实时评估干旱半干旱区的生态环境质量,对我国干旱半干旱区生态环境可持续发展具有至关重要的意义.本研究以阴山北麓典型地区内蒙古武川县为研究区,利用谷歌地球引擎,耦合绿度、湿度、干度、表土粒度、热度5个指标,构建表土遥感生态指数(TRSEI),对武川县1990-2020年生态环境质量进行评价,并采用一元线性回归、多元回归残差分析以及Hurst指数等方法揭示生态环境质量的时空演变及其驱动因素.结果表明:研究区TRSEI的第1主成分贡献度超过70％,特征值均值达0.148,表明TRSEI能有效集成各生态指标信息,引入的表土粒度指标对干旱半干旱区生态环境质量评价有重要意义.1990-2020年,研究区TRSEI波动范围在0.289～0.458,整体呈轻微恶化趋势;耕地及退耕区生态环境质量有所改善,改善区域面积占总面积的47.9％,而草地、裸地、城建区恶化,恶化区域面积占总面积的52.1％.未来,36.9％区域的生态环境质量将持续改善,而41.4％区域可能持续恶化.人类活动是研究区生态环境质量变化的主要驱动因素,面积占比88.6％;气候变化同样有显著影响,面积占比11.4％.TRSEI能够有效评估干旱半干旱区生态环境质量,可为干旱半干旱区生态保护建设提供科学依据.

[目的]蒙古黄芪是黄芪药材的重要基原植物,其主要种植地内蒙古、山西、甘肃等地均属于干旱、半干旱地区,不定期间歇式降雨造成了植物干旱复水循环.研究蒙古黄芪在干旱及复水过程中代谢产物的变化特征对于了解其响应自然间歇降雨的干旱胁迫机制非常关键.[方法]试验以1年生蒙古黄芪种苗为材料,进行反复干旱胁迫及复水处理后,测定盆栽土壤养分及其根长、根粗,用基于NMR的代谢组学技术分析蒙古黄芪的初生差异代谢物,并进行差异代谢物筛选及代谢通路分析;用亚硝酸钠-硝酸铝-氢氧化钠法、香草醛-冰醋酸比色法和苯酚-硫酸比色法测定反复干旱胁迫处理下蒙古黄芪根中总黄酮、总皂苷及多糖物质含量.[结果](1)蒙古黄芪在干旱胁迫时会呈现根粗减小,根长和须根密度增加的趋势.(2)干旱及复水处理下,代谢组共检测到42种代谢产物,主要是氨基酸及其衍生物、有机酸、胺类及氨类化合物和糖类等;代谢通路分析表明,植株在反复干旱胁迫过程中主要影响体内的氨基酸代谢途径,通过增加天冬氨酸、丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸及精氨酸的含量,降低天冬酰胺、色氨酸和4-氨基丁酸的含量来增强自身抗旱性,具体表现为丙氨酸、谷氨酸、脯氨酸等代谢物增加1～3倍,色氨酸和4-氨基丁酸等代谢物下降1～2倍.(3)在第1轮干旱胁迫下蒙古黄芪总皂苷积累,而第2轮干旱胁迫后黄芪皂苷、总黄酮类、多糖3种活性物质的生成量减少,均呈下降趋势.[结论]氨基酸及其衍生物类与蒙古黄芪响应水分胁迫的机制密切相关,同时植株也会调节自身的次生代谢产物以响应环境变化.

