长期放牧改变了草地生态系统的土壤资源可利用性和微生物生物量化学计量.研究放牧荒漠草原土壤化学计量不平衡与微生物碳利用效率(CUE)的关系,有助于从微生物视角理解土壤碳动态.本研究依托2004年建立的内蒙古短花针茅荒漠草原长期放牧实验平台,以围封禁牧为对照,设置重度、中度和轻度放牧处理,测定了 土壤有效养分、微生物生物量及其获取的相关酶活性,并利用生态化学计量法对土壤微生物CUE进行计算.结果表明:与对照相比,放牧抑制了土壤微生物CUE,降幅为1.0％～10.3％;土壤C∶N不平衡在中度放牧处理下显著增加20.6％,C∶P不平衡和N∶P不平衡在重度放牧处理分别显著增加20.7％和25.2％,这表明土壤微生物群落更容易受N、P限制.土壤微生物群落通过调节元素阈值计量比和胞外酶的产生来维持自身化学计量平衡.结构方程模型结果表明,化学计量不平衡通过改变元素阈值计量比、微生物生物量化学计量和酶化学计量间接影响微生物CUE.

植物的叶片和细根是植物地上部分和地下部分最重要的营养器官,其碳(C)、氮(N)、磷(P)化学计量特征反映了植物的养分限制状况及叶片与细根间的协同作用,开展叶片与细根化学计量关系的研究,对认识植物养分利用策略及元素间平衡关系有重要意义.对西北干旱区21种荒漠植物叶片与细根C、N、P含量进行了测定,分析了 C、N、P含量及其计量比在不同生活型及不同器官间的关系.结果表明:1)西北干旱区荒漠植物叶片与细根C含量相对稳定,叶N、P含量高于细根,说明在干旱生境中,植物对养分的分配侧重于地上部分,以完成其正常的生命活动;叶片与细根的N∶P无显著差异,有明显的保守性,表明植物地上与地下部分养分吸收策略与分配规律具有一致性;2)不同生活型植物叶片和细根的C、N、P含量及C∶N、C∶P存在显著差异,灌木与禾草具有较高的C∶N和C∶P,杂类草具有较高的N、P含量,说明灌木与禾草倾向于保守型养分适应策略,杂类草倾向于快速生长的资源竞争策略;3)21种荒漠植物叶片与细根N、P含量间均存在显著的正相关关系,表明西北干旱区荒漠植物体内N、P元素间存在相互作用;4)植物叶片与细根间C、N、P含量及C∶N、C∶P存在等速生长关系,表明植物光合产物和养分在地上与地下部分间的分配具有平行的比例关系,但这种关系受生活型影响.上述结果表明西北干旱区不同生活型植物在恶劣生境中存在不同的养分适应策略,且地上与地下部分的养分利用策略及分配规律存在协同作用,这为进一步认识西北干旱区荒漠植物的养分利用策略提供了试验基础.

植物-土壤作为构成生态系统养分循环的连续体,在某种程度上决定了草地生态系统的养分平衡和系统稳定性.碳(C)、氮(N)和磷(P)是生态系统中三种主要的营养元素,它们参与了生态系统的养分循环,在生态系统结构功能维持中起着基础性作用,且生态系统内部的C、N、P循环在植物、土壤和微生物之间相互转换.为了探究黄帚橐吾(Ligularia virgaurea)在扩散过程中对草地生态系统养分循环的影响,以黄帚橐吾微斑块为研究对象,根据斑块密度界定6个密度梯度,分别为D0(0株/m2)、D1(43株/m2)、D2(99株/m2)、D3(163株/m2)、D4(332株/m2)和D5(621株/m2),分析了不同密度斑块的草地植物、土壤和土壤微生物生物量C、N、P含量及其生态化学计量的变化情况.结果表明,随着黄帚橐吾密度的增大,草地植物群落的C含量呈增加趋势,植物N含量略微上升后显著下降,且当黄帚橐吾密度≥160株/m2时,植物N含量显著降低,植物P含量呈先降低后升高的趋势,C∶N比呈逐渐上升趋势,C∶P比呈先上升后降低趋势,N∶P比呈先上升后降低趋势;土壤C、N、P含量均呈先增加后降低趋势,其中C含量在D2达到最大值,N含量为D1-D4高于D0和D5,但各斑块差异不显著,P含量为D3显著高于其余斑块,C∶N在D5达到最大值,C∶P在D2达到最大值,土壤N∶P呈略微降低后又有所增加,土壤养分主要受N限制;MBC随着黄帚橐吾密度的增加有降低趋势,而MBN和MBP变化均表现为"N"字型,MBN∶MBP呈先增加后降低趋势.通过相关性分析和RDA分析得到,黄帚橐吾密度与植物C、N、MBN以及MBP显著相关,植物C含量和土壤C含量与MBN呈显著正相关,土壤养分与微生物量的关系更为密切.

