率差异不显著。碱化草甸土型羊草的群落密度、地上生物量均高于后者,而根冠比则低于后者。株高、凋落物量及地下生物量在两者间差异不明显,碱化草甸土型羊草群落土壤呼吸及凋落物分解排放的CO₂量均高于风沙土型。     

CO2浓度升高、干旱胁迫和氮沉降对白羊草光响应曲线的影响

为揭示白羊草(Bothriochloa ischaemum (L.) Keng.)对全球气候变化的光合生理特征响应规律,采用盆栽控制试验,研究了白羊草在不同CO₂浓度、水分条件和施氮水平下叶片的叶绿素含量和光响应曲线特征。结果表明:随CO₂浓度升高和施氮量增加,白羊草叶片SPAD值,最大净光合速率(P_max),表观量子效率(AQE)和光饱和点(LSP)均呈增加趋势;干旱胁迫降低了SPAD值,P_max和LSP。多因素方差分析表明,CO₂浓度,水分处理和施氮水平对SPAD值,P_max和LSP有极显著影响,施氮水平对AQE有极显著影响。CO₂浓度和水分处理对P_max,AQE和LSP有显著的交互作用;CO₂浓度和施氮水平对P_max,AQE和光补偿点(LCP)有极显著的交互作用;水分处理和施氮水平对P_max,AQE和LSP有极显著的交互作用。RDA分析表明氮素是影响白羊草光合特征的最重要因素。全球CO₂浓度升高和氮沉降增加对干旱胁迫引起的白羊草光合速率下降有显著的缓解作用。     

CO2浓度对高羊茅抗旱性及水分利用效率的影响分析

为探明CO₂浓度对高羊茅(Festuca arundinacea)抗旱性及水分利用效率的影响机制,通过控制土壤水分及大气CO₂浓度条件获得不同生境中高羊茅的生理光合参数,利用对比和统计分析的方法研究高羊茅的生理特征变化,并对影响高羊茅水分利用效率、蒸腾速率、净光合速率变动的主要环境因子进行了甄别与分析。结果表明:高大气CO₂浓度对干旱胁迫给高羊茅带来的负效应具有补偿作用,可提高高羊茅的抗旱性;在高大气CO₂浓度和干旱胁迫的交互作用下,影响高羊茅水分利用效率的主要环境因子是大气CO₂浓度,而该效应产生的主要原因是蒸腾作用的减弱;高羊茅的净光合速率及蒸腾速率主要受气孔导度等限制因素的影响。在高大气CO₂浓度和干旱胁迫交互作用时,蒸腾速率与气孔导度成线性关系,且R²超过0.97;而净光合速率除受气孔导度影响外,还与叶绿素含量及胞间CO₂浓度关系显著,是多种因素综合作用的结果。     

苜蓿光合速率日变化及其与环境因子的关系

利用LI-6400光合仪测定苜蓿叶片净光合速率,研究其日变化及与环境因子的关系。结果表明:苜蓿叶片净光合速率、蒸腾速率日变化均呈现"双峰"曲线,有明显的光合"午休"现象;净光合速率峰值出现在10:00和13:00,分别为33.55和27.88μmol CO₂·m^-2·s^-1,第1峰值大于第2峰值;蒸腾速率的峰值出现在11:00和14:00,比光合速率滞后1小时;相关分析表明,苜蓿净光合速率与光合有效辐射、气孔导度呈极显著正相关(r=0.8433^**、0.8223^**),与田间CO₂浓度呈极显著负相关(r=-0.8125^**);在光照强度、CO₂浓度、气温和空气湿度4个环境因子中,影响净光合速率日变化的主要因子是田间CO₂浓度。     