青藏高原在全球气候变化背景下展现出高度生态敏感性及脆弱性,而对其典型优势种的适生区时空动态进行预测既是实行生态恢复的前提,也能为制定保护对策提供依据.本研究以青藏高原温性荒漠草原的优势种中亚紫菀木(Asterothamnus centraliasiaticus)为对象,基于MaxEnt模型,结合82条中亚紫菀木在青藏高原的有效分布记录和筛选后的6个生物气候变量,模拟预测中亚紫菀木在历史(全新世中期)、当前及未来4种气候排放浓度情景下的潜在分布区,并结合气候因子的贡献率及刀切法检验来分析制约中亚紫菀木地理分布的重要气候因子.结果表明:温度变量是影响青藏高原中亚紫菀木地理分布的主要气候限制因素,而降水变量是影响中亚紫菀木潜在地理分布的辅助生物气候变量;适合中亚紫菀木生长的最暖月最高温度(Bio5)范围为16.5～38.5℃,最暖季降水(Bio18)变化范围为55.0～1885.5 mm;从全新世中期到当前阶段是青藏高原中亚紫菀木种群扩张阶段,其种群主要聚集在青藏高原东北缘干旱半干旱地区;从当前到未来阶段,中亚紫菀木总适生区变化呈"先增加后降低"趋势,但中、高适生区却呈直线下降趋势;此外,中亚紫菀木在未来有逐渐向东迁移趋势.综合分析表明,在全球气候变化背景下,中亚紫菀木在青藏高原范围内的生存繁殖仍存在较大挑战.可根据其迁移趋势建立相关合理保护利用措施,以保持中亚紫菀木栖息地的连续性.

草地生物多样性对于维持其生态系统服务功能至关重要,无人机遥感凭借机动灵活、高分辨率、高效率和低成本的优势,近年来在草地物种调查与研究中受到关注.然而,目前关于草地植物多样性无人机调查的研究仍然不够深入.本研究通过无人机航拍和人工地面调查对呼伦贝尔草甸草原区的植物多样性进行调查,通过比较不同样方布设方式、不同拍摄方式下观测到的物种数量和调查所用时间,探讨扩大调查面积对调查结果的影响以及利用无人机开展草地植物多样性调查的最佳拍摄参数和时间效率,分析草地植物多样性无人机调查的应用潜力.结果表明:(1)开展草地植物多样性调查时,物种数量随调查面积在一定范围内的增加而增多,与人工调查有限个样方相比,利用无人机进行大面积调查能够观测到更多的物种.(2)在半干旱地区草甸草原植物多样性调查中,用于物种识别的无人机RGB影像空间分辨率应优于0.45 mm,分辨率为0.45 mm时能识别67.16％的物种;在观测角度方面,采用两种方式进行拍摄为佳,可在90°垂直拍摄基础上增加45°或60°倾斜拍摄.(3)采用无人机调查可大幅缩短物种调查所用时间,但应配合高精度的物种智能识别模型以提高调查效率.本研究通过对比无人机与传统的人工地面调查观测到的物种数量,进一步验证了无人机遥感用于草地植物多样性调查的可行性,首次探讨了利用无人机获取可见光影像用于草地物种调查时的关键参数,研究结果可推动无人机在草地监测、调查和保护工作中的应用.

在全球气候变化的影响下,干旱和半干旱地区的降水格局呈现出降雨强度增加、降雨频率减少但降雨总量不变的趋势.大气氮沉降作为另一个全球气候变化的重要因子,沉降速率逐年加剧,显著影响生态功能及过程.线虫是陆地生态系统中最主要的土壤生物,参与多种地下生态过程.线虫群落的多样性尤其是功能、系统发育多样性如何对降水格局的改变做出响应,以及氮沉降如何调节这些响应,目前仍不清楚.本研究利用中国科学院植物研究所多伦恢复生态学试验研究站长期模拟降水格局改变及氮沉降添加试验平台,开展了5个降雨强度(2 mm、5 mm、10 mm、20 mm、40mm)处理和氮添加(10gN·m-2·yr-1)对土壤线虫分类、功能和系统发育多样性的影响研究.结果表明,降水强度较强但频率较低可以提高线虫的分类α多样性、功能α多样性、系统发育α多样性;同时降低了分类β多样性和系统发育β多样性.然而,氮添加降低了中高强度降水处理下线虫的分类α多样性、功能α多样性、系统发育α多样性,同时提高了分类β多样性、功能β多样性和系统发育β多样性.土壤含水量和土壤微生物量碳含量是影响线虫功能及系统发育多样性的主要因素.本研究结果表明,由于全球气候变化,未来几十年降雨强度的增加可能有利于干旱和半干旱生态系统中的土壤线虫功能多样性和系统发育多样性.然而,在氮沉降严重的地区,这种正效应可能会被氮沉降导致的土壤环境的恶化所抵消.