琥珀酸作为一种重要的 C4 平台化合物,广泛应用于食品、化学、医药等领域.利用大肠杆菌(Escherichia coli)发酵生产琥珀酸受胞内辅因子不平衡的影响,存在产率低、生产强度低、副产物多等问题.为此,对不同氧气条件下琥珀酸产量和化学计量学分析发现,微厌氧条件下E.coli FMME-N-26 高效积累琥珀酸需要借助三羧酸循环(tricarboxylic acid cycle,TCA)为还原性三羧酸途径(reductive tricarboxylic acid pathway,r-TCA)提供足够的ATP和NADH.通过减少ATP消耗、强化ATP合成、阻断NADH竞争途径和构建NADH回补路径等代谢工程策略,组合调控胞内ATP与NADH含量,获得工程菌株E.coli FW-17.通过发酵条件优化,菌株E.coli FW-17 在 5 L发酵罐能积累 139.52 g/L琥珀酸,比出发菌株提高了 17.81%,乙酸浓度为 1.40 g/L,降低了 67.59%.进一步在 1 000 L发酵罐中进行放大实验,琥珀酸产量和乙酸浓度分别为 140.2 g/L和 1.38 g/L.

叶片气孔不仅是植物平衡光合-蒸腾关系的重要门户,也是影响大气碳循环与水循环的关键结构.分析热岛效应下福州市乔木、灌木、草本3种生活型和常绿、落叶2种叶习性植物的气孔性状间的差异及其与其他叶功能性状间的权衡关系有助于探究不同类型植物在热环境下的适应策略.以福州市区的自然和半自然植被为研究对象,测定441个植物样本的气孔特征、化学计量特征和形态特征,结果表明:(1)3种生活型、2种叶习性植物的气孔长度(SL)、气孔密度(SD)差异显著(P＜0.05),潜在气孔导度指数(PCI)不存在显著差异(P＞0.05).草本的SL高于灌木和乔木,乔木的SD最高,灌木次之,草本最低;落叶植物的SL高于常绿植物,SD低于常绿植物.(2)SL与SD间的权衡关系稳定存在于3种生活型和2种叶习性植物中,且随着不同生活型和落叶习性植物的生态策略而呈现各异的权衡特征,即当SL一定时,乔木的SD最大,灌木的SD最小,常绿植物的SD大于落叶植物.(3)气孔性状和叶片形态、化学计量特征紧密联系,SL与比叶面积(SLA)正相关(P＜0.01),与叶面积(LA)负相关(P＜0.01);SD与叶氮含量(LNC)、叶磷含量(LPC)、SLA负相关(P＜0.01),与LA正相关(P＜0.01);PCI与LNC、SLA负相关(P＜0.01),与叶厚度(LT)正相关(P＜0.05).(4)复杂的环境是气孔性状变异的重要驱动因素,SL、PCI均与年均温(MAT)负相关(P＜0.05).

