物种间功能性状差异是生态系统物种共存的核心问题之一,但功能性状种内变异对物种共存和分布的影响仍有待研究.本研究基于林冠塔吊平台,以长白山阔叶红松林10种主要组成树种为研究对象,分析叶片形态、生理生化功能性状沿林冠垂直梯度的变化规律.结果发现:随着林冠垂直高度的增加,叶厚、比叶重、类黄酮、有效光化学量子产量、叶片碳氮比呈增加趋势.不同树种间叶片功能性状差异显著,种间变异显著影响形态和化学性状,而种内变异对生理性状变异贡献较大,且上冠层性状种内变异高于下冠层,而种间变异在垂直梯度上变化不明显.阔叶红松林叶片功能性状在林冠垂直梯度上存在显著差异,表明种间变异对阔叶红松林物种共存具有重要的意义,但种内变异亦不可忽视.

荒漠短命植物具有异时萌发现象,除在春天萌发外,秋天偶尔也会萌发,但在夏季萌发的植株十分罕见.降水格局的改变使得短命植物夏萌植株出现的概率增加,然而,夏萌植株的生活史策略仍不清楚.选择古尔班通古特沙漠南缘沙垄4个不同坡位、坡向(西坡底部、西坡中部、东坡中部、东坡底部),以短命植物层片中的优势物种尖喙牻牛儿苗夏萌植株为研究对象,解析尖喙牻牛儿苗夏萌植株在不同生长时期关键性状和生物量分配的动态变化,并探讨沙垄不同坡位、坡向的协同效应.结果表明:(1)尖喙牻牛儿苗夏萌植株跨过冬季后在早春完成生活史,生活周期为281.95±3.55 d.(2)在不同生长时期尖喙牻牛儿苗夏萌植株根冠比存在差异,在越冬前根冠比呈现出显著增加趋势(P＜0.05),而越冬后呈现显著递减的趋势(P＜0.05).(3)沙垄不同坡位、坡向尖喙牻牛儿苗夏萌植株关键性状存在显著差异,表现为西坡的株高、叶片数量和单株生物量均显著大于东坡,但不同坡位、坡向间根冠比无显著差异.探究沙垄不同坡位、坡向尖喙牻牛儿苗夏萌植株生活史策略对评估气候变化背景下的荒漠生态系统植被动态具有重要意义.

利用苔藓植物开展裸岩工程创面生态修复是一条低成本、高效益的潜在新途径,巨量苔藓种源的供给是实现这种新措施工程化应用的根本前提,而掌握特定藓种生长的发育特征及关键影响因子则是实现这一目标的首要任务.以秦岭地区石生优势藓种——羽枝青藓(Brachytheciumplumosum)为研究对象,利用野外原位观测、室内组织培养及养分施加试验,通过观测生长指标(主茎长、覆盖面积、分枝长和分枝数)和形态变化,了解其自然发育特征和不同繁殖体类型及养分供给模式对其生长发育的影响.结果表明:(1)羽枝青藓通过特有的形态特征适应岩石表层环境.主茎生长时,其侧边分枝同步发育、且表现的较为密集.(2)微生境显著影响羽枝青藓发育.与冠层间相比,冠层下除光照强度降低幅度较大外(15％-55％),空气湿度、温度的变化幅度较小,但羽枝青藓的生长速率提高3倍以上.(3)羽枝青藓的茎和叶片都有发育为配子体的潜力,但茎的再生能力优于叶片,且二者的发育模式不同.接种茎的成活率达到100％,配子体由茎直接再生,发育的原丝体未分化,主要发挥定殖和养分吸收的作用;叶片的成活率仅3.3％,发育过程中先产生原丝体,再分化为配子体.(4)长期营养液供给可能对岩石表层的苔藓生长产生负面影响.Hoagland营养液在试验前期促进了羽枝青藓生长,但也加剧了致病菌和藻类发育,导致后期羽枝青藓发黄枯萎.总的来看:羽枝青藓对逆境有较强的适应性,对微环境变化敏感,周围生长条件适宜时可快速向外扩张.不同的繁殖体和营养液供给模式都会对羽枝青藓的生长产生显著影响.开展羽枝青藓种源扩繁生产时应充分借鉴这些研究结果.