两个生态型羊草对CO2浓度倍增的光合生理响应

对松嫩草原黄绿型和灰绿型两个生态型羊草,进行光合生理特性测定。结果表明,在高CO₂浓度条件下灰绿型羊草的光量子利用率高于黄绿型,光合能力较强。在弱光条件下,前者光合速率高于后者,在强光下二者相差不大。随着CO₂浓度的升高,二者光补偿点和饱和点均升高。与灰绿型相比,黄绿型羊草呼吸较弱而光饱和点和水分利用率高,因此比前者更适应向阳、干旱的生境条件。二者气孔导度差异显著,灰绿型羊草的气孔导度起点较高,对光钝感,黄绿型起点较低,随着光照强度的增加,气孔导度随之增加,甚至在CO₂浓度等于700μmolmol^-1时的强光条件下高于前者。气孔导度和光量子利用率的差异是导致二者光合作用曲线不同的原因。酶系统活性是导致高CO2浓度时光合速率降低的主要因素。     

荒漠植物红砂地上和地下生物量分配关系对大气CO2浓度升高及降水量变化的响应

植物的生物量在各器官中的分配可反映植物对环境的适应性及其生长策略。未来大气CO₂浓度显著升高将引起降水量的变化,而这种变化必将对荒漠植物的生物量分配产生严重影响。本研究以荒漠优势植物红砂（Reaumuriasoongorica）1年生苗木为试材,采用开顶式CO₂控制气室模拟CO₂浓度变化（350 μmol·mol^-1和700 μmol·mol^-1）,研究了降水变化（-30%,0,+30%）及其与CO₂的协同作用对红砂生物量分配及相关生长关系的影响。结果表明：CO₂浓度升高对不同降水量下红砂地上和地下生物量均具有显著的促进作用（P<0.05）;降水减少,红砂生物量向地下分配的比例增加,但CO₂增加会减弱这一作用;CO₂浓度升高和降水变化通过影响红砂地上和地下器官的相对生长来影响生物量在不同器官中的分配,6种处理下的红砂地上-地下生物量分配斜率与1.0差异不显著,其相对生长关系均表现为等速生长。未来大气CO₂浓度升高及降水变化下,红砂生物量分配模式对环境变化的响应在一定程度上支持了最优分配假说。     

模拟CO2升高及降水变化对红砂碳氮特征的影响

为探讨荒漠植物红砂根、茎、叶在CO₂升高与降水变化条件下的碳氮含量及分配特征,以当年生民勤红砂为试验材料,利用开顶式CO₂控制气室,研究了350、550及700 μmol·mol^-13种CO₂浓度和降水减少30%(-W₂)、减少15%(-W₁)、自然降水(W₀)、增加15%(+W₁)和增加30%(+W₂)5个降水变化下红砂根、茎、叶的有机碳、全氮含量、C/N及有机碳和全氮积累(吸收)量。结果表明:1)相同降水条件下,CO₂浓度升高使根、茎、叶有机碳含量显著增加,全氮含量显著减少;在-W₂降水量和700 μmol·mol^-1CO₂浓度时根有机碳含量增幅最大(13.33%),在+W₁降水量和700 μmol·mol^-1CO₂浓度时叶全氮含量降幅最大(56.31%);CO₂浓度升高使红砂根、茎、叶C/N显著升高,对有机碳、全氮积累(吸收)量影响显著。2)相同CO₂浓度条件下,降水增加对根、茎、叶有机碳含量及全氮含量影响显著;550 μmol·mol^-1CO₂浓度和+W₂降水量时叶有机碳含量增幅最大(11.56%),700 μmol·mol^-1CO₂浓度和+W₂降水量时叶全氮含量降幅最大(35.31%);降水量对红砂根、茎、叶的C/N及有机碳、全氮积累量影响显著。3)在CO₂浓度升高与降水变化下,红砂有机碳含量在根中最高,全氮含量在叶中最高,C/N在根中最大,红砂有机碳、全氮积累(吸收)量在叶中最高。综上所述,未来CO₂浓度升高及降水改变的情况下,红砂生长情况取决于CO₂浓度与降水量的协同作用对有机碳、全氮含量的影响,CO₂浓度升高会在一定程度上减缓干旱对红砂碳氮吸收及利用的抑制作用,在湿润条件下能有效地增强红砂对碳氮的吸收及利用能力。     