小黑杨(Populus simonii×P.nigra)是东北地区速生、耐寒、材性优良的树种.为了创制适种范围广、耐旱性状明显改良的林木新种质,利用小黑杨为材料,以干旱胁迫关键响应因子PsnNAC007转录因子为对象,创制了小黑杨过表达OE-PsnNAC007转基因植株.对OE-PsnNAC007转基因植株的生长指标、干旱胁迫适应能力、净光合速率(Pn)、蒸腾速率(Tr)、气孔导度(Gs)、导水率指标、细胞形态和木材组分进行分析.结果显示:与野生型小黑杨相比,转基因植株的生长情况无明显差异,而干旱胁迫成活率提高了26.15%.在干旱胁迫条件下,转基因植株气孔导度减小、蒸腾速率下降、水分利用效率明显提高,植株茎干的导水率损失显著减少.解剖学分析发现,PsnNAC007的过量表达导致植株茎干产生更多、更小的导管细胞,这种细胞特性有利于植株在干旱条件下维持水分连续高效的运输.木材组分分析发现,转基因植株茎干木质素沉积明显增强,构成纤维素、半纤维素的单糖含量均无明显变化.

旨在探究喀斯特地区退化生态系统植被恢复树种凋落叶分解过程及其对土壤碳排放的激发效应,为选择合适的树种进行植被恢复提供数据支持.以中国林科院热带林业实验中心大青山石山树木园11种适应性强、耐干旱贫瘠的优良石山树种为研究对象,利用13C自然丰度法区分凋落叶和土壤来源CO2并量化土壤激发效应,比较不同生态恢复树种凋落叶分解及其激发效应的差异,探讨凋落物分解及其激发效应与凋落物性状之间的关联.结果表明:(1)11个生态恢复树种凋落叶在碳相关化学性质(水溶性碳、半纤维素和单宁含量等)、养分含量(磷和镁含量等)及化学计量特征(碳磷比和氮磷比)等方面均表现出较高程度变异.(2)不同生态恢复树种凋落叶分解及其诱导的土壤激发效应具有极显著差异(P＜0.001);在整个培养实验期间,11个生态恢复树种凋落叶平均分解了 35.3％,其中海南椴分解最快,达到50％,而青冈栎分解最慢,仅分解16.5％.(3)总体上看,凋落叶处理的土壤呼吸速率(5.1 mg C kg-1 土壤d-1)是对照土壤呼吸速率(2.3 mg C kg-1 土壤d-1)的2.2倍,凋落叶添加显著促进土壤有机碳分解,平均达到37.6％;其中海南椴、割舌树和任豆凋落叶输入则抑制土壤有机碳分解(抑制程度分别为-13.2％、-6.9％和-22.5％),产生负激发效应.(4)凋落叶分解与非结构性碳(r=0.63,P=0.04)和水溶性碳(r=0.91,P＜0.001)呈显著正相关,与叶干物质含量(r=0.64,P=0.03)、纤维素(r=0.62,P=0.04)和锰含量(r=-0.63,P=0.04)呈显著负相关.多元回归分析结果表明,水溶性碳、钾和钙含量相结合可以解释生态恢复树种凋落叶分解变异的98％;然而,凋落叶性状与土壤激发效应强度之间并没有显著相关性.从土壤养分归还角度考虑,喀斯特退化生态系统恢复树种可以选择光皮梾木、海南椴、顶果木和降香黄檀等凋落叶分解较快的树种,以促进土壤养分循环和植被恢复;另一方面,从土壤碳固持角度来看,海南椴、任豆和割舌树等凋落叶输入会抑制土壤有机碳分解,从而有利于提高退化生态系统土壤碳封存能力.