本文对内蒙古锡林郭勒草原不同灌丛化阶段(轻度、中度、重度)下小叶锦鸡儿的种群特征及其土壤影响因子进行研究.结果表明:在草原轻度-中度-重度灌丛化的发展过程中,小叶锦鸡儿的密度和高度逐渐增加,两阶段密度和高度分别增长196.0％、34.5％和25.4％、17.6％.小叶锦鸡儿的冠幅、基径、每丛分蘖数和地上生产力均呈先减少后增加的趋势,地上生物量向叶片的分配比例减少.小叶锦鸡儿在中度灌丛化阶段与草本植物之间的竞争最为强烈,其通过减少横向生长如冠幅、基径和每丛分蘖数,增加密度和高度以获取竞争优势.在不同灌丛化阶段小叶锦鸡儿所受到的土壤限制因子明显不同.在轻度灌丛化阶段,土壤因子对小叶锦鸡儿生长的限制作用较小;在中度灌丛化阶段,深层(20～50 cm)土壤水分和土壤pH是限制小叶锦鸡儿密度的关键因素;在重度灌丛化阶段,深层土壤水分和pH限制小叶锦鸡儿纵向生长的主要因素,浅层(0～20 cm)土壤水分和养分是限制灌从横向扩张的主要因素.

夜间液流可通过叶片气孔流失,即夜间蒸腾,也可存储在茎干中,即茎干充水.从夜间液流中区分夜间蒸腾与夜间茎干充水是一个亟待解决的难题.预测充水法由于其便捷性被广泛应用,但其准确性备受质疑.为了系统分析现有的不同预测充水法在夜间液流组分划分中的准确性与适用性,该研究以毛白杨(Populus tomentosa)为实验材料,利用热扩散探针在高1.3 m处和7.0 m处进行液流测量,结合高度差法和预测充水法分别在茎干充水和夜间蒸腾上的准确性优势,分析对比4种传统预测充水法的估算效果.就4种预测充水法对不同高度液流进行分析得出的夜间蒸腾量而言,仅基于线性衰减模型的预测充水法(Line法)误差不显著,其他方法均存在较大偏差.采用4种预测充水法估算的茎干充水量与高度差法所得结果相比,仅基于蒸腾反推的预测充水法(Et法)的预测结果与之存在极显著差异,其余预测法差异均不显著,且Line法偏差最小.基于以上结果,该研究提出"液流高度差预测充水法"作为夜间液流组分划分新方法,可将夜间液流划分为3个组分,即茎干充水、冠层充水和夜间蒸腾.新方法通过高度差法提高对冠层以下茎干充水量估算的准确性,通过误差最小的Line法提高冠层充水组分和叶片蒸腾组分划分的准确性.新方法计算的夜间充水约为76.5％,较现有研究提高了 19.8％-26.5％.划分出的夜间液流组分对环境因子的响应结果表明,空气水汽压亏缺(VPD)与浅层土壤含水率为夜间充水的主要影响因子,夜间蒸腾在夜间液流中的占比与VPD呈非线性负相关关系.

为深入了解树冠位置对植物叶形态性状的影响,在常绿乔木香樟树冠上下2 层和东南西北4个方位开展调查取样,系统分析了不同树冠位置间叶形态性状(叶长、叶宽、叶厚、叶柄长、叶柄直径和叶形指数)及其异速生长关系的差异性.结果表明,叶形态性状在不同树冠方位间均差异显著,但上下2层变化趋势不完全一致.在树冠上层,除叶形指数和叶炳长外,其余4个性状均表现为东侧最大.在树冠下层,除叶形指数外,其余 5个性状指标均表现为东侧最小.在同一方位上,叶形态性状在上下2层间也存在一定差异,其中叶形指数多为下层高于上层,而其他形态性状多呈相反趋势.此外,树冠层次和方位的交互作用对叶片长、叶片厚、叶柄长和叶柄直径有显著影响.各层次和各方位叶形态性状间多为异速生长关系(即异速生长指数不等于 1),且多无显著差异.在所有树冠层次和树冠方位,叶宽与叶厚、叶宽与叶炳长、叶长与叶厚及叶长与叶柄长之间均呈异速生长关系.可见,树冠位置对香樟叶形态性状的影响较大,但形态性状间的异速生长关系相对稳定,这是香樟叶形态性状表型可塑性和内在关系稳定性的重要体现.