不同温度和CO2浓度生长环境下小麦麦秸的消化率研究

本试验以优良中筋小麦“扬麦14”为试验材料,在小麦整个生育期提高CO₂浓度和温度,分为4组:空白组,升温组,CO₂组,升温和CO₂混合组,空白组小麦生长平均温度10.5 ℃,CO₂浓度413 μmol/mol,升温组温度高于空白组2 ℃,CO₂组浓度500 μmol/mol,升温和CO₂混合组同时提高温度与CO₂浓度,收割时采集麦秸用于体内消化试验。用3头装有永久性瘤胃瘘管的荷斯坦奶牛,采用尼龙袋法评定温度和CO₂浓度升高环境下小麦秸瘤胃的降解特性。结果显示,与空白组相比,升温组DM快速降解部分显著升高(P<0.05),ADF降解率与ADF慢速降解部分显著降低(P<0.05);CO₂组DM,OM,NDF及ADF降解率均显著降低(P<0.05),且DM,OM与NDF有效降解率显著降低(P<0.05);混合组DM,OM,NDF及ADF降解率均显著降低(P<0.05),DM,OM及ADF慢速降解部分显著降低(P<0.05),DM,OM与NDF有效降解率显著降低(P<0.05)。不同处理后麦秸DM,OM,NDF与ADF瘤胃内降解率从高到低为空白组、升温组、CO₂组和混合组。综合以上结果表明,温度和CO₂浓度升高降低了麦秸DM,OM,NDF及ADF瘤胃内降解率,导致麦秸营养价值降低,温度升高对降解率影响最小,其次为CO₂浓度升高,温度和CO₂浓度同时升高对麦秸营养价值的影响最为显著。     

高浓度CO2对热胁迫条件下高羊茅生长和抗氧化系统的影响

大气CO₂浓度及温度逐年上升是当前全球范围内主要的两大气候特征,但不断升高的大气CO₂浓度可以缓解高温对植物生长发育带来的负面影响。为了探究高浓度CO₂在多年生禾草生长和抗氧化系统方面对热胁迫的响应,本试验以高羊茅(Festuca arundinacea cv. ‘Barlexas’)为材料,进行CO₂[当前浓度(400 μmol/mol)和高浓度(800 μmol/mol)]和温度[(最适生长温度(25/20 ℃)和热胁迫温度(35/30 ℃)]处理。结果表明,高温导致高羊茅的生长速率(G_r)、净光合速率(P_n)、光化学效率(F_v/F_m)、绿叶数、活性氧清除物质[超氧化物歧化酶(SOD)、过氧化氢酶(CAT)、过氧化物酶(POD)、抗坏血酸过氧化物酶(APX)]活性等显著下降,叶片黄绿比、电解质渗漏率(EL)、丙二醛(MDA)、活性氧[过氧化氢(H₂O₂)、超氧阴离子(O₂^-·)]显著上升;热胁迫处理28 d时,高浓度CO₂较正常CO₂浓度使细胞膜稳定性增强(EL、MDA分别降低72%和39%),光合能力提高(P_n、F_v/F_m、绿叶数分别升高174%、17%和165%),活性氧积累减少(H₂O₂、O₂^-·含量分别下降46%和31%)。以上结果说明:高浓度CO₂通过提高高羊茅在热胁迫下的光合能力,维持细胞膜的稳定以及减少体内活性氧的积累减弱了热胁迫对植株的伤害,从而提高了高羊茅的抗热性。     

红砂对大气CO_2浓度升高及降水变化的生长响应

以荒漠植物红砂(Reamuria soongorica)为试材,采用开顶式CO_2控制气室模拟CO_2浓度变化(350,550和700μmol·mol–1),研究了降水变化(-30%,-15%,0,+15%,+30%)及其与CO_2的协同作用对红砂生长特性的影响。结果表明:在6、7、8月份,CO_2浓度增加对5种降水下红砂的株高、地上生物量、根生物量和总生物量均有增肥效应,且降水增加时的增肥效应大于降水减少时的。6、7月份,红砂的根质量分数和根冠比在5种降水下均随CO_2浓度的升高而降低;而在8月份仅降水为-15%时,CO_2浓度增加可促进红砂的根质量分数和根冠比。综上所述,未来降水增多时,CO_2浓度升高可促进红砂地上生物量积累来获取更多资源;降水减少,CO_2浓度增加可促进地下生物量的分配来适应干旱环境,但这种调节作用与降水的多少及处理时间长短有关。     