荒漠草原区人工灌丛生态系统的总初级生产力(GPP)和蒸散(ET)如何响应全球气候变化,不仅是全球变化生态学研究的核心问题,也关乎干旱半干旱风沙区生态建设的可持续性.利用参数优化后的生物群区生物地球化学循环(Biome-BGC)模型和气象环境驱动数据,考虑不同气候变化情景和未来趋势,模拟了盐池荒漠草原区人工灌丛生态系统GPP和ET对气候变化的响应.结果表明:(1)增温会显著抑制生态系统的GPP,大幅度的增温(3℃)会导致GPP急剧下降,但增温对ET的抑制作用非常微弱;(2)降水是限制ET变化的重要因素,相对于增温诱发干旱胁迫所引起的ET小幅下降,降水多寡则更直接地控制着生态系统的ET大小;(3)中国西北地区未来气候的"暖湿化"趋势和大气CO2浓度升高会对荒漠草原区人工灌丛生态系统产生综合驱动效应,增强陆地和大气间的碳水交换通量.研究成果可为干旱半干旱区应对全球变化及指导地方政府制定生态保护修复政策提供科学依据.

[目的]干旱严重影响药材的产量和品质.揭示外源钙缓解桔梗干旱胁迫伤害的潜在生理机制,可为利用外源钙提高干旱、半干旱地区桔梗耐旱性和药用品质提供理论依据.[方法]以桔梗幼苗为材料,采用盆栽试验在干旱条件下叶面喷施10 mmol/L CaCl2,研究外源钙对桔梗幼苗生长、光合气体交换参数、抗氧化酶活性及药用部位品质等的影响.[结果](1)外源钙能促进干旱胁迫下桔梗根长和干鲜生物量增加,同时促使其叶片气孔开度、叶绿素a含量、总叶绿素含量、类胡萝卜素含量、净光合速率、气孔导度和蒸腾速率分别显著增加30.28％、57.67％、44.44％、100.33％、89.53％、60.00％和83.11％.(2)外源钙使干旱胁迫下桔梗叶片丙二醛、过氧化氢含量分别显著降低13.82％和18.66％,同时使其叶片过氧化物酶、超氧化物歧化酶和过氧化氢酶活性分别增加了25.43％、7.90％和33.92％,也显著提高其根中可溶性蛋白含量.(3)外源钙促进桔梗根中皂苷D、多糖、总黄酮、游离氨基酸在正常条件下分别显著增加35.34％、34.87％、4.19％和6.52％,在干旱胁迫分别显著增加10.94％、7.53％、6.07％和5.78％.(4)桔梗地上部和地下部N、P、K、Ca、Cu、Mn含量在干旱胁迫下显著降低,而在外源钙处理下能不同程度地提高.[结论]喷施10 mmol/L CaCl2能增强干旱环境中桔梗叶片抗氧化系统活性和渗透调节能力,提高光合色素含量和光合性能,协同促进次生代谢产物和矿质元素累积,改善药用部位品质,缓解干旱对桔梗幼苗的伤害.

为了筛选出对红叶螨Tetranychus pueraricola抗性强的红小豆Vigna angularis品种,本研究采用叶片被害指数、盆栽虫口密度、螨量比值、叶绿素含量和田间自然种群密度5种抗性鉴定方法对13个红小豆品种的抗螨性进行评价.5种抗性鉴定方法在评价红小豆品种抗螨性上具有较高的一致性,彼此间的相关性均达到极显著水平(P＜0.01).田间自然种群密度法与螨量比值法,相关系数的绝对值最大达0.971,田间自然种群密度法可作为红小豆对红叶螨抗性的最佳评价方法.利用5种抗螨性鉴定方法的抗性指标进行系统聚类,将13个红小豆品种分为5大类,综合判断农垦红和珍珠红为高抗品种,天津红和中红7号为高感品种.红小豆不同品种对红叶螨抗感性的评价结果可作为黑龙江省红小豆田间品种布局的参考,对黑龙江半干旱地区杂粮作物害虫治理具有重要指导意义.