[目的]褐飞虱Nilaparvata lugens种群监测的自动化和智能化尚未实现.本研究旨在探究水稻受褐飞虱危害后冠层光谱和温度以及叶片叶绿素相对含量与为害虫量的关系,建立基于高光谱、热成像和叶绿素等多信息融合的误差反向传播(back propagation,BP)神经网络监测褐飞虱的方法,为田间褐飞虱种群监测向自动化与智能化方向发展提供方法支持.[方法]在可控条件下利用方形塑料框培育水稻,并在分蘖期接入雌雄1:1配对的不同对数(0,1,2,3,4,5,6和7对)的褐飞虱雌、雄成虫,然后连续多次(接虫后16,27,32,44和60 d时)调查接虫区水稻上褐飞虱虫量(每4穴稻上个体数),并采用高光谱仪和热成像仪分别测定水稻冠层光谱反射率和冠层温度,利用土壤和植物分析仪器开发(soil and plant analyzer development,SPAD)叶绿素仪测定叶片叶绿素的相对含量(SPAD值);采用Pearson相关法分析各测量指标与褐飞虱虫量的相关性;采用多元散射校正对光谱反射率数据进行降噪处理;采用连续投影算法对高光谱反射率数据进行降维和敏感波段筛选;分别以光谱反射率单一信息及其与冠层温度和SPAD值融合后的多源信息为输入量,采用普通和加入粒子群算法优化的BP神经网络建模,构建褐飞虱为害不同时段后种群大小的神经网络监测模型.[结果]褐飞虱为害后水稻冠层光谱在近红外的730-930 nm波段反射率、水稻冠层温度与气温的差值(冠气温差)和叶片的SPAD值均与褐飞虱虫量呈显著负相关.利用连续投影算法筛选出的冠层光谱敏感波段处反射率并降噪后建立的BP神经网络监测5个危害时段褐飞虱虫量的预测集决定系数R2在0.504～0.892之间;融合冠层光谱、冠气温差和叶片SPAD值等多信息建立的BP神经网络监测褐飞虱虫量的预测集R2提升到0.640～0.975;在多源信息基础上再选用粒子群优化(particle swarm optimization,PSO)算法优化BP神经网络后监测褐飞虱虫量的精度提高,预测集R2提升到0.931～0.991,模型预测效果好.[结论]基于水稻冠层高光谱与热成像和叶片SPAD值等多信息融合的PSO-BP神经网络方法监测褐飞虱虫量的精度高、效果好,有望用于田间褐飞虱种群的自动监测.

目的:探索旱作区调节蒙古黄芪土壤水热、促进蒙古黄芪冠层发育和抗旱增收的栽培模式.方法:采用裂区设计,设置立旋耕和普旋耕2种旋耕方式,黑膜、玉米秸秆和露地栽培3种覆盖方式,研究立旋耕和地表覆盖对蒙古黄芪土壤水热、冠层发育及产量的影响.结果:因种子成熟期蒙古黄芪耗水量较大,其0～100 cm 土壤贮水量低于苗期和花期,但立旋耕覆黑膜和普旋耕覆黑膜两个覆膜处理在苗期至种子成熟期0～100 cm 土壤贮水量均显著高于普旋耕+露地栽培(CK);不同处理苗期至种子成熟期8:00、14:00和18:00不同深度土层温度均呈先增加后降低的趋势,其中立旋耕覆黑膜处理与CK的土壤温差在花期最高(5.5℃);不同处理苗期至种子成熟期蒙古黄芪冠层温度均表现为CK最高,立旋耕覆黑膜处理最低;蒙古黄芪各生育期叶片叶绿素含量相对值(SPAD值)、叶面积指数(LAI)、单根鲜重、产量和经济收益均以立旋耕覆黑膜处理最高,立旋耕露地栽培、立旋耕覆黑膜和立旋耕覆秸秆处理各指标均显著高于CK.结论:立旋耕结合地表覆盖可使蒙古黄芪处于相对稳定的土壤水热环境中,尤其立旋耕覆黑膜是促进旱作区蒙古黄芪冠层发育、提高土壤水热和产量的重要栽培模式.考虑到覆黑膜会对环境造成污染,立旋耕露地和覆秸秆栽培模式可代替覆黑膜应用于蒙古黄芪的栽培生产中.