弄清半干旱区植物叶片和细根的碳(C)、氮(N)、磷(P)元素的化学计量特征及其关联性对于认识植物C、N、P元素之间的交互作用及平衡制约关系、植物的养分利用策略,以及对全球变化的响应具有重要的意义.该研究对科尔沁沙地60种主要植物叶片和细根的C含量、N含量、P含量、C∶N、C∶P、N∶P的差异性及其相关性进行了研究.结果表明:1)科尔沁沙地60种主要植物叶片平均C含量、N含量、P含量和C∶N∶P分别为424.20 mg.g1、25.60 mgg1、2.10 mg.g-1和202∶12∶1.细根平均C含量、N含量、P含量和C∶N∶P分别为434.03mg.g-1、13.54 mg.g-1、1.13mg.g-1和384∶12∶1.细根N、P含量近似等于叶片平均N、P含量的1/2;叶片与细根的N∶P并无显著差异,具有明显的保守性,反映了植物地上和地下养分吸收与分配比例的一致性;2)不同生活型植物间叶片和细根的C、N、P含量及其化学计量比存在显著差异,杂类草植物具有较高的叶片N、P含量,禾草类植物具有较高的叶片C∶N和C∶P,一年生杂类草和禾草类植物叶片的N∶P较低.与非豆科植物相比,豆科植物具有较高的C、N含量和较低的C∶N,表明不同生活型植物对养分的适应策略不同;3)相关分析表明,叶片和细根的N、P含量间显著正相关,细根C含量与N含量之间以及C含量与P含量之间显著负相关,表明植物体内这3种元素之间存在相互作用;4)科尔沁沙地植物叶片和细根间的C、N、P含量及化学计量比均有显著的正相关关系,说明植物光合产物和养分在地上和地下部分之间分配具有平行的比例关系,但不同生活型植物叶片和细根之间元素含量的相关性存在一定差异,这可能与不同生活型植物的养分利用效率有关.

目的:建立一种快速分析发酵虫草菌丝粉中挥发性成分的方法,并用于不同菌种发酵虫草产品的鉴别和特征性成分的寻找.方法:利用顶空固相微萃取结合气相色谱质谱联用(HS-SPME/GC-MS)技术测定发酵虫草菌丝粉的挥发性成分,在优化萃取头、萃取温度、吸附时间、预平衡时间和解吸时间等萃取条件的基础上,建立发酵虫草菌丝粉的HS-SPME/GC-MS测定方法,用峰面积归一化法计算各成分的相对含量,采用主成分分析(PCA)和偏最小二乘判别分析(PLS-DA)2种化学计量学方法对数据进行分析.结果:最佳萃取条件为DVB/CAR-PDMS萃取头、萃取温度90℃、吸附时间80 min、预平衡时间40 min、解析时间2min.利用建立的HS-SPME/GC-MS方法从金水宝胶囊、百令胶囊、宁心宝胶囊、至灵胶囊和心肝宝胶囊5种发酵虫草制剂中分别鉴定出56、71、72、81和75个化合物,主要包括酯类、醇类、羧酸类、醛类、烃类、酮类、杂环类化合物等.通过化学计量学方法对HS-SPME/GC-MS数据进行处理,实现了不同发酵虫草制剂和伪品的鉴别,并寻找到5种发酵虫草产品中的特征挥发性成分,分别为马索亚内酯、吡嗪酰胺、2-吡咯烷酮、棕榈酸乙酯和棕榈酸.结论:HS-SPME/GC-MS方法可用于发酵虫草产品中挥发性成分的快速分析.结合化学计量学方法对不同发酵虫草制剂进行鉴别和差异性成分寻找,为特征性指标成分的确定提供了一条新思路,为发酵虫草制剂质量标准的制定和提升提供了科学依据.