松嫩草地不同降水区土壤盐碱化程度与羊草生产力关系的比较研究

松嫩草地生产力同时受到降水和土壤盐碱化的制约,但是在降水变化的背景下土壤盐碱化与草地生产力的相关性仍不清楚。本文基于松嫩草地降水的带状分布特征和野外样地调查数据,分析了不同降水量地区土壤盐碱化与羊草生物量的相关性,并利用系统聚类分析法对每个调查区土壤pH值、电导率和容重进行聚类,划分出盐碱胁迫低、中和高3个类群,探讨不同降水区土壤盐碱化指标对羊草地上生物量影响的变化趋势。结果表明：不同降水区,羊草生产力与土壤盐碱化指标间相关性不同。降水较高的草地东部和降水较少的西南部羊草地上生物量和土壤容重呈显著负相关,降水适中的草地中西部羊草地上生物量和土壤pH值呈显著负相关,羊草生物量总体随着盐碱胁迫呈负指数衰退,但各降水带内衰退主要因子和衰退影响程度有所不同。     

藏北高寒草地样带物种多样性沿降水梯度的分布格局

 在藏北高原高寒草地样带上对４０个围栏内草地群落物种多样性和地上生物量进行测定,探讨了生长季降水对高寒草地生物量和物种多样性分布格局的影响以及地上生物量－物种多样性之间的关系模式。结果表明,降水格局显著地影响藏北高原内部高寒草地群落物种丰富度、多样性和均匀度,群落结构特征与初级生产力关系密切;藏北地区高寒草地地上生物量、物种丰富度、Ｓｈａｎｎｏｎ－Ｗｉｅｎｅｒ指数和Ｐｉｅｌｏｕ均匀度指数随生长季累积降水呈指数增加趋势;在高寒草地群落物种丰富度－生产力关系研究中单峰模式的判别系数R^２（０．７５４）略高于线性回归模型（０．７４３）。沿藏北高原样带高寒草地物种丰富度随地上生物量单调递增,单峰模式的单调递减区间并未出现;然而单峰模型预示着在地上生物量高于１２１．１７ｇ／ｍ^２ 的高寒草地群落物种丰富度可能随生物量单调递减,从而使物种丰富度－地上生物量表现为较为标准的单峰模式;Ｓｈａｎｎｏｎ－Ｗｉｅｎｅｒ多样性指数和Ｐｉｅｌｏｕ均匀度指数与地上生物量也均呈单峰模式,但其单调递减区间窄于单调递增区间,峰值分别对应的草地群落地上生物量为７１．９０和６０．９０ｇ／ｍ^２。     

黄土区封育和放牧草地物种多样性和地上生物量对氮素添加的响应

氮素添加对草地生态系统地上生物量具有普遍促进作用,但对解释引起物种多样性丧失的机制仍存在较大争议。本研究以黄土高原半干旱区长期封育和连续放牧草地为对象,通过设置不同氮素添加水平来探索两种典型的草地管理方式下群落地上生物量、物种多样性、群落组分结构对氮素添加的响应及其异同以及物种多样性与地上生物量的关系,并研究这些响应的潜在生态学机制。结果显示,1)氮素添加显著提高长期封育草地地上生物量的同时降低了物种多样性;放牧草地群落地上生物量、物种多样性对氮素添加的响应与封育草地相同,但其响应程度均小于封育施肥草地;2)草地群落物种多样性随地表凋落物生物量增加而降低,随植被透光率增加而升高; 3)封育施肥草地Shannon-Wiener多样性指数与地上生物量存在显著线性负相关关系,而放牧施肥草地的物种多样性与地上生物量不存在显著的相关关系。以上结果表明放牧能够减缓施肥对物种多样性的负效应,在轻微降低物种多样性的前提下显著提高群落地上生物量,是一种合理的草地管理方式。     