[目的]前山带是天山北坡山地-绿洲-荒漠生态系统的重要组成部分,探讨植物对干旱胁迫的动态生理适应性和抗旱性评价方法,筛选植被恢复的适宜树种,对该区域植被生态恢复具有重要意义.[方法]以新疆天山北坡前山带种植的12种植物为研究对象,观测灌水后土壤水分时空变化,分析干旱和复水对植物光合和抗逆生理指标的影响,采用主成分分析评价12种植物的抗旱能力.[结果](1)干旱胁迫后,土壤水分散失在0-20 cm层最快,20-40 cm层次之,40-60 cm层最慢,不同植物采用不同策略改变生长情况来适应干旱;(2)干旱胁迫后,叶片净光合速率(Pn)、气孔导度(Gs)、蒸腾速率(Tr)、胞间CO2浓度(Ci)、PSⅡ潜在活性(Fv/Fo)、PSⅡ最大光化学效率(Fv/Fm)、电子传递速率(ETR)和叶绿素含量降低,而抗逆生理指标超氧化物歧化酶(SOD)活性、脯氨酸含量、丙二醛(MDA)含量及非光化学淬灭系数(qN)升高,复水后各指标都有一定程度的恢复,但均未达到初始水平;(3)主成分分析结果显示,P、叶绿素含量、ETR和MDA含量等指标贡献率较大,梭梭、柽柳、刺蔷薇和柠条锦鸡儿抗旱性较强,'中亚沙棘'、'新棘5号'、'新棘1号'和山杏次之,而'新棘4号'、'新棘3号'、文冠果和'新棘2号'较弱.[结论]Pn、叶绿素含量、ETR和MDA含量可作为评价植物适应干旱的重要指标;新疆天山北坡前山带植被生态恢复应优先选择梭梭、柽柳、刺蔷薇及柠条锦鸡儿进行建植.

高寒草甸具有辐射强、低气压、风大、昼夜温度骤变等不利于植物生长的环境特征,为了探讨中国特有种大理白前(Cynanchum forrestii)对高寒环境的生态适应,以川西南九龙县高寒草甸(海拔3 100～3 500 m)的大理白前为对象,采用光学显微镜技术和扫描电镜技术研究了大理白前的形态解剖特征,并采用TCC法分析了花粉和种子的生活力.结果表明:大理白前的叶、茎、花均被有丰富的单列细胞组成的表皮毛;叶片和茎的表皮角质层较厚;叶的气孔较大而下生,栅栏组织和海绵组织发达;茎表皮细胞小、细胞壁厚,皮层由7层细胞组成,排列紧密,细胞内储藏有丰富的物质,维管柱所占比例较大,木射线数量较多,髓部发达且储藏物质丰富;根维管组织发达,皮层细胞储藏有丰富的物质;种子和花粉活力较高、合生花冠、合蕊柱、种子具有种毛,以及种皮厚而坚硬等特征为提高繁殖效率提供了保障.上述结果表明,大理白前具有一整套适应高寒环境的外部形态和内部结构特征,使其保持较高的抗辐射、抗旱和抗寒能力,为大理白前在高寒环境中成功生存和繁衍奠定了结构基础.