碳(C)、氮(N)作为植物必需的养分元素,其二者间的相互作用以及其与生境的关系影响着植物生长发育和营养状况,反映了植物的生长速率.研究藏北高寒草地58个样点植物C、N化学计量特征及植物C、N含量和C∶N与环境因子的关系.结果表明:(1)高寒草地植物的C、N耦合关系存在差异,可分为高碳氮比植物(lg(C)/lg(N)=0.926)和低碳氮比植物(lg(C)/(lg(N)=0.105);(2)藏北地区高寒草地植物C含量为382.24 mg·g-1、N含量为17.76 mg·g-1,植物C∶N平均值为22.24,且N的变异系数＞C∶N的变异系数＞C的变异系数;(3)高碳氮比情况下,主要环境因子对植物碳、氮及碳比氮分布变化的解释量:土壤有机碳(SOC)(48.91％)＞土壤全氮(STN)(30.50％)＞温度(27.47％)＞降水(16.66％);低碳氮比情况下,环境因子对植物碳、氮及碳氮比分布变化的解释变量:降水(18.78％)＞经度(16.32％)＞干旱指数(14.35％)＞植物物种丰富度(12.58％);(4)对于高碳氮比的植物,植物C、N含量随着SOC含量的增加而降低(P＜0.05),植物C∶N受环境因素影响不显著;而对于低碳氮比的植物,植物C含量和C∶N值与降雨、经度、干燥度和植物物种丰富度均呈负相关关系.研究结果对于高寒草地的可持续利用及生态保育与恢复提供了理论依据.

近年来大量的氮添加实验表明,持续氮沉降往往会造成植物生长由氮限制转变为磷限制或氮磷共限制,但目前还很少有报道涉及磷添加或氮磷共同添加以研究氮磷元素之间的平衡/失衡的生态后果.本研究依托额尔古纳氮磷添加平台,研究了草甸草原4种优势植物羊草(Leymus chinensis)、贝加尔针茅(Stipa baicalensis)、狭叶柴胡(Bupleurum scorzonerifolium)和披针叶黄华(Thermopsis lanceolata)根系及叶片碳(C)、氮(N)、磷(P)含量与计量特征的变化.结果表明:氮添加或磷添加对4种植物根、叶部的C含量均无显著影响;磷添加对羊草、贝加尔针茅和狭叶柴胡的根、叶部N含量和C∶N无显著影响,对羊草根部、狭叶柴胡叶部的P含量和C∶P也无显著影响,但显著增加了羊草叶、狭叶柴胡根以及贝加尔针茅根和叶部的P含量,降低了其C∶P;氮添加显著提高了羊草、贝加尔针茅和狭叶柴胡根、叶部的N含量,降低了其C∶N,对羊草和狭叶柴胡根、叶部的P含量和C∶P无显著影响,但显著增加贝加尔针茅根、叶部的P含量和降低其C∶P,同时显著提高了羊草、贝加尔针茅和狭叶柴胡根、叶部的N∶P;氮添加和磷添加对豆科植物披针叶黄华根、叶部的养分含量与计量特征均无显著影响;氮磷添加对4种植物根、叶部养分含量与计量特征的影响均不存在显著交互作用.研究结果说明,物种属性在决定植物养分和化学计量特征对养分富集的响应方面发挥着重要作用.不同物种养分含量和计量特征发生的改变对于预测未来养分富集情况下植物群落组成的改变将具有重要参考意义.

通过对湖北省13个湖库悬浮物和中型浮游动物群体碳氮磷比的分析, 探讨了浮游动物与食物之间的元素耦联和不平衡性是如何随食物质量的改变而变化, 以及这种不平衡性对生态系统浮游动植物间能量传递效率的影响.结果显示: 中型浮游动物C∶N比和C∶P比分别随悬浮物C∶N比和C∶P比的增加而变大.悬浮物-中型浮游动物之间的元素不平衡性不仅与悬浮物C∶N比显著正相关(r=0.97, P＜0.001), 且与悬浮物C∶P比也显著正相关(r=0.81, P=0.001).浮游动植物之间的能量传递效率与悬浮物-中型浮游动物C∶P比差值呈显著负相关(r= –0.58, P=0.037), 但与其C∶N比差值关系不显著(P＞0.05).此外, 中型浮游动物生物量也随其与悬浮物之间C∶P比差值的增大而下降(r= –0.59, P=0.033).这些结果表明, 悬浮物碳氮磷比能显著影响中型浮游动物群体的碳氮磷比组成, 两者之间的元素不平衡性随前者的增加而变大并进而降低能量向后者的传递.