Decreasing Precipitation Variability Does Not Elicit Major Aboveground Biomass or Plant Diversity Responses in a Mesic Rangeland

Inter- (between years) and intra- (within year) annual variability of precipitation are high on rangelands. We used replicated rainout shelters in a southern tallgrass prairie ecosystem to decrease precipitation variability for 3 yr (1999–2001). We removed interannual variability in total precipitation plus either 1) interannual variability in the seasonal distribution of precipitation (seasonal distribution) or 2) all additional variability in precipitation, including within-year differences in precipitation (even distribution). Our objective was to determine if decreasing variability in precipitation elicits aboveground biomass and plant diversity responses. Aboveground biomass was harvested in June (peak biomass) and December (end of growing season). Plant species diversity, richness, and evenness were determined each June. Reducing precipitation variability had limited effects on total aboveground biomass, grass and forb biomass, and biomass of key species across the 3 yr of investigation. Species richness, species diversity, species evenness, and functional group richness and diversity all were similar across the precipitation treatments across years. Total aboveground biomass and biomass of the dominant C4 perennial grasses little bluestem (Schizachyrium scoparium) and Indiangrass (Sorghastrum nutans) generally were not responsive to the precipitation treatments. However, one species-specific response did occur with the annual forb firewheel (Gaillardia pulchella Foug.) displaying consistent increases in biomass in the seasonal distribution precipitation treatment across all 3 yr. This suggests that increased predictability of precipitation at a given stage of this species’s growth can elicit changes in productivity of a single species that are not manifest at the community level due to constraints of the dominant species. These findings indicate that the southern tallgrass prairie ecosystem is adaptable to changes in precipitation to result in relatively stable production that facilitates simpler predictions in response to altered precipitation regimes.     

生物多样性与生产力间的关系及对降水变化的响应

为研究降水变化对草地生物多样性与生产力关系的影响,以当地自然降水量为标准,利用人工控制方法模拟50%,100%和140%3个降水梯度,并运用重要值不等概抽样,人工模拟5个生物多样性水平,以地上植物量代表生产力,探讨生物多样性与生产力在降水变化背景下的关系。结果表明:在降水减少50%的情况下,生产力与生物多样性呈接近负相关的U型关系,生产力随物种数的增加而降低;在降水不变情况下,生产力与生物多样性呈U型相关关系;生产力与生物多样性在降水量增加40%的情况下呈现更典型的U型相关关系。同时,随着降水量的增加,生物多样性与生产力格局由接近负相关的不明显的U型相关关系转变为明显的U型相关关系,水分条件的改善使生物多样性水平高的组合生产力显著提高。     

物种多样性和生物量分布规律对冻土活动层埋深变化的响应

全球变化背景下,冻土环境变化对地上植被的影响是近年来倍受关注的重大科学问题。鉴于此,在长江源区冬克玛底流域分析了植物物种多样性和生物量空间分布规律及其对冻土活动层埋深变化的响应。结果表明, 1)地上植被的物种多样性指数随着冻土活动层埋深的增加表现出非单调性递减;在冻土活动层埋深约2 m时,物种多样性指数较高(Patrick指数、Shannon-Wiener指数和Simpson指数分别为:26.43±3.31,2.06±0.38和0.83±0.08)。2)生物量的垂直分布规律整体表现出地下生物量明显高于地上生物量,地下生物量占总生物量的63%~96%。3)地上生物量和地下生物量与活动层埋深均具有显著的相关性(R²=0.65,P<0.01; R²=0.79, P<0.01),随着活动层埋深的增加呈现出明显下降趋势。4)活动层埋深对0~40 cm深度的地下生物量的垂直分布具有显著影响。活动层埋深约1 m时,地下生物量垂直变化很小;活动层埋深大于1.5 m时,呈倒金字塔形分布;活动层埋深大于3 m时,10~40 cm深度的地下生物量占总地下生物量的比例随着活动层埋深(3.11~4.81 m)的增加而增加。     

不同放牧率对内蒙古典型草原地下生物量的影响

放牧明显地影响着草原植物地下地上生物量及其比例以及光合产物在地上地下部位的分配。结果表明,地下生物量随着放牧率的增大而呈下降趋势,但不同年份的变动较大,地下地上生物量的比例随着放牧率的增大而增大,但地下生物量与地上净初级生产力的比例则随着放牧率的增大而减小,而降水量的大小可改变其变化趋势。在退化冷蒿草原,地上净初级生产力占总生物量(地上＋地下生物量)的比例随着放牧率的增大而增大,而在干旱条件下光合产物对地上部的分配有所减少。与围栏条件下羊草和大针茅草原比较,退化冷蒿草原的根系有表层化的趋势。     

松嫩草地植物功能生态学研究

随着功能生态学的发展,植物功能生态学研究越来越受到重视.以松嫩草地为对象,调查该区域植被状况及功能性状特征,通过控制试验研究刈割、施氮、植被低矮稀疏化等干扰条件下羊草(Leymus chinensis)性状和羊草群落特征的变化,探讨在自然和干扰条件下物种丰富度、功能群丰富度、物种多样性指数、功能性状多样性与群落地上生物量的关系. 松嫩草地66种草本植物7个叶片性状特征表明:叶片厚度变异系数最大,比叶面积、叶片氮含量、叶片磷含量、叶绿素含量和类胡萝卜素含量之间存在显著的正相关关系;叶片干物质含量与叶片磷含量没有显著的相关关系,但是与其他叶片性状成显著的负相关关系;叶片厚度与叶片干物质含量和比叶面积成显著的负相关关系,但是与其他叶片性状不相关.方差分析表明,叶片干物质含量、比叶面积、叶片厚度、叶片氮、叶片磷含量在4个功能群(多年生根茎禾草、多年生丛生禾草、多年生杂类草、1年生或2年生植物)间差异显著,叶绿素含量和类胡萝卜素含量在各个功能群间差异不显著.多年生根茎禾草和多年生丛生禾草有较高的叶片干物质含量和较低的比叶面积、叶片厚度和叶片氮和磷含量.松嫩草地草本植物叶片氮和磷含量分别为22.7±0.9 mg·g^-1和1.8 ±0.0 mg·g^-1,氮磷比为13.0,氮相对缺乏. 松嫩草地植物群落生产力高,群落饱和度低,优势种在群落中占的比例大.多年生根茎禾草和多年生杂类草群落物种丰富度最高,各群落间功能群丰富度没有显著差异,1年生或2年生植物群落地上生物量最高.地上生物量与多样性关系表明,株高、叶面积和叶片氮含量等功能性状多样性比物种丰富度、功能群丰富度、均匀度和辛普森指数等多样性指标能更好的预测生产力的变化,支持质量比假说,草地管理中应集中于优势种的管理. 秋季或春季不同时间刈割,对群落植物物种丰富度和功能群丰富度都没有显著影响.群落高度性状与地上生物量有显著的正相关关系,物种丰富度、功能群丰富度和功能群多样性与地上生物量关系不显著. 氮添加对羊草的叶绿素a和b含量、类胡萝卜素含量、叶片氮含量、叶片干物质含量、比根长都有显著的作用;羊草的叶绿素a和b含量、类胡萝卜素含量、叶片氮磷含量、叶片干物质含量、比茎重、株高与羊草的地上生物量都有显著的相关性.氮添加处理对羊草群落的物种丰富度和功能群丰富度均没有显著的影响.氮添加当年,地上生物量随着物种丰富度和功能群丰富度的增加有减少的趋势,但是不显著. 不同高度和密度立枯物处理间羊草的比叶面积、比茎重、植株高度、叶片数、叶绿素a和b含量、类胡萝卜素含量及叶片氮含量都有显著的差异.随着植被低矮稀疏化,群落物种丰富度和地上生物量均有降低趋势.植被高度变化对羊草性状、群落特征的影响要大于植被密度.